Расчёт датчика силы рамочной конструкции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчёт датчика силы рамочной конструкции

Аннотация

Данная курсовая работа предназначена для оценки качества знаний по предмету «Датчики физических величин». Направлена на проверку умения применять свои знания по предмету. В последующем документе содержится исследование тензорезисторного датчика силы, моделирование упругого элемента и расчеты мостовой схемы и метрологических характеристик.

Введение

Измерительная техника имеет важное значение не только для промышленности, но и для быта. Одной из ключевых величин, наиболее часто требующих измерения, является вес, который необходимо определять с высочайшей точностью. В составе оборудования получили широкое распространение тензометрические датчики силы с упругими элементами, позволяющие производить измерения с наилучшим классом точности. Потребность в таких устройствах велика, поэтому такие устройства выпускает большое количество разных компаний в мире, таких как отечественные «Уралвес»[1], «Тензо-М»[2], «Масса-К»[3], так и зарубежные «Sartorius»[4] и «HBM»[5]. В данной курсовой работе будет рассмотрен датчик силы рамочной конструкции, который представляет собой гибкое тело, преобразующее под влиянием внешней силы величину деформации в удобный для измерения сигнал, как правило, в электрический. В определенных участках тела указываются чувствительные тензорезисторы. которые вследствие механической деформации измеряет своё значение. Действующая сила, таким образом способствует изменению электрического сопротивления.

Цель:

Разработка линейного одноточечного датчика силы, принципа его работы, моделирование упругого элемента, определение его основных характеристик, погрешностей работы и изучение технологии сборки.

Задачи:

1. Изучение литературы по объекту исследования

2. Выполнение сборочного чертежа и разработка технологии сборки

3. Моделирование упругого элемента датчика силы

4. Расчет конструктивных особенностей и метрологических характеристик

1. Обзор датчиков

1.1Цепочка преобразования и принцип работы

Рис.1. Схема тензорезистивного датчика с упругим элементом и соответствующий ей график деформации.

Одноточечный тензорезистивный датчик силы представляет из себя упругий элемент, в форме двойной консольной балки, с установленными на него тензорезисторами различной конфигурации, в зависимости от требуемых характеристик измерения. В данной работе будет произведен обзор одноточечных датчиков.

Рис.2. Схема цепочки преобразования

Тензорезистор устанавливается на объект измерения так, чтобы чувствительный элемент считывал деформацию объекта, то есть мог удлиняться или сокращаться в соответствии с его деформацией, в результате чего меняется электрическое сопротивление тензористатора и появляется возможность преобразования механической величины деформации в электрическое величину напряжения выхода, что позволяет измерить приложенный к объекту измерения вес .

На последнем этапе преобразования с помощью мостовой схемы определяется изменение сопротивления тензорезисторов R переводящееся по закону Ампера в изменение напряжения U, которое может быть зафиксировано вольтметром.

Существенным достоинством такого датчиком является линейная зависимость выходного сигнала от величины силы. Рассмотрим блок-схему схему уравнения преобразования измеряемой величины с использованием тензорезистивного датчика силы.

1.2Анализ аналогов

Предложение различных тензодатчиков от большого количества производителей огромно, представлен широкий ассортимент устройств различных конструкций и конфигурация. Они позволяют измерять вес от нескольких грамм до нескольких тонн с высокой точностью. Давайте рассмотрим несколько аналогов рассматриваемого датчика силы, способного измерять вес до 60 кг.

Рис.3. Первый одноточечный тензодатчик Tokves Spa M2-IP65-60kg-1.5B[6].

Рис.3. Второй одноточечный тензодатчик от отечественной компании «Etalon» T24A-C3-60kg[7]

Проведём сравнение характеристик по таблице.

После анализа приведенной таблицы стоит сделать вывод о том, что рабочим диапазоном температур тензодатчиков является промежуток от -35 °С до +65 °С, диапазон термокомпенсации, то есть диапазон тех температур, в которых датчик сохраняет свои метрологические характеристики и будет работать с точностью, заявленной производителем равен от -10°С до +40°С. Все датчики имеют класс точности «С3», что соответствует комбинированной погрешности 0,02%. Рассмотренные тензодатчики имеют схожую чувствительность, равную 2±0,2 мВ/В. Входное и выходное сопротивление для такого типа датчиков соответственно равна 400±20 Ом и 350±3,5 Ом. Датчики способны работать без возникновения неполадок вплоть до превышения 150% от их наибольшего предела измерений, а разрушающей является нагрузка свыше 200% от НПИ. Рекомендуемым напряжением питания ориентировочно является 10 В, производители устанавливают максимальное напряжение питания на уровне приблизительно 15-16 В. Несмотря на схожие характеристики, все три датчика имеют различные погрешности от температуры. По этому параметру датчик от Etalon имеет наименьшие погрешности. По изображению датчиков и их анализу их габаритных размеров можно заметить, что производитель волен сам выбирать форму и размеры упругого элемента, при этом сохраняя точность и характеристики датчика.

1.3Краткие выводы

Таким образом, проведя анализ аналогов, можно сделать вывод о том, какие обычно значения принимают параметры рассматриваемых нами линейных одноточечных датчиков силы рамочной конструкции. Такие датчики позволяют обеспечить высокую точность измерений при малых размерах и обеспечивают удобство их монтажа в технику.

2. Моделирование упругого элемента

Основой датчика силы рамочной конструкции является упругий элемент. Он представляет из себя металлическую двойную консольную балку, на которую устанавливаются тензорезисторы, воспринимающие деформации упругого элемента.

Для нахождения силы, которую может измерить данный упругий элемент, проведём его моделирование в программном пакете для математического моделирования Mathcad. Зададим следующие начальные условия: a=25•10^-3 м, b=2а = 50•10^-3 м, H=10•10^-3 м, r=4•10^-3 м.

В результате моделирования блочной функции получим следующий график профиля:

Рис. 5 График упругого элемента

Теперь построим график распределения деформаций по длине упругого элемента. Для нахождения распределения деформации по длине упругого элемента нам потребуется рассчитать функции моментов, действующих на упругий элемент.

По формуле

рассчитаем момент инерции поперечного сечения по формуле

,

момент сопротивления по формуле

,

где и коэффициенты.

Деформацию рассчитаем по формуле

,

где E - модуль Юнга, а так как материал данного упругого элемента алюминий,

то его он имеет значение Е = 7.05*10¹⁰ Па, силу F подбираем так, чтобы максимальная деформация была в пределах 10^-3, такой деформации отвечает сила в размере F=54 H. После вычислений по приведенным формулам приведем график деформаций по длине упругого элемента.

Рис. 6 График распределения деформации по длине упругого тела.

Из этого графика можно определить координаты, на которые нужно наклеить тензорезисторы. Эти координаты находятся в точках перегиба графиков, на абциссах пиков графика деформации. Эти координаты равны x1=29•10^-3 м и x2=71•10^-3 м.

3. Расчёт мостовой схемы

Как показал предыдущий пункт, деформация по величине очень мала, так же мало и изменение сопротивления тензорезисторов. Поэтому, для повышения чувствительности и уменьшения влияния температуры, тензорезисторы собирают в мостовую схему.

Электрический ток, поданный на одну из диагоналей моста, в равной степени расходится в краевом узле, а в двух направлениях, следуя через точки с и d, уходит в точку b. Так как сопротивления тензорезисторов равны, то и напряжения в точках c и d отсутствуют. В этом случае мост будет находиться в сбалансированном состоянии.

Рис.7. Тензорезистивный датчик

При воздействии на датчик силы F, происходящая деформация будет воздействовать на тензорезисторы. Тензорезисторы R1 и R4 будут растягиваться и их сопротивление будет увеличиваться, а резисторы R3 и R2 будут сжиматься и их сопротивление будет уменьшаться. Следовательно, произойдёт дисбаланс моста и в точках С и D появится напряжение.

Для расчётов мостовой схемы выберем резистор компании «НВМ» 1-LY41-1.5/350, сопротивлением R=350 Ом.

По закону Ома рассчитаем напряжение питания: U_пит = I*2R = 7 В.

Для питания возьмём напряжение меньше, ближайшее - 6.5 В.

Напряжение выхода посчитаем по формуле ?R_i = R₀*е*k, где е - деформация тензорезистора, k - коэффициент тензочувствительности.

Рис.8. Сопротивления тензорезисторов

Напряжение выхода посчитаем по формуле:

Uвых== 6.273*10-3 В

4. Метрологические характеристики

4.1Чувствительность

Чувствительность тензодатчика делится на чувствительность моста и чувствительность упругого элемента.

Чувствительность тензометрического моста определяется как отношение выходного сигнала к входному и находится по формуле:

Чувствительность упругого элемента определяется как отношение выходного сопротивления к силе и находится по формуле:

4.2Погрешность установки тензорезисторов

В исправности работы тензодатчика большую роль играет правильная наклейка тензорезистора. Небольшие отклонения от верного места установки могут сильно сказаться на точности такого датчика.

Деформацию для смещенной установки тензорезистора будем считать по формуле:

установки резистора, c_term = 9.2•10^-3 м - размер базы терморезистора, е0(x) - истинное значение деформации, B_j - смещение установки тензорезистора.

Чтобы посчитать погрешность, посчитаем отношение разности истинной деформации и полученной при смещённой установке тензорезистора и истинного значения деформации, по определению:

Выведем результат в виде графика.

Рис.8. Графики погрешностей смещения для каждого пика

Как можно заметить из графика, чем больше отклонение от верного положения установки, тем выше погрешность измерений, поэтому очень важно быть очень внимательным при наклейке тензорезисторов на упругий элемент, так как от правильности установки зависит последующая точность датчика.

5. Сборочный чертёж и технология сборки

Тензодатчик состоит из 4 элементов: упругий элемент, тензорезисторы, защитный слой и провода.

Рис. 5. Сборочный чертёж тензодатчика. 1 - Упругий элемент; 2 - тезорезисторы; 3 - защитный слой; 4 - провода.

Технология сборки:

1. Подготовка поверхности - перед установкой удалить с места склеивания смазку, ржавчину, окислы, зачистив область наждачной бумагой №120-180 для стали или №240-320 для алюминия так, чтобы получилась блестящая металлическая поверхность.

2. Тщательная очистка - обезжирить поверхность салфеткой или тканью, смоченной ацетоном или другим растворителем. Продолжать процесс с новыми салфетками до тех пор, пока совсем не останется загрязнений. Немедленно переходить к прикреплению тензорезисторов, пока поверхность не покрылась окислами. Так же, желательно обезжирить поверхность самого тензорезистора.

3. Нанесение клея - использовать, например, быстро отверждаемый клей цианоакрилат. Нанести пару капель на заднюю часть подложки тензорезистора, носиком ёмкости с клеем размазать его по задней поверхности тонким равномерным слоем.

4. Отверждение и сжатие - разместите тензорезистор на нужном месте, положите на него лист полиэтилена и непрерывно нажимайте на тензорезистор большим пальцем или зажмите зажимом. В нормальных условиях отверждение происходит за 20-60 секунд.

5. Пайка контактов - приклейте соединительные контакты фольгового типа вплотную к тензорезистору, припаяйте выводы тензорезистора к контактам.

6. Пайка проводов - припаяйте конец провода к контактам. Предварительно залудите концы проводов припоем. Следите за тем, чтобы не перегреть контакт, чтобы от него не отклеилась фольга.

7. Нанесение защитного слоя - используйте ленту VM. Отрежьте небольшой кусок ленты VM и прижмите его так, чтобы полностью покрыть тензорезистор.

8. Датчик готов к монтажу в весоизмерительное оборудование.

Заключение

В ходе выполнения работы были выполнены все поставленные задачи, а именно: изучена литература по объекту исследования, а именно тензорезистивному датчику силы; выполнено графическое проектирование в тензодатчика в среде Autocad; произведено математическое моделирование упругого элемента датчика силы в среде Mathcad; рассчитана мостовая схема подключения датчика силы; проведён расчёт метрологических характеристик. Были получены важные знания о принципе работы линейных датчиков силы с одной измерительной решеткой, получены навыки моделирования упругого элемента и расчёта мостовой схемы и метрологических характеристик, таких как чувствительность датчика и погрешность при установке тензорезистора, погрешность тензочувствительности.

Список литературы

датчик сила схема метрологический

1. Весовое оборудование «УРАЛВЕС». [Электронный ресурс] URL: https://uralves.ru/ (дата обращения 16.08.2019)

2. Весоизмерительная техника «Тензо-М». [Электронный ресурс] URL: https://www.tenso-m.ru/ (дата обращения 18.06.2019)

3. Весовая техника «Масса-К». [Электронный ресурс] URL: https://massa.ru/ (дата обращения 18.06.2019)

4. Весоизмерительное оборудование «Sartorius». [Электронный ресурс] URL: https://www.sartorius.com/ (дата обращения 18.06.2019)

5. Контрольно-измерительная и весовая техника «HBM». [Электронный ресурс] URL: http://www.hbm.ru/upload/iblock/8b7/katalog_tenzorezistory-i-aksessuary-nvm_.pdf (дата обращения 18.06.2019)

6. Весовое оборудование «Etalon». Тензодатчик T24A. [Электронный ресурс] URL: https://etalon.su/catalog/tenzodatchiki-catalog/tenzodatchik-T24A/ (дата обращения 19.06.2019)

7. Точечные компоненты веса «Tokves». Тензодатчик SPA. [Электронный ресурс] URL: https://tokves.ru/odnotochechnyie-datchiki/tenzodatchik-spa.html (дата обращения 19.06.2019)

8. Левшина Е. С., Новцкий П. В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ниеб 1983 -320 с.

Размещено на Allbest.ru