Курсовая работа (т): Датчик силы с пределами чувствительности

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,

ε_∑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,

ε_ном - значение номинальной деформации,

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 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,

 ρ - 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

γ_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

.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 σ_в, текучести σ_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.

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_δ0, r_δ1, r_δ2 составляют схему балансировки датчика и предназначаются для установки заданного начального баланса датчика.

Примем коэффициент шунтирования:

Тогда при r₁=r₃=700Ом:

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

Пусть этот предел равен номинальному сигналу ε_ном, тогда

Выберем r_δ0=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,

α_д - температурный коэффициент чувствительности датчика,

α_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_β, рассчитываемое по формуле:

где α₀ - температурный коэффициент мостовой схемы равный 3·10³% на 10°С,

α_β - температурный коэффициент компенсационного сопротивления.

Под действием измеряемой величины изменяются сопротивления r₁, r₂, r₃, r₄ тензорезисторов с относительным изменением ε₁, ε₂, ε₃, ε₄ и на выходе ИЦ, питающейся от источника U_n на нагрузке появляется выходной сигнал U_вых.

Величины изменений сопротивлений ε₁, ε₂, ε₃, ε₄ связаны с измеряемой величиной:

ε₁=к₁х,

ε₂=к₂х,

ε₃=к₃х,

ε₄=к₄х.

где к₁-к₄ - коэффициенты передачи ИЦ.

Под действием температуры коэффициенты изменяют свою величину.

Для компенсации этого влияния служит сопротивление r_α, 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 γ_л сведены в таблицу 4.

вибрационные ускорения

где n_в - перегрузка равная 20%,

Значения γ_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

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.

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

датчик сила сигнал преобразователь