15.Измерения сил с помощью индуктивных, пьезоэлектрических и магнитоупругих динамометров
Принцип действия пьезоэлектрических динамометров основан на возникновении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов при приложении к ним механической нагрузки1. Данный тип динамометров непригоден для измерения статических сил из-за быстрого рассасывания зарядов с поверхности кристалла.
Магнитоупругие динамометры могут исполняться в виде катушки с замкнутым сердечником из ферромагнитного материала (рис.3.7 а), способного изменять свою магнитную проницаемость в направлении воздействия на него силы растяжения или сжатия. Данная способность носит название магнитоупругого эффекта и характерна для железоникилевых сплавов. При нагружении такой катушки силой F происходит изменение ее индуктивности, что приводит к изменению ее сопротивления и следовательно к изменению протекающего тока при питании от источника переменного напряжения.
Другая возможность использования магнитоупругого эффекта показана на рисунке 3.7 б. В пластине из листовой стали имеются четыре отверстия. В этих отверстиях помещены две пересекающиеся обмотки, одна из которых подключена к источнику питания, другая – в цепь измерения. При нагружении такого чувствительного элемента симметричное ранее магнитное поле искажается и в измерительной обмотке возбуждается напряжение, пропорциональное нагружению.
При наложении большого числа подобных пластин можно получить пакеты, позволяющие измерять силы до 50 МН, поэтому магнитоупругие динамометры обычно используются в тяжелой промышленности (особенно в прокатных цехах) для грубых квазистатических измерений больших сил. Особое преимущество магнитоупругих динамометров сотоит в большом (до 10 В) выходном сигнале и отсутствии необходимости применять усилители. Класс точности магнитоупругих динамометров – от 0,1 до 2 %.
16.Средства измерения крутящих моментов
Среди электрических устройств, предназначенных для измерения крутящих моментов, наибольшее распространение получили различные торсионные датчики, в которых происходит измерение деформации скручивающегося упругого элемента (торсионного вала).
В качестве измерительных преобразователей величины деформации торсионного вала используют тензорезисторные мосты. При этом возникает определенная сложность с подачей напряжения питания к подобным преобразователям в случае их расположения на вращающемся валу, что характерно для определения крутящего момента двигателя. С аналогичной проблемой приходится сталкиваться и при снятии с преобразователя измерительного сигнала.
Рис. 3. 3. Торсионный датчик с контактными щетками:
1 – торсионный вал; 2 – тензорезисторы; 3 – корпус с односторонним шариковым подшипником; 4 – контактные кольца; 5 – контактные щетки; 6 –вентилятор
Одним из вариантов решения этой задачи является применение контактных щеток (рис. 3.8). Но щетки, которые обычно выполняются из графита, подвергаются износу, затрудняет применение подобной конструкции для осуществления постоянного определения крутящего момента в процессе эксплуатации механизма (станка или др.).
В качестве альтернативы может применяться бесконтактный торсионный датчик [6], схема которого показана на рисунке 3.9. Стационарный генератор b2 переменного напряжения частотой 15 кГц, питающийся от аккумулятора b1 или от сети, вырабатывает напряжение, которое посредством индуктивной передачи b3 поступает на вращающуюся часть датчика. Непосредственно на вращающейся части закреплен блок b4, преобразующий переменное входное напряжение в стабилизированное постоянное напряжения питания тензорезисторного моста a.
Выходной сигнал мостовой схемы через преобразователь напряжение-частота с1 поступает на металлические кольца, которые в паре с внешними пластинами образуют емкостную связь с2, обеспечивающую передачу измерительного сигнала в стационарную часть прибора. Прошедший усилитель с3 сигнал поступает в блок индикации момента e1. Кроме того этот сигнал может быть использован для определения мощности, для чего он перемножается с сигналом скорости вращения, поступающего из устройства измерения частоты вращения. Данное устройство, как правило, состоит из датчика импульсов d1, приемника импульсов d2 и усилителя d3. Для отображения значений скорости вращения и мощности на валу предусмотрены соответствующие индикаторные устройства e2 и e3