10. Датчики величины усилия

Данную группу составляют датчики, использующие следующие зависимости:

1. Изменение сопротивления от величины усилия.

;

2. Изменение индуктивности от величины усилия.

L_x = f() ;

3. Изменение емкости от величины усилия.

C_x = f() ;

4. Изменение э. д. с. от величины усилия.

E_x = f() ;

Датчики с изменяющимся активным сопротивлением

Простейшим датчиком усилий с изменяющимся сопротивлением может служить проволока, растягиваемая силами Р_х (рис.17,а). Так как сопротивление проволоки равно:

; или , то . Чувствительность датчика определяется как , где - удельное сопротивление проволоки датчика; l – длина, см; q – площадь сечения проволоки, см2, - коэффициент Пуассона.

Рис.17

Сила Р_х связана с удлинением проволоки по закону Гука:

;

где Е – модуль упругости материала проволоки датчика, кГ/см².

Обычно чувствительность датчиков лежит в пределах S = 2-5 (до 12).

Проволочные датчики широко используются в качестве тензометров, т.е. измерителей напряжений и удлинений в различных частях конструкций. Проволочный датчик-тензометр представляет собой ряд петель (от 2 до 40) длиной 5-25 мм, реже до 100 мм, шириной 0,8-10 мм, из проволоки с d = 0,002 – 0,05 мм, который наклеивается на бумажную подкладку, а сверху заклеивается защитной бумажной полоской (рис.17,б). Проволочный датчик-тензометр наклеивается на тщательно защищенную часть конструкции при помощи клея (целлюлозного, бакелитового, карбинольного, резинового, воскового) или какого-либо цементирующего состава. Проволочные датчики обладают малой инерционностью и не имеют гистерезиса. Включение датчиков обычно производится по схеме моста или потенциометра (рис.18)

Рис.18

Наряду с проволочными датчиками широкое распространение имеют датчики из полупроводниковых материалов. В качестве последних применяются искусственные составы («тензолиты»):

1. Графит + тонкий кварцевый песок и смола.

2. Графит + мел + шеллак (или канифоль).

3. Уголь (или сажа) + бакелитовый лак.

Датчики изготавливаются обычно или в виде полосок (длиной l = 40-60 мм, шириной b = 4-6 мм, толщиной h = 1-30 мм), или в виде нитей (d = 1-2 мм), или в виде слоя на изолирующей подкладке. Датчики из тензолитов обладают большей чувствительностью (до S = 300), но часто имеют нестабильные характеристики, малую механическую прочность и большой гистерезис.

Датчики с изменяющей и взаимной индуктивностью.

Изменение магнитной проницаемости ферромагнитных материалов при наличии в них механических напряжений может быть использовано для датчиков, у которых .

Величина относительного изменения магнитной проницаемости является функцией следующих параметров:

,

а значение чувствительности датчика по отношению к механическим напряжениям р_х

,

где Н – величина напряженности намагничивающего поля;

- изменение температуры датчика.

Максимальная чувствительность датчика _макс будет иметь место при Н=Н_опт, которая соответствует _макс.

В качестве материала магнитоупругих датчиков обычно применяют никелево-железные сплавы. Зависимость относительного изменения магнитной проницаемости от величины механических напряжений

в области упругих деформаций и малого относительного удлинения для отожженного пермаллоя (78,5% Nі) приведена на рис.19. В качестве материала для датчика можно рекомендовать также сплав 65% Nі и35% Fе. Часто датчики-тензометры предварительно тренируют путем многократных деформаций. На рис.19,б показано устройство двух типов датчиков для измерения напряжений и деформаций. Включение датчиков обычно осуществляют по мостовой схеме.

Рис.19

Температурные погрешности при этом доходят до 1% на 1ºС. Поэтому часто для компенсации температурных влияний два одинаковых датчика, находящихся в одинаковых температурных условиях, включают в смежные плечи мостовой схемы. Питание мостовых схем с подобными датчиками осуществляют от источника переменного тока повышенной частоты (f = 5 000 – 50 000 гц).

Датчики с изменяющейся емкостью

Для ряда материалов существует зависимость относительного изменения диэлектрической проницаемости от величины механических напряжений . Эта зависимость может быть использована для построения емкостных датчиков, реагирующих на величину усилий. При этом диэлектрическая проницаемость в зависимости от величины давления определяется как .

Чувствительность датчика будет равна:

Включение датчика осуществляется по мостовой или дифференциальной схеме. Составляя столб из ряда (n) датчиков так, чтобы на них воздействовала одна и а же сила Р_х, соединяя обкладки параллельно, можно получить достаточно большое значение емкости датчика C_Σ =nC и увеличить значение проводимости датчика С_Σ.

Датчики с изменяющейся ЭДС (пьезоэлектрические датчики)

Устройство датчиков давления с изменяющейся ЭДС основано на использовании пьезоэлектрического эффекта.

На рис.20 показано расположение осей:

Z – оптической,

Х – электрической и

Y – нейтральной как в кристалле кварца, так и в пластинке датчика, которую обычно вырезают из кристалла.

При действии силы Р_х вдоль оси Х на гранях пластинки f_x появятся заряды (так называемый продольный пьезоэффект), величина которых определяется следующей зависимостью:

q_x = k₀P_x/

При действии силы Р_у вдоль оси Y на тех же гранях

Рис.20 пластинки f_x появятся заряды (так называемый поперечный пьезоэффект), величина которых определяется как

q΄_x = -k ,

где f_х и f_у - площади граней пластинки, перпендикулярные осям Х и Y.

При действии силы Р_Ζ вдоль оси Z пьезоэффект не наблюдается.

Заряды противоположных граней пластинки f_x равны между собой и имеют разные знаки. Знаки зарядов определяются напряжением силы Р_х (сжатие или растяжение).

Коэффициент k₀ называется пьезоэлектрической постоянной или модулем. Значение k₀: для кварца k₀ = для турмалина k₀ = ; для сегнетовой соли k₀ = . Датчик представляет собой пластинку кристалла с нанесенными на гранях f_x обкладками. Напряжение между обкладками, т. е. между гранями f_x, равно:

,

где С- емкость датчика;

;

- диэлектрическая постоянная материала пластинки;

d – толщина пластинки, см;

f_x- площадь грани, перпендикулярной оси Х, см;

С₀ – емкость присоединенной к датчику схемы (емкость проводов, промежутка сетка – катод усилительной лампы и т. п.).

Чувствительность датчика определяется как

.

В качестве материала для пластин датчиков чаще всего используют кварц, так как турмалин дорог, а сегнетова соль изменяет свои параметры при изменении температуры и влажности.

В последнее время в качестве материала для пластин широкое распространение титанат бария .