14.Измерения сил с помощью тензорезисторных динамометров
Среди
приборов для измерения сил, в том числе
датчиков веса, наибольшее распространение
получили тензорезисторные
динамометры.
Диапазон измерения этих динамометров
необычайно широк – имеются динамометры
на номинальные силы от 5 Н до 10 МН и более.
Решающим фактором, однако, является
высокая точность измерения. В зависимости
от затрат, уровня техники и производственных
возможностей погрешность может быть
снижена до величины, меньшей 0,03% и даже
0,01% [5].
В простейшем случае чувствительный элемент может представлять собой стержень, нагруженный вдоль оси. При нагружении стержень сжимается, причем в соответствии с коэффициентом Пуассона одновременно увеличивается его периметр. Тензорезисторы, наклеенные на стержень в области однородного силового поля, включают в мостовую схему так, чтобы в противоположных плечах моста оказались тензорезисторы, решетки которых направлены вдоль оси стержня и перпендикулярно ей.
Для расширения пределов измерений до 1 – 20 МН в целях лучшего распределения напряжений упругий элемент часто выполняют в виде трубы и тензорезисторы наклеивают на его внутреннюю и наружную поверхности.
Для увеличения чувствительности динамометров при измерении малых сил (порядка 5 Н) применяют чувствительные элементы, в которых используются не продольные деформации, а деформации изгиба. Примером может служить чувствительный элемент в форме кольца, показанный на рисунке 3.5.
Описанные чувствительные элементы при соответствующей их установке могут быть нагружены и в направлении сжатия, и в направлении растяжения, а при использовании тензорезисторных динамометров следует учитывать некоторые характерные особенности:
класс точности тензорезисторных динамометров составляет от 0,03 до 2 %, причем для усилий более 2,5 МН невозможно изготовить динамометр с классом точности лучше 0,1%;
деформации в тензорезисторных динамометрах очень малы (от 0,1 до 0,3 мм), но если в некоторых случаях такая деформация слишком велика, то можно использовать чувствительные элементы с более высоким пределом измерения, однако, с более низкой чувствительностью;
тензорезисторные динамометры пригодны как для статических, так и для динамических измерений, в том числе при знакопеременной нагрузке с частотой в несколько килогерц, однако если датчик будет являться частью сложной колебательной системы, то его влияние всегда следует продумать;
типичным свойством всех материалов, используемых для изготовления чувствительного элемента, является их ползучесть при нагрузке и при изменении нагрузки, поэтому в тензорезисторных динамометрах имеется возможность соответствующей конфигурацией тензорезисторов компенсировать ползучесть и получать стабильные характеристики;
применение тензорезисторных динамометров возможно при необходимости обеспечения взрывобезопасности и в других сложных условиях;
тензорезисторные динамометры всегда имеют мостовую схему с использованием не менее четырех активных тензорезисторов, а сопротивление моста может составлять от 120 до 4000 Ом (оптимальным с точки зрения согласования с соединительным кабелем является сопротивление 350 Ом);
для суммирования или вычитания отдельных сил тензорезисторные динамометры можно в большом количестве включать параллельно или последовательно;
при подключении тензорезисторных динамометров к аппаратуре электронной обработки данных возможно достигнуть разрешающей способности, соответствующей числу делений 106.
В качестве альтернативы тензорезисторным динамометрам, особенно в лабораторной и испытательной практике, охотно используют индуктивные динамометры, измерительным элементом которых служит индуктивный датчик перемещения.
При
помощи индуктивных динамометров измеряют
изменение расстояния между двумя
точками упругого элемента под действием
силы. Для уменьшения несимметричного
воздействия силы чувствительный элемент
выполняется вращательно-симметричным
(рис. 3.6). Для очень малых сил применимы
простые или двойные балки, работающие
на изгиб.
Рис. 3. 2. Индуктивный динамометр:
1 – тарельчатый упругий элемент; 2 – индуктивный датчик перемещения
Среди характерных особенностей индуктивных динамометров можно отметить следующие:
индуктивные динамометры характеризуются большим измерительным сигналом, поэтому уже при нагрузке, составляющей 1% от номинальной, можно получит показание (измеряемая деформация при этом составляет всего 1-2 мкм);
индуктивные динамометры выпускают в классах точности от 0,2% до 1%;
индуктивные динамометры могу быть рассчитаны на номинальные силы (растяжения или сжатия) до 10 мН и ниже, при этом верхний предел – от 200 кН до 1 МН;
их чувствительность к поперечным силам невелика;
индуктивные динамометры сравнительно недороги;
индуктивные динамометры должны работать на несущей частоте (обычно несущая частота – от 4 до 10 кГц).