Средства измерения параметров динамической системы станка

Структурная схема измерения параметров динамической системы станка включает (рис. 125) измерительный преобразователь ИП, усилитель У, регистрирующий измери­тельный прибор РП и блок питания БП. Преобразователь (датчик) пред­назначен для образования измеритель­ного сигнала, т. е. он преобразует неэлектрические параметры (длину, ме­ханические напряжения, температуру и др.) в электрические (напряжение, ток и др.). Первые характеризуют воздействие на ИП и называются входными параметрами, вторые — ре­зультат воздействия и называются вы­ходными параметрами.

Структурная схема измерения параметров динамической системы станка

ИП – измерительный преобразователь

У – усилитель

РП – регистрирующий измерительный прибор

БП – блок питания

Рис. 125. Структурная схема измерения параметров ДС станка

Одной из основных характеристик преобразователя является чувствитель­ность:

! или

где H — изменение выходного пара­метра;

N — изменение входного пара­метра;

— угол наклона касатель­ной.

Преобразователь высокой чувстви­тельности, как правило, имеет малый рабочий диапазон измерения и наобо­рот .

К числу важных технических характеристик преобразователей относятся также диапазон рабочих частот, температур и чувствительность к раз­личным помехам: электрическим и маг­нитным полям, механическим напряже­ниям, акустическим шумам и т. п. При использовании нестандартных пре­образователей во избежание ошибок характеристики необходимо проверять самостоятельно.

В экспериментальных исследованиях динамических систем станков преимущественное распространение получили преобразователи двух групп, работающие по принципу:

электрического сопротивления

электрического генератора.

Требования, предъявляемые к датчикам:

· Отсутствие вредных воздействий на организм человека

· Необходимая чувствительность и точность

· Высокая перегрузочная способность

· Устойчивость к механически, техническим и температурным воздействиям измеряемой и окружающей сред.

· Малая чувствительность к неизменяемым параметрам и компонентам полей (электрических, магнитных, гравитационных и др.)

· Унификация и взаимозаменяемость

· Удобство встраивания в исследуемый объект

· Малая масса и размеры

· Экономичность и технологичность

Датчики, которые обеспечивают получение информации в некотором непрерывном интервале значений физической величины называются аналоговыми датчиками. По виду изменяемого выходного электрического параметра аналоговые датчики делятся на 3 группы: с изменяемым выходным напряжением, током или сопротивлением.

Пример: 3 температурных датчика: в термопаре - в зависимости от измеряемой температуры изменяется напряжение, в терморезисторе – сопротивление, а в фотодиоде – электрический ток.

66 Преобразователи 1-ой группы, работающие по типу электрического сопротивления

Датчики этой группы называются ещё резистивными.

Принцип работы:

Неэлектрическое измеряемое физическое воздействие N вызывает изменение электрического сопротивления R. Вследствие этого изменяется ток I в электрической цепи, питаемой стабилизированным источником питания Е. Изменение тока регистрируют прибором мА.

К этой группе датчиков относятся тензометрические преобразователи (тензопреобразователи), индуктивные, магнитоупругие, магниторезистивные, термосопротивления (терморезисторы).

66.1 Тензометрические преобразователи.

Тензометрические датчики, т.н. датчики омического сопротивления или тензопреобразователи, тензорезисторы. Их действие основано на принципе изменения сопротивления металлов и полупроводников под влиянием деформации детали, на которой укрепляется тензорезистор. Чувствительные элементы тензорезисторов (рис. ) выполняются в виде петлеобразной решетки из тонкой проволоки Ø 0,02 …0,05 мм или фольги в виде пластинки монокристалла из полупроводникового материала. Чувствительные элементы могут быть также образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки.

Чувствительный элемент 4 обычно прикрепляют к основе 2 из изоляционного материала (бумага, лаковая пленка, ткань и др.) с помощью связующего 3 (клея, цемента), которые передают деформацию чувствительному элементу. На объект исследования основу закрепляют также посредством клея. Для электрического соединения тензорезистора с измерительными схемами имеются выводы 1.

Рис. Тензорезисторы омического сопротивления

а – с проволочным чувствительным элементом, б – с фольговым чувствительным элементом, в – база.

Чувствительность тензорезистора к деформациям характеризуется отношением изменения его сопротивления под действием деформации к величине относительной деформации.

Недостаток: датчики чувствительны к изменениям температуры. Для измерения деформации детали тензодатчики наклеивают на нее.

66.2 Термоэлектрические преобразователи.

Представителями термоэлектрических датчиков является терморезисторы, сопротивление которых изменяется под влиянием температуры, т.е. в терморезисторах в зависимости от температуры изменяется сопротивление.

67 Преобразователи 2-ой группы, работающие по типу электрического генератора

Датчики этой группы называются ещё генераторными.

Принцип работы:

Неэлектрическое измеряемое физическое воздействие N непосредственно преобразуется в электрическое напряжение Е. Специальный источник энергии отсутствует. Изменение напряжения регистрируют прибором мВ. К этой группе датчиков относятся пьезоэлектрические, индукционные, вихретоковые и термоэлектрические преобразователи.

5.1.1 Датчики, работающие по типу электрического сопротивления.

К этой группе датчиков относятся тензометрические, индуктивные, магнитоупругие, магниторезистивные, термосопротивления (терморезисторы).

68. Тензометрические преобразователи

Тензорезистор – плоский элемент (R1 и R2) состоящий из двух склеенных слоёв тонкой бумаги и петлеобразно расположенной между ними проволоки диаметром 15...30 мкм. Наклеенные на деталь преобразователи деформируются вместе с ней, при этом изменяется поперечное сечение, длина и удельное сопротивление проволоки и следовательно первоначальное сопротивление проволоки R на ΔR:

ΔR = RS0ε

где S0 – относительная чувствительность материала проволоки; ε – относительное изменение длины проволоки.

Принцип работы акселерометра: при ускорении сила инерции F = ma изгибает пружину и вызывает напряжение, пропорциональное массе и ускорению.

Тензометрические датчики омического сопротивления или тензопреобразователи, тензорезисторы. Их действие основано на принципе изменения сопротивления металлов и полупроводников под влиянием деформации детали, на которой укрепляется тензорезистор. Чувствительные элементы тензорезисторов (рис. ) выполняются в виде петлеобразной решетки из тонкой проволоки Ø 0,02 …0,05 мм или фольги в виде пластинки монокристалла из полупроводникового материала. Чувствительные элементы могут быть также образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки.

Чувствительный элемент 4 обычно прикрепляют к основе 2 из изоляционного материала (бумага, лаковая пленка, ткань и др.) с помощью связующего 3 (клея, цемента), которые передают деформацию чувствительному элементу. На объект исследования основу закрепляют также посредством клея. Для электрического соединения тензорезистора с измерительными схемами имеются выводы 1.

Рис. Тензорезисторы омического сопротивления

а – с проволочным чувствительным элементом, б – с фольговым чувствительным элементом, в – база.

Чувствительность тензорезистора к деформациям характеризуется отношением изменения его сопротивления под действием деформации к величине относительной деформации.

Недостаток: датчики чувствительны к изменениям температуры. Для измерения деформации детали тензодатчики наклеивают на нее.

Тензометрические преобразователи относятся к преобразователям 1-ой группы датчиков, т.е. к резистивным датчикам. К тензометрическим датчикам относятся проволочные, реже фольговые тензопреобразователи. Эти датчики являются контактными, они представляют собой плоские элементы R₁ и R₂ (рис. 127, а) состоящие из двух, склеенных слоев тонкой бумаги и петлеобразно расположенной между ними проволоки диаметром 15—30 мкм. Наклеенные на какую-либо нагружаемую деталь преобразователи деформируются вместе с металлом. Изменяется поперечное сечение, длина и удельное сопротивление проволоки, а следовательно, и ее первоначальное сопротивление R на величину DR:

или ()

где S₀ — относительная чувствительность материала проволоки;

— относительное изменение длины проволоки.

Изменение сопротивления тензопреобразователя и ток в измерительной цепи пропорциональны напряжению металла в местах наклейки. Поэтому с его помощью можно измерять силы, перемещения, давления, ускорение и т. д.

Тензопреобразователи различают по величине сопротивления R и базы l. Относительная чувствительность по­вышается с увеличением базы до 15 мм (рис. 127, б). Рекомендуется выби­рать мм.

Для заданного материала величина S₀ практически постоянна. Благодаря этому можно исключить непосредст­венную тарировку тензометрического устройства, используя формулу (136) и зависимость от модуля упруго­сти Е:

.

Все шире применяют полупроводни­ковые преобразователи, в том числе тензорезисторы, у которых при де­формации изменяется удельное со­противление. Их относительная чувст­вительность в десятки раз выше, чем проволочных.

Для измерения малых перемещений бесконтактным методом применяются индуктивные преобразователи. Принцип их работы состоит в изменении сопротивления магнитопровода с изме­нением воздушного зазора магнитной цепи или магнитной проницаемости железного сердечника, входящего в магнитную цепь.

X. Акселерометры

Принцип действия акселерометров аналогичен принципу действия преобразователя абсолютных виброперемещений. Однако их максимальная рабочая частота ниже частоты собственных колебаний инерционного элемента. В этом случае сила инерции груза слишком мала, чтобы удерживать его в неподвиж­ном состоянии, как это имеет место в преобразователях виброперемещеннй. Сила инерции вызывает отклонения груза по отношению к корпусу, пропорцио­нальные квадрату частоты, т. е. прямо пропорциональные ускорению. Эти отклонения можно измерять встроенным преобразователем перемещений. Для получения возможно более широкого диапазона рабочих частот акселеромет­ра частота его собственных колебаний должна быть по возможности высокой (масса груза небольшой, а пружина очень жесткой). Диапазон рабочих ча­стот оптимально демпфированных акселерометров находится в пределах от 0 до 60 % частоты их собственных колебаний [13].

Измерительные преобразователи, сигнал которых пропорционален виброускорению, называются акселерометрами. Акселерометры являются основным средством измерения характеристик вибраций. Их широкое распространение обусловлено тем, что именно акселерометры обладают наиболее высокими эксплуатационными качествами. Знание виброускорений позволяет сравнительно прости определить другие параметры вибрации (однократное интегрирование – дает параметр виброскорости, двойное интегрирование – значение амплитуды колебания).