Проектирование датчика (стр. 2 из 3)

Датчик силы с балочным УЭ. Основным узлом этого датчика является чувствительный элемент выполненный в виде балки равного сечения, с жестко заделанным одним концом, с наклеенными на верхнюю и нижнюю части ее, тензорезисторами. Измеряемая сила прикладывается к штоку, закрепленному на втором конце балки.

5. ВЫБОР ТЕНЗОРЕЗИСТОРА.

По таблице 2.1[1] стр.25 выбираем проволочный тензорезистор типа КБ, со следующими данными:

· Предельная измеряемая деформация Е=0,005

· Коэффициент тензочувствительности S=1,9

2,25

· Температурная мультипликативная погрешность γ_t=-3,0%

· Ползучесть П=1,5%

· Номинальное сопротивление R=100

400 Ом

· Разброс сопротивления в группе ΔR=0,1%

· Размеры: база - 20 мм

Длина - 30 мм

Ширина - 6 мм

6. ВЫБОР И РАСЧЕТ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.

В датчике силы практически всегда используется мостовая измерительная цепь с 4 рабочими плечами. Ее вид представлен на рис.3.2 [1] стр.37, тут же приведен ее расчет.

7. ВЫБОР И РАСЧЕТ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА.

7.1 Выбор конструктивной схемы УЭ и схемы установки тензорезисторов.

С помощью УЭ усилие F преобразуется в деформацию. В тензоризисторных датчиках наибольшее распространение получили такие формы упругого элемента, как кольцо, стержень, мембрана, балка. Эти УЭ обладают разными чувствительностью и быстродействием.

Наиболее удачно вопросы закрепления концов УЭ (стабилизации точки) решены в конструкции УЭ в виде кольца. Задача же получения одинаковых по величине деформаций разных знаков может быть обеспечена геометрией жестких участков.

При выборе схем установки тензорезисторов необходимо руководствоваться знаниями о зонах деформации. Зоны деформации вблизи вертикального диаметра характеризуются повышенной чувствительностью, однако распределение напряжений в этих зонах неравномерно, а зоны на наружной поверхности мало приспособлены для установки на них тензорезисторов из-за конструктивных недостатков. Кроме того, относительная длина этих зон меньше зон горизонтального диаметра. Зоны вблизи горизонтального диаметра обеспечивают меньшую чувствительность (почти в 2 раза), но зато в этих зона более равномерно распределена деформация, относительная длина их в 1,5 раза больше зон вертикального диаметра. Зоны горизонтального диаметра конструктивно и технологично очень доступны для установки на них тензорезисторов. Исходя из выше сказанного, для установки тензорезисторов выбираем зоны горизонтального диаметра, а недостаток чувствительности обеспечим другими средствами.

7.2 Выбор наружного радиуса.

Для расчета диметра кольцевого упругого элемента используется теория расчета тонких колец малой кривизны [1 стр. 52].

Величина вертикального жесткого участка упругого элемента характеризуется углом 90⁰-l_2. Зависимость этого угла от l₁ показана на рис.3.5 [1 стр.54]. кривая 3 представляет зависимость между углами жесткого участка, при которых перемещения по вертикальной и горизонтальной осям одинаковы, т.е. формируем условия одинаковой работы тензорезисторов растяжения и сжатия. Из конструктивных соображений заделки опор и укрепления подушки выбираем минимальный угол 90⁰-l₂=15⁰, отсюда l₂=75⁰, тогда в соответствии с кривой 3 l₁=12,5⁰.

7.3 Выбор ширины кольца.

Ширину кольца примем равную 10 мм, т.к. ширина тензорезистора 8 мм.

7.4 Выбор материала упругого элемента.

Материал упругого элемента - сталь 36НХТЮ (Е=2,1 10¹¹ Па). Это высококачественная сталь, имеет хорошие упругие характеристики и очень часто применяется для изготовления упругих элементов.

7.5 Расчет внутреннего диаметра.

Из формулы:

, выразим r_b

h=r_н-r_bподставим в формулу. В_ε=0,6 - конструктивный коэффициент чувствительности [4 стр.44 рис. 2.6].

,

2ε_l bE (r_n²-2r_nr_b+r_b²)= B_εr_nF+B_εr_b F

2ε_l bEr_n²-4ε_l bEr_nr_b+2ε_l bE r_b²- B_εr_nF+B_εr_bF=0

для удобства расчета подставим значения:

2*0,682*10^-3*8*2,1*10¹¹*20²-4*0,682*10^-3*8*2,1*10¹¹*20r_b+2*0,682*10^-3*8*2,1*10¹¹ r_b²-0,6*20F+0.6*r_bF=0

2.29*10⁹r_b²+(0.6F-9.167*10¹⁰)r_b+9.167*10¹¹*12F=0

так например для F=100 Н

r_b100≈18.79

результаты остальных значений занесены в таблицу 1.

7.6 Расчет толщины упругого элемента

h=r_n-r_b

так например для F=100 Н

h₁₀₀=20-18,79=1,21

результаты остальных значений сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

F,Н	rn, мм	rb,мм	h,мм	zo,мм	f0,кГц	γl
100	20	18,79	1,21	13,05	5,12	9,44*10-5
200	20	18,02	1,98	18,71	6,55	5,77*10-5
500	20	17,53	2,47	18,14	9,15	2,96*10-5
1000	20	16,93	3,07	17,61	11,90	1,75*10-5
2000	20	15,54	4,46	16,99	15,52	1,03*10-5

Как видно из таблицы 1 наименьшая толщина упругого элемента составляет 2,91 мм, что технологически выполнимо, а наибольшая 7,02 мм, что приводит к несколько завышенному отношению h/z_o. Это свидетельствует о повышенной погрешности расчета, но на работоспособность и его характеристики такая погрешность не влияет. Поэтому данные расчета принимаются.

8. РАСЧЕТ ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА ДАТЧИКА.

Частотный диапазон работы датчика полностью определяется его собственной частотой. Чем выше частота, тем шире частотный диапазон работы датчика работы датчика и тем меньше влияние вибрации ускорения на его работоспособность. В разрабатываемом датчике можно считать, что жесткость в основном определяется жесткостью УЭ, и собственная частота датчика равняется собственной частоте УЭ.

Для кольца согласно [1 стр.58] при малых массах:

, где

h- толщина кольца

ρ-плотность материала УЭ

Е- модуль упругости материала УЭ

Для этого датчика при заданном частотном диапазоне работы будет наибольшая амплитудно-частотная погрешность, т.к. в датчик не предполагается вводить дополнительное демпфирование, а степень успокоения обусловленная внутренним трением в УЭ мала то для расчета воспользуемся формулой:

[1 стр.58], где β - степень успокоения, ∆f - частота частотного диапазона измерения.

9. КОНСТРУИРОВАНИЕ ДАТЧИКА.

9.1 Конструирование упругого элемента.

От конструирования упругого элемента зависит конструкция датчика. Поэтому конструирование датчика начнем с конструирования УЭ. Ранее был рассчитан УЭ и получены его размеры, которые позволяют определиться с конструкцией упругого элемента.

С целью унификации ранее задались d_н=const=41, т.к. он является наиболее трудным для изготовления. В местах сочленения поверхностей могут возникнуть большие термические напряжения, способные вызвать трещины при термообработке УЭ. Поэтому соединим наружную поверхность и поверхность жестких участков плавным радиусом (радиусом сопряжения), примем его равным 2 мм.

Жесткие участки необходимы для передачи силы УЭ и для закрепления на объекте. Поскольку датчик должен измерять силы сжатия и растяжения, то такие датчики проектируются с различным ходом, которые вворачиваются в сило воспринимающую часть УЭ, поэтому верхний жесткий участок должен иметь резьбовое отверстие. С целью унификации выполним и в нижнем участке такое же резьбовое отверстие. Диаметр этого отверстия должен быть минимальным, но обеспечивать прочностные свойства.

Максимальная номинальная сила для разрабатываемого датчика равна F=2 кН. Поскольку в техническом задании задана величина перегрузки 20%, то максимальная сила должна составлять 2,4 кН.

Диаметр отверстий может быть найден из приближенной формулы для получения обеспечения напряжения на срез: G=F/S, где S - площадь S=πdtW, W - число витков,

t - шаг

Для защиты УЭ от внешнего воздействия необходимо защитить его закрытым корпусом. Для крепления корпуса и герметизирующей мембраны необходимо предусмотреть 4 резьбовых отверстия.

10.2 Конструирование датчика.

Важной деталью корпуса датчика является основание, которое крепиться с помощью винтов к УЭ. Это основание целесообразно использовать для крепления электрического разъема. Поскольку датчик должен крепиться к объекту измерения с помощью винтового соединения, то в основании должно быть отверстие.

Для обеспечения герметичности соединения основания с УЭ устанавливается герметизирующая прокладка, крепление ее к поверхности верхнего участка осуществляется с помощью прижимного кольца.

Корпус датчика выполняется тонкостенным, позволяющим произвести сварку с буртом основания и наружным контуром мембраны.