2.Методы и средства измерения сил.
Методы измерений различных видов механических усилий имеют много общего. По виду непосредственно измеряемой величины их можно разделить на 4 группы, основанные на измерении:
- деформаций исследуемого объекта или упругого элемента, возникающих под действием определяемого усилия;
- параметров или свойства преобразователей, изменяющихся под действием определяемых усилий (электрическое или магнитное сопротивление, частота собственных колебаний);
- непосредственно свойств исследуемых объектов или сред, зависящих от действующих на них усилий (скорость распространения звука, теплопроводность газа, температура);
- усилия, уравновешивающего измеряемое усилие.
Первая группа методов наиболее широко используется для определения механических напряжений путем измерения деформации поверхности исследуемого объекта, а также в приборах для измерения сил, крутящих моментов и давлений.
Вторая группа применяется для построения средств измерений, основанных на использовании пьезоэлектрических, магнитоупругих и манганиновых преобразователей, естественной входной величиной которых является измеряемое усилие.
Прямой
пьезоэлектрический эффект, заключающийся
в электризации кристаллических тел под
действием механических напряжений,
широко используется для измерения сил
и давлений. Поскольку преобразование
механического напряжения в электрический
заряд осуществляется с малой
погрешностью(10 – 10 %), а собственная
частота пьезоэлектрических датчиков
достаточно высока (20 – 200 к Гц), то на их
основе выпускаются весьма точные
средства измерений для определения
быстропеременных сил и давлений.
Применение современных усилителей с
высоким входным сопротивлением (R=10 Ом),
усилителей заряда позволяет использовать
пьезоэлектрический эффект для измерений
не только динамических, но и квазистатических
усилий.
Высокими метрологическими характеристиками обладают приборы с пьезоэлектрическими резонансными датчиками, основанными на изменении частоты резонатора под действием механического усилия. Такие датчики позволяют создавать манометры с погрешностью 0.01 –0.02 % , с верхним пределом измерения (70 М Па, а также динамометры для измерения сил в диапазоне 3 * 10 – 15 Н с погрешностью 0.02 %) .
Магнитоупругий эффект, заключающийся в зависимости магнитной проницаемости ферромагнитных тел μ от существующих в них механических напряжений σ, используется для измерения больших сил, вращающих моментов и давлений. Магнитоупругие датчики можно применять для измерения усилий, как в статистическом, так и в динамических режимах при частотах до нескольких к Гц. Они отличаются высокой надежностью, но и малой точностью (погрешность 1 – 5 %). Нижний предел измерения определяется магнитоупругой чувствительностью материала датчика, которая для различных материалов лежит в пределах.
S=0.6…2.5 % (МПа).
Верхний предел измерения манометров и динамометров ограничивается допустимым значением механического напряжения в материале магнитоупругого преобразователя, которое не должно превышать 10 – 20 % от предела упругости данного материала. В противном случае сильно возрастают погрешности линейности и гистерезиса.
Измерение давлений с помощью манганиновых преобразователей основано на свойстве манганина - изменять свое сопротивление под действием всестороннего сжатия. Барический коэффициент манганина определяется выражением.
К==2,7 * 10Па
Поэтому такие преобразователи применяются для измерения высоких и сверхвысоких давлений (10 – 10), в частности высоких импульсных давлений.
На зависимости свойств или параметров исследуемых объектов от действующих усилий основаны ультразвуковой, термоупругий, магнитоупругий и фотоупругий методы измерений механических напряжений, тепловой и ионизационный методы измерений вакуума, интерферометрический метод измерения давлений и т. п.
Методы уравновешивания используются при построении наиболее точных средств измерений сил, вращающих моментов и давлений.
