3. Расчет упругого элемента

Расчет произведем в системе 3D-моделирования и конструирования SolidWorks в связке с приложением к ней COSMOS Works, которое позволяет проводить прочностные расчеты методом конечных элементов. Зададимся необходимыми конструктивными параметрами для балки (рис.4):

Рис. 4. Конструктивные параметры балки.

Длина L=120 мм;

Ширина b=9 мм;

Высота h=20 мм;

Материал – сталь 36НХТЮ;

Модуль упругости стали E= 2,1 *10¹¹ Па.

Допустимое значение напряжения для стали []=720*10⁶ Па.

Расчет деформаций упругого элемента производится для определения зон наибольших растяжения и сжатия, с последующим использованием полученной информации для корректного расположения наклеиваемых тензорезисторов на упругий чувствительный элемент.

Результаты расчета на прочность представлены на рис. 5. Для наглядности, балка представлена сильно деформированной. На самом деле деформация не значительна.

Как видно из рис. 5 максимальная относительная деформация, приблизительно, равна 1,008·10­^-3.

Рис. 5. Результат прочностного расчета балки.

Для более точного определения местоположения наклеивания тензорезисторов будем рассмотривать наиболее подверженную деформации часть поверхности балки.

Рис. 6. Деформированная поверхность балки.

В соответствии с цветами строим эпюру деформации. По оси абсцисс отложено расстояние от точки закрепления балки до соответствующей расцветки, а по оси ординат отложим значение относительной деформации.

Рис. 7. Эпюра деформации.

Исходя из длины базы тензореситора 5 мм. по эпюре деформации можно определить, что тензорестор будет полностью подвержен деформации в пределах от 31,5 мм до 36,5 мм.

Среднее значение относительной деформации будет равно 7,792·10^-4.

Тензорезисторы крепят таким образом, чтобы два из них испытывали силу растяжения, а два других силу сжатия.

ТР1

ТР2

ТР3

ТР4

Рис. 8. Схема размещения тензорезисторов.

Для тензорезисторных измерительных преобразователей силы используют мостовую схему включения (рис. 9).

Рис. 10. Мостовая схема подключения тензорезисторов.

4. Статическая характеристика измерительного преобразова-теля силы.

Статическая характеристика – это зависимость выходного сигнала от входного воздействия в установившемся режиме. Входной величиной является измеряемая сила F, выходной – выходное напряжение измерительной мостовой схемы U_вых.

Запишем зависимость, определяющую связь между U_вых и деформацией балки в областях наклеивания тензорезисторов .

,

где =24 В – напряжение питания мостовой схемы;

=1 – коэффициент симметрии, следующий из условия равновесия схемы ( );

=2,5 – коэффициент тензочувствительности материала тензорезистора;

, , , – относительное удлинение в областях, где находятся тензорезисторы.

Пусть , тогда перепишем выражение для следующим образом:

При силе F=2100 Н, действующей на кольцо,

мВ

Для диапазона силы (01900) Н статическая характеристика измерительного преобразователя будет иметь следующий вид

Рис. 11. Статическая характеристика.