Методическое пособие 542

личины, обеспечивается вспомогательным источником питания, а не отбирается у измеряемого объекта - источника силы. В генераторных преобразователях энергия, необходимая для создания выходной величины, отбирается у измеряемого объекта. У генераторных датчиков постоянная электрическая мощность может отбираться только тогда, когда источник силы обеспечивает необходимое непрерывное питание. Такое состояние возможно лишь в том случае, когда существуют временные изменения измеряемой силы.

Таким образом, параметрические преобразователи применяют в датчиках для измерения статических и динамических сил, а генераторные - преимущественно в датчиках для динамических измерений. Конструкция датчика силы в большой мере определяется примененным преобразователем. Для достижения оптимальных метрологических характеристик датчика необходимо соблюдать следующие принципы: цельности конструкции, интегрирования, симметрии и оптимальных конструктивных границ.

Втабл.4.1 приведены основные типы датчиков силы и их основные достижимые параметры. На структурных схемах в таблице обозначено: 1 - упругий элемент датчика; 2 -преобразователь деформации упругого элемента в электрический сигнал; 3 - упругий и чувствительный элемент датчика; 4 -силовозбудитель.

Датчики силы с индуктивными преобразователями. Преобразователи, преобразующие естественную входную величину в виде перемещения

визменение индуктивности или взаимной индуктивности, называют индуктивными. Такой преобразователь состоит из одной или нескольких обмоток, расположенных на магнитопроводе. Изменение индуктивности или взаимной индуктивности происходит в связи с изменением длины воздушного зазора между элементами магнитопровода либо площади воздушного зазора. Рабочее перемещение элементов магнитопровода в преобразователях с изменяемой длиной зазора составляет 0,0110 мм, а в преобразователях с изменяемой площадью зазора 5-20 мм.

Втабл. 4.1 приведены данные некоторых отечественных датчиков силы с индуктивными преобразователями.

Таблица 4.1- Отечественные датчики силы с индуктивными преобразователями

31

Датчики силы с емкостными преобразователями. Емкостной преобразователь представляет собой простой или дифференциальный конденсатор, емкость С которого изменяется путем изменения расстояния б между его обкладками, либо путем изменения площади 8 обкладок, либо путем изменения диэлектрической постоянной 8 материала, помещенного между обкладками. В датчиках силы емкостные преобразователи реагируют на деформацию упругого элемента, преобразовывая ее в изменение емкости.

Датчики силы с виброчастотными преобразователями. У этих датчиков измерительный ход действует на механический резонатор и изменяет частоту его собственных колебаний.

В качестве резонатора может быть использован механический элемент любой формы, способный совершать колебания. Наибольшее распространение получили струнные и стержневые резонаторы.

На рис. 4.1 изображен датчик силы со стержневым резонатором. При приложении к упругому элементу измеряемой силы Р резонатор 2 испытывает растягивающие (при измерении сжимающих кольцо сил) силы или сжимающие (при измерении растягивающих кольцо сил) силы. Частота поперечных колебаний в первом случае увеличивается, а во втором уменьшается по отношению к частоте колебаний резонатора ненагруженного датчика.

Резонатор 7 служит для температурной компенсации показаний датчика. Изменение частоты колебаний резонатора 7 происходит только в результате изменения температуры датчика силы, которая вызывает изменение модуля упругости материала упругого элемента.

Рис. 4.1 - Датчик силы со стержневым преобразователем

Датчики силы с тензорезисторными преобразователями. В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в

32

изменении активного сопротивления проводников или полупроводников при их механической деформации. В отечественной практике изготовления датчиков силы применяют наклеиваемые мостовые полупроводниковые структуры (рис. 4.2), получаемые путем вырезки из монокристалла и травления. У прямоугольных структур (рис. 4.2 , а) выводы приваривают в точке 1, у квадратных (рис. 4.2, б) - в углах квадратов. Квадратные структуры получают с максимальным использованием площади заготовки. Размеры квадратных структур - 6, 5, 4, 3, 2 и 1 мм. Толщина заготовок для структур обоих типов 20-25 мкм.

Применение таких структур (модулей), помимо значительного упрощения монтажа и сокращения числа контактов на полупроводнике (что повышает стабильность во времени), снижает погрешность от упругих несовершенств материала упругого элемента датчика силы. Использование этих модулей дает примерно такой же эффект миниатюризации, как применение планарных интегральных тензомостов.

В серийных зарубежных и отечественных датчиках силы используют мостовую схему включения тензорезисторов (рис. 4.3), питаемую напряжением Un. Преимущество мостовой схемы заключается в том, что с ее помощью измеряют только изменение сопротивления тензорезисторов R1; R2; R3 и R4, а не общее их сопротивление. Балансировкой моста при отсутствии нагрузки па упругом элементе датчика силы можно исключить постоянную составляющую выходного сигнала. Можно сбалансировать мост тензорезисторов не при нулевой, а при какой-либо заданной нагрузке на упругий элемент датчика силы, что дает возможность измерять относительную силу. Для начальной балансировки моста в оба смежных плеча последовательно с тензорезисторами включают дополнительные регулировочные резисторы Rб. Мостовая схема позволяет простыми средствами обеспечить температурную компенсацию и снизить чувствительность датчика силы к не измеряемым компонентам силы. Для выравнивания сопротивлений тензорезисторов, которые неизбежно имеют некоторый разброс, в плечи моста последовательно включают термочувствительные сопротивления Rt1 и балансировочные Rб. Таким путем исключают влияние температурного изменения сопротивления тензорезисторов, а также температурных деформаций упругого элемента. Для компенсации температурного изменения тензочувствительности тензорезисторов, приводящего к изменению чувствительности датчика силы, в цепь диагонали питания моста последовательно включают термочувствительные сопротивления Rt2, которые так регулируют напряжение питания моста, чтобы скомпенсировать изменение его чувствительности с изменением температуры. Установка термочувствительных резисторов Rt1 и Rt2 позволяет снизить температурную погрешность нуля Rt1 и температурную погрешность чувствительности Rt2 до 0,1-0,5% на 10 °С для проволочных и фольговых тензорезисторных датчиков силы. Данные об отечественных тензорезисторных датчиков силы приведены в табл. 4.2.

33

Для статических измерений силы тензорезисторными датчиками отечественная промышленность выпускает различную аппаратуру, данные по которой приведены в табл. 4.3.

Рис. 4.2 Датчик силы с наклеиваемыми мостовыми полупроводниковыми структурами

Рис. 4.3 Мостовая схема включения тензорезисторов

36

Таблица 4.3 - Тензорезисторные датчики силы

37

Продолжение табл. 4.3

с - сжатие, р – растяжение

38

Таблица 4.4 - Отечественная аппаратура для статических измерений силы тензорезисторными датчиками

Датчики силы с магнитоупругими преобразователями можно разделить на две основные группы: с изменением магнитных характеристик упруго чувствительного элемента, с изменением степени магнитной анизотропии материала упруго чувствительного элемента (см. табл.4.4).

Принцип действия датчиков первой группы (рис. 4.4, а) основан на том, что при приложении усилия к упругочувствительному элементу 1, который является одновременно магнитопроводом датчика, в нем изменяются магнитная проницаемость и величина магнитного потока, создаваемого обмоткой 2, питаемой переменным током; в результате изменяется ЭДС самоиндукции или взаимной индукции. На магнитопровод могут быть намотаны одна или несколько обмоток. В первом случае имеем магнитоуп-

39