Глава 7 (Учебник - информационные системы), страница 4

Выбор того или иного типа УЭ зависит от величины измеряемых усилий, причем датчики одного назначения могут строиться на базе разных УЭ. Характерным примером являются весы. Так, в однокомпонентных весах могут исполь­зоваться продольные УЭ, например, при измерении веса железнодорожных вагонов и изгибные - в ювелирном деле. Обы­чно, при расчете СМД полагают, что его конструкция представляет собой набор простых УЭ, в которых возникают либо однотипные напряженные состояния, либо их комбинации. Под простым УЭ в большинстве случаев понимают балку равного сечения, испытывающую напряженное состояние растяжения-сжатия, изгиба или сдвига (рис. 7.15а - в). Заметим, что при кручении также возникает сдвиговое напряженное состояние. Для измерения деформации УЭ на его поверхности монтируются ЧЭ. Устанавливая ЧЭ попарно с разных сторон УЭ можно не только определить величину действующего силового фактора, но и его знак (рис. 7.15г). Однако даже при использовании однотипных УЭ нельзя не учитывать паразитные составляющие нагрузки, обусловленные самыми разными причинами. (На рис. 7.15а-в паразитная составляющая обозначена F_). Например, в однокомпонентных конструкциях с продольными УЭ невозможно полностью устранить поперечную составляющую F_, вызванную, например, непараллельностью линии действия силы и оси датчика. Особенно остро эта проблема стоит в многокомпонентных СМД, где поперечную компоненту невозможно устранить в принципе. Для ее частичной компенсации строятся специальные симметричные механические преобразователи. Подробное рассмотрение этих вопросов приводится в [ ]. Таким образом, в многокомпонентых СМД, как и любых многоканальных измерительных системах между каналами измерения возникают перекрестные связи, описываемые коэффициентом влияния _ij. В табл. 7.3 приводятся формулы для определения деформаций под действием разных влияющих факторов простых УЭ.

Таблица 7.3. Сравнительный анализ разных типов УЭ

Обозначено: E, G - модули упруго­сти 1-го и 2-го родов,  - коэффициент Пуассона ( = 0,3), _l - измеряемая деформация, _l - деформация УЭ в поперечном направлении, l, b и h - длина, ширина и тол­щина сечения УЭ. Модуль упруго­сти 2-го рода G, называемый также поперечным модулем сдвига, определяется выражением:

.

В конструктивных схемах современных СМД чаще всего используются УЭ изгибного типа. Это обусловлено большей чувствительностью изгибного УЭ S_уэ = F/_l.. Тем не менее, при расчете УЭ приходится учитывать реальные соотношения между изгибными, сдвиговыми напряжениями и напряжениями растяжения-сжатия в материале. Их абсолютные значения и соотношения определяются размерами УЭ. При использовании УЭ балочного типа (b >> h), его чувствительность к соответству­ющей компоненте при F = F_ можно определить из выражений: S_{уэ изг} = 6l/Ebh², S_{уэ сдв} = 3(1+)/2Ebh и S_{уэ р-с}  0. Следовательно, коэффициент влияния поперечной (сдвиговой) компоненты на измеряемую (изгибную) будет равен _{сдв/изг} = h(1+)/4l.

Чувствительность СМД с изгибными УЭ S_{уэ изг} зависит не только от толщины и ширины УЭ, как у продольного и сдвигового УЭ, но и от его длины. Поэтому, в схемах СМД с изгибными УЭ, существуют зна­чительно больше возможностей выбора диапазона измеряемых нагрузок.

Максимальное разделение деформаций дости­гается применением в СМД дифференциальных схем УЭ. В такой схеме точка приложения сило­вого фактора совпадает с «центром измерения» датчика, при­чем его перемещение осу­ществляется строго в на­правлении действующей ком­поненты. Примером такого УЭ является изгибная балка на двух симмет­ричных опорах (рис. 7.16). Большим достоинством дифференциальных схем СМД является возможность привести матрицу жесткости к диагональному виду, и, тем самым, теоретически компенсировать перекрестные связи в конструкции. В этом случае, перекрестные связи в датчике будут обусловлены уже не конструктивными факторами, а только технологическими причинами (качеством наклейки ТР, их соосностью и т.д.) и составлять не 15 … 20%, а всего лишь 1 … 3%.

В табл. 7.4 приведены некоторые формулы для расчета УЭ датчика.

Таблица 7.4. Некоторые характеристики основных схем изгибных УЭ

Обозначено: ,  - прогиб и поворот центра измерения СМД под действием силового фактора, I - момент инерции сечения. Для прямоугольного сечения: .

Деформации и перемещения характерных точек УЭ воспринимаются различными ЧЭ, жестко связанными с ними. Самым распространенным ЧЭ, который используется при построении многокомпонентных СМД, является ТР. Малые габариты и удобство размещения ТР на поверхности УЭ позволяют строить компактные СМД, встраиваемые в кинематическую цепь манипулятора. Каждый ТР измеряет деформацию УЭ непосредственно в месте закрепления, поэтому их совокупность образует схему с действительным ин­тег­рирова­нием, эф­фек­тив­ность которого определяется коли­че­ством измерителей деформации. Интег­ри­рование осуще­ствля­ется суммирующей (изме­рительной) цепью в виде потенциометрической или мостовой схемы (рис. 7.17). Обозначено: R₁ ... R₄ - рабочие ТР, R₅ ... R₉ - ком­пенсационные ТР (они используются для компенсации температурных коэффициентов нуля ТКН и чувствительности ТКЧ, со­­ответственно), R -внутреннее сопротивление источника питания. (Если R = 0 - речь идет об источнике напряжения, если R =  - то об источнике тока).

В се ЧЭ (за исключением термокомпенсирующих) располагаются в местах наибольших деформаций УЭ. В простейшей измерительной цепи компенсационные ТР не используются. В этом случае, выходное напряжение U_вых определяется известным выражением:

Здесь U_ип - напряжение питания. Учитывая, что _R = R/R = S_т _l, где _l = Dl/l, получим для каждого ТР:

R_i = R₀ (1 + R_i/R₀) = R₀ (1 + S_т _li), i = 1, 2, 3, 4.

Функция преобразования ТР измеритель­ной цепи с четы­рьмя рабочими плечами примет следующий вид:

U_вых = S_т U_ип (_l1 - _l2 + _l3 - _l4)/4 = S_т U_ип _lср.

Максимальный сигнал U_вых получается при: _l1 = _l2 = _l3 = _l4.

Из этого выражения следует, что четырехплечная мостовая схема с одинаковыми ТР гарантирует сохранение симметрии при синфазном вли­я­ю­щем воздействии. Подобные схемы являются основой при построении измерительных цепей в термокомпенсированных ТР СМД, обладающих вы­сокой линейностью и чувствительностью. Недостатком ТР схем является низкий уровень выходного сигнала, требующий применения измерительных усилителей с высоким коэффициентом усиления K_{u ос} (обычно не менее 1000).

7.3.2. Датчик с упруго-чувствительными элементами

Н аряду с ТР в СМД используются ЧЭ, принцип действия которых основан на пьезо- и магнитоупругом эффектах. Они называются совмещенными упруго-чувствительными элементами и входят в состав динамических или «ква­зистатиче­ских» силоизмерительных систем. Наиболее распростра­ненные схемы осно­ваны на применении дис­ковых пьезодатчиков и параметрических магнитоупругих преобразователей со скрещенными обмотками. Их важнейшей особенностью является обеспечение высокой жесткости конструкции, что особенно важно для измерителей больших нагрузок. Так, малогабари­тный однокомпонен­тный СМД фирмы He­w­­lett-Packard разме­­ром 228 мм при приложении номинальной силы дефор­мируется всего на 2 10^-3 мкм. Вместо сплошных дисков в качестве ЧЭ часто используются пьезоэлектрические кольца того же диаметра. Кварцевые СМД фирмы He­wlett-Packard измеряют силы в пре­делах 10 Н ... 10⁷ Н.

Серийно выпускаемые отечественные дисковые ЧЭ на базе пье­зокерамических таблеток ЦТС-19 поз­воля­ют конструировать СМД с диапазоном измерения 1,0 Н ... 120 КН. Для максимальных нагрузок диаметр колец превышает 100 мм.

Пример шестикомпонентного СМД высокой жесткости представлен на рис. 7.18а. Че­тыре упруго-чув­ствительных элеме­нта образуются на­бором из трех бло­ков, каждый из которых состоит из шести дисковых пьезодатчиков конкретной поляризации. На рис. 7.18б и в показаны блоки, измеряющий деформации в горизонтальной плоскости и вдоль вертикальной оси Z соответственно. Подобное расположение упруго-чу­в­ствительных элеме­нтов по­­зволя­ет вычислить все шесть компонент гла­вного вектора сил и моментов F: