Манометры с многовитковой трубчатой пружиной.

В качестве ра­бочего органа имеют многовитковую трубчатую пружину (геликс, см. рис. 24), внутренний диаметр которой равен 30 мм; число витков колеблется от 6 до 9.

Вследствие большой длины пружины ее свободный конец под действием давления может перемещаться на расстояние до 15 мм, в результате чего угол раскручивания такой пружины составляет 30 - 60°. Большие усилия, развиваемые пружиной, дают возможность перемещать не только указывающие стрелки, но и стрелки, имеющие перо для записи показаний, а также осуществлять дистанционную передачу показаний.

Рис.24. Схема самопишущего мано­метра с геликоидальной пружиной

При увеличении давления геликоидальная пружина 1 за счет внутреннего давления разворачивается и при помощи передаточного механизма 2 поворачивает рычаг 3, на котором находится держатель 4 пера, записывающего кривую давления на равномерно движущейся бумаге 5. Диск с диаграммной бумагой в самопишущих манометрах перемещается синхронным электродвигателем или ча­совым механизмом. Диаграммная бумага регистрирующих приборов имеет координатную сетку. Концентрические окружности, нанесен­ные на бумагу, представляют собой деления шкалы. Количество окружностей определяется пределом измерения манометра и ценой деления. Радиальные дуги- соответствуют промежуткам времени в 1 ч и 15 мин. Выпускают приборы со скоростью вращения диска с диаграммной бумагой 1 оборот за 8 ч, 1 и 3 суток.

Тема 3.4. Тензометрические и пьезоэлектрические датчики.

Для измерения значительных давлений и деформаций в элементах конструкций и узлов машин используются тензометрические и пьезоэлектрические датчики.

Пьезоэлектрический датчик.

Преобразует механическую энергию в электрическую в связи с возникновением электрических зарядов на поверхностях кристаллов некоторых диэлектриков (титанат бария) при механическом воздействии на них.

Пьезоэлектрический датчик представляет собой корпус (рис.25), в котором расположены пьезоэлектрические пластины.

Если сдавить пьезоэлектрические пластины усилием F, то на токосъёмах появляется напряжение. Это напряжение пропорционально усилию F.

Пьезоэлектрический эффект бывает прямым и обратным.

Прямой пьезоэффект заключается в том, что некоторые материалы имеют способность образовывать на гранях своих поверхностей электрические заряды, при воздействии на них механических нагрузок.

Обратный пьезоэффект состоит в том, что если к этим материалам прикладывать электрическое поле, то они будут механически деформироваться.

Возникающий заряд Ω при сдавливании пьезоэлектрических пластин пропорционален приложенной силе Ω ≡F.

F

F

корпус

пьезоэлектрические пластины

Опорные плиты

металлические обкладки - токосъем

Рис. 25

К важнейшим природным материалам, которые обладают пьезоэ­лектрическим эффектом, можно отнести кварц и турмалин. В качестве материала для датчиков чаще применяют кварц, так как он имеет высо­кие пьезоэлектрические и изоляционные свойства, малую температурную зависимость и очень высокое сопротивление.

Из монокристалла кварца вырезаются шайбы, диски или пластины таким образом, чтобы наи­большая плоскость была перпендикулярна кристаллографической оси х (рис. 26), которая называется электрической, или пьезоэлектрической, осью. При воздействии на пластину силы Р по оси х на ее гранях возникает заряд, который зависит только от приложенной силы Р и не зависит от гео­метрических размеров пластины. В этом случае возникает так называемый продольный пьезоэффект.

Поперечный пьезоэффект можно получить, если пластину сжимать силами P по механической оси у (рис.26). Тогда на тех же гранях возникает заряд Ω, но противоположного знака. Значение этого заряда можно найти по формуле:

, где ℓ - длина пластины; а- ширина пластины.

Из формулы следует, что Ω при поперечном пьезоэффекте зависит от отношения ℓ/а. Изменяя данное отношение в определенных пределах, можно изменять чувствительность преобразователя.

Пьезоэлектрические датчики конструктивно, как правило, представ­ляют собой набор нескольких шайб, дисков или пластин, которые механи­чески соединяются последовательно, а электрически - параллельно (рис.26а). Суммарный заряд в этом случае определяется по формуле: ∑Ω=n×Ω,

Где n - число шайб, дисков или пластин; Ω - заряд, возникающий на одной шайбе, пластине или на одном диске.

При использовании пьезоэлектрических датчиков обычно измеряют не заряд, а напряжение на емкости, образуемой обкладками шайбы, диска или пластины.

Это напряжение находится по формуле:

где Са- собственная емкость пьезоэлектрического датчика.

Рис. 26. Пьезоэлектрический датчик: а — вырез пластины из монокристалла кварца; б— схема многоэле­ментного датчика.

Для пьезоэлектрических датчиков, кроме природных материалов квар­ца и турмалина, в технике применяют также искусственные кристаллы:сегнетовая соль, дигидрофосфат калия, дигидрофосфат ам­мония и др. Пластины из искусственных кристаллов вырезают под некоторым углом к полярным осям (обычно под углом 45°).

В настоящее время в технике широко применяют сегнетоэлектрики в виде пьезокерамиктитаната бария и его композиций, титаната свинца и др. Эти сегнетоэлектрики по сравнению с кварцем имеют больший пье­зоэлектрический модуль и более высокую механическую прочность. Они изготовляются любой формы и размеров.

Основным достоинством всех пьезоэлектрических датчиков является их безынерционность, а основным недостатком - малая выходная мощ­ность. Поэтому для усиления выходной мощности пьезоэлектрических датчиков применяют усилители. Так как эти датчики имеют большое выходное (внутреннее) сопротивление, поэтому они включаются на вход усилителей, имеющих входное сопротивление около 10⁸...10¹⁴ Ом. Пьезо­электрический датчик и усилитель соединяются между собой с помощью экранированного кабеля. Пьезоэлектрические датчики очень часто при­меняют для измерения быстропротекающих процессов.

Эти датчики могут, например, измерять давление газов в двигателях внутреннего сгорания и в стволах артиллерийских орудий, а также регистрировать удары метеорных частиц с массами в 10~⁹ г при средней скорости 40 км/ч на искусственных спутниках Земли. Широкое применяются пьезоэлектрические датчики также для определения веса грузов.

На рис. 27 приведен пример конструктивного исполнения пьезопреобразователя прибора для измерения колебаний дав­ления Р.

Давление Р воспринимается мембраной 6 и через метал­лические прокладки 5 передается на пьезопластины 1. Средняя прокладка соединена с выводом 2, проходящим через втулку 3 из изоляционного материала. Усилие от мембраны передается на пьезопластины через шаровую опору винта 4, благодаря че­му пластины нагружаются более равномерно по всей своей по­верхности.

Рис.27. Пьезопреобразователь прибора для измерения колебаний дав­ления Р.

3.4.2.Тензометрический датчик.

Тензометрическим датчиком (тензодатчиком) называется датчик (рис. 28, 29) специальной конструкции, предназначенный для измерения статических или и динамических деформаций в деталях и преобразующий эти деформации в изменение активного сопротивления.

В основу работы тензодатчиков положено свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление под действием силы, приложенной к ним R=p×l/s, то при растяжении оно станет R+∆R.

При растяжении или сжатии детали в направлении расположения проволоки происходит растяжение или сжатие проволоки с удельным сопротивлением p, что приводит к изменению длины l и площади поперечного сечения S.

тензолит

В качестве чувствительных элементов, называемых тензолитами, в датчиках используются проволочные элементы из константана, нихрома или фольги.

Пленка из изоляционного материала

проволока

Медные выводы

Рис. 28. Тензодатчик

Проволока диаметром 0,02 … 0,05 мм или фольга с медными выводами наклеивается в виде прямоугольных или кольцевых петель на бумагу или плёнку из изоляционного материала.

Тензопреобразователи приклеиваются на поверхности детали, деформация которой измеряется, и с помощью соединительных проводов подключается к измерительному мосту.Если деталь или конструкция сжимается или растягивается, то вместе с ней деформируются и наклеенные датчики, изменяющие величину своего сопротивления.

Рис. 29. Проволочный тензодатчик

В настоящее время широко применяют проволочные, фольговые и полупроводниковые тензодатчики.

Проволочные тензодатчики (рис.29) конструктивно представляют собой отрезок тонкой проволоки 1 (диаметром 0,02...0,5 мм), которая ни зигзагообразно наклеивается на тонкую бумажную или пленочную основу 2. Сверху проволока также закрыта тонкой бумагой или пленкой. Для включения тензодатчика в схему к концам проволоки припаивают два медных проводника 3. Тензодатчик жестко закрепляется с помощью клея на испытуемую деталь 4.

Обычно для изготовления проволочных тензодатчиков применяют константановую или нихромовую проволоку, имеющую большое удельное сопротивление р и небольшой температурный коэффициент сопротивле­ния τ,т.е. сопротивление этой проволоки мало зависит от температуры.

Значение коэффициента тензочувствительности проволочного тензо­датчика обычно равно 1,8...2,5 и в большой степени зависит от технологии изготовления датчика и материала его проволоки. Наибольшее распростра­нение получили константан и нихром, для которых К_τ = 1,9...2,1.Сопро­тивление проволочного тензодатчика лежит в пределах от 50 до 400 Ом.

Иногда в лабораторных условиях применяются тензодатчики, не име­ющие подложки, т. е. со свободным подвесом проволоки. Основным до­стоинством таких тензодатчиков является большая стабильность показаний при длительных измерениях, так как на результаты измерения не влияет ползучесть клея, который в данном случае отсутствует. Проволочные тензодатчики имеют малые габаритные размеры (длина решетки равна 15...45 мм; ширина 7... 10 мм) и малые массы, поэтому они могут размещаться в самых труднодоступных местах детали.

Основными достоинствами проволочных тензодатчиков являются про­стота конструкции, почти полное отсутствие их влияния на деформацию детали, линейность и низкая стоимость.

К недостаткам проволочных тензодатчиков относятся низкая чувстви­тельность и одноразовость действия. Они подвержены влиянию окружаю­щей среды (температура и влага).

Фольговые тензодатчики представляют собой дальнейшее развитие про­волочных тензодатчиков. В них вместо решетки из проволоки применяется решетка из тонких полосок металлической фольги (толщиной несколько микрон), которая наклеивается на пленочную основу. Конструкции ре­шеток фольговых тензодатчиков могут иметь различные конфигурации и получают методом фотолитографии. Практически можно изготовить решетку любого рисунка. В технике чаще применяют следующие конструкции решеток: прямая - для измерения линейных деформаций; розеточная - для измерения крутящих моментов на круглых валах; мембранная - для измерения усилий, воздействующих на мембраны. Фольга применяется толщиной 4...12 мкм из константана, нихрома, титан-алюминиевого или золото-серебряного сплавов.

Фольговый тензодатчик имеет большую площадь соприкосновения с деталью, чем проволочный, следовательно, его теплоотдача выше теплоот­дачи последнего. Они более чувствительны и точны за счет лучшей передачи деформации от детали к фольге, имеют хороший механический контакт с контролируемой деталью и позволяют пропускать через фольгу большой ток. Благодаря этому можно увеличить значение тока до 0,2 А, протекающего через фольговый тензодатчик. Сопротивление фольгового тензодатчика равно 50...200 Ом. Значение коэффициента тензочувствительности у фольговых тензодатчиков такое же, как и проволочных. Предел измерения относительных деформаций равен 0,3%, температурный диапазон работоспособности от - 40 до + 70° С.

Полупроводниковые тензодатчикиимеют по сравнению с проволочными и фольговыми тензодатчиками ряд преимуществ: значение коэффициента тензочувствительности в 60 раз выше; малые размеры (длина решетки от 3 до 10 мм); большое значение выходного сигнала.

Основным отличием полупроводникового тензодатчика от прово­лочного является большое (до 50%) изменение сопротивления датчика при деформации и высокая чувствительность к температуре (в 10...20 раз больше, чем у проволочных датчиков). Они имеют большой выходной сигнал, что позволяет в некоторых случаях отказаться от применения усилителя.

Для изготовления полупроводниковых тензодатчиков применяют гер­маний, кремний, арсенид галия, мышьяк и др. Чаще применяют германий и кремний.

Конструктивно полупроводниковый тензодатчик представляет собой пластину из германия или кремния, которая наклеена на бумагу. Пластина снабжена металлическими выводами, с помощью которых датчик подключа­ется в схему. Номинальное сопротивление датчика обычно равно 40...1000 Ом. Температурный диапазон работоспособности датчика составляет от -160 до + 300°С, линейность изменения сопротивления сохраняется при от­носительных деформациях до ±0,1%.

Основными недостатками полупроводниковых тензодатчиков являют­ся малая гибкость; небольшая механическая прочность; нестабильность параметров; большой разброс характеристик однотипных датчиков, не­линейность характеристики.