| Методические указания по курсу «Основы технического творчества» |
 |
 |
| Добавил(а) Administrator |
| 09.02.11 20:06 |
|
Страница 11 из 13
4.2. Датчики. Электрические сигналы при измерениях снимают с датчиков, то есть конструктивно законченных преобразователей, предназначенных для выполнения определенной функции. Входная величина преобразуется в промежуточную деформацию упругого элемента датчика, а последняя вызывает изменение сопротивления тензопреобразователя, установленного на деформируемом участке упругого элемента. Преобразователи могут устанавливаться как на самой детали, подвергающейся действию силы или момента, так и на специальных упругих элементах в виде балки, стержня, цилиндра или кольца, деформирующимися пропорционально приложенной силе и приходящими в исходное положение после снятия нагрузки. Изменение сопротивлений тензорезисторов, вызванное деформацией мало и составляет от нескольких тысячных до десятых долей Ома. В практике измерений используются проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Проволочные тензорезисторы изготавливаются в виде наклеенных на тонкую бумагу или лаковую пленку зигзагообразных петель (витков) тонкой проволоки с большим удельным электрическим сопротивлением. Наиболее употребительным материалом является константановая проволока диаметром 20-30 мкм. Номинальное сопротивление выпускаемых проволочных тензорезисторов на бумажной и пленочной основе составляет от 50 до 400 Ом с длиной базы 5 – 30 мм. Коэффициент тензочувствительности серийно выпускаемых тензорезисторов ± 0,2, номинальный рабочий ток около 30 мА, максимальные допустимые относительные деформации не более 0,3%. Фольговые тензорезисторы имеют решетку из тонких полосок фольги прямоугольного сечения толщиной 4-12 мкм, нанесенных на лаковую основу. Основное преимущество таких тензорезисторов – возможность изготовления решеток сложного профиля, которые наиболее полно отвечают условиям измерения. Так, прямоугольные решетки применяются для измерения линейных деформаций, розеточные – крутящих моментов на круговых валах, мембранные наклеиваются на мембраны. К преимуществам фольговых тензорезисторов относится также возможность повышения пропускаемого через тензорезисторы тока (из-за большой теплоотдачи) и тем самым повышения чувствительности тензопреобразователя. Полупроводниковые тензорезисторы, по сравнению с рассмотренными выше, имеют следующие преимущества: их чувствительность в 50-80 раз выше, чем у проволочных; высокий уровень выходного сигнала в ряде случаев не требуют применения усилителя. Основным отличием полупроводниковых тензорезисторов от проволочных является большое (до 50%) изменение сопротивления тензопреобразователя при деформации. К недостаткам полупроводниковых тензорезисторов относится их малая механическая прочность и гибкость, а также разброс характеристик от образца к образцу, нелинейность характеристики. Работа датчиков во многом зависит от качества наклейки тензопреобразователей и клея. Перед наклейкой поверхность упругого элемента тщательно очищается напильником от краски и грязи. Зачищенная поверхность должна быть 1,5-2 раза больше размеров тензорезистора. Далее поверхность дочищается наждачной шкуркой и обезжиривается с помощью очищенного бензина, а затем с помощью химически чистого ацетона и 96% этилового спирта до тех пор, пока поверхность не станет совершенно чистой. Для наклейки тензопреобразователей можно использовать бакелитно-фенольный клей. На подготовленную поверхность наносится тонкий слой клея. Одновременно тонкий слой наносится на оборотную сторону тензорезистора и слегка просушивается. Затем на деталь наносится второй слой клея, снова слегка подсушивается и на него наклеивается, прижимая через целлофан, тензорезистор. Сушить следует в течение 30-40 минут при температуре 50-70º С. После подсыхания для уменьшения ползучести клея тензопреобразователь рекомендуется нагреть до 120-140º С в сушильном шкафу и выдержать при этой температуре 1-2 ч. При этом клей полностью полимеризуется. Если нет возможности поместить деталь в термостат, можно сушить при комнатной температуре в течение 2-3 суток. После окончательной сушки к концам проволоки припаиваются проводники из более толстой проволоки, которые служат для присоединения датчика к измерительной схеме. В качестве герметизирующих покрытий могут использоваться эпоксидные смолы, бакелитовые и другие лаки. Для измерения сопротивлений используются, в основном, мостовые или полумостовые схемы соединения тензопреобразователей. Для исключения начальной составляющей мост измерительной диагонали равняется нулю. В практике тензометрирования применяются, в основном, неуравновешенные мосты, в которых изменение сопротивления определяется по величине разбаланса. При нагружении датчика получается двойная разбалансировка моста, так как сопротивление одного плеча моста увеличивается, а сопротивление другого плеча моста уменьшается. Стрелка подсоединенного гальванометра будет отклоняться от нулевого деления. Это отклонение будет тем больше, чем больше будет величина воздействия. Отклонение фиксируется приборами. Рассмотрим наиболее распространенные типы датчиков. Датчик для измерения усилий представляет собой круглое или овальное кольцо с отверстиями для крепления, изготовленное из стали 65 Г и закаленное в масле. На одном из участков кольца с обеих сторон наклеены проволочные сопротивления. Когда на звено начинает действовать сила, то кольцо деформируется, и радиус кривизны кольца в месте наклейки датчиков изменяется. При этом датчики получают деформации, а, следовательно, и изменения сопротивления равных знаков. Датчик подключается к осциллографу через тензометрический усилитель. Датчик для измерения крутящего момента работает на принципе использования не менее двух тензорезисторов под углом 90º друг к другу и под углом 45º к оси вала. Тогда при кручении вала, у одного тензопреобразователя сопротивление будет уменьшаться, а у другого – увеличиваться. Этим путем применение мостовых измерительных схем увеличивает чувствительность вдвое. Тензорезисторы включаются в сопряженные плечи электрического измерительного моста. При нагружении вала крутящим моментом происходит двойная разбалансировка моста, которая фиксируется осциллографом. Датчик линейных ускорений состоит из плоской упругой балки с металлическими шариками на конце, которая прикрепляется к движущемуся звену, ускорение которого определяется. При движении звена с ускорением, сила инерции шарика будет изгибать балку. При малых деформациях изгиб балки будет пропорционален силе инерции и, следовательно, измеряемому ускорению. В качестве чувствительного элемента используются проволочные тензорезисторы, которые с двух сторон наклеиваются на балку. Последняя выполняется как балка равного сопротивления изгибу так, что радиус кривизны балки и относительная деформация балки при действии на нее силы инерции шарика будут постоянны по всей длине. Чтобы собственные колебания датчика не влияли на его показания, необходимо его подбирать так, чтобы частота собственных колебаний датчика была в 10-15 раз больше частоты замеряемого процесса. Датчик линейных скоростей состоит из постоянного магнита и катушки с сердечником. Скорость измеряется, используя явление электромагнитной индукции. В поле постоянного магнита движется катушка, намотанная на изогнутый сердечник, изготовленный из мягкой стали с большой магнитной проницаемостью. Концы провода катушки непосредственно подключаются к шлейфу осциллографа, который фиксирует скорость на осциллографической бумаге. Датчик линейных перемещений устанавливается на поступательно движущемся звене и представляет собой катушку с двумя обмотками, внутри которой перемещается железный сердечник. Сердечник жестко связан с подвижным звеном, а катушка установлена неподвижно. Первичная обмотка катушки питается напряжением переменного тока с частотой 50 гц. Напряжение вторичной обмотки зависит от того, насколько глубоко в катушку будет вдвинут сердечник. По величине напряжения вторичной обмотки определяется положение сердечника относительно катушки, которое записывается подсоединенным к ней прибором. При проведении измерений с использованием тензометрических и других датчиков необходимо иметь соответствующую аппаратуру, приборы и инструменты, обеспечивающие выполнение работ, связанных с проверкой датчиков, испытанием и тарировкой тензометрических приборов, с измерением статических и динамических нагрузок. 4.4. Регистрация результатов измерений приборами. Для регистрации выходных сигналов датчиков применяются различные регистрирующие приборы: светолучевые магнитографы, самопишущие регистрирующие приборы. При усилении выходных сигналов используются усилители различных конструкций. Тензометрический усилитель на интегральных схемах для проволочных датчиков ТММ 48 имеет четыре независимых канала усиления с тремя диапазонами усиления на каждом канале. Принцип действия прибора основан на работе моста, выполненного на тензодатчиках и усилении его выходного сигнала балансным усилителем постоянного тока. На шасси усилителя размещены элементы блока питания. К шасси крепится передняя панель, на которой смонтированы органы управления, разъемы для подключения внешних тензодатчиков и микроамперметр. С внутренней стороны панели крепятся платы усилителей и стабилизатора. На задней стенке шасси расположены разъем для подключения шлейфового осциллографа и предохранитель. К входу каждого канала усиления подключено балансировочное устройство, представляющее собой полумост, образованный из двух проволочных датчиков сопротивления. Предварительные каскады усиления каждого канала выполнены с применением интегральных схем. Выходные каскады выполнены с применением интегральных схем. Выходные каскады выполнены на транзисторах. Выходной каскад каждого канала переключателем может быть подключен либо к микроамперметру, позволяющему контролировать балансировку измерительной схемы, либо к шлейфовому осциллографу для регистрации величин механических напряжений в исследуемом объекте. При воздействии усилий на звено, в котором измеряются деформации, в мостовой измерительной схеме появляется сигнал разбаланса, который усиливается каскадами усилителя и фиксируется микроамперметрами или шлейфовым осциллографом. Электропитание усилителя ТММ - 48 осуществляется от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 в. Применяемый на протяжении долгого времени при испытаниях машин усилитель 8АНЧ-7М входил в комплект тензометрической аппаратуры, предназначенной для измерения в восьми точках динамических и статических деформаций, возникающих в звеньях сельскохозяйственных машин и других конструкциях в процессах их работы. Задающими и регистрирующими элементами аппаратуры являются проволочные тензодатчики и шлейфовый осциллограф. Усилитель 8АНЧ-7М состоит из восьми однотипных усилителей, генератора несущей частоты, указателя выходного тока и блока питания. Работа одного из каналов усилителя происходит следующим образом. Датчики и обмотки выходного трансформатора усилителя мощности образуют мост, который запитывается от генератора напряжением несущей частоты (90 В, 3500 Гц) через усилитель мощности. Датчики при воздействии деформации меняют свое сопротивление, вследствие чего происходит разбаланс моста и на диагонали его появляется напряжение несущей частоты, модулированное напряжением деформации. Это напряжение усиливается усилителем и подается на фазочувствительный детектор, который выделяет сигнал модулирующей частоты (напряжение деформации). Составляющая несущей частоты задерживается фильтром. Получаемый на выходе сигнал пропорционален величине и соответствует направлению измеряемой деформации. Этот сигнал подается на шлейф осциллографа. На этот же шлейф периодически от тарировочного устройства через усилитель подается нулевой сигнал тарировки, который служит эталоном при оценке величины деформации. Генератор, усилители, реле, индикаторные лампочки и мотор тарировочного устройства запитываются напряжениями, получаемыми от блока питания. Все соединения между блоками осуществляются приданными к аппаратуре кабелями с помощью штепсельных разъемов. В аппаратуре предусмотрена возможность включать, выключать, производить тарировку и запись процессов как непосредственно с усилительного устройства, так и на расстоянии при помощи щитка дистанционного управления. Для регистрации переменных процессов наибольшее распространение получили светолучевые осциллографы, обладающие универсальностью и быстродействием. При помощи светолучевых осциллографов на одной ленте можно одновременно записывать в достаточно широком диапазоне частот (от 0 до 10 Кгц) целый ряд исследуемых параметров, что дает возможность наглядно их изучать и сопоставлять во времени. Погрешность осциллографирования находится в пределах 1-5%. Светолучевые осциллографы характеризуются: - числом гальванометров, которые могут быть установлены в осциллографе; - числом типов гальванометров, которые могут быть использованы в данном осциллографе и гаммой их характеристик; - типом применяемой для регистрации фотоленты (бумажная фотолента или фотопленка, бумага, чувствительная к ультрафиолетовым лучам, для получения видимой записи без химического проявления, ширина фотопленки); - емкостью кассет и их типом (барабанная или ленточная емкость от 5 до 40 м); - диапазоном скоростей движения фотоленты; - длиной светового указателя; - типом и мощностью осветителя – лампа накаливания или ртутная лампа; - наличием отметчика времени и частотой отметок времени; - температурным диапазоном работоспособности; - наличием системы дистанционного управления. |
| Последнее обновление 09.02.11 20:52 |
