2.5. Датчики усилий

Для измерения усилий в объектах автоматизации наибольшее применение нашли магнитоупругие (МДУ) и тензометрические (ТДУ) датчики.

В МДУ в качестве чувствительных элементов используются магнитоупругие преобразователи (МУП). В МУП для преобразования механической силы в электрическую величину используется так называемый магнитоупругий эффект. Ферромагнитные тела имеют области самопроизвольного намагничивания (домены). В ненамагниченном состоянии тела домены ориентированы хаотично и магнитные моменты доменов компенсируют друг друга. В магнитном поле домены ориентируются в его направлении, что вызывает увеличение магнитной индукции В.

Если на намагниченный образец ферромагнитного тела воздействовать внешней механической силой, то тело деформируется, домены изменяют свою ориентацию, вызывая изменение индукции в материале. Это явление имеет упругий характер: если снять силу, то индукция примет прежнее значение.

Поскольку магнитная проницаемость вещества , то при заданной напряженности поля Н изменение индукции эквивалентно изменению магнитной проницаемости ферромагнитного тела.

Изменение магнитной индукции или проницаемости в ферромагнитных телах при действии на них силы называется магнитоупругим эффектом.

Рис. 2.39. Индуктивный МУП

Различаются по принципу действия индуктивные и трансформаторные МУП. Индуктивные МУП представляют собой ферромагнитный сердечник с катушкой на нем (рис. 2.39). Под действием силы F изменяется магнитная проницаемость сердечника µ, вызывая изменение индуктивности катушки в соответствии с выражением

,

где W – число витков катушки; S – сечение сердечника; – длина магнитопровода.

Индуктивные МУП включаются в дифференциальную мостовую измерительную схему с питанием моста от феррорезонансного стабилизатора напряжения. При использовании индуктивного МУП для порогового контроля заданной величины усилия его катушку подключают последовательно с обмоткой электромагнитного реле к источнику переменного напряжения.

Рис. 2.40. Трансформаторный МУП

В трансформаторных МУП (рис. 2.40) имеются две обмотки, расположенные на общем сердечнике. На обмотку W1 подается питание, а с измерительной обмотки W2 снимается выходное напряжение U_вых. В этом преобразователе под действием измеряемой силы F изменяется взаимная индуктивность (взаимоиндукция) М между обмотками , вызывая пропорциональное изменение ЭДС измерительной обмотки.

Наибольшую чувствительность имеют железоникелевые сплавы. Лучшими метрологическими характеристиками обладает магнитоизотропный трансформаторный МУП: при F = 0 магнитная проницаемость сердечника одинакова во всех направлениях. Преобразователь (рис. 2.41) содержит пакет пластин, имеющих 4 отверстия, в которые уложены обмотки W1 и W2. Обмотки расположены под углом 45 к направлению измеряемой силы и под углом 90 друг к другу.

При F = 0 магнитное поле, создаваемое обмоткой W1, направлено параллельно виткам обмотки W2 и ЭДС в ней не индуцируется. Под действием F изменяется магнитная проницаемость сердечника (магнитное поле деформируется), теперь магнитный поток, показанный на рис. 2.41 сплошными линиями, пронизывает измерительную обмотку и в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная измеряемому усилию.

Рис. 2.41. Магнитоизотропный МУП

В тензометрических датчиках усилий в качестве чувствительного элемента используются проволочные или полупроводниковые резисторы, называемые тензорезисторами. Принцип их действия заключается в изменении активного сопротивления при деформации под действием измеряемого усилия упругого элемента, на который приклеиваются тензорезисторы.

Проволочный тензорезистор (рис. 2.42) состоит из подложки 1 (бумага, пленка), на которую наклеена тонкими витками нихромовая проволока 2, и выводов 3 для подключения в измерительную схему. Активное сопротивление тензорезистора определяется выражением , где – удельное сопротивление материала проволки; – длина и сечение проволки.

Рис. 2.42. Проволочный тензорезистор

На упругий элемент тензорезистор должен приклеиваться так, чтобы направление его продольной оси совпадало с направлением измеряемой силы.

В этом случае при деформации упругого элемента в наибольшей степени изменяется длина проволоки тензорезистора и пропорционально ей изменяется его активное сопротивление.

Коэффициент чувствительности тензопреобразователя равен отношению относительного приращения сопротивления к относительной деформации проволоки Е: .

Относительная деформация проволоки равна относительной деформации упругого элемента, определяемой выражением , где – коэффициент, определяемый параметрами упругого элемента.

Для проволочных тензорезисторов коэффициент чувствительности К 2, для полупроводниковых К . Однако последние весьма чувствительны к изменению температуры.

Тензорезисторы включают в дифференциальную мостовую схему с последующим усилением выходного сигнала моста. Один из вариантов использования тензорезисторов для измерения усилия представлен на рис. 2.43.

Рис. 2.43. Расположение тензорезисторов на упругом элементе (а), мостовая измерительная схема с выходным усилителем (б) и статическая характеристика тензорезисторного датчика усилия (в)

В исходном состоянии мост уравновешен: потенциалы точек а и б равны и сигнал на выходе моста U_м = U_а – U_б = 0. При деформации упругого элемента силой F баланс моста нарушается и на выходе его появляется напряжение, пропорциональное величине F.