Oslash; Датчики усилия

Усилие F, масса m и ускорение a связаны вторым законом Нью­тона .Следовательно, измеряя силу инерции тела из­вестной массы, косвенным путем можно определить ускорение. Дав­ление есть усилие де­ленное на площадь. При известной площади давление можно определить измеряя усилие. Отсюда вывод: усилие, ускорение и давление измеряются одними и теми же датчиками усилия.

Известны следующие типы датчиков усилия: упругие, тензомет­риче­ские, магнитострикционные, пьезоэлектрические.

Упругие датчики усилия. Это наиболее распространенный тип датчи­ков. Они представляют собой комбинацию из упругого элемента и любого из рассмотренных выше датчика перемещения. Упругие эле­менты обладают жесткостной характеристикой

, (27)

где F – усилие, H – деформация элемента, c – жесткость элемента.

В упругих датчиках усилия применяются упругие элементы с линейной или прибли­женной к линейной характеристикой (27) (рис. 45,а). В этом случае с представляет собой постоянную величину – тангенс угла наклона характери­стики к оси H. При нелинейности F жесткость сама является функцией – производной первого порядка от F

. (28)

В упругих датчиках усилия происходит двойное преобразование: сначала усилие в упругом элементе преобразуется в перемещение подвиж­ного конца элемента, затем это перемещение в датчике пере­мещения преоб­разуется в изменение одного из параметров (активного, индуктивного или емкостного сопротивления) выходной цепи. На рис. 45, б, в и г приведены основные типы упругих эле­ментов датчиков усилия. Винтовая пружина обладает линейной жесткостной харак­теристи­кой и служит для преобразования усилия в перемещение в довольно большом диапазоне. Характеристики скобы и кольца нелинейны. Они близки к линейным на сравнительно небольшом участке, что ограни­чивает диапазон измеряемых усилий. Вместе с тем в отличие от винтовых пружин, они об­ладают высокой нагрузочной способностью при относительно небольших габаритах.

а	б	в
г	Рис. 45. Упругие датчики усилия: а – жест­костная характеристика; б – пружинный динамометр; в – упругая скоба; г – упругое кольцо

Примером является ши­роко рас­пространенное в гидроприводе электрогидравлическое реле давления (РД) (рис. 46). Принцип действия понятен из этого рисунка. Электрическую часть представляет микро­переключатель типа МП.

Тензометрические датчики усилия. Из­вестно, что сопротивле­ние метал­лического про­вод­ника R прямо про­порцио­нально его длине L и об­ратно пропорцио­нально площади сечения S

, (29)

где r – удельная прово­ди­мость проводника.

Сле­довательно, чем длиннее и тоньше проводник, тем его сопротивление выше. На этом основан принцип действия тензо­метрических датчиков или тензомет­ров. Тензометр (рис. 47) представляет собой проводник из тон­кой (диаметр 0,02–0,05 мм) проволоки, расположенный между двумя слоями диэлектрической бу­маги или пленки (са­моклея­щейся). Тензо­метр наклеивается на конструк­цию, нагрузку на которую необ­ходимо опре­делить. При дефор­мации (растяжении или сжатии) конструкции тен­зометр растяги­вается или сжимается вместе с ней, соответственно меня­ется его сопротивление.

Таким образом, тензометр можно счи­тать упругим датчиком усилия, в котором упру­гий элемент является внешним по отноше­нию к самому датчику.

Магнитострикционные дат­чики усилия. Магнитные свойства ферро­магнетиков зависят от их структуры. В ряде миниатюрных областей ферро­магнетика магнит­ные поля электронов расположены параллельно друг другу. Эти об­ласти – домены – являются миниа­тюрными постоянными маг­нитами. Они расположены хаотически. По­этому общее магнитное поле фер­ромагнетика в спокойном состоянии равно нулю. При сжатии ферромагне­тика его структура упорядочива­ется. Домены поворачиваются, ориентиру­ясь своей магнитной осью поперек направления силы сжатия. Ферромагне­тик начинает обла­дать своим собственным магнитным полем, величина ко­торого про­порциональна усилию сжатия. Такова суть магнитострикцион­ного эффекта, положенного в основу одноименного датчика. Датчик пред­ставляет собой индукционную катушку с сердечником из ферромагне­тика, подверженным сжатию измеряемым усилием. При сжатии сер­дечник обре­тает свойства постоянного магнита. Магнитное поле его изменяет индукци­онное сопротивление катушки.

Пьезоэлектрические датчики усилия. Пьезоэлектрический эф­фект заключается в том, что у некоторых полупроводников (например, у тита­ната бария) при сжатии кристалла поперек его главной элек­трической оси на перпендикулярных этой оси торцах возникает электрический потенциал, пропорцио­нальный сжа­тию. Обрат­ный пьезо­элек­трический эффект, когда при подаче потен­циала на торцы кри­сталла он сжи­мается и разжима­ется. Прямой и обратный пьезо­электриче­ский эф­фект широко рас­простра­нен в радиотех­нике, на­пример в акусти­ческих системах. На пря­мом эф­фекте осно­ван и принцип действия пьезо­электриче­ского дат­чика усилия. Он (рис. 48) состоит из двух полу­проводниковых пластин 1, зажатых в обойме 2. Необходимо отметить, что пьезоэлектрический дат­чик отно­сится к довольно редкому виду генератор­ных датчиков – он выраба­ты­вает электроэнергию в количестве, пропорцио­нальном входному сигналу.