Металлические тензодатчики

Металлический тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем резистивным элементом. Измеряемое давление преобразуется в силу с помощью упругого элемента. Под действием силы основание с закрепленным элементом изменяет свои размеры (сжимается или растягивается), и тензорезистор, под действием механического напряжения изменяет свое сопротивление. Сила, воздействуя на проволочку (площадью сечения А, длиной L, с удельным сопротивлением Б ), вызовет удлинение или сжатие последней, что приведет к пропорциональному увеличению или уменьшению ее сопротивления:

;

где S – характеризует тензочувствительность (значение 2.0..4.5 для металлов),  - относительное изменение длины проволочки.

Наклеиваемый тензодатчик состоит из тонкой проволочки или проводящей фольги, закрепленной на плоской пластине. Эта конструкция затем приклеивается на основание. Датчик обычно устанавливается так, чтобы его наиболее длинная сторона была ориентирована в направлении измеряемой силы. Такие датчики характеризуются малой площадью поверхности, малой утечкой, высокой изоляцией.

Фольговые датчики являются наиболее популярной версией наклеиваемых тензодатчиков. Они изготавливаются методом фототравления и используют те же металлы, что и проволочные датчики (константан, нихром, сплав никеля с железом и т. д.). Металлофольговый тензодатчик характеризуется большой площадью, стабильностью в диапазоне температур, малым поперечным сечением, хорошим рассеиванием тепла.

Проволочные датчики имеют малую поверхность связи с основанием, что уменьшает токи утечки при высоких температурах и дает большее напряжение изоляции между чувствительным элементом и основанием. С другой стороны, фольговые чувствительные элементы имеют большое отношение площади поверхности к площади поперечного сечения (чувствительность) и более стабильны при критических температурах и длительных нагрузках. Большая площадь поверхности и малое поперечное сечение также обеспечивают хороший температурный контакт чувствительного элемента с основанием, что уменьшает саморазогрев датчика.

Пьезорезонансные датчики

Пьезорезонансными называются датчики давления, в которых роль чувствительного элемента выполняет пьезоэлектрический резонатор. Они являются датчиками параметрического типа, в которых преобразование давления осуществляется в результате модуляции параметров пьезорезонатора (ПР).

Основа ПР – механический вибратор из кристаллического или поликристаллического пьезоэлектрического материала. На вибратор наносится система из двух или более электродов, используемых для возбуждения в нем механических колебаний. Для соединения с источником электрической энергии ПР снабжается токопроводами, а для фиксации в присоединенной конструкции – элементами крепления. В основе работы ПР лежит пьезоэффект, обеспечивающий преобразование входного электрического напряжения, подводимого к электродам, в механические напряжения в теле вибратора (обратный пьезоэффект) и ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающих в результате деформаций вибратора под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект).

В конструктивном отношении преобразователи давления могут быть разделены на две группы:

1) в которых чувствительный резонатор работает в прямом контакте со средой;

2) в которых резонатор отделен от среды разделительным (упругим) элементом.

Рис. 3. Основные разновидности пьезорезонансных датчиков давления

М – мембрана; К – корпус; УЭ – упругий элемент; ЖЦ – жёсткий цетр.

Большинство пьезорезонансных датчиков давления строится с использованием разделительных упругих элементов. Разделительные элементы обеспечивают оптимальные условия работы резонаторов, делают возможной вакуумизацию или герметизацию рабочей пластины с пьезоэлементом, что повышает добротность и снижает старение ПР. Упругие элементы могут подбираться так, что на различные диапазоны измерения может быть использован один номинал ПР.

 

Контакт между резонатором и упругим элементом может осуществляться только в свободных от колебаний областях ПР. По возможности следует исключать воздействие на пьезоэлемент поперечных, скручивающих и других нагрузок, способных разрушить ПР. Упругий элемент должен обеспечивать деформации пластины-резонатора строго в плоскости пьезоэлемента. Стабильная работа резонатора обеспечивается только в вакууме или герметизированном объеме, заполненным инертным газом (гелием).

Недостатки пьезорезонансных датчиков:

1) Зависимость частоты от давления в диапазоне от 0 до 50 МПа имеет нелинейность около 1.7%. По видимому, основным источником погрешности является нелинейность характеристики цилиндрического преобразователя давления в радиальные напряжения, подводимые к резонатору.

2) Дрейф нуля датчика во времени, вызванный старением резонатора, не превышает 0.1% верхнего предела измеряемой величины.

3) Необходимость вакуумирования или герметизации резонатора.

4) Наличие температурного дрейфа нуля датчика. Практически в датчиках давления погрешность от термодеформаций можно снизить до уровня 0.1% верхнего предела, путем уменьшения соотношения жесткостей мембраны и преобразователя.

 

    Струнные датчики

Датчики в которых в качестве чувствительного элемента применяется электромеханический струнный преобразователь называются струнными. Струна одним концом жестко заделана в основание, а другой её конец растягивается измеряемой силой Р. Частота собственных поперечных колебаний струны связана с силой натяжения зависимостью:

где mи l – масса и длина струны.

 Рис. 4. Принципиальная схема струнных датчиков давления

 Вблизи струны размещен электромагнитный приемник, сигнал которого подводится к усилителю обратной связи. Последний формирует выходной сигнал и, кроме того, запитывает возбудитель колебаний струны. Возбудители бывают электромагнитные, магнитоэлектрические, электростатические и применяются для стимулирования колебаний струны. Контур, содержащий электромагнитный приемник и усилитель обратной связи, обеспечивает поддержание колебаний постоянной амплитуды. Любые изменения нагрузки на струну будут изменять её натяжение и, следовательно, собственную частоту. Поэтому частота сигналов на выходе усилителя однозначно связана с измеряемым усилием.

Рис. 5. Виды возбудителей колебаний струны

а – электромагнитный; б – магнитоэлектрический; в – электростатический.

Измеряемое давление конвертируется в силу с помощью упругого элемента. Преобразователь силы состоит из вибрирующей струны, расположенной между полюсами постоянного магнита. Струна входит в состав электрической автогенераторной схемы, поддерживающей её незатухающие поперечные колебания на резонансной частоте. Схема генератора содержит усилитель, охваченный широкополосной отрицательной и узкополосной положительной обратными связями. Центральная частота узкополосного тракта устанавливается равной средней частоте колебаний струны в требуемом рабочем диапазоне. Выходная амплитуда регулируется изменением петлевого коэффициента усиления всей системы с помощью полевого транзистора. Эта схема должна обеспечивать генерирование переменного выходного сигнала на частоте, равной резонансной частоте струны:

Датчики давления со струнными преобразователями имеют нелинейность характеристики менее 0.1%, порог чувствительности 0.05% от измеряемого давления, температурную погрешность не более 0.1% на 10єС. Струнный метод измерений рекомендуется для измерений динамических процессов с частотой колебаний 100 – 150 Гц. Отсутствие зависимости частоты от модуля продольной упругости материала снижает температурную погрешность датчика давления и повышает его метрологические характеристики. Механические напряжения в струне должны быть в пределах 2 – 6 МПа. При значениях менее 1.5 МПа колебания струны становятся несинусоидальными.

Для температурной компенсации необходимо изготовлять все детали электромеханической системы преобразователя (струну, мембрану, корпус, зажимы и т. д.) из материалов с равным коэффициентом линейного расширения. Частоты колебаний струны в датчиках лежат в пределах 400 – 10 000 Гц. Возможность использования струн малого диаметра (0.01 – 0.02 мм) определяет возможность разработки миниатюрных струнных датчиков.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: