Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Датчики и сенсорная электроника. Учебно-методическое пособие
.pdf
11
1 – контактные провода; l – база тензорезистора
Рисунок 1.4 – Полупроводниковый тензорезистор
1.3 Практическая часть
Одна из распространенных форм упругого элемента – упругая балка.
Последняя представляет собой пластину, один конец которой жестко крепится
к корпусу прибора (имеет жесткую заделку), а ко второму прикладывается
измеряемое усилие возможно через посредство ряда механических жестких (по
сравнению с тензобалкой) элементов. Возможен вариант тензобалки с двумя
опорами на концах. В этом случае усилие прикладывается в промежутке между
опорами. Обязательным требованием является работа тензобалки в упругой
области во всем диапазоне изменения измеряемой величины. Тензорезисторы
приклеиваются на тензобалку в области максимальной чувствительности
системы [3].
В данной работе необходимо произвести расчет коэффициента
тензочувствительности.
Важнейшей характеристикой тензорезисторов является коэффициент
тензочувствительности К
Т
, который представляет собой отношение
относительного изменения сопротивления к его относительной деформации.
Вычисляют коэффициент тензочувствительности в соответствии с
формулой
(1.1)
где –
относительное изменение сопротивления;
–
относительное изменение деформации;
–
коэффициент тензочувствительности.
Коэффициент тензочувствительности К
Т
зависит от свойств материала
датчика, технологии его изготовления, от сорта клея и качества наклейки.
Поэтому перед непосредственным измерением исследуемых
деформаций предварительно должно быть проведена тарировка датчиков.
Тарировка осуществляется на упругой балке, закрепленной одним
концом и изгибаемой за счет приложения концентрированной силы на другом
конце. Датчики наклеиваются вблизи места зажима.
Для определения искомого коэффициента К
Т
необходимо знать
12
деформацию λ и относительное изменение сопротивления ε. И то, и другое
определяется экспериментально.
На рис. 1.5 показана одноопорная балка, на которую наклеены четыре
тензорезистора. К концу балки прикладывается усилие A, при этом
сопротивления
1
R
и
3
R
увеличиваются, а
2
R
и
4
R
– уменьшаются [4].
Рисунок 1.5 – Вид деформируемой упругой балки с наклеенными
тензодатчиками
Под действием силы A происходит деформация изгиба балки,
сопровождающаяся растяжением верхних волокон и сжатием нижних. При
этом происходит деформация растяжения наклеенного сверху датчика и
обратная деформация сжатия у датчика, наклеенного снизу.
Величина искомой относительной деформации того или иного знака,
появляющаяся в таком случае, может быть оценена следующей формулой
сопротивления материалов [4]:
(1.2)
где A –
действующая сила, Н;
l –
активная длина балки от нагруженного конца ее до места
расположения датчика, м;
W –
момент сопротивления поперечного сечения балки,
определяется по следующей формуле для прямоугольного
сечения, мм
3
;
E –
модуль упругости, кг/мм
2
(для стали 2,1·104 кг/мм2 );
С
1
–
передаточный коэффициент балки.
Момент сопротивления поперечного сечения балки W определяется по
следующей формуле для прямоугольного сечения
(1.3)
13
где b –
ширина балки, мм;
h –
высота балки, мм.
Отсюда по известным габаритным размерам балки и прикладываемому
усилию расчетом находится искомая величина λ.
Отсюда же оценивается расчетом передаточной коэффициент балки С
1
,
входящий в зависимость (2).
Для оценки относительного изменения сопротивления датчика
используется мостовая схема, представленная в соответствии с рис. 1.6, во все
плечи которой включены тензодатчики.
При отсутствии деформации (A = 0) схема уравновешивается. Затем к
балке прилагается усилие A, под действием которого равновесие моста
нарушается [3].
Рисунок 1.6 – Схема для оценки относительного изменения
сопротивления
Так, при условии равенства сопротивлений всех плеч (R
1
= R2 = R3 = R4)
и при установке одного датчика в плечо 1, когда приращения сопротивлений
всех остальных плеч равны нулю (∆ R
2
= ∆ R3 = ∆ R4 = 0), получается
выражение [1]:
(1.4)
где ε –
приращение сопротивления в единицах;
U
0
–
выходное напряжение моста, В;
U –
напряжение питания моста, В.
При установке двух датчиков с одинаковыми по величине, но
различными по знаку приращениями сопротивления в плечах 1 и 2, получается
выражение
14
(1.5)
При размещении четырех датчиков с одинаковыми по величине, но
попарно различными по знаку приращениями сопротивления во всех плечах
мостовой схемы, получается, что ∆ R1 = ∆ R4 = - ∆ R2 = - ∆ R3. Значение U0 в
соответствие с формулой
(1.6)
1.4 Пример расчета
Возьмем для примера вариант № 21, исходные данные приведены в
таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Исходные данные для примера расчета
№ варианта
R,Ом
∆R,Ом
l, мм
∆l, мм
A, Н
U, В
21
70
14
220
10
14
15
Вариант № 21 – установка одного датчика в 1 плечо.
Решение:
1.
.4,4
22,0
01,0
70
14
l
l
R
R
K
T
2. Находим ширину балки
b = n*100 = 21*100 = 2100 мм.
3. Находим высоту балки
h = b - (n*40) = 2100 - (21*40) = 2100 - 840 = 1260 мм.
4. Далее в формулу 1.3 для момента сопротивления поперечного
сечения балки W подставляем ширину и высоту балки.
.56,0
6
26,11,2
6
3
2
2
м
hb
W
5. Найдём величину искомой относительной деформации того или
15
иного знака может быть по формуле 1.2.
./1026,0
1056,0101,2
22014
9
94
кгH
WE
lA
6. Отсюда находим:
.1057,18
14
1026,0
12
9
1
А
С
7. Так, при условии равенства сопротивлений всех плеч (R1 = R2 = R3 =
R
4
) и при установке одного датчика в плечо 1, когда приращения
сопротивлений всех остальных плеч равны нулю (∆ R
2
= ∆ R3 = ∆ R4 = 0),
получается выражение:
.44,0
34
15
1522
151
0
BU
1.5 Задание для выполнения индивидуального задания
Необходимо рассчитать коэффициент чувствительности
тензометрического датчика KT, передаточный коэффициент балки C1 и
выходное напряжение U0, используя исходные данные, приведенные в
соответствии с таблицей 1.2.
Для нахождения момента сопротивления поперечного сечения балки W,
определяемого по формуле (1.4) в методических указаниях для прямоугольного
сечения студентам необходимо знать ширину и высоту исследуемой балки.
Нахождения ширины балки по варианту студента в списке журнала:
b=n*100,
(1.7)
где b –
ширина балки, мм;
n –
номер студента по списку в журнале (вариант).
Высота балки находится также через вариант студента.
h=b-(n*40),
(1.8)
где b –
ширина балки, мм;
h –
высота балки, мм;
n –
номер студента по списку в журнале (вариант).
Варианты №1–7: установка одного датчика в 1 плечо.
Варианты №8–14: установка двух датчиков с одинаковыми по величине,
но различными по знаку приращениями сопротивления в плечах 1 и 2.
16
Варианты №15–20: размещение четырех датчиков с одинаковыми по
величине, но попарно различными по знаку приращениями сопротивления во
всех плечах мостовой схемы.
№ варианта
R,Ом
∆R,Ом
l, мм
∆l, мм
A, Н
U, В
1
50 5 100
10 5 1
2
100
10
100
10 7 2
3
150
40
100
20 9 3
4
200
30
120
15
11 4 5
250
50
120
10
13 5 6
300
80
120
15
15
10
7
350
45
150
10
15 9 8
400
60
150
20
13 8 9
450
75
150
20
11 7 10
500
80
100
10 9 6
11
500
90
100
12 7 11
12
450
55
130
15 5 12
13
400
55
110
10 5 13
14
350
40
130
12 7 14
15
300
60
190
25 9 15
16
250
55
190
35
11
20
17
200
50
190
40
13
19
18
150
20
220
10 9 18
19
100
15
220
20
15
17
20
50 5 220
10
13
16
1.6 Контрольные вопросы
1. На чем основан принцип действия тензорезистивных
преобразователей?
2. Дать классификацию резистивных тензодатчиков.
3. Что такое коэффициент тензочувствительности тензодатчика?
4. Что такое тензорезистор?
5. Как работает тензометрический мост?
6. Что такое база тензорезистора, и почему тензорезисторы
промышленного изготовления имеют различные базы?
7. Достоинства и недостатки проволочных тензорезисторов.
8. Достоинства и недостатки фольговых тензорезисторов.
17
9. Достоинства и недостатки полупроводниковых тензорезисторов.
10. Что такое тарировка, для чего она предназначена?
11. Основные технологические этапы изготовления фольговых
тензорезисторов.
12. Разновидности погрешности тензорезисторов, от чего она зависит?
18
Лабораторно-практическая работа № 2
«Исследование датчиков температуры»
2.1 Цель работы
1. Ознакомиться с основными типами датчиков температуры.
2. Рассчитать чувствительности жидкостного термометра расширения.
2.2 Теоретические сведения
Температура – физическая величина, характеризующая состояние
термодинамического равновесия макроскопической системы. Иными словами,
температура – это мера кинетической энергии, обусловленной тепловым
движением молекул объекта, т.е. потенциалом теплового потока. Тепло
(теплота) есть энергия, обусловленная разностью температур между объектом и
окружающей средой.
Тепло может передаваться от одного объекта к другому следующими
способами:
− теплопроводностью;
– диффузией через среду;
− конвекцией;
– движением среды;
− излучением;
– с помощью электромагнитных волн.
Для измерения температуры в настоящее время действует
Международная температурная шкала МТШ-90, которая является обязательной
для всех метрологических органов. Она основывается на ряде
воспроизводимых состояний равновесия (реперных точек) некоторых веществ,
которым присвоены определенные значения температуры в градусах Кельвина
(К) и Цельсия (ОС). Из определения температуры следует, что она не может
быть количественно измерена непосредственно.
Поэтому температуру определяют косвенно – по изменению физических
свойств различных тел, получивших название термометрических. Измерение
температуры связано с преобразованием сигнала измерительной информации
(температуры) в какое-либо свойство, связанное с температурой (объем,
давление, электрическое сопротивление, термо-ЭДС, интенсивность излучения
и т.д.).
Датчик температуры – это устройство, предназначенное для
определения температуры контролируемого объекта посредством
преобразования изменения свойств объекта в соответствующий выходной
сигнал, удобный для дальнейшей обработки или сбора информации. Датчики,
предназначенные для измерения температуры, называются термометрами. По
19
способу преобразования термометры наиболее часто подразделяют на
следующие виды:
− расширения;
− давления;
− терморезистивные;
− термоэлектрические;
− пирометры.
1) Термометры расширения относят к датчикам параметрического типа,
принцип действия которых основан на зависимости линейных размеров
чувствительного элемента от температуры объекта. Принцип действия
термометров расширения основан на эффекте теплового расширения –
изменение линейных размеров и формы тел при изменении их температуры.
Термометры расширения разделяют на две группы: металлические и
жидкостные термометры.
Металлические термометры расширения. Металлические термометры
расширения изготавливают в виде биметаллических термометров и
дилатометров.
1.1) Биметаллические термометры. На рис. 2.1 представлена
принципиальная схема биметаллического термометра, в котором в качестве
термочувствительного элемента используется двухслойная пластинка,
состоящая из металлов с существенно различными коэффициентами линейного
расширения: латуни 1 и инвара 2. При увеличении температуры свободный
конец пластины будет изгибаться в сторону металла с меньшим
коэффициентом. По величине этого перемещения судят о температуре. Эти
датчики часто используются как термореле в системах сигнализации и
автоматического регулирования, а также в качестве температурных
компенсаторов в измерительных устройствах, например, в пирометрах,
термометрах давления и т.п. [9].
Рисунок 2.1 – Схема биметаллического термометра
20
1.2) Дилатометры. На рис. 2.2 приведена конструкционная схема
пневматического дилатометра. В корпусе 1, изготовленном из латуни
(нержавеющей стали) расположены трубка 3 и стержень 2, выполненный из
инвара (кварца). Стержень 2 через трубку 3 и толкатель 5 с помощью пружины
6 постоянно поджимается к нижнему концу корпуса 1. Шарик 4 исключает
появление люфтов между стержнем и компенсационной трубкой, которая
выполнена также из латуни и предназначена для исключения температурной
погрешности при установке на объектах с различной толщиной тепловой
изоляции. Изменение разности удлинений корпуса 1 и стержня 2,
пропорциональное изменению температуры измеряемой среды,
трансформируется в пневматический сигнал в преобразователе 7, усиливается и
поступает на регистрирующий прибор [8].
Рисунок 2.2 – Схема пневматического дилатометра
1.3) Жидкостные термометры расширения. Жидкостные термометры
разделяют на палочные (рис. 2.3, а) и технические со вложенной шкалой
(рис. 2.3, б). Жидкостный термометр состоит из стеклянной оболочки 4,
капиллярной трубки 2, запасного резервуара 1 и шкалы 3. Термометрическая
жидкость заполняет резервуар и часть капиллярной трубки. Свободное
пространство в капилляре заполняется инертным газом, или из него удаляется
воздух.
В качестве термометрической жидкости применяют органические
заполнители: толуол, этиловый спирт, керосин, пентан. Наиболее широкое
распространение получили термометры с ртутным наполнением. Это
объясняется свойствами ртути находиться в жидком состоянии в широком
диапазоне температур и не смачивать стекло, что позволяет использовать
капилляры с небольшим диаметром канала (до 0,1 мм) и обеспечивать высокую
точность измерения. Органические заполнители характеризуются более низкой
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]