Теоретические основы построения спортивной техники

дàтчиков) обычно нàходятся выше резонàнсной. Ïоэтому, чтобы регистрировàть низкочàстотные процессы, нужно, чтобы дàтчик имел низкую чàстоту собственных колебàний. Êàк прàвило, в сейсмических дàтчикàх используются индукционные преобрàзовàтели, выходной сигнàл которых пропорционàлен скорости, вследствие чего индукционные сейсмодàтчики являются дифференцирующим элементом (поскольку сàмà колебàтельнàя системà рàботàет в режиме виброметрà). Ïоэтому для получения сигнàлà, пропорционàльного вибросмещению, нà выходе дàтчикà необходимо включить соответствующую интегрирующую цепь.

Äля прàктического применения, пàрàметры рàспрострàненных дàтчиков инерционного типà (реостàтных или потенциометрических, тензометрических, индукционных) приводятся в специàльных спрàвочных тàблицàх.

ускорением.

 дàтчике (рисунок 7.9,в) пьезоэлемент рàботàет нà сдвиг. Çдесь достоинством является существенное уменьшение, по срàвнения с первыми,

боковой или поперечной чувствительности.

 дàтчике (рисунок 7.9,г) пьезоэлемент испытывàет изгибную

деформàцию обеспечивàющую повышенную чувствительность к ускорению. Îднàко, при этом, изгибнàя деформàция пьезоэлементà знàчительно снижàет мехàническую прочность сàмого дàтчикà. Äля увеличения прочности дàтчикà, пьезоэлемент в виде пьезокерàмической шàйбы нàклеивàют нà

© 2015 ÁÍÒÓ

жесткие метàллические основàния (рисунок 7.9, д).

 этом случàе величинà прогибà определяется толщиной основàния и инерционной мàссой, которые выбирàются из условий достижения зàдàнной собственной чàстоты. Ýто кàсàется мàлых перемещений.

7.5 Äàтчики для измерения пàрàметров движений при

перемещениях нà знàчительные рàсстояния

Ïри больших линейных перемещениях, выходящих зà пределы измерения преобрàзовàтеля, измерение производится путем суммировàния дискретных перемещений от одной метки, связàнной с неподвижной системой, до второй; от второй до третьей и т. д. Ïри этом мернàя величинà может нàходиться кàк нà неподвижном учàстке тàк и перемещàться. Íàпример, путь àвтомàшины может быть определен последующим суммировàнием числà оборотов колесà умноженного нà длину его окружности. ×исло оборотов подсчитывàется счетчиком (электроконтàктным, индукционным, емкостным или фотооптическим с помощью стробоскопà). Îпределение числà оборотов в единицу времени с помощью тàхометрà позволяет рàссчитàть среднюю скорость нà этом отрезке пути.

Âтех случàях, когдà возможность использовàния опорных (реперных) точек отсутствует, используются дàтчики с инерционными элементàми. Òàкие дàтчики нàходят применение, в чàстности тàм, где при перемещении объектà, имеют место инерционные силы.

Âсоответствии с зàконом Íьютонà эти силы пропорционàльны движущейся мàссе m и испытывàемому ей ускорению x т. е.

Fин =m*x.

Ñледовàтельно, если возможно кàким либо обрàзом измерить силу

Fин, то при известной мàссе m может быть определено ускорение x, à зàтем скорость x(x = x dt) и смещение x(x = x dt dt). Òàким обрàзом, зàдàчà определения пàрàметров движения сводится к измерению силы. Îднàко прàктически измеряется не силà, à электрический пàрàметр являющийся функцией этой силы (изменение емкости, индуктивности, сопротивлений, э.

д.с. и т. п. )

Âобщем случàе перечисленные дàтчики можно построить с использовàнием всех упомянутых рàнее типов преобрàзовàтелей.

Ïо отношению к линейному перемещению, схемàтическàя конструкция специàлизировàнных дàтчиков приведенà нà рисунке 7.10.

Èз конструкций приведенных нà рисунке 7.10, следует обрàтить

внимàние нà рàботу электромàгнитного преобрàзовàтеля врàщàтельного перемещения (тàхогенерàторà), используемого в кàчестве дàтчикà угловых скоростей, à при мàтемàтическом преобрàзовàнии его сигнàлà – и к

© 2015 ÁÍÒÓ

вычислению пройденного пути.

Ðисунок 7.10. Êонструкция дàтчиков линейного перемещения

à– потенциометрического (реостàтного); б – тензорезистивного;

в– трàнсформàторного; г – электромàгнитного

Óстройство и рàботà других дàтчиков не требует особых пояснений. Ñледует обрàтить только внимàние нà использовàние, в них или совместно с ними, рàзличных передàч (системы тяг и блоков, редукторы рàзличных видов), посредством которых осуществляется трàнсформàция величин и хàрàктер перемещений. Ïри соответствующем выборе передàч перемещение может быть кàк уменьшено, тàк и увеличено. Ïри этом следует обрàтить внимàние нà люфты в элементàх передàч, которые должны быть сведены к минимуму, поскольку они являются источникàми погрешности измерения.

7.6 Äàтчики для измерения сосредоточенных сил

Ïреобрàзовàние в электрический сигнàл сосредоточенных сил, кàк сил

действующих в одном нàпрàвлении и деформирующих тело, к которому они

непосредственным путем прямого воздействия нà преобрàзовàтель, либо – с преобрàзовàнием входной мехàнической величины в промежуточную, и кàк прàвило, через перемещение или деформàцию упругого элементà. Â первом

© 2015 ÁÍÒÓ

Âследствие большой жесткости подобные преобрàзовàтели имеют высокую собственную чàстоту (до 50 кÃц и выше) и могут быть использовàны для измерения динàмический сил. Îднàко, в то время кàк с помощью мàгнитоупругих преобрàзовàтелей могут быть измерены и стàтические силы, пьезоэлектрические преобрàзовàтели прàктически используются только для переменных сил с минимàльной чàстотой первой гàрмоники 5Ãц.

диàметр силового столбикà 1 под нàгрузкой. Èзменение диàметрà столбикà передàется через сферическую пяту 3 пьезоплàстинàм, смонтировàнным в стàльном зàкàленном кольце 2, опоясывàющем силовой столбик.

Äàтчик нà рисунке 7.11,в используется для фиксàции кàк сжимàющих, тàк и рàтягивàющих сил. Äля этого в преобрàзовàтеле создàется предвàрительное нàпряжение сжàтия σпрдв, рàвного половине мàксимàльно допустимого нàпряжения в пьезокристàлле. Ýто нàпряжение в кристàлле

© 2015 ÁÍÒÓ

обеспечивàется поджàтием верхней и нижней гàйкàми 1 и 2. Ìàксимàльное измеряемое усилие тàким дàтчиком нà должно превышàть величины, при которой нàпряжение в преобрàзовàтелях уменьшàется до нуля или увеличивàется до предельно допустимого. Àбсолютное знàчение этого усилия зàвисит от соотношения жесткости пьезоэлементà и корпусà дàтчикà 3.

Èзмерение сил с помощью промежуточного преобрàзовàния в смещение или деформàцию, имеет нàибольшее рàспрострàнение во всех сферàх, где требуется измерять действующие силы. Òàкое измерение может производиться с устàновкой преобрàзовàтеля, кàк нà сàмом элементе, подвергàюшемся воздействиию силы, тàк и с помощью специàльных дàтчиков, с упругим элементом в виде бàлки, стержня, цилиндрà, кольцà, деформирующимся пропорционàльно приложенной силе и приходящими в исходное положение после снятия нàгрузки.

Ñ упругим элементом связàны те или иные преобрàзующие элементы, нà выходе которых продуктируется электрический сигнàл. Â этом случàе могут быть использовàны индуктивные, емкостные, тензорезистивные, электронные преобрàзовàтели. Îтдельные из возможных решений изобрàжены нà рисунке 7.11, г – ж.

7.7 Äàтчики для измерения дàвлений

Óчитывàя, что исполнительные элементы многих тренàжерных устройств функционируют нà основе пневмоили гидросистем, существует необходимость измерять дàвление в их трубопроводàх или цилиндрàх.

Ïринципиàльно для измерения дàвлений применимы все рàссмотренные выше типы преобрàзовàтелей. Êонструируемые решения при этом могут быть сàмыми рàзнообрàзными, определяемые требовàниями эксплуàтàции. Õàрàктерной особенностью большинствà дàтчиков дàвления является промежуточное преобрàзовàние дàвления в перемещение упругих элементов в виде плоских и гофрировàнных круглых мембрàн с отношением толщины к диàметру в пределàх 1/10-1/50. Â зàвисимости от величины измеряемого дàвления, принципà преобрàзовàния и условий рàботы, для мембрàн применяют, по àнàлогии с тензоэлементàми, рàзличные мàтериàлы. Âеличинà дàвления Ð однознàчно (покà чàстотà пульсàций дàвления знàчительно меньше собственной чàстоты дàтчикà) определяется величиной прогибà мембрàны.

Ñобственнàя чàстотà зàделàнной по контуру толстой мембрàны:

где m – мàссà единицы площàди мембрàны,

© 2015 ÁÍÒÓ

Äля повышения чàстоты тонких мембрàн, рàссчитàнных нà мàлые дàвления, их иногдà нàтягивàют нà контур.

×àстотà собственных колебàний для этого случàя определяется соотношением

где Ð – нàтяжение мембрàны по контуру.

Äля неискàженного измерения исследуемого переменного процессà,

собственную чàстоту дàтчикà следует выбирàть кàк можно большей, однàко это связàно с увеличением чувствительности дàтчикà. Â связи с чем, лучше

брàть мембрàну меньшего диàметрà и меньшей толщины, по срàвнениню с более толстой мембрàной большего диàметрà. Ýто положение нàклàдывàет

определенные требовàния к выбору рàзмеров мембрàны, с учетом

оптимàльных соотношений рàспределения мехàнических нàпряжений вдоль ее рàдиусà. Ãрàфик изменения мехàнических нàпряжений вдоль рàдиусà мембрàны покàзàн нà рисунке 7.12.

Ïри применении серийных тензорезисторов мембрàнного типà,

диàметр мембрàны должен быть лищь ненàмного больше диàметрà

тезорезисторà. Êогдà зàдàнный диàметр мембрàны не соглàсуется с

диàметром тензорезисторà, то следует откàзàться от мебрàнных тезорезисторов, зàменив их тензорезисторàми с прямоугольной решеткой и рàзличными бàзàми. Â центре тензорезистор с бàзой, доходящей до 1/3 диàметрà мембрàны, à по крàям – не превышàющий 1/6 диàметрà.

колебàний мембрàны, кàк и рàнее , должнà быть в 5÷10 рàз выше основной

© 2015 ÁÍÒÓ

чàстоты вибрàций обьектà и пульсàций дàвления.

Íà рисунке 7.13 покàзàно схемàтическое устройство дàтчиков для измерения дàвлений, рàботà которых не требует особых пояснений. Çдесь внимàние следует обрàтить нà тензометрические дàтчики (рис. 7.13, д,е).

Äля получения мàксимàльной чувствительности, тензорезисторы включàемые по схеме полумостà или мостà, должны быть нàклеены нà мембрàну, в центрàльной ее чàсти и в тех зонàх, где нàпряжения мàксимàльны и имеют противоположный хàрàктер. Çдесь следует обрàтить внимàние нà особенность конструкции дàтчикà дàвления изобрàженного нà рисунке 7.13, д, у которого àктивный тензорезистор 1 нàклеен не вдоль оси цилиндрà, à поперек. Êомпенсàционный резистор 2 нàклеен нà продолжении цилиндрà, в котором помещен селикàгель. Òàкàя ориентàция тензорезисторà рекомендуется потому, что относительнàя тàнгенциàльнàя деформàция примерно в двà рàзà превышàет продольную (ετ 2ει) и рàвнà:

где Dср – средний диàметр цилиндрà; δ – толщинà стенки цилиндрà. Äиàпàзон измерений дàвлений цилиндрическим преобрàзовàтелем

простирàется от (5 – 4000 кгс/см), при этом рàбочàя нàгрузкà во избежàние текуческти мàтериàлà не должнà превышàть 0,7 ετ.

Ðисунок 7.13 Äàтчики для измерения дàвлений

à– реостàтный (потенциометрический), б – электромàгнитный,

г– пьезоэлектрический, д, е – тензометрический.

© 2015 ÁÍÒÓ

Íà рисунке 7.13 покàзàно схемàтическое устройство дàтчиков для

измерения дàвлений, рàботы которых не требует особых пояснений. Âнимàние следует обрàтить нà тензометрические дàтчики (рисунок 7.13, д,е).

Äля получения мàксимàльной чувствительности, тензорезисторы включàемые по схеме полумостà или мостà, должны быть нàклеены нà

мембрàну, в центрàльной ее чàсти и в тех зонàх, где нàпряжения мàксимàльны и имеют противоположный хàрàктер.

Îбособленную группу предстàвляют дàтчики дли измерения удàрных волн, возникàющих при воздействии удàрных силовых проявлений (нижняя

чàсть рисунок 7.13, à и б)

Ñложность измерения подобных процессов зàключàется в том, что в результàте резкого измерения дàвления, в обычных дàтчикàх возникàют собственные колебàния, существенно искàжàющие измеряемое воздействие. Äля нàдежной регистрàции тàких процессов необходимо, чтобы собственнàя чàстотà преобрàзовàтеля былà чрезвычàйно высокой (порядкà 100000 Ãц и выше), à это может быть реàлизовàно лишь с применением пьезоэлектрических дàтчиков. Ïоскольку собственнàя чàстотà системы определяется жесткостью кристàллà квàрцà и его мàссой, то при большой жесткости квàрцà (или пьезокерàмики) и мàлой колеблющейся мàссе, удàется изготовить дàтчик, регистрирующий дàвления с очень крутым фронтом

нàрàстàния.

 нижней чàсти рисункà 7.13 à покàзàн дàтчик, преднàзнàченный для измерения дàвления в удàрной волне. Äàтчик предстàвляет собой зàостренный «нож» 2, в корпусе которого устàновлены двà пьезоэлементà 1,

поджàтыми легкими мембрàнàми 3. Áлàгодàря большой жесткости

пьезоэлементà и мàлой мàссе сàмого пьезоэлементà и мембрàны, собственнàя чàстотà дàтчикà может достигàть 200000 Ãц.

Íесколько другой принцип зàложен в дàтчик, изобрàженный нà рисунке 7.13 б. Ýтим дàтчиком удàется регистрировàть процессы, длительность которых тàкого же порядкà, что и период собственных колебàний пьезоэлементà. Çдесь пьезоэлемент нàходится между двумя учàсткàми метàллического стержня 3. Ñàм стержень зàключен в метàллическую трубку - экрàн 2, изолировàнную от стержня пàрàфином и явлющуюся одновременно вторым электродом.

Ñущность рàботы дàтчикà зàключàется в том, что мàтериàл стержня выбирàется тàким, чтобы волнà сжàтия при своем движении не имелà отрàжений нà грàнице рàзделà (стержень – пьезоэлемент и пьезоэлементà – стержень) и кàждом из учàстков системы не возникàли собственные колебàния.

7.8 Ïреобрàзовàтели видов движений

Ðеàлизовàть свои двигàтельные способности спортсмен может только во взàимодействии с внешней окружàющей средой (действие рàвно

© 2015 ÁÍÒÓ

противодействию). Ôормà тàких взàимодействий определяется спецификой двигàтельной деятельности спортсменà обусловленной соответствующим

видом спортà, со свойственным нàбором чàстных движений. Ïàрàметры

этих движений всецело зàвисят от видов мехàнических движений,

возникàющих в результàте нужной межмышечной координàции. ×àстные виды тàких движений, которые определяют конкретные двигàтельные действия спортсменà, подробно описàны в рàзделе 4.1.

×то кàсàется кинемàтики, то движения, воспроизводимые рàзличными

мехàнизмàми, достàточно огрàничены по нàпрàвлению движения в

прострàнстве, зà исключением синтезà мехàнизмов в робототехнике.

Íà рисунке 7.14 отрàжены, сведенные воедино виды движений, хàрàктерные мехàническим системàм исполнительных элементов тренàжеров, описàние зàконов движения, численные методы их рàсчетà, основные понятия кинемàтики.

Çдесь следует отметить, что из-зà конструктивных особенностей мехàнизмов, обрàзующих исполнительные элементы тренàжеров, движения нà их входе или выходе носят довольно огрàниченный хàрàктер. Ê примеру, это может быть либо врàщàтельное движение, кàк у электрической мàшины (электродвигàтель, тàхогенерàтор и пр.), либо линейное возврàтное движение, - кàк у гидрàвлических или,

пневмàтических систем. Ãидро, и пневмо системы могут тàкже создàвàть нà

своем выходном вàлу и врàщàтельные движения, однàко без преобрàзовàтелей видов движения, невозможно соглàсовàть движения спортсменà и действия нà выходе тàкого исполнительного элементà.

Îтсюдà зàдàчà преобрàзовàтеля видà движения – передàть, в кàчестве

© 2015 ÁÍÒÓ

использовàть рàзличного родà системы блоков, рычàги, рычàжно-блочные системы, рычàжные системы, редукторы, кулàчковые системы и эксцентрики, рàзличного типà зàцепления для создàния прерывистых движений, бàрàбàны с нàмотàнным нà них тросом для преобрàзовàния линейного перемещения во врàщàтельное движение, и многое др.

7.9 Ñтруктурные схемы спортивных тренàжеров и тренировочных

устройств

Ðàзрàботке конструкции тренàжеров и тренировочных устройств предшествует обосновàние выборà и построение функционàльной схемы тàкого оборудовàния, где перечисленные рàнее элементы, à тàкже некоторые другие элементы будучи связàныые в единой структуре, обрàзуют целостную конструкцию проектируемого оборудовàния. Âсе многообрàзие оборудовàния для спортивной тренировки можно рàспределить в соответствии со спецификой деятельности в рàзличных видàх спортà. Òàкое рàспределение концентрируется вокруг совокупности следующих видов спортà:

-силовые и скоростно силовые виды спортà;

-циклические виды спортà;

-виды спортà, основàнные нà двигàтельных взàимодействиях (единоборствà, игровые виды спортà)

-сложно-координàционные виды спортà;

-технические и приклàдные виды спортà.

Ñтруктурнàя схемà тренировочного оборудовàния для силовых и

скоростно-силовых видов спортà

Ïо свой функционàльной компоновке, тренировочное оборудовàние для силовых и скоростно-силовых видов спортà àнàлогично зàмкнутым системàм àвтомàтического регулировàния. Ýто ознàчàет, что подобное оборудовàние должно объединить в себе отдельные функционàльные элементы по взàимосвязям покàзàнным нà рисунке 7.15.

Çдесь преобрàзовàние электрического сигнàлà преврàщàет последние в противодействующий врàщàтельный момент и в первую очередь зàвисит от прицципà рàботы преобрàзовàтеля мехàнических величин в электрический сигнàл (дàтчикà). Ñàмо преобрàзовàние этого сигнàлà, до уровня необходимого для упрàвления преобрàзовàтеля мощности, может быть цифровым, импульсным, àмплитудным, чàстотным или фàзовым. Äàтчик, реàгирующий нà силовые проявления во времени или прострàнстве, может быть связàн кàк с элементом взàимодействия спортсменà с тренàжерным устройством, тàк и с преобрàзовàтелем видов движения

 элементàрных силовых тренàжерàх огрàниченного использовàния (с невысокими потребительскими свойствàми), где в кàчестве преобрàзующих систем применяются, или отсутствуют вообще, мехàнические передàчи или

© 2015 ÁÍÒÓ