Пьезодатчики силы
Генерируют электрический сигнал при механическом воздействии на чувствительный элемент, изготовленный из пьезоэлектрика (кварца Si02, титаната бария TiB и др.), в направлении его полярной электрической оси. При очень небольших деформациях, вследствие смещения атомов пьезоэлектрика, возникает электрический заряд.
Если сила Fx действует в направлении электрической оси пластины, вырезанной из кристалла пьезоэлектрика, то из-за сближения положительных ионов кремния или же отрицательных ионов кислорода на плоскостях пластины, к которым приложена сила Fx, возникают электрические заряды +Q и -Q (рис. 6.23, а). Ненагруженный датчик электрически нейтрален.
Рис. 6.23. Принципиальная схема пьезоэффекта
Пьезоэлектрический датчик состоит из пластины пьезоэлектрика, зажатой между двумя металлическими обкладками, к которым прикладывается измеряемое усилие. Возникающая между обкладками разность потенциалов Ux пропорциональна силе Fx.
Электрический разряд появляется как при сжатии силой Fx пластины из пьезоэлектрика, так и при создании в ней сдвиговых напряжений. Это позволяет использовать эти пластины как двухкомпонентные датчики. При изготовлении рабочие поверхности пластин должны быть строго ориентированы относительно оси анизотропии кристаллов.
Для получения большего заряда отдельные пластины объединяют в пакеты и электрически соединяют между собой по параллельной схеме (рис. 6.23, б), при этом возникает заряд:
Ux=ndFx,
где п - число пластин; d- пьезоэлектрический модуль.
Пьезоэлектрические датчики пригодны только для динамических измерений. Частотный диапазон измерений - до 105 Гц. Для измерения сил с помощью пьезоэлектрических датчиков необходим усилитель заряда.
Измерительные устройства на базе пьезоэлектрических датчиков имеют ряд существенных достоинств:
а) высокая чувствительность;
б) измерение малых перемещений порядка 1 мкм;
в) большой диапазон измеряемых нагрузок;
г) разделение силы резания на две составляющие достигается не сложными механическими конструкциями, а путем использования свойств пьезокристаллов реагировать на сжимающие и сдвигающие нагрузки;
д) высокая жесткость устройств позволяет измерять высокочастотные колебания.
Электрические заряды, генерируемые измерительными элементами этих датчиков, в результате действия сил резания, с помощью зарядных усилителей преобразуются в пропорциональные измеряемым величинам электрические напряжения. Выходные сигналы зарядных усилителей подвергаются дальнейшей обработке. В результате, на вход электронных блоков измерительного канала поступают пропорциональные значениям измеряемых сил сигналы.
В системах диагностирования для измерения сил резания применяются пьезоэлектрические датчики, выполненные в виде колец, пластин, дюбелей и др. Используются датчики относительного удлинения.
Измерительная пластина для определения сил
Конструкция показанная на рис. 5.30, представляет собой стальную плиту с размещенными в ней четырьмя пьезоэлектрическими датчиками.
Рис. 5.30. Измерительная пластина в основании револьверной головки
Чувствительные к деформациям сжатия пьезоэлементы выступают над поверхностью пластины на величину 10–15 мкм. За счет этого при монтаже обеспечивается необходимый предварительный натяг пьезоэлементов, а измеряемая нагрузка, которая может достигать значительной величины, распределяется равномерно по всей площади стальной плиты. Жесткость станка поэтому снижается незначительно.
Пластины, установленные под револьверной головкой дают надежную информацию об износе инструмента, позволяют выявлять до 95% его отказов.