|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы чительных нагрузках на такую мембрану резко растут ее размеры и масса, поэтому для больших сил (давлений) применяют плоскую мембрану в виде тонкой круглой пластинки (рис. 4.3, а). Перемещение пластинки используется в качестве выходной величины в индуктивных и емкостных датчиках. Применение мембраны, преобразующей силу в деформацию, резко сокращает размеры датчика в направлении действия силы, и в тех случаях, когда по условиям эксплуатации накладывается такое ограничение, мембранные датчики силы имеют преимущество перед датчиками с упругими элементами других типов. Сильфонные упругие элементы (рис. 4.3, в) по сравнению с мембранными имеют большую чувствительность, поэтому их применяют в высокочувствительных датчиках для измерения сил и давлений. Для построения датчиков механических параметров могут быть использованы и другие упругие элементы, отличающиеся от рассмотренных. Однако их применение обусловлено либо спецификой требований, предъявляемых к конкретному датчику, либо спецификой конструктивного решения. В последующих параграфах приведены расчетные соотношения для наиболее распространенных упругих элементов. 4.2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИЛЫ В большую группу можно выделить упругие элементы, преобразующие силу в деформацию. Они являются составной частью большинства датчиков силы, давлений, ускорений и других неэлектрических величин. Найдем функции преобразования (функциональную зависимость деформации упругого элемента от усилия) наиболее распространенных конструкций упругих элементов (рис. 4.4, а-д): полого или сплошного стержня постоянного сечения; кругового кольца постоянного сечения; мембраны постоянной толщины; балки равного прямоугольного сечения; • балки равного сопротивления изгибу. Для удобства в функции преобразования этих элементов выходную величину (деформацию) будем выражать в относительных единицах, что целесообразно по несколькими причинам. Во-первых, при неравномерном распределении деформаций по длине упругого элемента выражение их в относительных единицах дает наиболее простое выражение функции преобразования. Во-вторых, логика построения последующей измерительной цепи соответствует измерению относительных, а не абсолютных деформаций. Стержень постоянного сечения. Связь между силой и продольной деформацией в таком упругом элементе   777777777, 7777777777. aJ 6) Рис. 4.4. Принципиальные конструкции упругих элементов, преобразующих силу в деформацию где Е; - относительная продольная деформация стержня; s,, - площадь поперечного сечения стержня; F - сила, приложенная к стержню; Е - модуль упругости материала стержня; 5ст - чувствительность стержня. Выражение (4.1) показывает, что продольная деформация стержня определяется приложенным усилием F и чувствительностью 5ст и не зависит от длины стержня, т. е. относительная деформация постоянна по длине стержня. Связь между силой и поперечной деформацией стержня (4.2) где Еа - относительная поперечная деформация; р - коэффициент Пуассона. В этом случае относительная деформация также постоянна по длине образующей поверхности стержня. Таким образом, в зависимости от того, какая деформация будет использована в качестве выходной величины, функция преобразования стержня будет иметь либо вид (4.1), либо (4.2). В общем случае при разработке датчика могут быть использованы как продольная и поперечная деформации, так и комбинация этих деформаций. Поэтому чувствительность стержня может принимать любые значения между 5ст и Sct- Для учета изменения чувствительности в зависимости от использования в работе стержня той или иной деформации или их комбинации введем понятие конструктивного коэффициента чувствительности. Этот коэффициент равен 1, если в работе стержня используется только продольная деформация (последующий измерительный преобразователь, например, тензорезистор, установлен вдоль образующей стержня), или коэффициенту Пуассона, если используется только поперечная относительная деформация (измерительный преобразователь установлен поперек образующей стержня). Если в работе использованы продольная и поперечная деформации (измерительный преобразователь установлен под углом к образующей стержня), значения конструктивного коэффициента чувствительности будут определяться степенью использования той или иной деформаций. При такой установке последующий измерительный преобразователь будет использовать продольную деформацию, равную ecosa, и поперечную деформацию (другого знака), равную ре, sin а. Поэтому значения конструктивного коэффициента могут быть вычислены из выражения Вст = cos а - р sin а, где - конструктивный коэффициент чувствительности стержня; а- угол установки тензорезистора относительно образующей стержня. На рис. 4.5 дана зависимость коэффициента В„ от угла а при коэффициенте Пуассона, равном 0,3. В соответствии с изложенным, общее выражение функции преобразования стержня может быть представлено в следующем виде:
-0,2 Рис. 4.5. Зависимость конструктивного коэффициента чувствительности от угла установки тензорезистора Serf а чувствительность Бет - конструктивный коэффициент • (4.3) (4.4) чувствительности где ет стержня. Следовательно, чувствительность стержня определяется конструктивным коэффициентом чувствительности, сечением и модулем упругости материала стержня. Заметим, что деление стержневых упругих элементов на полые и сплошные не изменяет вида функции преобразования. В случае, если выходной величиной стержневого упругого элемента является перемещение точки приложения силы в направлении ее действия, то функция преобразования где б - перемещение торца упругого элемента; / - длина упругого элемента. Как видно из (4.5), чувствительность упругого элемента в этом случае зависит от длины. Другой важной характеристикой любого элемента является его собственная частота колебаний. Для стержневого упругого элемента fo=0,!59 (4.6) 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 |
|||||||||||||||||||||||||