Тензорезистивные преобразователи силы неэлектрических величин

В качестве датчика  выберем тензодатчик алюминиевый консольного типа BCA фирмы CAS.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 –  Внешний вид тензодатчика типа BCA

• Экономичный

• Низкопрофильный

• Допускает  внецентренное нагружение

• IP 65

Материал

Алюминиевый сплав

Кабель    4 х жильный в ПВХ оплетке

Максимальный  размер платформы

400 x 400mm (поперек,  вдоль датчика) [6]

 

 

 

Таблица 2.1- Технические характеристики

 

Номинальная нагрузка, kgf	60, 100, 150, 200
РКП номинальный, мВ/В	2.0±0.2
Нулевой сигнал мВ/В	0±0.1
1Общая ошибка, %	0.03
Повторяемость, %	0.01
Ползучесть (30 мин), %	0.03
Температурный дрейф нуля, %/10°C	0.028
Температурный дрейф сигнала, %/10°C	0.014
Напряжение  питания номинальное, В	10
Напряжение питания максимальное, В	15
Сопротивление входное, Ом	400 ±20
Сопротивление выходное, Ом	350 ±3.5
Сопротивление изоляции, Мом	> 2,000
Температурный диапазон с компенсацией температурного дрейфа,    °C	-10 to +40
Эксплуатационный температурный диапазон, °C	-20 to +70
Номинальная нагрузка, kgf	60, 100, 150, 200

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 – Тензорезистивный ПИП фирмы СAS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С помощью тензорезисторов  могут быть измерены конечные деформации (прогибы) инженерных сооружений или перемещения одних физических тел по отношению к другим. Для этого тензочувствительные элементы необходимо расположить на дополнительных упругих элементах, линейная деформация на поверхности которых пропорциональна исследуемому перемещению.

Наибольшее  распространение нашли преобразователи  перемещений с упругими элементами в виде: а) консольных балок; б) П-образных арок; в) скобок с косинусоидальной погибью; г). Арок с цилиндрической вставкой.

Тензочувствительные элементы целесообразно располагать районе максимальных линейных деформаций и использовать в качестве в качестве

Рабочих оба плеча  внешнего полумоста т.е. активный и копенсационный тензорезисторы.

На рисунке приведена  схема простейшего преобразователя  перемещений с призматической консольной балкой. Для измерения перемещений преобразователь крепится к условно неподвижной точке, а свободный конец балки связывается с неподвижной точкой перемещений которой измеряется. Зависимость между прогибом свободного конца балки υ и деформацией ε_{x на} поверхности в сечении, удаленном от заделки на расстояние Х, будет иметь вид:

                                  (2.1)

 

Где l и H – длина и толщина балки.

Для получения  точных и достоверных данных, упрощении  технологии установки тензорезистора, оптимизации работы тензорезистора в заданных внешних рабочих условиях следует уделить особое внимание выбору тензорезистора. При этом следует учитывать, что установка и рабочие характеристики тензорезистора зависят от следующих параметров:

материал фольги решетки  и материал подложки

геометрия решетки и активная длина решетки (база)

сопротивление тензорезитосра и показатель термокомпенсации

дополнительные  опции

Таким образом, процесс выбора тензористора сводится к определению комбинации параметров, обеспечивающих необходимую точность измерений в заданных условиях эксплуатации и, при этом, минимизируют затраты  на установку. Данные критерии можно  представить в виде списка требований, например:

Точность измерения 

Стабильность  показаний

Температура

Диапазон упругой  деформации

Продолжительность испытания 

Циклический рабочий  ресурс

Сложность установки 

Внешние условия 

Комплексный подход к решению измерительной задачи позволяет найти оптимальное экономическое решение относительно точности и достоверности результатов испытаний. Для этого необходимо учесть не только стоимость тензорезистора (включая опции), но и затраты на средства подготовки поверхности, инструментов монтажа, клея, кабелей, средств защиты поверхности,а также временные затраты на установку тензорезистора.

Области применения тензорезисторов

Точные исследования напряженных состояний проводятся с помощью известного метода –  тензометрических измерений. Тензорезисторы являются основой измерений в этой области. Тензорезисторы могут также измерять и преобразовывать разнообразные физические величины в электрические сигналы. Из-за этого они нашли широкое применение в датчиках силы, давления, перемещения, ускорения или вращающего момента.

Тензорезисторы  позволяют сделать все это  следующим образом:

Точное измерение  напряжения, в определенном месте  на поверхности измеряемого объекта.

Быстрый отклик для скоростных измерений, благодаря  компактной и легкой структуре.

Хорошая линейность в пределах широкого диапазона напряжений.

Измерения в  широком диапазоне температур и  в неблагоприятных окружающих средах.

Возможность измерений  на удалении для задач мониторинга.

Основой тензорезистора служит чувствительный элемент, металлический или полупроводниковый, сопротивление которого изменяется пропорционально напряжению на поверхности измеряемого объекта.

Чувствительный  элемент выполнен в виде тонких полосок  из константанового сплава и размещен на подложке из полиамида или другого материала. Сверху решетка покрывается защитной пленкой. Это – классическое представление структуры тензорезистора, готового к применению на поверхности измеряемого объекта. Для соединения с поверхностью объекта измерений, как правило, применяется клей.

 

Тип тензорезисторов, высокоомного исполнения (400…700 Ом), рекомендуется  использовать при применении удаленных  тензоусилителей, в связи с тем, что это позволяет значительно  сократить потребление электроэнергии.

  3 Описание принципа действия ПИП

             Взятую за основу  структурную схему одноканального тензорезитора с аппаратурой позволяют составить структурную схему одноканального тензометрического устройства. Такая схема приведена на рисуноке 3.1 . Мост активных сопротивлений 1 содержит тензорезистор, на который воздействует измеряемая величина. Питание моста производится от генератора прямоугольных импульсов 2. Напряжение разбаланса моста усиливается импульсным усилителем 3 и подается на управляемый детектор 4.              

          Управление пиковым детектором производится короткими импульсами от генератора управляющих импульсов 6, который срабатывает с задержкой относительно фронта импульса питания.Требуемое время задержки устанавливается каскадом задержки 5.

        При измерении изменяющейся во времени величины на запоминающем конденсаторе С_о пикового детектора образуется ступенчатое напряжение, которое усиливается усилителем постоянного тока 7 и регистрируется прибором 8. В качестве регистрирующего прибора 8 может быть использоваен электромеханический осциллограф для записи информации.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1–  Структурная схема одноканального тензорезитора с аппаратурой

Сама схема  измерительного моста 1 представлена на рисунке 3.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.2  - два активных тензорезистора, двухпроводная схема включения. Без термокомпенсации. Деформация изгиба исключена.

                                  

                                   e₀ = (E/4)·K_s·ε₀                            (3.1)

Ks – K-фактор 

ε₀ – деформация

E – питание  моста 

e₀ – выходное напряжение

Rg – сопротивление  тензорезистора 

R – постоянное  сопротивление

где, Rg1..деформация – ε1

Rg2..деформация  – ε2 

ε₀ =  (ε1+ε2)/2

R – постоянное сопротивление 

R = Rg1+Rg2

 

 

 

 

 

Рисунок 3.3 –  внешний вид закрепления тензорезисторов  на балке

 

Результат измерения будет зависеть от балки на которой крепится (наклеен) тензорезистор. [4]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Вывод  и анализ функции преобразования (статической характеристики) ПИП

 

Статическая характеристика – это зависимость выходного параметра от входного (измеряемого) параметра.

Статическая характеристика может описываться несколькими  способами:

- графически (в  виде зависимостей в системе координат)

- табличным  способом

- аналитически

По виду статические  характеристики бывают:

- идеальные

- реальные

Оба вида характеристик можно  описать математической выражением (математической зависимостью), но реальную зависимость зачастую описать очень сложно.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.1 – Статическая характеристика тензорезистора.

 

 

 

 

 

 

5 Динамические  характеристики ПИП и (или) его элементов

Динамические  характеристики- параметры датчика, зависящие от времени.

Для отображения  относительного уменьшения выходного  сигнала при увеличении частоты  применяется амплитудно-частотная  характеристика. Для описания динамических характеристик датчиков часто используется граничная частота, соответствующая 3-дБ снижению выходного сигнала, показывающая на какой частоте происходит 30% уменьшение выходного напряжения или тока.

Динамическая  характеристика - это реакция системы на возмущение (зависимость изменения выходных переменных от входных и от времени).

Динамическую  характеристику измерительного устройства принято описывать дифференциальным уравнением, передаточной или комплексной  частотной функциями.

Коэффициент усиления может быть определен как по статической характеристике, так и по динамической.

Дифференциальное уравнение, является исчерпывающей характеристикой инерционных свойств измерительного устройства. Она позволяет определять реакцию измерительного устройства на входные сигналы, изменяющиеся во времени по любому закону.

 

Возможные варианты выходных сигналов датчиков в ответ  на ступенчатое внешнее воздействие.

 Варианты  выходных сигналов:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.1 -Возможные варианты выходных сигналов датчиков в ответ на ступенчатое внешнее воздействие.

 

А - бесконечные  верхняя и нижние частоты,

 В- система  первого порядка с ограниченной  верхней частотой среза,

 С - система  первого порядка с ограниченной  нижней частотой среза,