Методы преобразования механических величин в электрические

Испытания машин связано с измерением механических величин – крутящих моментов, усилий, частот вращения, скоростей, ускорений, перемещений и др.

На данном этапе развития измерительной техники механические величины преобразовываются в электрические сигналы, которые в процессе испытаний записываются на фотографическую или магнитную ленту. Преобразователь механической величины в электрическую – основной элемент измерительного прибора. Выбор преобразователя ориентируется на выбор схемы усилительного устройства и блока питания. Параметры измерительного устройства зависят от возможностей преобразователя.

Преобразователи делятся на две группы:

- активные (генераторные);

- пассивные (параметрические).

У первых входная величина преобразуется непосредственно в электрический сигнал, у вторых – электрические параметры измеряются в зависимости от сопротивлений, емкостей, частоты и др.

К первой группе относятся пьезоэлектрические и индукционные преобразователи; ко второй – емкостные, индуктивные и др.

В отличие от параметрических, питаемых от внешнего источника питания, активные преобразователи под воздействием измеряемой величины сами генерируют ЭДС. Если непосредственные преобразования входной величины в выходную не удаются, применяются промежуточные преобразователи (тензометрические), при которых под действием замеряемого параметра деформируется упругий элемент и тензодатчик, что приводит к изменению электрического сопротивления. Преобразователь должен удовлетворять ряду следующих требований:

1. иметь достаточную чувствительность и удовлетворительную стабильность;

2. допускать широкий диапазон изменений входной величины;

3. согласовываться с измеряемой аппаратурой без заметного влияния на измеряемую величину.

Наиболее простые преобразователи и датчики достаточно надежные и апробированные следующие:

- реостатные преобразователи – наиболее часто используются и представляют собой реостат, движок которого перемещается в соответствии с изменением измеряемой неэлектрической величины.

Передвижение движка возникает вследствие воздействия промежуточного элемента (мембрана, поршень и др.), то входной величиной может быть давление и др. Выходной величиной реостатного преобразователя является активное сопротивление, изменяющееся в зависимости от перемещения движка линейно или по некоторой закономерности.

Реостатные преобразователи выполняют из текстолита, стеклотекстолита, алюминиевых сплавов с изоляционной защитой. Каркасы имеют вид плоской или цилиндрической пластины, кольца или сегмента. На каркас наматывается обмотка из константановой или манганитовой проволоки. Применяются также преобразователи реохордного типа.

Недостатки реостатных преобразователей в том, что они дискретны, кроме реохордного типа, т.к. изменению измеряемой величины соответствует ступенчатое изменение сопротивления, равное сопротивлению одного витка. Это вызывает определенную погрешность при проведении измерений. Общее число витков преобразователей приблизительно 100-200.

Наиболее распространенные схемы включения реостатных преобразователей.

недостатком таких схем (а, б, в) является нелинейная зависимость тока от перемещения движка. Степень нелинейности зависит от соотношений внутренних сопротивлений гальванометра R_г и добавочного сопротивления R_д и сопротивления преобразователя R. Лишь при R стремящемся к бесконечности, например, при использовании лампового вольтметра с большим входным сопротивлением или в потенциометрических схемах (б и в) связь между выходным напряжением и смещением становиться линейной.

Нелинейность мостовых схем (г и д) незначительна. Эти мостовые схемы имеют большую чувствительность чем (а, б, в).

Тензорезисторы – измерительные преобразователи, наиболее распространенные при проведении измерений в процессе испытаний.

Принцип их работы основан на свойстве материалов изменять свое электрическое сопротивление под воздействием приложенной к ним растягивающей или сжимающей силы. Они имеют малые размеры и массу, можно измерять статические и динамические деформации. В настоящее время применяются для измерений проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы.

Проволочные – тензорезисторы представляющие собой частицу проволоки, концы которой или она целиком закреплена с помощью клея или эпоксидной смолы на упруго деформированной детали. Сжатие или растяжение детали вместе с проволокой изменяют их длину, поперечное сечение и удельное электрическое сопротивление проволоки

;

удельное электрическое сопротивление материала проволоки;

начальная длина участка проволоки до деформации;

площадь поперечного сечения проволоки.

При растяжении проволоки ее сопротивление меняется на величину и составит . Относительное сопротивление тензорезистора

- изменение длины;

- коэффициент Пуассона;

- изменение удельного электрического сопротивления.

Упругая деформация характеризуется постоянной величиной, называемая коэффициентом тензочувствительности.

; - относительная деформация преобразователя.

Коэффициент k зависит от свойств материала тензорезистора и технологии его изготовления. На него влияет качество подложки и клея. Тензорезисторы изготавливаются константановой проволоки диаметром 0,02…0,03 мм.

рис.6 Конструкция проволочного тензорезистора.

1- пленочная или лаковая основа;

2- спираль, из проволоки наклеенная на 1;

3- пленка – основа, наклеенная сверху.

В качестве основы используют бакелитовый лак, клей БФ-2 и специальные составы.

Резисторы на пленке БФ-2 работают в диапазоне температур-40…+70⁰С, а на бакелитовом лаке до +200⁰С.

Обозначение тензорезисторов:

2ПКБ-5-50Х(Г) или 2ПКП-5-50

П- выполнен из проволоки;

К- материал проволоки – константан

Б – основа – бумажная;

П – основа – пленочная;

5- размер решетки (базы);

50 – номинальное сопротивление решетки

Х – температура наклейки не более 30⁰С;

Г – температура наклейки не более 180⁰С.

Коэффициент чувствительности всех резисторов равен , номинальный рабочий ток при наклейке на металлические детали приблизительно 30 мА и указывается в паспорте. Максимально допустимые относительные деформации 0,3%.

Фольговые тензорезисторы -

Фольговые тензорезисторы имеют решетку из полосок фольги прямоугольного сечения, толщиной 4…12 мкм, которые наносят на лаковую основу. У них выше площадь контакта, тензоотдача и чувствительность. Фольговые тензорезисторы дают возможность изготовления решеток сложного профиля наиболее полно удовлетворяющим условиям измерений.

Конструкции фольговых тензорезисторов:

а— 2ФКПА; б—2ФКПД; в—2ФКПВ; г— 2ФКРГ; д— 2ФКМВ; е— 2ФКМГ