|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы Выражая эффективную площадь мембраны через фактическую площадь, получим где - площадь мембраны. При оптимальном радиусе подушки эффективная площадь мембраны 8дф = 0,7365м. Толщину гибкой мембраны выбирают минимальной по величине допустимого напряжения материала мембраны и рассчитывают по формуле 2[а] • Обычно материалом для такой мембраны выбирают листовую сталь Х18Н9Т или ЗбНХТЮ. Таким образом, можно написать функцию преобразования мембранного тензорезисторного датчика с любым упругим элементом. Так, например, для датчика со стержневым упругим элементом функция преобразования будет . k nC,Sn(a + bfr> Из этого выражения видно, что чувствительность датчика можно изменять, меняя размеры мембраны и подушки. Этим, как было отмечено ранее, часто пользуются на практике. Смена чувствительных элементов в конструкции датчика давления со стержневым упругим элементом обеспечивает получение датчиков давления со следующими пределами измерения: (60, 100, 150, 250, 400, 600) 10 Па. Увеличение эффективной площади мембраны (увеличение диаметров мембраны и подушки) в 10 раз позволяет получить с теми же чувствительными элементами датчики с пределами измерения (6, 10, 15, 25, 40, 60) 10 Па. Дальнейшее снижение пределов измерения (увеличение чувствительности) без изменения эффективной площади мембраны осуществляют переходом на более чувствительный упругий элемент- кольцевой. Конструкция такого датчика (см. рис. 10.14) обеспечивает пределы измерения датчика (0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0) 10 Па сменой кольцевого чувствительного элемента, отличающегося только значением наружного диаметра, соответствующего заданному пределу измерения. В последнее время успешно стали применять тензорезисторные датчики давления с навесными тензорезисторами [84]. Одна из таких конструкций, разработанная инженером Л. И. Кулагиной, представлена на рис. 10.16. Принципиальное отличие этой конструкции датчика от конструкции, показанной на рис. 10.14, заключается в типе тензорезисторов. Тип тензорезистора обусловил некоторые различия и в конструкции упругого элемента. 272 Упругий элемент датчика (рис. 10.16) имеет четыре жестких участка, необходимых для установки токоизоляционных штырей /, на которые намотаны тензорезисторы 2. Эти незначительные конструктивные отличия в упругом элементе обусловливают значительное изменение чувствительности упругого элемента. Чувствительность такого кольца, как следует из выражений (4.14), Sk. н = e/F = b/roF = Бк. JjbhE, (10.26) где 8 - относительная деформация тензорезистора (выходная величина); F - сила, действующая на кольцо (входная величина); б - перемещение диаметра (вертикальное или горизонтальное); Го - средний радпус кольца; h - толщина кольца; b - ширина кольца; Е - модуль упругости материала кольца; Д.. „ - конструктивный коэффициент чувствительности кольца. Констру 1тивный коэффициент чувствительности кольца зависит от размера жестких участков и от вида используемой деформации. Так, при использовании деформации горизонтального диаметра конструктивный коэффициент чувствительности рассчитывают по формуле  Рис. 10.16. Датчик давления с навесными тензорезисторами sin - sin Уд (cos¥i -cosЧJ2)~ -(sin2¥2 - sitf¥j.) а при использовании деформации вертикального диаметра нверт (sin 45 - sin ¥i) Чувствительность кольца с приклеиваемыми тензорезисторами, как было показано в п. 4.3, S,,BjJbhE. (10.27) Взяв ся-ношение чувствительностей кольца с навесными (10.26) и приклеиваемыми (10.27) тензорезисторами, получим S,.JS = B,,,JB,ro/h. Расчеты показывают, что отношение конструктивных коэффициентов колец с навесными и приклеиваемыми тензорезисторами практически лежит в пределах 0,8-1,5, и поскольку отношение радиуса кольца к толщине больше 5, то чувствительность кольца с навесными тензорезисторами, при прочих равных условиях, минимум в 4 раза выше, чем кольца с приклеиваемыми тензорезисторами. Поэтому в случае необходимости увеличения чувствительности следует применять кольцо с навесными тензорезисторами. Размеры кольца для заданной чувствительности рассчитывают, используя формулу (10.26). В остальном методика проектирования тензорезисторных датчиков давления с навесными тензорезисторами не отличается от методики проектирования датчиков с приклеиваемыми тензорезисторами. , В тех случаях, когда датчик давления выполнен в соответствии со структурной схемой рис. 10.13, б, геометрические размеры упругого элемента определяют по заданной чувствительности датчика. Чаще всего по этой структурной схеме выполняют датчики с жесткой мембраной. Функция преобразования такого датчика f- = f/(j"-?/. (10.28) Задавшись из конструктивных соображений радиусом мембраны, можно рассчитать толщину ее: t/вых (k + ir Е При этом необходимо следить, чтобы максимальное напряжение не превысило допустимого значения для выбранного материала мембраны. Максимальные напряжения в такой мембране, как известно, возникают в местах заделки мембраны, их вычисляют по формуле о = (0,75rW) Р. Следует обратить внимание, что для заданных высокой чувствительности и большого быстродействия проектирование датчика со структурной схемой рис. 10.13, б необходимо вести с учетом того, что произведение чувствительности на собственную частоту для него f(,S = alhYEp, где h - толщина упругого элемента; а - коэффициент, равный произведению конструктивных коэффициентов чувствительности и быстродействия. Расчеты показывают, что мембранный упругий элемент обеспечивает наивысшее значение произведения чувствительности на собственную частоту по сравнению с колпачком, полусферой и другими элементами, непосредственно преобразующими давление в деформацию. Таким образом, методика проектирования датчиков давления в основном соответствует методике проектирования датчиков силы и ддполнена проектированием гибкой мембраны, преобразующей давление в силу, и проектированием упругих элементов, преобразующих давление в деформацию. 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 |