Разработка и проектирование датчика термокондуктометрического преобразователя и датчика силы

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Цель работы: произвести  расчет  тензорезисторного  датчика  силы. 

Задачи:

1. Произвести анализ технического задания, обзор методов преобразования силы и датчиков силы.

2. Сделать выбор тензорезистора, упругого элемента и его расчет.

3. Определить частотный диапазон  датчика силы, термокомпенсирующее сопротивление мостовой схемы и выходное напряжение.

 

2.1 Построение технического  задания на проектирование

 

1. Разработать датчик, предназначенный для измерения сил, развиваемых энергетическими установками и агрегатами, и выдаче сигнала, пропорционального силе на вход телеметрической системы.

2. Пределы измерения сил F_max должны соответствовать значениям, приведенным в таблице исходных данных.

Частотный диапазон измерения  датчика  = 50 Гц

Датчик должен питаться от источника постоянного тока напряжением U_пит, значение которого приведено в таблице исходных данных.

3. Датчик должен работать в окружающей среде - воздух. Температура окружающей среды может меняться в пределах ± 50 °С.

Относительная влажность  окружающей среды до 95 % при температуре +35 °С. Датчик должен быть работоспособен при:

•     Вибрации с частотой f_гр = 5 кГц и амплитудой А = 0,5 мм;

•     Воздействие  ударов с амплитудой 50 мм  и длительностью  до 0,001с.

4. Датчик должен иметь минимальные габаритные размеры и массу.

Обеспечение заданного предела  измерения должно осуществляться в  пределах единого конструктивного оформления датчика с максимально возможной унификацией деталей и размеров.[4]

 

2.2 Анализ технического  задания

 

Требования технического задания накладывают определенные ограничения на конструкцию, параметры и методы расчета разрабатываемого датчика. Так требования работоспособности датчика при воздействии вибрации предопределяет либо проектирование датчика с высокой собственной частотой, лежащей за пределами частотного диапазона вибрации, либо введения демпфирования, либо какие-то другие меры, обеспечивающие во-первых, неизменность показаний датчика, а во-вторых его механическую прочность. Это же можно сказать и о линейных перегрузках. При воздействии на датчик температур изменяющихся в достаточно широких пределах (± 50 °С), происходит изменение геометрических размеров и упругих свойств механических элементов. В результате изменяется чувствительность датчика к измеряемой величине и появляется погрешность преобразования. Исключить влияние температуры на преобразование можно увеличением чувствительности к измеряемой величине и уменьшением чувствительности к дестабилизирующему фактору, каким является температура, применением дифференциальных преобразователей, либо включением в измерительную цепь специальных термокомпенсирующих элементов. Работа при взаимодействии повышенной влажности предопределяет конструирование датчика с герметичным корпусом, выбор соответствующих материалов и покрытий.

По техническим требованиям  основная погрешность изменения  датчика не должна превышать 0,5%. Она  зависит от ряда факторов, которые  влияют на физические свойства и параметры  отдельных звеньев цепи преобразования измеряемой величины. К ним относятся  вибрации, температура, напряжение питания. Для уменьшения погрешности от напряжения питания следует применять стабилизированные источники питания. Составляющими основной погрешности также являются погрешность от нелинейности и гистерезиса. Эффективными мерами уменьшения этих погрешностей являются применение дифференциальных преобразователей, ограничение рабочего диапазона, правильный выбор материала упругого элемента, материала и конструкции тензорезисторов, технологии их изготовления.[4]

 

2.3 Обзор методов преобразования силы

 

Для измерения силы используют много методов: индуктивный, струнный, тензорезисторный.

У струнных (виброчастотных) датчиков выходной сигнал - частота. Они  обеспечивают высокую точность отсчета  и независимость показаний линии  связи, но эти датчики не могут быть выполнены на низкие диапазоны измерения, на широкий диапазон вибрационных нагрузок, не могут работать в широком температурном диапазоне. Струнные датчики сложны и дороги в изготовлении.

Индукционные датчики  просты, дешевы, технологичны, но обладают низкими точностными свойствами.

Тензорезисторные датчики  благодаря своим преимуществам  получили широкое применение (до 98% от числа всех датчиков). Они просты, надежны, могут питаться как от постоянного, так и переменного источника питания. Обеспечивают широкий диапазон работы и практически не снижают жесткости конструкции системы. Недостатком этих датчиков является низкая величина выходного сигнала, недостаточно высокая точность преобразования и специфическая технология.

В нашем случае выбираем в качестве метода преобразования силы тензорезисторный метод.[4]

 

2.4  Обзор датчиков  силы

 

Большое распространение для измерения  силы получили тензорезисторные датчики, структурная схема которых представляет последовательное соединение трех измерительных преобразователей:

где УЭ - упругий элемент, ТР - тензорезистор, ИЦ - измерительная  цепь (мостовая схема). Измеряемая сила F_х прикладывается к УЭ так, что он деформируется на величину Е₁. Деформация УЭ воспринимается установленным на него тензористорами, которые изменяют свое сопротивление на величину относительных единиц. Относительное изменение сопротивления тензорезистора измерительной цепью преобразуется в величину выходного сигнала Uвых. В тензорезисторных датчиках силы получили распространение две измерительные цепи: неравновесный мост и делитель напряжения, который применяется в тех случаях, когда ограничены габариты датчика или если требуется измерять только динамическую составляющую.

На конструкцию датчика  силы, его характеристики существенно влияет конструкция упругого элемента. В зависимости от этого датчики силы можно подразделить на датчики со стержневым, кольцевым, мембранным, балочным  упругим элементом.

Датчик со стержневым упругим элементом состоит из цилиндрического упругого элемента, на наружной поверхности которого установлены тензорезисторы и компенсационные сопротивления, силовой и вспомогательной подушек, монтажной колодки, кожуха и разъема. Упругий элемент имеет хвостовик, предназначенный для крепления датчика на объекте измерения. На нижней части упругого элемента предусмотрена выточка для крепления кожуха и площадка для установки разъема. Силовая и вспомогательные подушки контактируют между собой по сферической поверхности. Измеряемая сила прикладывается к силовой подушке и передается через сферический контакт вспомогательной подушке и упругому элементу, деформирующемуся под действием этой силы. Упругий элемент в зависимости от предела измерения силы может быть выполнен и в виде сплошного стержня.

В конструкции датчика силы с кольцевым упругим элементом вместо стержня установлено кольцо с двумя жесткими участками вдоль вертикального диаметра, т.е. вдоль направления действия силы. Тензорезисторы приклеены на внутренней и наружной поверхности кольца, на линии горизонтального диаметра.

Датчик силы с мембранным упругим элементом. Измеряемая сила прикладывается к силовой подушке, удерживаемой между крышкой и жестким центром мембраны, пружиной. В результате действия силы мембранный УЭ деформируется. Радиальные деформации мембраны воспринимаются наклеенными на нее тензорезисторами, собранными в мостовую ИЦ, вход и выход которой выведены на разъем. Резьбовой хвостовик предназначен для крепления датчика на объекте.

Датчик силы с балочным УЭ. Основным узлом этого датчика является чувствительный элемент, выполненный в виде балки равного сечения, с жестко заделанным одним концом, с наклеенными на верхнюю и нижнюю части тензорезисторами. Измеряемая сила прикладывается к штоку, закрепленному на втором конце балки.[4]

 

 

2.5   Выбор тензорезистора

 

Для этого типа характерны следующие параметры:

•    Предельная измеряемая деформация = 0,003

•    Коэффициент  тензочувствительности S = 2,1.

•    Номинальное сопротивление  R = 400 Ом

•    Размеры: база – С, длина – L, ширина – В.

Обозначение тензорезистора включает в себя основные его характеристики: КФ5П1- 3 - 400 – тензорезистор КФ5, прямоугольный, база - 3 мм, сопротивление 400 Ом, термокомпенсирован для стали.

Исходные  данные:

 

            

 

 

 

 

2.6   Выбор и расчет  упругого элемента

 

Выбор конструктивной схемы  УЭ и схемы установки тензорезисторов.

С помощью УЭ усилие F преобразуется в деформацию. В тензоризисторных датчиках наибольшее распространение получили такие формы упругого элемента, как кольцо, стержень, мембрана, балка. Эти УЭ обладают разными чувствительностью и быстродействием.

Наиболее удачно вопросы  закрепления концов УЭ (стабилизации точки) решены в конструкции УЭ в виде кольца. Задача же получения одинаковых по величине деформаций разных знаков может быть обеспечена геометрией жестких участков.[4]

Рис. 5 Датчик силы с кольцевым УЭ

 

1 – кольцевой упругий элемент;

2 – тензорезисторы;

R_в – внутренний радиус УЭ;

R_н – наружный радиус УЭ;

R₀ – средний радиус УЭ.

1. Выбор ширины кольца.

Ширину  кольца примем в 1,2 раза больше ширины тензорезистора.

 м

2. Выбор материала упругого элемента.

Материал упругого элемента - сталь 36НХТЮ ( Па – модуль упругости стали). Это высококачественная сталь, имеет хорошие упругие характеристики и очень часто применяется для изготовления упругих элементов.

Значение  определяется из зависимости

,  где

- конструктивный коэффициент  чувствительности, равный 0,6;

Е - модуль упругости материала упругого кольца. Обычно его изготавливают из стали марки 36НХТЮ, для которого Па;

 ε = 0,0002 – относительная деформация упругого кольца;

 F - максимальное значение измеряемой силы;

 b - ширина кольца;

 h - толщина кольца. Если кольцо имеет сечение формы круга, то h=b.

Коэффициент чувствительности, который зависит от используемой зоны деформации упругого кольца. Зоны деформации вблизи вертикального диаметра характеризуются повышенной чувствительностью, однако распределение напряжений в этих зонах неравномерно, а зоны на наружной поверхности мало приспособлены для установки на них тензорезисторов из-за конструктивных недостатков. Кроме того, относительная длина этих зон меньше зон горизонтального диаметра. Зоны вблизи горизонтального диаметра обеспечивают меньшую чувствительность (почти в 2 раза), но зато в этих зонах более равномерно распределена деформация, относительная длина их в 1,5 раза больше зон вертикального диаметра. Зоны горизонтального диаметра конструктивно и технологично очень доступны для установки на них тензорезисторов. Исходя из выше сказанного, для установки тензорезисторов выбираем зоны горизонтального диаметра, а недостаток чувствительности обеспечим другими средствами.[4]

 

2.7 Расчет частотного диапазона датчика

Частотный диапазон работы датчика полностью определяется его собственной частотой. Чем выше частота, тем шире частотный диапазон работы датчика и тем меньше влияние вибрации ускорения на его работоспособность. В разрабатываемом датчике можно считать, что жесткость в основном определяется жесткостью УЭ и собственная частота датчика равняется собственной частоте УЭ.[4]

 Для кольца при  малых массах:

 Гц, где

h- толщина кольца,

ρ – плотность материала упругого элемента, равная 7,85·10³ кг/м³.

 

2.8 Конструирование датчика

 

1. Расчет термокомпенсирующего сопротивления мостовой схемы

Рис. 5 Мостовая измерительная схема

R₁, R₄ – тензорезисторы, расположенные на упругом кольце;

R₂, R₃ – константановые проволочные сопротивления, не испытывающие деформации;

R₅ – термокомпенсирущее сопротивление.

 

Чтобы обеспечить максимальную чувствительность мостовой измерительной схемы, необходимо чтобы R₁, R₂, R₃, R₄ были равны при отсутствии силы, действующей на упругий элемент. Для равноплечего моста термокомпенсирующее сопротивление рассчитывается  следующим образом:

, где

α_RK – температурный коэффициент сопротивления медного терморезистора, равный 0,00428 К^-1,

α_RT – температурный коэффициент константанового тензорезистора, равный  0,0002 К^-1,

r_вх – входное сопротивление мостовой схемы со стороны питания.

Ом

Ом

 А

 

2.9   Расчет выходного   напряжения

 

, где   

k = 1 – коэффициент симметрии измерительной цепи;

n = 2 – количество активных плеч моста;

S = 2,1 – коэффициент тензочувствительности тензорезистора;

С_z = 0,71 – эквивалентный коэффициент деформации.

, В

 

U_вых(0) = 0

U_вых(20) = 3,74·10^-4

U_вых(40) = 7,48·10^-4

U_вых(60) = 1,122·10^-3

U_вых(80) = 1,496·10^-3

U_вых(100) = 1,87·10^-3

U_вых(120) = 2,244·10^-3

U_вых(140) = 2,618·10^-3

U_вых(160) = 2,992·10^-3

U_вых(180) = 3,366·10^-3