5.4. Датчики силы
К силе принято относить следующие параметры: усилие, вес, крутящий элемент. Данные параметры вызывают деформацию (растяжение, сжатие, сдвиг) воспринимающего элемента, поэтому базовым чувствительным элементом для датчика силы (ДС) может служить видоизмененный элемент СД. Так, в большинстве случаев и поступают: монтируя конструктивно и технологически отработанный ЧЭ СД на ВЭ соответствующего сенсора, включают его в измерительную схему и нагружают силовым параметром, имея на выходе сигнал эквивалентный входному воздействию (усилию, весу, крутящему моменту).
Структурная схема ДС приведена на рис. 5.7, где приняты следующие обозначения:
ε-ЧЭ – деформационный чувствительный элемент;
ЭС – электрическая схема;
ВЭ – воспринимающий элемент.
Формула преобразования для ДС:
F
x
® ε ®
Z ® У
В качестве промежуточной величины Z могут быть приняты следующие:
изменение сопротивления DR для ТР;
изменение напряжения DU для потенциометрических ЧЭ;
изменение заряда DQ для пьезоэлектрических ЧЭ;
изменение частоты Df для акустоэлектрических ЧЭ;
изменение магнитных характеристик (В, L, М, H) для индуктивных и магнитоэлектрических ЧЭ;
изменение оптических характеристик для оптоволоконных и оптических ЧЭ.
Выходными величинами датчика силы в подавляющем большинстве являются электрические: напряжение, ток или сопротивление.
Следует отметить, что максимальное применение в датчиках силы по многим причинам нашел тензометрический принцип преобразования, так как тензорезисторные СЭ наиболее технологически отработаны, ТР выпускаются серийно, с ними не сложно проводить измерения и т. д. Поэтому в дальнейшем уделим основное внимание именно тензорезистивным ДС. Рассмотрим некоторые базовые конструкции тензорезистивных силочувствительных элементов, схематично изображенных на рис. 5.8.
Рисунок 5.8-Конструкции СЧЭ
Так как при измерениях силовых параметров ВЭ должен работать в пределах упругих деформаций (с целью обеспечения линейности и механической надежности), в ДС конфигурация ВЭ, который называется упругим элементом (УЭ), имеет определенные закономерности. УЭ может быть выполнен как в виде простой консольной балки (рис. 5.8,а) для ДС малой точности, так и в виде элементов сложных форм: балок равного сопротивления; профилированных балок; кольцевых конструкций (рис. 5.8,б), для точных ДС (рис. 5.8,д). Усложнение конструкции УЭ диктуется требованиями точности и диапазоном измеряемых усилий и весов. Тензорезисторы, как отдельные, так и в виде СД, закрепляются на поверхности УЭ в тех местах, где уровни механических напряжений максимальны, а их неравномерность минимальна. На балке равного сопротивления (рис. 5.8,б) ТР могут монтироваться в любом месте УЭ, так как в ней механические напряжения одинаковы по всей длине элементов
Примеры чувствительных элементов существующих датчиков силы приведены на рисунках 5.9,а и 5.9,б.
а б
Рисунок 5.9 – Конструкции тензорезистивных измерительных преобразователей: а- стержневой формы; б-трубчатой формы