Первичные преобразователи механических усилий, как правило, построены с использованием промежуточного преобразования этого усилия в деформации или во внутренние механические напряжения. Поэтому измерение механических усилий – сил и моментов – практически сводится к измерению относительной деформации или s. Для преобразования силового фактора (F, Mкр, Мизг) в относительной деформации применяются так называемые деформационные преобразователи(или упругие чувствительные элементы–ЧЭ). Последующие преобразования деформаций может быть выполнено на основе широкой группы физико-технических эффектов, реализованных в промежуточных преобразователях рода энергии сигнала механической в электрическую: проволочные (потенциометрические), магнитоупругие, пьезоэлектрические, индуктивные, емкостные и др. представлены в классификации (рис. 2.1.).
Входным элементарным (для простоты далее будем опускать слово «элементарный») измерительным преобразователем в этих устройствах измерения механических усилий является, как уже отмечалось, деформационный преобразователь (ДП), метрологические, конструктивно–технологические, эксплутационные свойства которой являются во многом определяющими.
ДП и последующие в цепи измерительного за ними преобразователи рода энергии сигнала (РЭС), являются определяющими в цепи измерительного преобразователя (ИП).
Основные требования к ДП включают:
1. обеспечение высокой стабильности деформаций при достаточном запасе прочности;
2. отсутствие гистерезиса и последствия, а так же нелинейности функция преобразования ФП.
В настоящее время наиболее известны следующие варианты компоновки установки ДП на ОК.
При изгибе поперечной силой консольно-защемленного стержня толщиной h максимальное измерительное напряжение на расстоянии l от ее приложения в 6 l/h раз больше, чем в случае растянутого или сжатого той же силой стержня с поперечным сечением. Поэтому продольно нагружаемые стержни применяются в основном для измерения больших сил.
При одинаковом измеряемом усилии перемещение точки приложения нагрузки при изгибе стержня больше, чем при продольном нагружении.
Однако следует учитывать, что большие перемещения приводят к
1) уменьшению жесткости ДП и
2) снижают его собственную частоту колебаний (а следовательно и рабочую полосу частот ПП), а также
изменяют положение точки приложения силы относительно крепления силоизмерительного элемента (силопередающего).
Рис.3 Варианты схем установки деформационного преобразователя на
объекте контроля
Повышение чувствительности ПП в большинстве случаев имеет определяющее значение, поэтому применяются упругие элементы, работающие на изгиб.
Если точка приложения силы неизвестна, то для ее измерения прибегают к упругим элементам, обеспечивающим перемещение в направлении действия силы. (рис. 3)
– Например: Упругий параллелограмм (рис.3.2), позволяет измерить составляющую силы, действующую перпендикулярно консольным пластинкам, т.е. силу Р, связывающим между собой два жестких звена. Для уменьшения вредного влияния силы параллельной пластинке и момента относительно свободного конца пластинок, средняя пластинка имеет большую толщину (сечение).
Момент в этом случае почти целиком воспринимается за счет растяжения за счет растяжения и сжатия крайних пластинок (верхней и нижней). В этом случае упругий параллелограмм выполняет роль кинематического звена, а воспринимающим элементом является лишь средняя пластинка, которая передает часть измеряемого усилия пластинке с ТРП.
В тензометрических первичных преобразователях силоизмерительных устройств упругие элементы могут быть тарельчатой формы, на концевых выступах тарелей установлены ТРП, при этом в процессе измерения наружные концевые выступы сжимаются, а внутренние растягиваются.
Относительная деформация такого ТРП усилия равна
.
Диапазон преобразования проволочного ТРП равен:
Dн=1,5×105 Н.
sр=0,3¸0,5% – определяется упругим несовершенством материала (при малом изменении температур).
 |
При измерении быстропеременной силы погрешность измерения dр равна dр =±(1,5-3)%, а для статических сил dр= ±0,5%.
Рис.3 Тензорезистивный преобразователь давления
1–тарель; 2–мембрана;3 –корпус;4 – направляющая; 5 – наружная кольцевая выточка
Мембрана – это защемляемая по периметру эластичная (упругая) пластина (способная восстанавливать свою начальную форму после снятия нагрузки).