датчик переменной силы что это

13.10.202323.06.2023 admin 0 Comments

Датчик пульсации силы АС20

от 39 156 руб.

Датчики силы АС20 измеряют переменную составляющую силы, действующую на объект измерения.
В отличие от тензометрических датчиков силы, которые являются статическими, с помощью этих датчиков можно оценить передаточную характеристику конструкции.

Характеристики

датчиков пульсации силы АС20

Технические характеристики
Чувствительность по заряду (номинальное значение)	2 пКл/Н
Относительная поперечная чувствительность
Деформационная чувствительность	20 кГц
Масса	23 г
Масса без кабеля	14 г
Материал корпуса (определяется при заказе)	нержавеющая сталь/титановый сплав

Особенности

датчиков пульсации силы АС20

Стабильность характеристик и надёжность в процессе эксплуатации

Прочная конструкция и герметичный корпус, гарантирующие исключительную долговечность

Широкий диапазон рабочих температур

Низкая чувствительность к изменению температуры

Сочетание высоких значений осевой чувствительности, собственной частоты и ударной стойкости

Схема подключения

датчиков пульсации силы АС20

Датчики АС20 подключаются непосредственно к анализаторам спектра ZET 017, ZET 032, ZET 034 или ZET 038 через усилитель заряда АС-100.

Для крепления датчиков должно быть выполнено резьбовое отверстие М5-7Н глубиной не менее 6 мм, момент затяжки: 1,9 … 2,1 Н·м.

Порядок работы

датчиков пульсации силы АС20 с анализатором спектра ZET 017-U

После сбора измерительного стенда в составе: датчика пульсации силы АС20, усилителя напряжения АС-100 и анализатора спектра ZET 017-U, необходимо произвести ряд настроек, для корректного отображения измеряемых параметров.

Запустить ПО ZETLAB и в программе «Диспетчер устройств» настроить параметры измерительного канала: указать измеряемую физическую величину, коэффициент внешнего усилителя (из паспорта на усилитель напряжения АС-100) и чувствительность датчика силы (в пересчёте на вольты).

Для того, чтобы пересчитать чувствительность датчика, нужно воспользоваться формулой:

U[В/ед. изм.] = Q[Кл/ед. изм.] / С,

где Q — чувствительность датчика по паспорту,
С — суммарная ёмкость датчика с кабелем и переходниками (если таковые имеются).

Пример. Пересчёт чувствительности датчика силы АС21.
Чувствительность по паспорту 1,58 пКл/Н;
электрическая ёмкость: 32,5 пФ.

Датчик силы подключен к анализатору спектра при помощи кабеля, поэтому измеряем общую электрическую ёмкость датчика силы совместно с кабелем при помощи измерителя ёмкости: 166 пФ.

Теперь рассчитаем чувствительность в вольтах, воспользовавшись формулой, указанной выше:

U = 1,58/166 = 0,009518 [В/Н].

После произведённых расчётов заносим полученные значения в соответствующие поля «Диспетчера устройств»:

Сохраняем настройки, нажимая кнопку «ОК» и запускаем программу «Вольтметр переменного тока» из меню Измерение панели ZETLAB.

После произведённых настроек в программе «Вольтметр переменного тока» получим значение параметра в нужных нам единицах измерения.

Проверка корректности полученных данных производилась путём воспроизведения на вибростенде значения ускорения уровнем 1 g.
При правильно рассчитанных коэффициентах полученное значение должно соответствовать массе чувствительного элемента датчика силы.

Источник

Тензометрические датчики силы

Тензометрический датчик силы представляет собой гибкое тело, которое под влиянием действующей силы подвергается линейной деформации. На подходящих местах тела приклеены чувствительные элементы, так называемые тензометры. Тензометр — это резистивный элемент, электрическое сопротивление которого вследствие механической деформации (растяжения или сжатия) изменяет свое значение. Действующая сила, таким образом, способствует изменению электрического сопротивления. На датчике обычно расположены четыре тензометра, которые включены в мостовую систему для того, чтобы изменение сопротивления было можно легче определить.

По описанному принципу функционируют датчики с металлическими тензометрами. Существуют также иные принципы и типы датчиков, например датчики с полупроводниковыми тензометрами. Полупроводниковые тензометры изготавливают из кремния, поэтому их чувствительность значительно выше, чем у металлических. Однако они очень сильно зависят от температуры и поэтому используются только в специальных случаях. На ином принципе работает пьезоэлектрический датчик силы. Он использует пьезоэлектрическое явление, то есть возникновение напряжения в кристалле при механическом усилии. С помощью пьезоэлектрического датчика измеряют динамические силы, а для измерения статических сил он не подходит.

Существуют и другие виды датчиков, например, вибрационные, гидравлические, электродинамические, магнитоупругие и т. п. Однако ни один из них не применяется так широко, как датчики с металлическими тензометрами, описанные в этой статье. Остальные датчики подходят только для решения специализированных задач, или они очень дороги. По сравнению с ними датчики силы с металлическими тензометрами универсальны: они пригодны для измерения как статических, так и динамических сил. К их преимуществам следует отнести:

Параметры тензометрических датчиков силы

Форма датчика

Для применения тензометров в конкретных случаях очень важен тип датчика, то есть его форма и возможности закрепления. От формы датчика и материала, из которого он изготовлен, зависят такие параметры, как точность, величина перегрузки и т. п. Поэтому существуют разные типы датчиков, но обычно они являются модификациями нескольких основных типов, таких как мембранные, гибкие, колонные и др.

Диапазон измерения

Основным параметром тензометричес-кого датчика является его диапазон измерения, который можно повысить максимально на 30-50%. Более высокая перегрузка датчика, хоть и на краткое время, почти всегда ведет к его повреждению. Такой датчик уже нельзя исправить, поскольку при этом происходит нарушение структуры материала. Это необходимо всегда иметь в виду, применяя датчики в среде, где возможны биение и вибрации.

Чувствительность датчика

Важным параметром, особенно с точки зрения обработки выходного сигнала, является чувствительность датчика. Она измеряется в единицах мВ/В, и ее значения чаще всего находятся в пределах от 1 до 3. Например, если чувствительность датчика 2 мВ/В и датчик питается постоянным напряжением 10 В, то выходной сигнал датчика при полной нагрузке будет иметь значение: 2*10 = 20 мВ. Это относительно низкое значение, поэтому сигнал обычно усиливается и только потом поступает на измерительный прибор или аналоговую карту в РС или PLC.

Температурные характеристики

С ростом или падением температуры изменяется как сигнал ненагруженного датчика (ошибка нуля), так и сигнал нагруженного датчика (ошибка чувствительности). Обе ошибки указываются в процентах диапазона.

Пусть датчик имеет ошибку нуля, например 0,01% FS/°C. Если он имеет чувствительность 2 мВ/В и питается напряжением в 10 В, то при изменении температуры на 20 °С сигнал ненагруженного датчика может измениться на (2*10)*0,01*20 = 0,04 мВ. Аналогично подсчитывается и ошибка чувствительности.

Точность датчика

У датчиков для измерения силы точность характеризуется с помощью класса точности, который указывает процентную ошибку датчика, относящуюся к его диапазону. Этот способ общеизвестный. Иначе рассчитывается точность датчиков, применяемых для взвешивания. У них точность указывается при помощи так называемого проверочного деления. Однако существует отношение между обоими способами. Например: датчик имеет точность, установленную при помощи проверочного деления, и это значение — 3000 делений (класс точности С3). В этом случае процентная погрешность (класс точности) будет: (1/(2*3000))*100 = ±0,017% FS.

Более подробную информацию об ошибках датчиков, предназначенных для взвешивания, можно найти в международных рекомендациях OIML R60.

Диапазон температуры

Часто приводятся даже три диапазона температуры: компенсированный, рабочий и для хранения. Компенсированный диапазон температуры соответствует диапазону, при котором производитель испытывал датчик, и поэтому все его параметры гарантированы. Рабочий диапазон температуры обычно больше компенсированного. Датчик и в этом диапазоне можно применять без риска его повреждения, но все параметры датчика уже не гарантируются. При диапазоне температуры хранения датчик применять не рекомендуется, так как может произойти его повреждение.

Иные параметры

Другими важными параметрами являются: входное сопротивление (с точки зрения обработки сигнала), изоляционное сопротивление (с точки зрения безопасности), степень защиты (с точки зрения условий труда) и т. п.

Оценка сигнала из тензометрического датчика

Тензометрический датчик силы работает по принципу моста Уитстона (рис. 1), поэтому при подключении датчика поступаем так же, как и при резистивном мосте. Практически это значит, что необходимо обеспечить:

Рис. 1. Электрическое подключение тензометрического датчика силы

Указанные действия обеспечиваются при помощи преобразователей, которые содержат, кроме источника питания и усилителя, и другие контуры, например активный фильтр и преобразователь тока. Блок-схема преобразователя типа EMS170 представлена на рис. 2. Некоторые типы датчиков, например, ESM150, позволяют вложить преобразователь прямо в тело датчика. В таком случае на выходе датчика будет прямой стандартный сигнал напряжения или тока. Однако применение преобразователя не всегда обязательно. На рынке присутствуют и цифровые электронные приборы, которые позволяют прямое подключение датчика, и обычно они бывают более точными.

Рис. 2. Блок-схема преобразователя для тензометрического датчика

Подключение нескольких датчиков

Задачу по подключению нескольких датчиков и их одновременной оценке решают часто. Примером может служить взвешивание резервуара, который стоит на трех опорах, и под каждой опорой размещен один датчик. В этом случае датчики подключаются параллельно (рис. 3). Необходимо, однако, обратить внимание на два условия:

Рис. 3. Параллельное подключение трех датчиков

Стандартный тензометрический датчик имеет сопротивление 350 Ом, при параллельном подключении трех датчиков сопротивление будет 117 Ом. При питании напряжением 10 В в датчики течет ток около 85 мA. При параллельном подключении датчиков общая нагрузка суммируется, а выходной сигнал сохранится. Например, если каждый датчик имеет диапазон измерения 100 Н, а чувствительность — 2 мВ/В, то общая система будет иметь диапазон измерения 300 Н, а чувствительность остается на уровне 2 мВ/В.

Типы тензометрических датчиков EMSYST

Тензометрические датчики фирмы EMSYST можно на основании параметров и цены характеризовать как датчики среднего класса. Они предназначены, прежде всего, для измерения сил разных промышленных машин.

Примером может быть определение отношения сила/путь, которое измеряется часто (автомобильные и авиационные амортизаторы, пружины, буферы и т. п.), или измерение сил на прессах и гидравлических агрегатах. Такие датчики можно применять и для технологического взвешивания.

Универсальные мембранные датчики EMS20,30, 40, 50, 60

Имеется в виду группа мембранных датчиков, которые работают по принципу деформации гибкой мембраны, этим определена и их форма. Они имеют простую конструкцию, универсальны в применении и выгодны по цене. Датчики этой группы имеют одинаковые метрологические параметры, они отличаются только способом закрепления. Например, EMS20 (рис. 4) закрепляется с помощью внешней резьбы, а EMS30 — внутренней. Датчики EMS40, EMS50 и EMS60 предназначены для измерения силы по отношению к подставке.

Рис. 4. Тензометрические датчики: а) EMS20; б) EMS30

Тензометрический датчик для испытаний EMS70

EMS70 (рис. 5) — кольцевой датчик силы сравнительно сложной конструкции. В него вложен двойной или тройной (в зависимости от диапазона) тензометрический мост, это гарантирует лучшие свойства, прежде всего, с точки зрения устойчивости по отношению к боковым силам. Он имеет широкий диапазон измеряемых сил (от 1 до 500 кН) и отличные метрологические свойства. Этот датчик успешно применяется, например, в автомобильной промышленности. По желанию заказчика уже была изготовлена версия датчика с диапазоном измерения 750 кН.

Рис. 5. Тензометрический датчик EMS70

Тензометрический датчик для испытаний EMS100

Характерные свойства тензометрического датчика силы EMS100 (рис. 6) — его высокая устойчивость к перегрузке и высокая точность при малых размерах. Этот тип датчиков отличается очень хорошими метрологическими свойствами.

Рис. 6. Тензометрический датчик EMS100

Тензометрический датчик для больших диапазонов EMS130

Датчик EMS130 (рис. 7) является новинкой фирмы ООО «EMSYST» и отличается тем, что обладает самым широким диапазоном измерений по сравнению со всеми другими датчиками, изготавливаемыми этой фирмой. EMS130 может измерять силу даже до 2000 кН (200 тонн). Он имеет колонную конструкцию, обычную при таких высоких перегрузках. Этот тип датчиков имеет худшие метрологические свойства, особенно это касается линейности. Для компенсации этих недостатков в датчике применен тройной тензометрический мост. В результате был разработан крепкий и устойчивый датчик с очень хорошими параметрами.

Рис. 7. Тензометрический датчик EMS130

Датчик с вложенным преобразователем EMS150

Тензометрический датчик силы EMS150 (рис. 8) также имеет крепкую и устойчивую конструкцию. Он предназначен для применения в промышленности. EMS150 отличается высокой точностью. Датчик силы EMS150 можно использовать и в качестве эталонного измерительного прибора. В датчик можно вложить электронный преобразователь, и тогда на выходе будет стандартный сигнал 0-10 В или 4-20 мА. Эти датчики успешно используют и для взвешивания резервуаров.

Рис. 8. Тензометрический датчик EMS150

Специальные тензометрические датчики

Рис. 9. Датчик тяги в резиновой ленте SN-MP2

Рис. 10. Измерительная цапфа

Следует отметить, что фирма EMSYST выпускает дополнительные принадлежности к этим изделиям (электронные приборы, механические части для вложения в датчики), например преобразователи для обеспечения питанием датчиков напряжением или током с возможностью присоединения от 1 до 4 датчиков.

Источник

Датчик переменной силы

1 сообщение в этой теме

Присоединиться к обсуждению

Вы можете ответить сейчас, а зарегистрироваться позже. Если у вас уже есть аккаунт, войдите, чтобы ответить от своего имени.

Информация

Недавно просматривали 0 пользователей

Ни один зарегистрированный пользователь не просматривает эту страницу.

Принцип действия датчиков силы

Подробное описание устройства различных реализаций датчиков силы. Принцип действия резистивных, магнитных, пьезорезонансные, емкостные, пьезоэлектрические. Кроме того, устройство тактильных датчиков силы.
Вы также можете посмотреть другие статьи. Например, «Что такое неразрушающий контроль, где и как он применяется» или «Теодолит — геодезический угломерный инструмент».

Тензометрические датчики силы (динамометры) являются неотъемлемым компонентом весоизмерительных систем. Они служат «поставщиком» исходных данных в системах автоматического учета и контроля экономической деятельности любого серьезного предприятия. Без них невозможно построение систем автоматизации технологическими процессами. Сфера их применения – металлургия, строительство, сельское хозяйство, производство пищевых продуктов и т. д. Обобщенная картина использования датчиков силы отображена на рис.1.

Рис. 1. Области применения датчиков силы

Принцип работы датчиков силы базируется на преобразовании усилий, приводящих к деформации чувствительного элемента, в электрический сигнал.

Процесс преобразования включает ряд последовательных операций. Они протекают на физическом и электрическом уровнях. На физическом уровне приложенная сила вызывает деформацию упругого элемента и закрепленного на нем тензодатчика. На электрическом уровне происходит преобразование величины деформации в аналоговый сигнал. В последующих операциях сигнал преобразуется в удобную для пользования форму.

Работа тензометрических датчиков базируется на различных физических явлениях, позволивших создать следующие типы датчиков:

Естественно, что разные физические явления для преобразования величины деформации в электрический сигнал используют различные чувствительные элементы. Ознакомимся с принципами их работы.

Резистивные датчики силы

Из предложенных к рассмотрению датчиков наиболее применяемыми (более 95 %) являются резистивные датчики силы. Это обусловлено широким диапазоном воспринимаемых усилий (5 Н – 5 МН) и точностью измерения. Они могут использоваться при действии статических и динамических нагрузок. Существенным достоинством этого типа датчиков является линейность выходного сигнала.

Чувствительным элементом датчика является тензорезистор (рис. 2). Датчик представляет собой тонкую проволоку 1, жестко закрепленную на гибкой подложке 2.

Рис. 2. Проволочный тензорезистор
1 – чувствительный элемент, 2 – подложка, 3 – выводы, 4 – защитная пленка

Концы проволоки снабжены выводами 3 для внешних подключений. Зигзагообразно уложенная проволока и места соединения ее с выводами закрыты защитной пленкой 4.

Тензорезистор подложкой приклеивается к упругому элементу, воспринимающему нагрузку. Последний под действием силы деформируется и вызывает деформацию тензорезистора. Изменение длины проволоки при действии сил растяжения или сжатия приводит к пропорциональному изменению величины ее сопротивления.

Связь между величиной деформации тела и действующей на него силой подчиняется закону Гука. Автор первоначально сформулировал его словами: «каково удлинение, такова и сила». В отношении тензорезистивных датчиков, учитывая изложенное, этот закон можно интерпретировать так: «каково сопротивление, такова и сила».

Обычно тензорезисторы включаются в плечи чувствительных мостовых схем. В этом случае о действующей силе судят по напряжению в диагонали моста.

Магнитные датчики силы

На физическом уровне эти явления объясняются изменением положения атомов в кристаллической решетке при воздействии внешнего магнитного поля или прикладываемой силы.

Простейший вариант конструкции магнитного датчика силы представлен на рис. 3. На ферромагнитном сердечнике 1 размещена катушка индуктивности 2. В случае действия на сердечник силы 3 он деформируется и переходит в напряженное состояние.

Рис. 3. Вариант конструкции магнитного датчика силы

Изменение состояния сердечника приводит к изменению его магнитной проницаемости. Это обуславливает пропорциональное изменение магнитного сопротивления сердечника. В результате изменяется индуктивность катушки.

Таким образом, трансформация физического воздействия деформирующей силы в электрический сигнал (рис. 4, вариант 1) можно отобразить в виде последовательных превращений.

Рис. 4. Трансформация сигналов в магнитных датчиках силы

Более распространенными являются магнитные датчики силы с двумя обмотками. Первичная обмотка такого датчика запитана от генератора, во вторичной обмотке наводится эдс. При деформации сердечника изменяется магнитная проницаемость и связанная с ней взаимоиндуктивность (рис. 4, вариант 2). Конечным результатом действия силы является изменение эдс во вторичной обмотке датчика.

Тактильные датчики силы

Тактильные (осязательные) датчики являются самыми «молодыми». Их появление обусловлено развитием робототехники и автоматических поточных линий.

Существующая классификация рассматривает три типа тактильных датчиков: касания, усилия и проскальзывания. Первые два типа тактильных датчиков измеряют один и тот же параметр – действующую силу. Отличаются они только видом выходного сигнала. Датчики усилия имеют аналоговый выходной сигнал, а датчики касания – выход релейного типа с регулируемыми уставками.

Реализуются тактильные датчики с использованием различных физических явлений, но принципиальным отличием от других датчиков является их небольшая толщина. Это достигается за счет использования специальных материалов. Они, как правило, обладают гибкостью, эластичностью и прочностью при хорошей электропроводности.

На рис. 5 приведен пример реализации тактильного датчика, реагирующего на силовое воздействие.

Рис. 5. Пример простого тактильного датчика силы

Датчик представляет собой две тонких металлических пластины 1 между которыми расположена ячеистая прокладка 2 из изоляционного материала. Один полюс источника напряжения подключен к верхней пластине. Второй – через нагрузочный резистор Rн к нижней пластине. Когда к верхней пластине в районе ячейки прикладывается внешняя сила, пластина, прогибаясь, замыкается с нижней. Через резистор протекает ток, а падение напряжения на нем служит выходным информационным сигналом.

Тактильный датчик с использованием пьезоэлектрического эффекта приведен на рис. 6.

Рис. 6. Пьезоэлектрический тактильный датчик силы

Он представляет собой два параллельных слоя 1 и 2 пьезоэлектрических пленок, разграниченных акустически проницаемым слоем 3. К нижней пьезопленке подключен генератор и при его работе она колеблется с генерируемой частотой. При этом такие же колебания возбуждаются в промежуточном слое и в верхней пьезопленке. На противоположных поверхностях последней возникает разность потенциалов. Напряжение с верхней пленки подается на усилитель и синхронный детектор, формирующий выходной сигнал с учетом амплитуды и фазы.

При воздействии на верхнюю пленку деформирующей силы, характеристики всех слоев изменяются, что приводит к пропорциональному изменению выходного сигнала

Пьезорезонансные датчики силы

В датчиках силы этого типа используются оба эффекта, свойственные пьезокристаллическим материалам: прямой и обратный пьезоэффекты.

Чувствительным элементом датчика является механический резонатор. Колебания резонатора, возбуждаемые напряжением питающего генератора (обратный пьезоэффект), обуславливают его напряженное состояние. В свою очередь такое состояние вызывает возникновение соответствующих зарядов на электродах пьезоэлемента (прямой пьезоэффект).

Результатом одновременного электрического возбуждения колебаний резонатора и снятия электрического сигнала является возникновение резонансных колебаний.

Известно несколько вариантов включения пьезорезонансных датчиков силы в измерительные схемы.

В схемах с применением автогенераторов резонатор используется в задающих цепях. Деформация резонатора внешней силой изменяет частоту генератора пропорционально приложенному усилию.

В другом варианте такой же схемы внешнее воздействие вызывает изменение положения электродов относительно резонатора, что также приводит к изменению частоты.

На рис.7 приведена схема с использованием генератора опорной частоты и резонансного фильтра. Деформирующая сила, воздействуя на резонатор, приводит к изменению частотных настроек фильтра и пропорциональному изменению выходного напряжения.

Рис. 7. Схема датчика силы с резонансным фильтром

Емкостные датчики силы

Емкостные датчики силы относятся к параметрическим. Конструктивно они представляют конденсатор, состоящий из двух параллельных пластин с зазором между ними.

Емкость такого конденсатора пропорциональна площади пластин, диэлектрической проницаемости материала зазора и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.

Изменение какого либо из перечисленных параметров приводит к изменению емкости, которую можно измерить соответствующей аппаратурой. Это положение используется при построении емкостных датчиков силы.

Для удобства пользования величину емкости преобразовывают в легко измеряемую величину, например, в ток, напряжение или частоту. Для преобразования применяются мостовые, резонансные или другие электрические схемы.

В зависимости от способа воздействия внешней силы на элементы датчика могут быть реализованы различные варианты емкостных датчиков силы (Рис.8)

Обычно в емкостных датчиках силы используют вариант с изменением диэлектрической проницаемости при сжатии диэлектрика Конструктивно емкостной датчик состоит из корпуса с упругим элементом, через который усилие передается на диэлектрик.

Рис.8. Варианты реализации емкостных датчиков и графики зависимости емкости от величины действующей силы

Пьезоэлектрические датчики силы

Основой работы датчиков силы этого типа является прямой пьезоэффект, которым обладают некоторые материалы. К ним относятся природные кристаллы кварца и турмалина, искусственные кристаллы фосфата аммония и титаната бария.

Эти кристаллы обладают большим пьезоэффектом и высокой механической прочностью, химически устойчивы. Их пьезоэлектрические свойства незначительно изменяются в широком диапазоне температур. Геометрическая форма кристалла не влияет на свойства кристалла.

Суть пьезоэлектрического эффекта заключается в следующем. В момент действия силы на пластину из пьезоэлектрического материала, на ее поверхностях возникают разноименные заряды. Их величина пропорциональна приложенной силе.

Конструктивно пьезоэлектрический датчик силы (рис. 9) состоит из корпуса 1, в котором установлены две пьзопластины 2 с расположенным между ними выводом 3. Вторым выводом служит корпус датчика. На его основании расположена нижняя пьезопластина.

В момент приложения силы на нажимное устройство 4 пьезоэлектрические пластины сжимаются и генерируют напряжение, которое поступает на вход усилителя.

Рис. 9. Пьезоэлектрический датчик силы.

Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения динамически действующих сил.

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

Источник

Ответы на вопросы

датчик переменной силы что это

Датчик пульсации силы АС20

Характеристики

Особенности

Схема подключения

Порядок работы