Давачі швидкості

Тахогенератор постійного струму

Для визначення кутової швидкості застосовуються малі генератори постійного струму. Вони виробляють постійну напругу, яка пропорційна до швидкості обертання. В сильному магнітному полі, яке створюється постійними магнітами розміщений ротор з обмоткою. Під час обертального руху виникає постійна напруга. Вона пропорційна до швидкості обертання ротора. Тахогенератор має будову, яка наближена до конструкції генератора або двигуна постійного струму з тією лише різницею, що переріз обмотки і, у зв’язку з цим, габарити є малими. Типовим параметром, який характеризує властивості генераторів є В/хв ^-1: для тахогенераторів значення цього параметру лежить в межах від 0,012 дo 0,06 В/хв ^-1, що означає, що при швидкості 1000 хв^-1, залежно від виконання, отримуємо напругу від 12 В дo 60 В. Зміна напрямку обертання викликає зміну знаку генерованої напруги. Тахогенератори постійного струму застосовуються для визначення швидкості обертання в приводах подачі і головних приводах у верстатах з числовим програмним керуванням і роботах.

У

Рис.11.24. Радарний сенсор швидкості

льтразвукові сенсори швидкості течії

Ультразвуковий сенсор швидкості течії складається з передавача і приймача (рис.11.23). Між ними відбувається додавання швидкості поширення звуку і швидкості течії плинного середовища. Внаслідок цього отримуємо, залежно від швидкості течії, різний час приходу звукових імпульсів. Вимірюваною величиною є час переміщення звукового імпульсу.

Радарні сенсори швидкості

З

Рис.11.25. Сенсори для вимірювання

видовжень

а допомогою радарного передавача (radar, англ. Radio Detecting and Ranging = радіовимірювальна і локаційна техніка) з екстремально високою частотою (біля 25 гГц = 25 • 10⁹ Гц) посилаються короткі серії імпульсів через малу рупорну антену, яка приймає відбиті від об’єкту сигнали (луна) (рис. 11.24).

Цей сенсор використовує ефект Доплера: коли сенсор рухається в напрямку предмету або предмет, який відбиває радарні хвилі рухається в напрямку сенсора, то зростає частота хвиль, які приймає сенсор, тобто отримуємо зміну частоти або фази сигналу відбитої хвилі (луни). За допомогою таких сенсорів можна безконтактно визначати швидкість руху і його напрям. Оскільки різні матеріали відбивають сильніше або слабше радарні імпульси, чутливість радарного сенсора необхідно настроювати індивідуально, залежно від матеріалу предмету. Радарні сенсори швидкості руху застосовуються як для керування автоматичних розсувних дверей, наприклад, в кав’ярнях, так і для керування рухом транспортних засобів і нагляду за транспортним устаткуванням.

Сенсори розтягу, сили, обертового моменту I тиску

Тензометри

В

Рис.11.26. Виконання вимірювальних

сіток фольгових тензометрів

имірювання видовжень, наприклад, в машинах, мостових кранах, сталевих конструкціях, здійснюються за допомогою фольгових або дротяних тензометрів (рис.11.25). Мета - контроль окремих частин конструкції при статичному навантаженні, а також визначення впливу динамічних навантажень. Ці зміни довжини (видовження) дуже малі, звичайно тільки 0,1 мкм... 10 мкм. Принцип дії тензометра полягає в збільшенні опору провідника, який внаслідок розтягу видовжується в результаті чого його поперечний перетин зменшується. Тензометри звичайно виготовлюються як фольгові тензометри. Подібно як при виготовлені друкованих плат, за допомогою гальванічного процесу наноситься на фольговий носій металева сітка тензометра. Щоб умістити тензометр в малих габаритах, порядку декількох мм, провідні доріжки, які наносяться на фольгу, виконані у вигляді меандру, завдяки чому їх сумарна ширина є відносно велика - при великій, активній довжині провідника у напрямі вимірювання подовження. Відповідно, це забезпечує великі зміни опору при вимірюванні розтягу і дуже малі - при вірогідному поперечному розтягуванні фольги.

У випадку видовження збільшується опір фольгового тензометра.

Фольга тензометрів приклеюється до досліджуваного об’єкту так, щоб напрямок вздовж провідних доріжок відповідав напрямкові, в якому мають бути визначені видовження або навантаження. Для одночасного вимірювання в кількох напрямках служать спеціальні тензометри, в яких вимірювальні сітки розміщені одна відносно іншої під кутом 120° або під кутом 45 ° до напрямку видовження (рис. 11.26).

Найчастіше тензометри виконуються з константану (60% Cu, 40% Ni) або з хромонікельового сплаву (80% Cr, 20% Ni). В напівпровідниковому тензометрі провідна доріжка – це доріжка кремнію товщиною біля 15 мкм.

Т ипові значення опорів характерних тензометрів 120 Ом, 350 Ом i 600 Ом. Зміни опору за видовжень подаються у вигляді коефіцієнта k. Для константану і хромонікелю він дорівнює 2, для кремнію - біля 150.

З міни опору визначаються за допомогою мостикової схеми. Схеми можуть бути виконані як повний міст - з чотирма тензометрами, напівмостик - з двома тензометрами і четвертинка мостика - з одним активним тензометром (табл. 1).

У схемі повного моста тензометри так закріплюються на досліджуваному об'єкті, що два з них розтягуються, а два стискуються, наприклад, для визначення моменту скручування валу. Головні напруження розтягування і стискування розміщені під кутом 45° відносно осі валу. Варто завжди старатися використовувати схему повного моста.

Схема півмостика містить два тензометра: один як такий, що розтягується і другий, як такий, що стискається, наприклад, для визначення згинального моменту. Схема півмостика має вдвічі меншу чутливість від схеми повного моста.

Схема четвертинки мостика містить тільки один активний тензометр, який може вимірювати видовження. Щоб система не розстроювалась в результаті змін температури, в другу гілку моста включається тензометр, який не піддається видовженню. Служить він тільки для компенсації температури. Під час змін температури опір активного тензометра змінюється не в результаті видовження, а як результат зміни температури. Так само змінюється опір компенсаційного тензометра, що забезпечує компенсацію впливу температури.

Мостикові схеми можуть живитися як постійним, так і змінним струмом. Напруга діагоналі мостика підсилюється за допомогою підсилювача постійного або змінного струму відповідно.

П

Рис.11.27. Сенсори-тензометри зусиль

ри живленні мостика змінним струмом напруга діагоналі мостика є змінною напругою. Амплітуда цієї напруги відповідає величині видовження. Називається це модуляцією амплітуди. Частота джерела змінного струму звичайно становить 5 кГц. Частота з якою змінювалося би видовження, наприклад, при вимірюваннях коливань, не повинна перевищувати 500 Гц. Для вимірювань коливань до 5 кГц застосовується мостикові системи змінного струму з несучою частотою 50 кГц або мостикові системи постійного струму. Вища несуча частота вимірювальних мостів не застосовується, враховуючи дуже велику чутливість на якнайменші навіть зміни індуктивності, наприклад, спричинені рухом сполучних провідників.

Тензометричні ваги і тензометричні сенсори сил

Р

Рис.11.28. Сенсор крутильного моменту

озтягуючи або стискаючи корпус коробчатого динамометра можна вимірювати зусилля в межах від кількох ньютонів і до багатьох кілоньютонів (рис. 11.27).

Коробчаті динамометри застосовуються для вимірювання зусиль в штампувальних пресах або вбудовуються в опори великих резервуарів для зважування вмісту цих резервуарів.

Тензометричні устаткування для вимірювання обертового моменту

У

Рис.11.29. П’єзоелектричний ефект

кварцу

статкування для вимірювання обертового моменту діють за принципом визначення скручувального моменту відповідно підібраного торсіонного валу (рис.11.28). Напруга живлення тензометричної мостової системи і вихідний сигнал сенсора передаються через контактні кільця (комутатор) або безконтактно через індуктивний канал (принцип трансформатора).

П’єзоелектричні сенсори зусиль

Кристали кварцу, а також сплаву олова, цирконію і титану, під дією зусиль на їхніх зовнішніх поверхнях утворюють невеликі електричні заряди (рис.11.29). Укладені відповідно шарами багато плиток кристалу додають ці заряди, створюючи вихідну напругу давача сенсора. За допомогою високоякісного підсилювача, так званого підсилювача заряду, напруга, створювана давачем, перетворюється в вихідний електричний сигнал сенсора.

П'єзоелектричні сенсори зусиль використовуються для нагляду за допустимими навантаженнями машин, наприклад, головного веретена (шпинделя) токарного верстата. Для визначення зусиль, які виникають при обробці різанням, застосовуються триосьові (3D) вимірювальні платформи з п'єзоелектричним сенсором зусиль в кожній осі.

Сенсори прискорення

Чутливим елементом в сенсорах прискорення є звичайний п’єзокристал, який вимірює силу інерції, яка виникає в результаті дії прискорення на приставлену до кристалу масу. Ця сила пропорційна до величини прискорення (сила = маса x прискорення) (рис. 11.30). Особливо важливою сферою застосування сенсорів прискорення є визначення прискорень коливного руху. На підставі цих вимірювань можна визначати резонансну частоту коливань частин машин, а також критичну швидкість обертання.

В

Рис.11.30. Сенсор прискорення

поєднанні з обчислювальним елементом сенсор прискорення може створювати сигнал швидкості, а в поєднанні з двома обчислювальними елементами - сигнал переміщення. Метод інтегрування особливо придатний у випадку браку місця або можливості застосування сенсорів швидкості та положення.