Измерение силы и массы

Техника измерения механических усилий может иметь как самостоятельное значение в различных технологических процессах, так и в составе взвешивающего устройства. Силоизмерительные датчики по методу измерения подразделяются на две группы:

· датчики с ощутимым перемещением конструктивных элементов;

· датчики без видимого перемещения элементов конструкции.

Принцип действия силоизмерительного датчика 1-й группы заключается в том, что под действием силы F деформируется платформа и пружина (рис. 12.1).

Рисунок 12.1 – Силоизмерительный датчик

Деформация прямо пропорциональна действующей силе F. Платформа с помощью штока связана с сердечником дифференциального трансформатора, преобразующего положение сердечника в электрический сигнал. Выходной электрический сигнал линейно связан со значением измеряемой силы.

Такие датчики целесообразно применять во взвешивающих устройствах, подверженных действию ударных нагрузок. Благодаря демпфирующему действию пружин, исключается возникновение остаточной деформации элементов датчика.

Работа силоизмерительных датчиков 2-й группы основана на использовании некоторых физических эффектов, позволяющих преобразовывать силу непосредственно в электрический сигнал. Таким эффектами являются тензорезистивный эффект, магнитная упругость, магнитная анизотропия.

Тензорезистивный эффект проявляется в изменении электрического сопротивления проволоки или фольги тензорезистивного преобразователя, наклеенного на поверхность упругого деформируемого несущего элемента конструкции силоизмерителя.

Явление магнитной упругости заключается в том, что упругая деформация некоторых материалов, например, железохромалюминиевой стали, сопровождается изменением их магнитной проницаемости. Для материалов с анизотропной магнитострикцией магнитная проницаемость в направлении действия силы меньше, а в перпендикулярном направлении – повышенная.

Такое различие в магнитной проницаемости одного и того же материала по разным направлениям называется магнитной анизотропией. Наибольшее распространение на практике получили силоизмерительные датчики с тензорезисторными и магнитоанизотропными преобразователями.

Первые из них обладают более высокой точностью, но меньшей надежностью в условиях ударных нагрузок, способных вызвать отслоение преобразователя от несущего элемента, или остаточную деформацию тензорезисторного преобразователя и нарушить его градуировочные характеристики. Магнитоанизотропные датчики несколько уступают в точности тензорезисторным, но обладают более высокой помехозащищенностью и эксплуатационной надежностью.

Рисунок 12.2 – Магнитоанизотропный силоизмерительный датчик

В сердечнике магнитоанизотропного силоизмерительного датчика монолитного или шихтованного наподобие сердечника трансформатора, просверлено 4 сквозных отверстия, в них размещены витки двух обмоток во взаимно перпендикулярных плоскостях. К одной из этих обмоток подводится стабилизированное напряжение переменного тока, а другая обмотка является выходной. При отсутствии нагрузки материал сердечника изотропен, поэтому магнитные силовые линии поля обмотки возбуждения не пересекают плоскость выходной обмотки, и э.д.с. индукции в ней равна 0. Нагруженный сердечник становится анизотропным, силовые линии магнитного поля пересекают плоскость витков выходной обмотки, и в ней возбуждается э.д.с., практически прямопропорциональная внешнему усилию.

Для повышения чувствительности отдельные датчики объединяют в секции, причем выходные обмотки датчиков соединяют последовательно между собой.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите принципы действия бесконтактных путевых выключателей.

2. Объясните принцип работы магнитоанизотропного силоизмерительного датчика.