Тензометрические датчики силы (динамометры) являются неотъемлемым компонентом весоизмерительных систем. Они служат «поставщиком» исходных данных в системах автоматического учета и контроля экономической деятельности любого серьезного предприятия. Без них невозможно построение систем автоматизации технологическими процессами.
Сфера их применения – металлургия, строительство, сельское хозяйство, производство пищевых продуктов и т. д. Обобщенная картина использования датчиков силы отображена на рис.1.
Рис. 1. Области применения датчиков силы
Принцип работы датчиков силы базируется на преобразовании усилий, приводящих к деформации чувствительного элемента, в электрический сигнал.
Процесс преобразования включает ряд последовательных операций. Они протекают на физическом и электрическом уровнях. На физическом уровне приложенная сила вызывает деформацию упругого элемента и закрепленного на нем тензодатчика. На электрическом уровне происходит преобразование величины деформации в аналоговый сигнал. В последующих операциях сигнал преобразуется в удобную для пользования форму.
Работа тензометрических датчиков базируется на различных физических явлениях, позволивших создать следующие типы датчиков:
- Резистивные;
- Магнитные;
- Тактильные;
- Пьезорезонансные;
- Емкостные;
- Пьезоэлектрические.
Естественно, что разные физические явления для преобразования величины деформации в электрический сигнал используют различные чувствительные элементы. Ознакомимся с принципами их работы.
Резистивные датчики силы
Из предложенных к рассмотрению датчиков наиболее применяемыми (более 95 %) являются резистивные датчики силы. Это обусловлено широким диапазоном воспринимаемых усилий (5 Н – 5 МН) и точностью измерения. Они могут использоваться при действии статических и динамических нагрузок. Существенным достоинством этого типа датчиков является линейность выходного сигнала.
Чувствительным элементом датчика является тензорезистор (рис. 2). Датчик представляет собой тонкую проволоку 1, жестко закрепленную на гибкой подложке 2.
Рис. 2. Проволочный тензорезистор
1 – чувствительный элемент, 2 – подложка, 3 – выводы, 4 – защитная пленка
Концы проволоки снабжены выводами 3 для внешних подключений. Зигзагообразно уложенная проволока и места соединения ее с выводами закрыты защитной пленкой 4.
Тензорезистор подложкой приклеивается к упругому элементу, воспринимающему нагрузку. Последний под действием силы деформируется и вызывает деформацию тензорезистора. Изменение длины проволоки при действии сил растяжения или сжатия приводит к пропорциональному изменению величины ее сопротивления.
Связь между величиной деформации тела и действующей на него силой подчиняется закону Гука. Автор первоначально сформулировал его словами: «каково удлинение, такова и сила». В отношении тензорезистивных датчиков, учитывая изложенное, этот закон можно интерпретировать так: «каково сопротивление, такова и сила».
Обычно тензорезисторы включаются в плечи чувствительных мостовых схем. В этом случае о действующей силе судят по напряжению в диагонали моста.
Магнитные датчики силы
Принцип работы магнитных датчиков силы базируется на явлении магнитострикции, точнее — на обратимости этого явления. Магнитострикционный эффект (изменение геометрических размеров) наблюдается при нахождении тела в магнитном поле. Обратимость обозначает, что принудительное изменение геометрических размеров тела (деформация) обуславливает изменение его магнитных свойств. Это явление получило название магнитоупругого эффекта. Следует отметить, что при снятии деформирующей силы магнитные свойства тела принимают исходное значение.
На физическом уровне эти явления объясняются изменением положения атомов в кристаллической решетке при воздействии внешнего магнитного поля или прикладываемой силы.
Простейший вариант конструкции магнитного датчика силы представлен на рис. 3. На ферромагнитном сердечнике 1 размещена катушка индуктивности 2. В случае действия на сердечник силы 3 он деформируется и переходит в напряженное состояние.
Рис. 3. Вариант конструкции магнитного датчика силы
Изменение состояния сердечника приводит к изменению его магнитной проницаемости. Это обуславливает пропорциональное изменение магнитного сопротивления сердечника. В результате изменяется индуктивность катушки.
Таким образом, трансформация физического воздействия деформирующей силы в электрический сигнал (рис. 4, вариант 1) можно отобразить в виде последовательных превращений.
Рис. 4. Трансформация сигналов в магнитных датчиках силы
Более распространенными являются магнитные датчики силы с двумя обмотками. Первичная обмотка такого датчика запитана от генератора, во вторичной обмотке наводится эдс. При деформации сердечника изменяется магнитная проницаемость и связанная с ней взаимоиндуктивность (рис. 4, вариант 2). Конечным результатом действия силы является изменение эдс во вторичной обмотке датчика.
Тактильные датчики силы
Тактильные (осязательные) датчики являются самыми «молодыми». Их появление обусловлено развитием робототехники и автоматических поточных линий.
Существующая классификация рассматривает три типа тактильных датчиков: касания, усилия и проскальзывания. Первые два типа тактильных датчиков измеряют один и тот же параметр – действующую силу. Отличаются они только видом выходного сигнала. Датчики усилия имеют аналоговый выходной сигнал, а датчики касания – выход релейного типа с регулируемыми уставками.
Реализуются тактильные датчики с использованием различных физических явлений, но принципиальным отличием от других датчиков является их небольшая толщина. Это достигается за счет использования специальных материалов. Они, как правило, обладают гибкостью, эластичностью и прочностью при хорошей электропроводности.
На рис. 5 приведен пример реализации тактильного датчика, реагирующего на силовое воздействие.
Рис. 5. Пример простого тактильного датчика силы
Датчик представляет собой две тонких металлических пластины 1 между которыми расположена ячеистая прокладка 2 из изоляционного материала. Один полюс источника напряжения подключен к верхней пластине. Второй – через нагрузочный резистор Rн к нижней пластине. Когда к верхней пластине в районе ячейки прикладывается внешняя сила, пластина, прогибаясь, замыкается с нижней. Через резистор протекает ток, а падение напряжения на нем служит выходным информационным сигналом.
Тактильный датчик с использованием пьезоэлектрического эффекта приведен на рис. 6.
Рис. 6. Пьезоэлектрический тактильный датчик силы
Он представляет собой два параллельных слоя 1 и 2 пьезоэлектрических пленок, разграниченных акустически проницаемым слоем 3. К нижней пьезопленке подключен генератор и при его работе она колеблется с генерируемой частотой. При этом такие же колебания возбуждаются в промежуточном слое и в верхней пьезопленке. На противоположных поверхностях последней возникает разность потенциалов. Напряжение с верхней пленки подается на усилитель и синхронный детектор, формирующий выходной сигнал с учетом амплитуды и фазы.
При воздействии на верхнюю пленку деформирующей силы, характеристики всех слоев изменяются, что приводит к пропорциональному изменению выходного сигнала
Пьезорезонансные датчики силы
В датчиках силы этого типа используются оба эффекта, свойственные пьезокристаллическим материалам: прямой и обратный пьезоэффекты.
Чувствительным элементом датчика является механический резонатор. Колебания резонатора, возбуждаемые напряжением питающего генератора (обратный пьезоэффект), обуславливают его напряженное состояние. В свою очередь такое состояние вызывает возникновение соответствующих зарядов на электродах пьезоэлемента (прямой пьезоэффект).
Результатом одновременного электрического возбуждения колебаний резонатора и снятия электрического сигнала является возникновение резонансных колебаний.
Известно несколько вариантов включения пьезорезонансных датчиков силы в измерительные схемы.
В схемах с применением автогенераторов резонатор используется в задающих цепях. Деформация резонатора внешней силой изменяет частоту генератора пропорционально приложенному усилию.
В другом варианте такой же схемы внешнее воздействие вызывает изменение положения электродов относительно резонатора, что также приводит к изменению частоты.
На рис.7 приведена схема с использованием генератора опорной частоты и резонансного фильтра. Деформирующая сила, воздействуя на резонатор, приводит к изменению частотных настроек фильтра и пропорциональному изменению выходного напряжения.
Рис. 7. Схема датчика силы с резонансным фильтром
Емкостные датчики силы
Емкостные датчики силы относятся к параметрическим. Конструктивно они представляют конденсатор, состоящий из двух параллельных пластин с зазором между ними.
Емкость такого конденсатора пропорциональна площади пластин, диэлектрической проницаемости материала зазора и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.
Изменение какого либо из перечисленных параметров приводит к изменению емкости, которую можно измерить соответствующей аппаратурой. Это положение используется при построении емкостных датчиков силы.
Для удобства пользования величину емкости преобразовывают в легко измеряемую величину, например, в ток, напряжение или частоту. Для преобразования применяются мостовые, резонансные или другие электрические схемы.
В зависимости от способа воздействия внешней силы на элементы датчика могут быть реализованы различные варианты емкостных датчиков силы (Рис.8)
Обычно в емкостных датчиках силы используют вариант с изменением диэлектрической проницаемости при сжатии диэлектрика Конструктивно емкостной датчик состоит из корпуса с упругим элементом, через который усилие передается на диэлектрик.
Рис.8. Варианты реализации емкостных датчиков и графики зависимости емкости от величины действующей силы
Пьезоэлектрические датчики силы
Основой работы датчиков силы этого типа является прямой пьезоэффект, которым обладают некоторые материалы. К ним относятся природные кристаллы кварца и турмалина, искусственные кристаллы фосфата аммония и титаната бария.
Эти кристаллы обладают большим пьезоэффектом и высокой механической прочностью, химически устойчивы. Их пьезоэлектрические свойства незначительно изменяются в широком диапазоне температур. Геометрическая форма кристалла не влияет на свойства кристалла.
Суть пьезоэлектрического эффекта заключается в следующем. В момент действия силы на пластину из пьезоэлектрического материала, на ее поверхностях возникают разноименные заряды. Их величина пропорциональна приложенной силе.
Конструктивно пьезоэлектрический датчик силы (рис. 9) состоит из корпуса 1, в котором установлены две пьзопластины 2 с расположенным между ними выводом 3. Вторым выводом служит корпус датчика. На его основании расположена нижняя пьезопластина.
В момент приложения силы на нажимное устройство 4 пьезоэлектрические пластины сжимаются и генерируют напряжение, которое поступает на вход усилителя.
Рис. 9. Пьезоэлектрический датчик силы.
Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения динамически действующих сил.