10.2. Силомоментные датчики

Преобразование сил, возникающих при физическом контакте МС с объектом, в электрический сигнал может осуществляться силомоментными датчиками двумя путями. Первый из них заключается в не­посредственном измерении упругих деформаций чувствительных элемен­тов датчиков. Наиболее часто для этого применяют тензорезисторные, пьезоэлектрические и магнитоупругие преобразователи. Второй способ заключается в измерении перемещений калиброванных пружин датчика, деформируемых под действием измеряемой величины в процессе контакта схвата с объектом. При этом используют емкостные и электромагнитные (главным образом индуктивные) датчики.

Самостоятельные и достаточно распространенные группы представляют собой струйные и оптические датчики.

Измерение упругих деформаций с помощью тензорезисторных датчиков - наиболее распространенный метод. Известна широкая но­менклатура полупроводниковых и металлических тензорезисторов, ха­рактеристики которых позволяют использовать их в тактильных и силомоментных датчиках. В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации.

Для непосредственного измерения упругих деформаций могут быть использованы также пьезоэлектрические датчики, действие которых основано на измерении заряда, пропорционального внутренним механическим напряжениям растяжения-сжатия или сдвига, вызванными измеряемым усилием. Типичные датчики усилия представляют собой кварцевые или пьезокерамические шайбы, установленные в цилиндрическом корпусе (рис. 10.1). Измеряемое усилие F через силораспределительный элемент 1 передается на расположенные в корпусе 2 кварцевые шайбы 3. Силораспределительный элемент обеспечивает равномерное распределение измеряемой нагрузки по площади хрупких кварцевых шайб, что

Рис.10.1. Пьезоэлектрический датчик усилия

предохраняет их от возможного растрескивания и по­зволяет увеличить диапазон измеряемых усилий. При приложении (или снятии) механического усилия на плоских поверхностях шайб образуются элек­тростатические заряды. В качестве материала чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков чаще всего используют природ­ный или искусственный кристаллический кварц и искусственно создан­ный материал - пьезокерамику. Плотность электрического заряда δ, воз­никающего на гранях пьезоэлектрика при возникновении в нем механи­ческих напряжений σ, определяется как

δ =d σ,

где d - пьезоэлектрический модуль, зависящий от материала пьезоэлек­трика, направления кристаллографических осей по отношению к граням пьезоэлемента, характера механических напряжений (растяжение-сжатие, сдвиг, кручение).

Значение модуля d для кварца составляет около 2,3.10^-12 Кл/Н, а для пьезокерамики - (90...320). 10^-12 Кл/Н. Кварцевые датчики, хотя и менее чувствительны, обладают высокой стабильностью свойств. Напри­мер, выпускаемые фирмой «Брюль и Къер» пьезоакселерометры измеря­ют ускорения в диапазоне (2.10^-5...10⁶) м/с² при чувствительности 0,004 пКл/(м.с^-2).

Достоинствами пьезодатчиков являются простота конструкции, малые размеры, надежность в работе, прекрасные динамические свойст­ва (собственная частота f_c до 200 кГц), способность работать при высо­ких температурах (до 250°С). Погрешность пьезоэлектрических датчиков - до 1 %. К тому же пьезоэлектрические датчики являются генераторны­ми, т. е. к ним не нужно подводить питающее напряжение.

Однако заряды на чувствительных элементах датчика образуют­ся только при изменении измеряемого усилия. Если это усилие некоторое время остается постоянным, заряды достаточно быстро стекают даже через большое сопротивление изоляции. Это является основным недос­татком пьезоэлектрических датчиков. Поэтому их целесообразно исполь­зовать в тактильных системах, которые регистрируют факт наличия ка­сания и мгновенное значение контактной силы, а также для измерения динамических усилий, вибраций.

Работа магнитоупругих датчиков основана на эффекте магнитоупругости, заключающемся в изменении магнитной проницаемости ферромагнитного материала под действием механических напряжений. На рис.10.2 схематически показан наиболее распространенный вариант конструкции магнитоупругого датчика - магнитоанизотропный датчик. В магнитопроводе из ферромагнитного материала, обладающего достаточ­ной магнитоупругой чувствительностью, имеются 4 сквозных отверстия, через которые намотаны первичная обмотка 2, питаемая переменным током повышенной частоты, и вторичная (измерительная) обмотка 3.

Рисунок 10.2.- Конструкция магнитоанизотропного датчика усилий

Плоскости обмоток образуют между собой угол 90°, а с направлением измеряемого усилия F - угол 45°. При отсутствии измеряемого усилия вектор магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой, перпендикулярен плоскости витков вторичной обмотки, силовые линии этого потока не пересекают витков обмотки 3, поэтому наводимая в ней ЭДС равна нулю.

При приложении измеряемого усилия F (показано стрелкой) в материале магнитопровода возникают механические напряжения, направленные вдоль вертикальной оси. Это вызывает появление магнитной анизотропии (различие магнитных свойств материала вдоль направления действия измеряемого усилия и поперек него). Благодаря этому вектор магнитного потока слегка поворачивается, и часть силовых линий начинает пересекать витки вторичной обмотки. Это приводит к появлению в ней ЭДС е₂, пропорциональной измеряемому усилию.

Достоинствами магнитоупругих датчиков являются простота конструкции (монолитный магнитопровод и обмотки), высочайшая надежность, неприхотливость к условиям эксплуатации (нечувствительность к влажности, запыленности, радиации), высокий уровень выходного сигнала (несколько вольт, что в десятки тысяч раз превышает уровень выходного сигнала тензорезистивных датчиков), хорошие динамические свойства, возможность непосредственного частотного выхода. Основными недостатками являются высокая погрешность (в том числе временная нестабильность, наличие нелинейности и гистерезиса функции преобразования), необходимость использования специальных магнитных материалов, термической обработки этих материалов после изготовления магнитопровода.

В емкостных, электромагнитных (главным образом индуктивных) и оптических датчиках часто используется предварительное преобразование измеряемой величины в перемещение калиброванной пружины.

Емкостные датчики используют зависимость емкости конденсатора от изменения его параметров под действием измеряемой величины. Как известно, емкость С конденсатора (без учета краевого эффекта) равна C=εS/δ. Она может изменяться при изменении диэлектрической проницаемости ε материала между его пластинами, площади пластин S и расстояния δ между ними. Чаще всего изменяемым параметром является расстояние δ. Под воздействием измеряемой величины (усилия, давления, перемещения, угла поворота, ускорения) деформируется калиброванный упругий элемент (это может быть плоская, цилиндрическая, спиральная пружина или мембрана), и одна из пластин измерительного конденсатора перемещается, что, в свою очередь, вызывает соответствующее изменение емкости конденсатора.

Из-за малых абсолютных значений величины емкости таких датчиков (обычно 10-100 Пф) для их работы необходимо использовать частоты порядка 30-100 МГц, что усложняет вторичную аппаратуру.

Усилия, возникающие в детали МС, преобразованные в перемещение калиброванной пружины, могут измеряться также различного рода электромагнитными датчиками, среди которых наиболее распространены индуктивные и индуктивно-трансформаторные. Последние отличаются лишь наличием вторичной обмотки, В индуктивных датчиках перемещение ферромагнитного сердечника (якоря) вызывает соответствующее изменение индуктивности обмотки, a в индуктивно-трансформаторных - изменение взаимной индуктивности обмоток. Индуктивные преобразователи перемещений по своей конструкции очень многообразны.

Наиболее простую конструкцию имеет преобразователь малых перемещений с переменной длиной воздушного зазора (рис. 10.3).

Рис.10.3. Индуктивно-трансформаторный датчик

В индуктивном датчике при приближении подпружиненного якоря к магнитопроводу сопротивление магнитной цепи уменьшается, индуктивность обмотки w₁ возрастает, ток в ней падает. В индуктивно-трансформаторном датчике в этом случае возрастает взаимная индуктивность обмоток и, соответственно, напряжение U_вых, наводимое во вторичной обмотке. Наличие обмотки w₂ хотя и усложняет изготовление датчика, но позволяет гальванически разделить входные и измерительные цепи. Это делает более удобной обработку выходного сигнала датчика, поэтому трансформаторные варианты электромагнитных датчиков более распространены. Индуктивные преобразователи с переменной длиной зазора обладают высокой чувствительностью к измеряемой величине, незначительной чувствительностью к внешним электромагнитным полям (поскольку магнитопровод датчика почти полностью замкнут), высокой надежностью, обусловленной простотой конструкции.

Для питания намагничивающей обмотки используют ток повышенной частоты (несколько килогерц), что позволяет повысить чувствительность датчика. В реальных конструкциях датчиков с переменным воздушным зазором при относительном изменении длины зазора Δδ/δ₀=(0,1...0,15) относительное изменение индуктивности ΔZ/Z не превышает (0,05...0,1) при нелинейности характеристики (1...3)%. Такие преобразователи используются для измерения небольших перемещений порядка (0,01...10) мм.

Дифференциальное включение датчиков

Улучшить метрологические характеристики датчиков позволяет использование дифференциальной схемы включения, которую рассмотрим на примере индуктивного дифференциально-трансформаторного датчика перемещений (рис. 10.4). Такой датчик состоит из двух близких по характеристикам одиночных датчиков, расположенных таким образом, что приближение якоря к магнитопроводу одного датчика вызывает удаление его от магнитопровода другого датчика. Вторичные обмотки обоих датчиков включены последовательно встречно. В исходном состоянии якорь находится на одинаковом расстоянии от обоих маг-нитопроводов, ЭДС вторичных обмоток обоих датчиков одинаковы е₂'= е₂"= е₀, и выходное напряжение U_вых.=0.

При перемещении якоря под воздействием измеряемой величины ЭДС на выходе одного датчика возрастает на величину Δе_и, а другого на такую же величину падает. При встречном включении вторичных обмоток приращения ЭДС складываются, поэтому U_выx= е_о+Δе_и-(е_о-Δе_и) = 2Δе_и.

Рисунок. 10.4.- Схема дифференциально-трансформаторного датчика

Дифференциальная конструкция обладает следующими преимуществами:

1. удвоение выходного напряжения (это следует из последней формулы);

2. компенсация дополнительных погрешностей (например, температурной);

3. расширение линейного участка характеристики преобразования;

4. компенсация ненулевого начального сигнала на выходе датчика.

Эти преимущества характерны для дифференциальных конструкций датчиков всех видов (тензорезистивных, емкостных, оптических и т.д.) независимо от используемого принципа преобразования измеряемой величины в выходной электрический сигнал .