ДАТЧИКИ СИЛЫ, МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ПРИКОСНОВЕНИЯ

В то время как кинематика изучает статическое положение объектов и их движе­ние, динамика отвечает на вопрос: «Что является причиной этого движения?». Классическая механика имеет дело с движущимися объектами, чья скорость зна­чительно ниже скорости света. Движущиеся частицы: атомы и электроны — явля­ются предметами изучения квантовой механики и теории относительности. Клас­сическая механика исследует взаимодействия макрообъектов, обладающих опре­деленной массой, зарядом, дипольным моментом и т.д. На многие вопросы клас­сической механики в общем виде ответил Исаак Ньютон (1642-1727), который всегда заявлял, что родился в год смерти Галилея (хотя на самом деле он родился 4 января 1643 года). Ньютон развил идеи Галилея и других замечательных физиков. Его первый закон звучит следующим образом: «Если на тело не действуют ника­кие внешние силы, оно будет либо находиться в состоянии покоя, либо двигаться с постоянной скоростью по прямой линии». Часто этот закон называют законом инер­ции. Этот закон иногда трактуется по другому: «При отсутствии внешних сил, действующих на тело, его ускорение а равно нулю».

Если сила приложена к свободному телу (не связанному ни с каким другим телом), оно получает ускорение, направление которого совпадает с направлени­ем силы, которая также является векторной величиной. Ньютон обнаружил, что ускорение, полученное телом, всегда прямо пропорционально приложенной силе F и обратно пропорционально массе тела т, которая является скалярной величи­ной и характеристикой тела:

(9.1)

Выражение (9.1) известно под названием второго закона Ньютона. Это название было дано великим швейцарским математиком и физиком Леонардом Эйлером в 1752 году, спустя 65 лет после публикации закона Ньютона [1]. Первый закон яв­ляется частным случаем второго закона: когда результирующая всех сил, действу­ющих на тело, равна нулю, ускорение тела также равно нулю.

Второй закон Ньютона позволил ввести механические единицы. В системе СИ масса (кг), длина (м) и время (с) являются основными единицами (см. таблицу 1.7 главы 1), в то время как сила и ускорение — производными единицами. Единицу

измерения силы назвали Ньютон. Сила 1 Н, приложенная к телу массой 1 кг, при­водит к появлению ускорения 1 м/с².

В Британской и американской системах единиц основными единицами счи­таются сила (фунт), длина (фут) и время (с). При этом единица массы определя­ется как масса, для ускорения которой на 1 фут/с² необходимо приложить силу 1 фунт. Британская единица массы называется слаг. В таблице 9.1 приведены меха­нические единицы.

Третий закон Ньютона устанавливает принцип взаимодействия между двумя телами: Сила действия равна противодействию или взаимное влияние двух тел друг на друга всегда одинаково, но противоположно направлено.

На практике часто необходимо знать плотность тела, которая определяется как ко­личество вещества в единице объема. Ее можно выразить через массу т и объем Vтела:

(9.2)

Единицей измерения плотности в системе СИ является кг/м³, а в Британской си­стеме - фунт/фут³. В Приложении приведены плотности некоторых материалов.

В системе СИ единица измерения силы является одной из фундаменталь­ных физических величин. Измерение сил проводится и при проведении меха­нических исследований, и в гражданском строительстве, и при взвешивании объектов, и при изготовлении протезов и т.д. При определении давления также требуется измерение силы. Считается, что при работе с твердыми объектами измеряется сила, а при работе с жидкостями и газами определяется давление. Это значит, что сила рассматривается тогда, когда действие приложено к конк­ретной точке, а давление определяется тогда, когда сила распределена по срав­нительно большой площади.

Датчики силы можно разделить на два класса: количественные и качествен­ные. Количественные датчики измеряют силу и представляют ее значение в элек­трических единицах. Примерами таких датчиков являются динамометрические элементы и тензодатчики. Качественные датчики — это пороговые устройства, чья функция заключается не в количественном определении значения силы, а в де­тектировании превышения заданного уровня приложенной силы. Примером та­ких устройств является клавиатура компьютера, каждая клавиша которой замы­кает соответствующий контакт только при нажатии на нее с определенной силой. Качественные датчики часто используются для детектирования движения и по­ложения объектов (см. главу 7). Коврик у двери, реагирующий на давление при­ложенное к нему, и пьезоэлектрический кабель также являются примерами каче­ственных датчиков давления.

Методы измерения силы можно разделить на следующие группы:

1. Уравновешивание неизвестной силы силой тяжести тела известной массы

2. Измерение ускорения тела известной массы, к которому приложена неизвес­
тная сила

3. Уравновешивание неизвестной силы электромагнитной силой

4. Преобразование силы в давление жидкости и измерение этого давления

5. Измерение деформации упругого элемента системы, вызванной неизвестной силой
В современных датчиках наиболее часто применяется 5 метод, а методы 3 и 4 ис­
пользуются сравнительно редко.

В большинстве датчиков не происходит прямого преобразования силы в элек­трический сигнал. Для этого обычно требуется несколько промежуточных эта­пов. Поэтому, как правило, датчики силы являются составными устройствами. Например, датчик силы часто представляет собой комбинацию преобразователя сила-перемещение и детектора положения (перемещения). Это может быть про­стая спиральная пружина, уменьшение длины которой х, вызванное приложен­ной силой сжатия F, будет пропорционально ее коэффициенту упругости:

(9.3)

На рис. 9.1 А показан датчик, состоящий из пружины и детектора перемещений, реализованного на основе линейно регулируемого дифференциального трансфор­матора (ЛРДТ) (раздел 7.4 главы 7). В линейном диапазоне изменения длины пру­жины напряжение на выходе ЛРДТ пропорционально приложенной силе. На рис. 9.1Б представлен еще один вариант датчика силы, состоящий из гофрированной мембраны, заполненной жидкостью, непосредственно на которую и действует сила, и датчика давления. Гофрированная мембрана, распределяя силу на входе по поверхности чувствительного элемента датчика давления, играет роль преоб­разователя сила-давление.

гофрированная мембрана

(А)

(Б)

Рис.9.1. А — датчик силы с нагружаемой пружиной и ЛРДТ, Б — датчик силы на основе преобразователя давления

Тензодатчики

Тензодатчик — это гибкий резистивный чувствительный элемент, сопротивление которого пропорционально приложенному механическому напряжению (вели­чине деформации). Все тензодатчики построены на основе пьезорезистивного

эффекта, описанного в разделе 3.5.3 главы 3, и для них справедливо следующее соотношение (см. уравнение (3.63) в главе 3):

(9 4)

где S_e — коэффициент тензочувствительности материала, а е — величина дефор­мации. Для большинства материалов S_е=2, за исключением платины, для кото­рой S=6 [3].

При небольших изменениях сопротивления металлического провода, не пре­вышающих 2% (что справедливо для большинства случаев), справедливо следую­щее соотношение:

(9.5)

где R₀ - сопротивление тензодатчика в ненагруженном состоянии, a x=S_ee. Для полупроводниковых материалов величина тензочувствительности зависит от кон­центрации легирующих компонентов (рис. 18.2А главы 18). Величина сопротив­ления уменьшается при сжатии и увеличивается при растяжении. В таблице 9.2 приведены характеристики некоторых тензодатчиков.

Источник [4]

Проволочный тензодатчик представляет собой резистор, наклеенный на гиб­кую подложку, которая в свою очередь прикрепляется на объект, где измеряется сила или напряжение. При этом должна обеспечиваться надежная механическая связь между объектом и тензочувствительным элементом, в то время как провод резистора должен быть электрически изолирован от объекта. Коэффициенты теп­лового расширения подложки и провода должны быть согласованы. Для изготов­ления тензодатчиков подходят многие материалы, но самыми распространенны­ми из них являются сплавы: константам, нихром, advance и karma. Диапазон со­противлении — 100 Ом...несколько тысяч Ом. Для получения хорошей чувстви­тельности датчик должен иметь длинные продольные участки и короткие попе-

речные (рис. 9.2); это делается для того, чтобы чувстви­тельность в поперечном направлении не превышала 2% от продольной чувствительности. Для измерения напря­жений в разных направлениях меняется конфигурация датчиков. Обычно тензодатчики включаются в мосто­вые схемы Уитстона (раздел 5.7 главы 5). Следует отме­тить, что полупроводниковые тензочувствительные эле­менты обладают довольно сильной чувствительностью к изменениям температу­ры, поэтому в интерфейсных схемах или в самих датчиках необходимо предус­матривать цепи температурной компенсации.

Поиск по сайту: