Датчик силы с пределами чувствительности

Размещено на http://www.allbest.ru

Реферат

Пояснительная записка 22 листа, 4 рисунка, 5 таблиц.

Объектом разработки является датчик силы.

Цель данной курсовой работы - изучение методики разработки датчиков, включает в себя преобразование силы, основы построения датчика, расчёт измерительной цепи, выбор и расчёт упругого элемента.

Техническое задание

Пределы измеренияF_ном=(1, 2, 5,)·10²Н

Частотный диапазон измерения датчика ?f=100Гц

Основная погрешностьд=1,5%.

Эксплуатационные условия:

Температура окружающей среды-50єС…+50єС

Относительная влажность окружающей среды при температуре +35єС до 95%

Вибрации с частотой f_гр=5кГц и амплитудой А=0,5мм

Воздействие линейных ускорений до 30g

Датчик должен выдерживать удары с ускорением 50g и длительностью до 0,001с

Воздействие боковой нагрузки до 15% от предела измерений

Воздействие перегрузки до 20% от предела измерений

Время непрерывной работы датчика должно быть не менее 2 часов

Технический ресурс должен быть не менее 1000 часов

Возможность хранения датчика в складских условиях не менее 10 лет

Вероятность безотказной работы датчика не менее 0,9

Содержание

Введение

1.1 Разработка технического задания

1.2 Анализ требований

1.3 Анализ методов преобразования силы и выбор метода преобразования

1.4 Анализ существующих датчиков и выбор прототипа

1.5 Выбор измерительной цепи

1.6 Выбор типа преобразователя

2 Выбор и расчёт упругого элемента

2.1 Расчёт УЭ

2.2 Расчёт частотного диапазона

2.3 Выбор материала УЭ

2.4 Расчёт эквивалентного коэффициента деформации

2.5 Расчёт параметров ИЦ

2.6 Конструирование датчика

2.7 Расчёт основной погрешности

Заключение

Список используемых источников

Введение

Любая автоматизация предполагает управление техническим процессом на основе сбора, обработки и накопления информации. Поэтому неотъемлемую часть автоматических устройств и автоматизированных систем управления составляют средства измерения. Применение автоматизированных систем управления процессами требует измерять в общей сложности около двух тысяч физических, химических и других величин. Измерение производят с помощью разнообразных датчиков, выполняющих функцию первичного элемента, который воспринимает информацию от объекта и преобразует её для передачи в канал связи на вычислитель. Если датчики будут обладать неудовлетворительными характеристиками, то и все системы вне зависимости от степени совершенства вычислительных устройств будет работать неудовлетворительно.

Однако датчики не включаются в комплект ни одного из средств вычислительной техники или автоматизированных систем управления. Только в некоторых вычислительных комплексах предусмотрены периферийные устройства для усиления и преобразования сигнала, поступающего от датчика. В итоге при внедрении различных автоматических систем управления сразу же возникают трудности по сборам информации от объекта управления или исследования.

Именно датчики определяют саму возможность и качественный уровень работы автоматических станков, линий, систем управления. Это изначальные поставщики информации, и их погрешность не может быть скорректирована никакими последующими устройствами. Кроме того, датчик ведёт измерение, как правило, в условиях воздействия на него посторонних факторов, дополнительно влияющих на его точность.

1.1 Разработка технического задания

Разработать датчик измерения сил, развиваемых электрическими установками и агрегатами, обеспечивающий выдачу сигнала, пропорционального измеряемой силы, который в последствии будет подаваться на вход телеметрической системы.

Разрабатываемый датчик должен удовлетворять инженерным требованиям:

- пределы измерения (1; 2; 5)10²Н;

- выходной сигнал должен оцениваться в относительных единицах и при номинальной нагрузке должен составлять одно из значений ряда предпочтительных чисел;

- датчик должен питаться от источника постоянного или переменного напряжения до 15В;

- частотный диапазон работы должен быть не ниже 100Гц;

- основная погрешность датчика должна лежать в пределах 1.5 %;

- датчик должен работать при температуре окружающей среды от -50 до +50°С;

- проектируемый датчик должен работать при воздействии вибраций с частотой 5кГц и амплитудой 0.5мм;

- датчик должен выдерживать перегрузку до 20% от предела измерения, а также быть работоспособным при воздействии линейных ускорений до 30g;

время непрерывной работы датчика не менее двух часов;

- технический ресурс датчика должен быть не менее тысячи часов;

- возможность хранения датчика в складских помещениях не менее десяти лет;

- обеспечение заданного предела измерения должно осуществляться в пределах единого конструктивного оформления датчика с максимально возможной унификацией деталей и размеров;

- воздействия относительной влажности составляет 95% при температуре +35 °С.

1.2 Анализ требований технического задания

Требования технического задания накладывают определённые ограничения на конструкцию, параметры и методы преобразования разработанного датчика. Так, требования работоспособности датчика при воздействии вибрации предопределяет либо проектирование датчика с высокой собственной частотой, лежащей за пределом частотного диапазона, либо введение демпфирования. То же самое можно сказать и о линейных перегрузках. Исключить влияние температуры на преобразование можно увеличением чувствительности к измеряемой величине и уменьшении чувствительности к дестабилизирующему фактору, каким является температура. Применением дифференциальных преобразователей, либо включением в измерительную цепь специальных термокомпенсационных элементов. В терморезисторных датчиках для уменьшения влияния температуры на преобразование желательно исключить промежуточный слой - клей.

Однако, в нашем случае это невозможно, поскольку пределы измерения высокие, а, следовательно, упругий элемент будет больших габаритных размеров.

Работа при воздействии повышенной влажности окружающей среды предопределяет конструирование датчика с герметизированным корпусом, выбор соответствующих материалов и покрытий.

По условию технического задания основная погрешность измерения датчика не должна превышать 1.5%. Она зависит от ряда факторов, которые влияют на физические свойства и параметры отдельных звеньев цепи преобразования измеряемой величины. К ним относятся вибрации, температура, напряжение питания, материал упругого элемента.

Для уменьшения погрешности от напряжения питания следует применять стабилизированные источники питания.

Составляющими основной погрешности также являются погрешности от нелинейности и гистерезиса, эффективными мерами уменьшения которых являются применение дифференциальных преобразователей, ограничение рабочего диапазона, правильный выбор материала УЭ, материала и конструкции тензорезисторов, технологии их изготовления.

Важными являются также и ряд других вопросов, сформулированных в техническом задании и требующих обоснованного выбора конструкции УЭ. При изменении формы УЭ также меняется функция преобразования датчика.

Так как задачей разработки является датчик силы, требования к его массе не критичны и полностью зависят от номинальной измеряемой силы.

1.3 Анализ методов преобразования силы и выбор метода преобразования

Существует многочисленное количество методов преобразования силы в электрический сигнал.

Существуют емкостные преобразователи, представляющие собой конденсатор с изменяющимся зазором между его обкладками и, следовательно, с изменяемой емкостью. Электромагнитные преобразователи, состоящие из одного или нескольких контуров находящихся в магнитном поле, созданным либо током, проходящим по этим контурам, либо внешними источниками.

Трансформаторные преобразователи, где в процессе действия силы изменяется магнитная проницаемость сердечника. Пьезоэлектрические, способные изменять быстроменяющиеся процессы.

Однако наибольшее распространение получили тензорезисторные преобразователи, основанные на изменении сопротивления проводника при его деформации. Эти преобразователи дают возможность построения измерителей силы широких диапазонов, поэтому остановимся на данном типе преобразователей.

1.4 Анализ существующих датчиков и выбор прототипа

ТДС общепромышленного применения разрабатывают и выпускают фирмы Германии, США, Великобритании, Швейцарии, Швеции, Франции, Финляндии, Японии, Канады, Венгрии.

Большое количество типов и типоразмеров датчик обусловлено разнообразие задач, связанных с автоматизацией измерения сил и масс в устройствах весовой и испытательной техники. Например, фирма НВМ (Германия) выпускает датчики типов Z 6H2, Z 7A, GF H2 различной конструкции для различных весовых устройств, Z12 - для испытательных машин с местами крепления, обеспечивающими работу при усталостных испытаниях, отличающихся конструкцией присоединённых узлов встройки. Другие типы датчиков отличаются конструкцией по назначению: для измерения сил растяжения - Z4, Z3 H2; сжатия С1, С2, С6; растяжения и сжатия (универсальные) - типов U1, U2A применяемые как в весовых устройствам, так и в испытательных машинах.

Широкий диапазон измеряемых сил одной конструкции датчика возможен при увеличении количества типоразмеров, например, датчики типа U1 фирмы НВМ имеют 15 типоразмеров по нагрузкам, та же фирма изготавливает специальные малогабаритные датчики для измерения статических и динамических усилий сжатия.

Фирма Schenck Carl F/G/ изготавливает ТДС для использования в бункерных, фасовочных, крановых, ковшовых весах, во взвешивающих устройствах, в машинах, в рольганговых весах и др.

ТДС выпускаются на широкий диапазон нагрузок от 0,5 кг до 5000 кН. Метрология датчик определяется составляющими погрешности: нелинейностью, гистерезисом; несходимостью показаний; температурными изменениями начального сигнала и рабочего коэффициента передачи или суммарными группами, объединяющими в одних случаях нелинейность и гистерезис, несходимость, например, у датчиков фирмы Schenck.

В таблице 1 представлены минимальные величины этих составляющих для отдельных типов датчиков без указания их наименования, что позволяет судить об уровне зарубежных фирм в повышении точности датчиков. При этом наименьшая величина и наибольший разброс погрешности по типам имеют датчики, выпускаемые фирмой НВМ.

Таблица 1

Страна Фирма	Количество	Нагрузка	Составляющая погрешность, %
	типов	Типо-размеров	Минимальная Н	Максимальная МН	min	max
1	2	3	4	5	6	7
Великобритания:
Instron	2	20		2	0,2	0,4
Meclec	2	15	100	0,2	0,1	0,1
Sangamo	4	23	25	25	0,1	0,1
Франция:
Testute Aeguitas	14	58	50	3,75	0,01	0,02
Pesage Promotion	4	-	300	0,3	0,02	0,5
Швейцария:
Telub Norden	9	9		1	0,02	0,1
Toledo Scale	1	6	18		-	-
Vibbro Meter	6	54	5	1	0,03	0,25
Швеция:
Bofors
Electronic	6	24		0,2	0,02	0,15
Нидерланды:
Technique
Ltd. Philips	2	20		0,45	0,05	0,07
Финляндия:
Pivotex	1	6		0,45	0,01	0,03
Канада:
Kelr	4	-		100	0,1	0,5
Венгрия:
Metripond	2	-	100	1	0,03	0,5
Япония:
Kuowa	26	157	5	5	0,02	0,5
Германия:
ESA Mestechnic
GmbH	15	19	5	20	0,02	0,5
Hoffmann
Gerr. GmbH	11	18		1	0,02	0,2
Hottinger
Baldwin
Messtechnic (HBM)	19	156	5	10	0,01	1,0
Erichsen
A.M. GmbH	12	16	50	2	0,02	0,5
Schenk Carl A.G.	9	95		4,7	0,01	0,1

В таблице 1 помещены обобщённые данные по ТДС. Для анализа развития датчиков по данным таблицы выбраны 11 ведущих фирм. Критерием выбора были приняты наименьшая погрешность, отношения типоразмеров к количеству типов датчиков, выпускаемых фирмой. Величина показателя характеризует возможности унификации. Это значит, что чем больше показатель, тем больше типоразмеров перекрывается одной конструкцией, то есть квалифицированнее и лучше выполнена последняя. Была учтена величина диапазона между максимальной и минимальной величиной номинальных нагрузок датчиков, выпускаемых фирмой, которая характеризует величину диапазона и область применения ТДС.

Основной ведущей зарубежной фирмой по производству ТДС является фирма НВМ, которая выпускает датчики с минимальной погрешностью, максимальным количеством типов и диапазоном минимальных нагрузок. /8/

Фирма Instron (Великобритания) является одной из ведущих в области производства испытательной техники и ТДС для испытательных машин.

Фирма НВМ поставляет на внешний рынок около 19 типов ТДС, охватывающих 154 типоразмера на растяжение, сжатие, универсальные с различными элементами приложения нагрузки. Диапазон измеряемых нагрузок 0,005-10000 кН- на сжатие. Рабочий коэффициент передачи (РКП) при номинальной нагрузке 2 мВ/В. Датчики типов U1, U2 являются универсальными, их метрологические характеристики нормируются отдельно на растяжение и сжатие, влияние перехода через нуль не учитываются.

Датчики фирмы НВМ имеют высокие метрологические характеристики, основной из которых является комбинированная погрешность, включающая в себя составляющие нелинейности и гистерезиса. Наивысшую точность имеют датчики типа Z4 на номинальные нагрузки 20-500 кН для измерения растягивающих усилий комбинированной погрешностью 0,02% и неповторяемостью показаний менее 0,01%. Датчики этого типа могут использоваться при испытаниях материалов в испытательных машинах, в весовых устройствах, имеющих мало место для встройки. Температурная погрешность у датчиков этого типа наименьшая. Изменение номинального коэффициента передачи (НКП) (уход нуля) на 10°С не превышает 0,015%, а изменение РКП не более 0,01 процента в температурной диапазоне -10…+70°С. У остальных датчиков фирмы НВМ комбинированная погрешность колеблется у различных типов от 0,02 до 0,05 процента.

Величина осадки датчика фирмы НВМ находится в пределах 0,07 (типа С6 на 200 кН) до 0,55 (тип С4 на 20 кН, тип Z6-2 и Z6-4 на 0,05 кН). Осадка датчика зависит от его конструкции и величины номинальной нагрузки.

Фирма Interface (США) выпускает 30 типоразмеров четырёх типов датчиков, которые перекрывают нагрузки 0,22-45 кН. Температурный диапазон компенсаций от минус 18 до плюс 66 °С, в котором погрешности температурного изменения НКП и РКП составляют по 0,02 процента на 10 °С каждая. допускается работа датчиков в диапазоне от минус 65 °С до плюс 90 °С с негарактируемой погрешностью. Основные метрологические характеристики описываются тремя составляющими погрешности: нелинейностью 0,02-0,05 процента; гистерезисом 0,02 процента и несходимостью 0,01-0,02 процента.

Германская фирма Erichsen A.M.GmbH представляет датчики растяжения, сжатия и универсальные на широкий диапазон нагрузок от 0,02 до 2000 кН с различными РКП. Метрологические характеристики представлены составной погрешностью и несходимостью. Составную погрешность 0,02 процента и несходимость 0,01 процента имеют лучшие датчики фирмы типа 745 на нагрузки 20-500 кН. При этом достаточно высоки и температурные погрешность (0,001 процента на 10 °С) в температурном диапазоне 10…75 °. В температурном диапазоне от минус 10 до плюс 50 °С температурные погрешности больше (0,1-0,2 процента на 10 °С).

Фирма Hoffman Gerb GmbH выпускает прецизионные датчики силы, по своим характеристикам не уступающие датчикам фирмы НВМ, но со значительно меньшей номенклатурой типов и типоразмеров. Датчики с диапазоном нагрузок 0,2-1000 кН - универсальные, с незначительной погрешностью от гистерезиса (0,002 процента у типов 3170.111 и 3171.111) с несходимостью 0,035 процента и нелинейностью 0,05-0,2 процента у различных типов. Температурные погрешности достаточно низки - 0,035-0,05 процента в диапазоне от минус 30 до плюс 80 °С. Самое важное преимущество - это маленькая осадка - 0,04; 0,07; 0,1 мм при РКП, равном 2 мВ/В.

Фирма Schenk Carl A.G. выпускает тензорезисторные датчики для весов различного назначения. Датчики имеют оригинальную конструкцию с упругим элементом в виде цилиндра с развитыми участками деформаций, на которые конически закрепляются по две кольцеобразные двойные фольговые полосы с верхней и нижней сторон УЭ. Температурные погрешности в зависимости от класса точности колеблются от 0,005 до 0,05 процента на 10 °С в диапазоне температур от минус 10 °С до плюс 40 °С. Датчики обладают повышенным выходным сигналом вследствие большого сопротивления моста (около 4 кОм) и напряжения питания 60-100 В, имеют малую погрешность ползучести (0,005 процента за 30 минут) и воспроизводимость 0,005 процента. Датчики защищены от влияния внешних условий, поперечных сил. Ввиду высоких метрологических характеристик датчиков их применяют в качестве эталонных динамометров в испытательных машинах и в качестве эталонов для контроля силы.

Японская фирма Kyowa выпускает около 25 типов датчиков растяжения, сжатия, универсальных на номинальные усиления 0,005-5000 кН с рабочим коэффициентом передачи 1; 1,5; 2 мВ/В. По точности они уступают датчикам фирмы HBW. Фирма выпускает датчики на нагрузку 5; 10; 50; 100; 200; 500 типов Т-В и Т-С использующие в качестве тензорезисторов подвесные тензопроволоки.

Фирмой Lebow (США) выпускаются прецизионные ТДС типа 3168 на нагрузки 0,02-0,5 кН с переменным РКП от 1,98 до 3,37 мВ/В. Погрешности датчик нормируются по составляющим: нелинейность, гистерезис, невоспроизводимость - каждая составляющая 0,02 процента. Датчики питаются током напряжением 15В при сопротивлении моста 350 Ом. Датчики с УЭ параллелограммного типа специально разработаны для применения в электрических весовых системах. Они защищены от влияния ударных нагрузок и эксцентричного приложения силы.

Фирма Huhtleight Load Cell (США) выпускает датчики на малые нагрузки 0,02-2,5 кН с РКП, равным 2 мВ/В и высокими метрологическими характеристиками (нелинейность 0,015 процента; гистерезис 0,05 процента; несходимость 0,001-0,2 процента).

Анализ метрологических характеристик показывает, что ведущей среди зарубежных фирм в области разработки и производства ТДС является германская фирма НВМ.

1.5 Выбор измерительной цепи

При тензорезисторном датчике чаще всего используют две измерительные схемы. Это либо делитель напряжения, либо неравновесный мост.

Остановимся на втором варианте, так как измеряемой механической величине должно соответствовать изменение электрического напряжения, начальная величина которого равна нулю, а исключение начальной величины выходного сигнала обеспечивает мостовая измерительная цепь неравнвесного режима (рисунок 1).

Рисунок 1.

Также данная цепь позволяет использовать четыре рабочих тензорезистора, что позволяет при прочих равных условиях получить выходной сигнал в два раза больше чем у делителя.

1.6 Выбор типа преобразователя

Многие датчики имеют широкий температурный диапазон работы и малую основную погрешность. Однако следует учесть, что классы точности от 0,01 до 0,6% определяются только погрешностью от нестабильности в нормальных условиях, а погрешностью от дестабилизирующих факторов (вибрации, температуры и. т. д ) в основную погрешность не включены. А, как известно, именно от дестабилизирующих факторов резко снижается класс точности датчика, следует отметить, что для существующих датчиков с широким температурным диапазоном работы не гарантируется работа в условиях термоудара.

Лучше всего в данных условиях работали бы известные тензорезисторы, однако, как было сказано выше, из-за конструктивных соображений они не могут быть использованы, поэтому применим наклеиваемые тензорезисторы.

Хотя они и обладают рядом недостатков. Детальное изучение механизма передачи деформации через промежуточный слой клея показывает, что процессы в этом слое достаточно сложные и зависят не только от механических и электрических свойств клея, но и от сцепления между УЭ, промежуточным слоем и тензорезистором. Свойства промежуточного слоя определяют следующие характеристики датчика: чувствительность, температурную зависимость, уровень допустимой деформации (линейность, гистерезис), временной и температурный дрейф нуля при отсутствии деформации и так далее.

Установлено, что промежуточный слой передаёт деформацию УЭ тензорезистору не полностью, а лишь некоторую его часть, не всегда постоянную и зависящую от многих трудноподдающихся учёту факторов.

Промежуточный слой является основным источником нестабильности и погрешности тензорезисторных датчиков. Однако в нашем случае предел измерения высокий и погрешность, вызванная этими причинами не быть велика.

В соответствии с выбранным методом преобразования неэлектрической величины в электрический сигнал, структурная схема датчика силы представлена на рисунке 2.

УЭ- упругий элемент;

ТР- транзистор;

ИЦ- измерительная цепь.

Рисунок 2.

Сила с помощью упругого элемента преобразуется в деформацию:

где S_об - обобщенное сечение,

Е - модуль упругости материала,

В - конструктивный коэффициент чувствительности.

Деформация УЭ воспринимается тензорезисторами и преобразуется в относительное изменение сопротивления:

где S - коэффициент тензочувствительности.

Изменение сопротивления с помощью питающего напряжения и измерительная цепь преобразуется в выходной электрический сигнал:

где S_ИЦ - чувствительность ИЦ,

е_?R - суммарное изменение сопротивления всех четырёх тензорезисторов измерительной цепи.

Тогда функция преобразования датчика силы примет вид:

где S_д - чувствительность датчика.

2. Выбор и расчёт УЭ

Тип УЭ определяет его чувствительность, чем больше чувствительным является УЭ, тем на меньшие пределы измерения может быть выполнен датчик с таким УЭ. Поэтому выбор УЭ, как правило, производится в зависимости от требований технического задания по пределам измерения датчика.

Наибольшей чувствительностью обладают балочные УЭ, у которых конструктивный коэффициент равен 6. Следующий за ним по чувствительности идёт кольцевой УЭ с максимальным конструктивный коэффициентом 1,91. За ними следует мембранный УЭ, у которого максимальное значение конструктивного коэффициента равно 1,31. Наименьшей чувствительностью обладают стержневые УЭ, у которых конструктивный коэффициент не превышает 1. Установив такое ранжирование, можно переходить к выбору для определённых конструкций датчиков.

Так как в нашем случае речь идёт о датчике силы, то пределы измерения последнего определяются пределами измерения УЭ. Поэтому для самых чувствительных датчиков силы применяют балочные УЭ.

Для средних пределов измерения наиболее подходящим УЭ являются кольцевые и мембранные.

Для преобразователей больших сил применяются стержневые УЭ. Они являются наиболее технологичными, однако малая величина перемещения, трудность получения одинаковых по величине, но разных по знаку деформаций, ограничивает его перемещения.

Хотя в техническом задании нам заданы высокие пределы измерения правильнее было бы выбрать стержневой УЭ. Однако настоящая работа является учебной и тип УЭ задан преподавателем - мембранный УЭ.

2.1 Расчёт УЭ

Как сказано выше, наш УЭ - кольцо со следующими геометрическими размерами: радиус r, толщина h .

Радиус мембраны найдём, исходя из рассчитанной ранее длины тензорезистора l_тр=0,146:

r=1,8 l_тр

r=1,8·0,146=0,2628м.

Толщину кольца найдём из функции преобразования:

где С_Z - эквивалентный коэффициент деформации 0,474,

е_ном - значение номинальной деформации,

Е - модуль упругости материала УЭ.

Итак, толщина УЭ зависит от F_ном, следовательно, получим ряд чисел, соответствующих каждому значению F_ном:

h₁=4,47мм,

h₂=6,32мм,

h₃=8,93мм,

2.2 Расчёт частотного диапазона

УЭ влияет не только на чувствительность датчика, но и определяет его динамические характеристики.

Обычно в датчике силы никаких дополнительных устройств для успокоения не делается, и оно создаётся только за счёт внутренних свойств материала УЭ. Поэтому частотный диапазон работы датчика полностью определяется его собственной частотой. Чем выше частота, тем шире частотный диапазон работы датчика и тем меньше влияние вибрационных ускорений на его работоспособность. В данном случае можно считать, что жесткость в основном определяется УЭ и собственная частота датчика равна собственной частоте УЭ. Для кольца это:

где h - толщина УЭ,

d - диаметр мембраны,

Е - модуль упругого материала,

с - плотность материала.

Поскольку в конструированном датчике есть присоединенная масса в виде силовоспринимающей подушки, то необходимо это учесть, для чего определяем массу мембраны:

Затем определим массу силовоспринимающей подушки рисунок 3.

Рисунок 3

Вычислим массу по формуле:

Пусть h_свп=0,073м, тогда

Теперь найдём отношение присоединенного веса к весу УЭ:

Тогда собственная частота с учётом силовоспринимающей подушки:

где к_f - коэффициент приведения, равный 0,153.

Все значения величин, рассчитанных по вышеприведенным формулам, занесены в таблицу 2.

Зная f_от и задавшись амплитудно-частотной погрешностью

г_f =0,4%, определим граничную частоту, характеризующую частотный диапазон:

Как видно из таблицы 3 мы не обеспечиваем нужный частотный диапазон, потому что выбранный УЭ (кольца) не может его обеспечить при данных пределах измерения.

Таблица 3

Параметры	Пределы измерения, Н
	0,5·102	1·102	2·102	5·102	10·102
f0, Гц	160,44	226,82	320,5	506,77	717,08
mM, кг	7,56	9	15,11	23,9	33,81
б	0,324	0,229	0,162	0,1027	0,0726
fот, Гц	90,9	143,55	223,4	392	590,5
fгр, Гц	57,5	90,8	141,3	248,9	373,5

2.3 Выбор материала УЭ

Материал определяет многие характеристики: точностные, прочностные, массовые, характеристики чувствительности и быстродействия. Поэтому в качестве материалов, используемых для изготовления УЭ применяют различные высококачественные стали, которые имеют высокие пределы точности у_в, текучести у_0,2 и упругости и малые величины упругих несовершенств.

Поскольку УЭ в разрабатываемом датчике работает в наиболее распространенных условиях эксплуатации, применим кремний-магниевую сталь 35ХГСА, параметры которой указаны в таблице 4.

Таблица 4

Сталь	ув, мПа	у0,2, мПа	Е, ГПа	С, мг/м3
35ХГСА	1650	1400	198	7,8

2.4 Расчёт эквивалентного коэффициента деформации

Поскольку два первых тензорезистора обладают одинаковым коэффициентом чувствительности к радиальным деформациям, а две других к окружным деформациям, то эквивалентный коэффициент деформации определяется по формуле:

Расчёт параметров измерительной цепи

Ранее была выбрана мостовая ИЦ, работающая в относительном режиме рисунок 4.

Рисунок 4

Функция преобразования измерительной цепи, работающей в режиме относительных значений выходного сигнала (в режиме калибровки), имеет следующий вид:

Расстояние от датчика до преобразователя менее 200м, его сопротивление составляет 2Ом±0,5Ом.

Величину параллельного стопроцентного калибровочного сопротивления определим по формуле:

Примем r_к=120кОм типа С5-60.

Определим потребляемую мощность:

где U_n - питающее напряжение,

I_n - потребляемый ток.

Итак, Р=24·17,14·10^-3·2=0,823Вт.

Сопротивления r_д0, r_д1, r_д2 составляют схему балансировки датчика и предназначаются для установки заданного начального баланса датчика.

Примем коэффициент шунтирования:

Тогда при r₁=r₃=700Ом:

Примем r_д=22,5кОм, типа С5-60. Величину переменного балансировочного сопротивления можно рассчитать, задавшись пределами измерения выходного сигнала датчика.

Пусть этот предел равен номинальному сигналу е_ном, тогда

Выберем r_д0=140Ом типа С5-60.

Сопротивления r_л1, r_л2, r_л3, r_л4 являются эквивалентными сопротивлениями соединительных проводов. Если кабель выполнить из провода марки МГШВ сечением 1,5мм², где

r_вых=r_тр - сопротивление плеча,

б_д - температурный коэффициент чувствительности датчика,

б_к - температурный коэффициент чувствительности термокомпенсационного сопротивления.

Сопротивления рабочих плеч может изменяться под действием температуры. В этом случае это изменение может привести к изменению начального уровня выходного сигнала ИЦ. Для устранения этого недостатка в схему включено компенсационное сопротивление нуля r_в, рассчитываемое по формуле:



где б₀ - температурный коэффициент мостовой схемы равный 3·10³% на 10°С,

б_в - температурный коэффициент компенсационного сопротивления.

Под действием измеряемой величины изменяются сопротивления r₁, r₂, r₃, r₄ тензорезисторов с относительным изменением е₁, е₂, е₃, е₄ и на выходе ИЦ, питающейся от источника U_n на нагрузке появляется выходной сигнал U_вых.

Величины изменений сопротивлений е₁, е₂, е₃, е₄ связаны с измеряемой величиной:

е₁=к₁х,

е₂=к₂х,

е₃=к₃х,

е₄=к₄х.

где к₁-к₄ - коэффициенты передачи ИЦ.

Под действием температуры коэффициенты изменяют свою величину.

Для компенсации этого влияния служит сопротивление r_б, рассчитываемое по формуле:

2.5 Конструирование датчика

Основным в датчике силы является чувствительный элемент, представляющий собой упругую мембрану, выполненную заодно с корпусом и силовоспринимающей подушкой, которая необходима для передачи усилия кольцу

На внутреннюю сторону кольца наклеены 4 тензорезистора из стали НМ23ХЮ, включенных в ИЦ.

Подача напряжения питания и объем сигнала осуществляется с помощью разъёма пятого типа 2МРГ, закреплённого с помощью резьбового соединения М56*2,5 и колодки.

Для герметизации датчика предусмотрена задняя крышка, крепящаяся сверкой.

Присоединение датчика к объекту измерений осуществляется с помощью резьбовых соединений М56*2,5 в основании датчика.

2.6 Расчёт основной погрешности датчика

Основная погрешность датчика определяется её составляющими.

Учтём самые существенные из них:

- погрешность линейных ускорений

где m_c=к_fm_M+m_свп=0,153·m_M+0,3,

Значения г_л сведены в таблицу 4.

- вибрационные ускорения

где n_в - перегрузка равная 20%,

г_f - погрешность равная 0,2%.

Значения г_в сведены в таблицу 4.

- кабельная погрешность

где r_л=2Ом,

? r_л=0,5Ом,

r_тр=700Ом.

Итак,

Тогда основная погрешность:

Значения которой сведены в таблицу 5.

Таблица 5

Параметры	0,5·102, Н	1·102, Н	2·102, Н	5·102, Н	10·102, Н
mc, кг	4,16	4,4	5,34	6,69	8,17
гл, %	0,42	0,44	0,534	0,669	0,817
гв, %	0,1	0,1056	0,128	0,161	0,196
у, %	0,52	0,53	0,62	0,74	0,89

Заключение

В данной курсовой работе был спроектирован датчик силы с пределами чувствительности (1; 2; 5)·10²Н.

Чувствительный элемент у разработанного датчика изготовлен в кольца, а обеспечение всех пределов измерения осуществляется изменением толщины УЭ.

В данном датчике был использован приклеиваемый тензорезистор. Была выбрана и рассчитана ИЦ, выполненная в виде неравновесного моста с термокомпенсационным и колибровычным сопротивлением.

Для уменьшения температурного воздействия все элементы датчика выполнены из материалов с равными коэффициентами линейного расширения.

Чтобы датчик мог выдержать перегрузки до 20% от номинальной действующей силы, был сделан запас в толщине УЭ.

Для обеспечения возможности работы датчика при высокой влажности воздуха была осуществлена герметизация корпуса.

Крепление датчика к объекту измерения осуществляется с помощью болтов в основании датчика.

Напряжение питания датчика составляет 24В, его стабильность лучше всего обеспечивается интегральными стабилизаторами типа К142ЕМ.

Основная погрешность измерения в среднем составляет менее 0,8%, что удовлетворяет требованиям технического задания.

Частотный диапазон составляет 200Гц.

Для обеспечения возможности хранения датчика в складских помещениях не менее 10 лет его корпус обработан лакокрасочным покрытием.

Список используемых источников

1. “Проектирование устройств автоматики и телемеханики”, Осадчий Е.П., Тихонов А.И. Учебное пособие. П:1980г.

2. “Проектирование датчиков для измерения механических величин” Под редакцией Осадчего Е.П. Учебное пособие. М:1979г.

3. “Упругие элементы датчиков механических величин”, Тихонов А.И. Учебное пособие У:1998г.

датчик сила сигнал преобразователь

Размещено на Allbest.ru