|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы мембраны с несимметричным центром, колпачки, полусферы, комбинированные упругие элементы (рис. 4.2). Для таких упругих элементов как плоские и гофрированные мембраны, сильфоны и другие (рис. 4.3), входной величиной может быть как сила, так и давление. Из упругих элементов, входной величиной которых является сила, наибольшее распространение получили стержни II]. Достоинство стержневых упругих элементов заключается в простоте изготовления. Для таких элементов достаточно легко достигаются высокие классы точности выполнения геометрических размеров, чистоты обработки поверхностей. Кроме того, стержневой упругий элемент наиболее подходит для построения датчиков на высокие пределы измерения при ограниченной массе и габаритных размерах. Одним из недостатков такого упругого элемента является малая величина перемещения, поэтому их применяют только в тензорезисторных датчиках, где величина возникающей деформации оказывается вполне приемлемой. Однако и в этом случае стержень не идеален, так как деформации растяжения и сжатия в нем имеют разные величины, что ограничивает его применение. Кроме того, в таком элементе невозможно выполнить одинаковые условия для установки преобразователей неэлектрической величины в электрическую (тензорезисторов), воспринимающих деформации разного знака (из-за разной кривизны поверхности). Другой существенный недостаток стержневых упругих элементов - ограниченность чувствительности. Для увеличения чувстви тельности стержень выполняют полым, в виде цилиндра. Это, кроме увеличения чувствительности, позволяет увеличивать площадь под установку тензорезисторов и дает возможность уменьшить габаритные размеры и массу датчика. Но уменьшение толщины стенки и диаметра цилиндра ограничено практическими возможностями его изготовления. Кроме того, жесткость такого тонкостенного цилиндра делается соизмеримой с жесткостью наклеиваемого тензорезистора, которая образуется за счет клеевого слоя, изоляционной прокладки и является величиной нестабильной. Поэтому такие упругие элементы применяют в датчиках с пределами измерений более 500 Н. В датчиках широко применяют кольцевые упругие элементы. Такие элементы по сравнению со стержневыми имеют ряд преимуществ. Во-первых, перемещение подвижной части упругого элемента существенно больше, чем у стержня. Поэтому такие элементы применяют в cMKoefHbix, индуктивных и других датчиках, где тре-. буется значительное перемещение упругого элемента. Во-вторых, кольцевые упругие элементы имеют более высокую чувствительность и поэтому их применяют для преобразования силы до 10 Н. Выполнение кольцевых элементов на высокие пределы измерения нецелесообразно, так как приводит к неоправдан- ному увеличению размеров и массы датчика. Практически верхним пределом измерения силы кольцевых упругих элементов следует считать 5000 Н. Шире возможности у кольцевого элемента н в части использования выходной величины. У кольца четыре зоны деформаций, в каждой из которых имеются одинаковые условия для установки тензорезисторов: деформации сжатия и растяжения, кривизна поверхностей для установки тензорезисторов примерно одинаковы. Недостатком кольцевого элемента является то, что распределение напряжений в зонах деформаций неравномерное. Стремление получить более равномерное распределение напряжений привело к разработке кольца переменного сечения. Кроме того, кольцевые упругие элементы менее технологичны, чем стержневые. При их изготовлении труднее обеспечивать высокие классы точности и чистоты обработки. Размеры и масса датчиков с кольцевыми элементами больше, чем со стержневыми. Однако в тех случаях, когда стержневой элемент не обеспечивает требуемой чувствительности или необходимо использовать в качестве выходной величины значительное перемещение, применение кольцевых упругих элементов оказывается весьма эффективным. Более чувствительны к силе балочные упругие элементы. По технологичности изготовления они не уступают стержневым, позволяют получить большие перемещения, а деформации сжатия и растяжения у них строго одинаковы. Однако широкое использование их ограничено двумя причинами: во-первых, большими трудностями при фиксации точки и направления приложения силы; при действии силы конец балки (см. рис. 4.1, д) перемещается по дуге окружности и точка приложения силы изменяет свои координаты, что вызывает дополнительные погрешности; во-вторых, трудностями жесткой заделки второго конца балки, преодоление которых приводит к существенному удорожанию датчика, увеличению массы и размеров. Распределение напряжений в балке постоянного сечения неравномерное. Для получения равномерного распределения напряжений применяют балку равного сопротивления. Однако при этом следует учитывать, что собственная частота балки сильно зависит от массы присоединенных к ней элементов. Поэтому балочные упругие элементы применяют в тех случаях, когда кольцевые элементы не обеспечивают заданной чувствительности, например в датчиках силы с пределами измерения меньше 50 Н. Балочным упругим элементам отдается предпочтение также в тех случаях, когда требование одинаковых условий работы преобразователей неэлектрической величины в электрическую является определяющим. Для преобразования усилий больших 500 Н, целесообразно применять конструкцию специального стержневого упругого элемента (см. рис. 4.1, ж). Он представляет собой полый стержень, жестко заделанный по торцам и имеющий жесткую перемычку внутри, посередине стержня. Сила прикладывается к перемычке и поэтому деформации верхней и 72 нижней частей упругого элемента при их одинаковых размерах равны, т. е. обеспечиваются одинаковые условия для установки работы преобразователей деформации в электрическую величину. Упругие элементы, входной величиной которых является давление, применяют преимущественно для датчиков давления. Наибольшей чувствительностью к измеряелюму параметру обладает мембранная коробка (см. рис. 4.2, б). В зависимости от геометрических размеров, формы и материала мембранной коробки может быть перекрыт широкий диапазон измеряемых давлений - от 1000 до 500 ООО Па. Значительное перемещение стенок мембранной коробки позволяет использовать ее в сочетании с по-тенциометрическим измерительным преобразователем, который преобразует это перемещение в изменение сопротивления потенциометра. Трубка Бурдона (см. рис. 4.2, а), как упругий элемент, по своему назначению аналогична мембранной коробке, но ее применяют для высоких давлений (от 1 до 60 МПа). Мембрана с несимметричным центром (см. рис. 4.2, е) нашла -преимущественное применение в виброчастотных (струнных) дат-гчиках давления с пределами измерения от 5 до 60 МПа. )1>¥пругие элементы в виде колпачков и полусфер (см. рис. 4.2, % д) применяют в датчиках давления в тех случаях, когда необ-"Тсодимо получить равномерные напряжения в области установки "измерительных преобразователей (например, тензорезисторов). TtpoMC того, они обладают малой тепловой инерцией. Недостатком [ИХ является отсутствие зон деформаций с разными знаками. Стремление получить зоны деформаций с разными знаками при сохранении малой инерционности к изменению температуры измеряемой среды привело к созданию комбинированного упругого элемента (см. рис. 4.2, е), представляющего собой цилиндрический стержень с перемычкой внутри, один конец которого заглушён, а второй конец выполнен заодно с жестко защемленной диафрагмой. Центр упругого элемента неподвижен, а измеряемое давление воздействует на наружную поверхность цилиндрического упругого элемента и диафрагму. Силы давления на заглушённый торец сжимают верхнюю часть упругого элемента, а силы давления на диафрагму растягивают нижнюю часть его. В таком упругом элементе существуют одинаковые условия для установки преобразователей неэлектрической величины в электрическую. Из упругих элементов, входной величиной которых может быть как сила, так и давление, наибольшее распространение получили гофрированные мембраны (рис. 4.3, б). Их применяют в основном для датчиков давления, имеющих малые пределы измерения. Благодаря значительным перемещениям центра гофрированные мембраны применяют чаще всего в потенциометрических датчиках. . Для преобразования силы в перемещение их используют в тех слу--чаях, когда должна быть обеспечена высокая степень герметизации измерительной цепи при малых измеряемых силах. При зна- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 [ 22 ] 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 |