05_0_Sen_P (Конспект лекций по предмету, преподаватель Ляхова Н.Б.)

13

Датчики давления (манометры).

Датчики используются для

- измерения давления, в том числе вакуумметры, которые измеряют давление разреженного газа,

- измерения разности давлений - дифференциальные манометры (дифманометры),

- реализации тактильной (осязательной) функции,

- измерения массы,

- фиксирования положения (давать бинарную информацию: есть ли деталь на рабочем месте или достигнут ли заданный уровень давления, например, утечка масла в двигателе вызывает уменьшение давления масла, и датчик включает индикатор на приборной доске), возможно одновременный акт регулирования (например, выключения и или включения исполнительного устройства с помощью микропереключателя - концевого выключателя, срабатывающего в момент касания,

- определения силы соприкосновения двух объектов (аналоговые и бинарные динамометры),

- получения сигнала о касании (без деформации) или захвате детали,

- определения уровня жидких и твердых тел,

- измерения расхода жидкости и газа.

кисть руки робота

датчики давления

захват

деталь

Рис. Схема определения (“осязания”) местоположения детали в захвате руки робота.

Механические.

Поршневые.

Деформационные манометры основаны на деформации мембраны (диафрагмы), сильфонов (тонкостенных замкнутый объем с поперечной гофрировкой), пружин с преобразованием ее в пропорциональное перемещение или усилие.

Рис. Деформационный манометры: 1..4 – сильфоны и мембраны, 5 – С-образная трубка Бурдона, 6 – спиральная трубка Бурдона.

С – образная трубка Бурдона может быть использована в автоматическом регуляторе предельного контроля – выключателе насоса при высоком давлении. Трубка, разгибаясь, дотягивается до кнопки выключателя. Механические датчики первичной информации требуют дополнительные преобразователи. Часто ими являются датчики линейных перемещений: оптические, потенциометрические, магнитные и т.п.

Рис. Регулятор высокого давления на С – образной трубке Бурдона

А Б

Рис. А - оптический преобразователь мембранного датчика давления. Б – рычажно -потенциометрический преобразователь сильфонного датчика давления.

АБ

Рис. А – магнитный преобразователь сильфонного датчика давления. Б – магнитный преобразователь датчика давления на спиральной трубке Бурдона.

Схема мембранного деформационного дифманометра включает два сообщающихся между собой мембранных коробки 1 и 2, заполненных жидкостью. С центром верхней мембраны связан сердечник 3 индуктивного преобразователя. Мембраны помещены в разные камеры, к которым подводятся измеряемые давления. При изменении перепада давлений мембранные коробки деформируются. Подвижные центры коробок перемещаются и жидкость перетекает из одной коробки в другую. Если по трубке “+” подается в нижнюю камеру высокое давление, а по рубке “-” в верхнюю камеру - низкое, то нижняя коробка сжимается, верхняя расширяется и шток поднимается вверх. Деформация мембран продолжается до тех пор, пока силы, вызванные перепадом давлений, не уравновешиваются упругими силами мембранных коробок. Р  l  L  Ф  U.

Мембранно-рычажный дифманометр использует пропорциональный разности давлений в камерах сдвиг штока 7, поворачивающий рычаг 6. В результате изгиба деформируется мембрана тензомодуля 2, который преобразует разность напряжений разных частей мембраны в разность потенциалов.

Пневматические.

Пневматические датчики используют повышенное или пониженное давление.

Струйные датчики формируют повышенное давление за счет струи воздуха, которая под постоянным давлением вытекает из кольцевого сопла, образуя воздушную завесу. При приближении плотной поверхности (например, раскаленного или расплавленного металла) к соплу изменяется давление в центральном канале, подходящем к области, охваченной воздушной завесой. Это давление передается к пневмоэлектрическому преобразователю, на выходе которого появляется соответствующий электрический сигнал.

В устройствах относительной ориентации “вал-отверстие” используется 4 струйных датчика по 2 на координату. При несовпадении осей отверстия и захвата с деталью кромка отверстия по-разному будет перекрывать сопла датчиков. В зависимости от разности давлений в измерительных камерах датчиков формируется сигнал рассогласования, который отрабатывает следящий привод.

Пневмо-звуковой датчик: при пневматическом захвате детали “пипеткой” отсутствие шума потока воздуха удостоверяет ее захват.

Терморезистивный датчик используют для измерения степени разреженности. Теплопроводность газа К = k l_св  , где k - коэффициент пропорциональности, l_св - длина свободного пробега молекулы,  (=k₁ n) - плотность газа, k₁ - коэффициент, n - число молекул в единице объема, т.е. степень разреженности, давление.

К

(Р_норм ) n (Р) d

Рис. Зависимость теплопроводности газа от давления.

При низких давлениях длина l_св = d (раcстоянию между стенками объема), а теплопроводность К = k k₁ d n становится зависимой от n (давления). Для измерения теплопроводности К используются терморезисторы, металлические и полупроводниковые. P--> n--> K--> R--> I--> U.

(Используется в том числе в трубопроводе автомобиля для обеспечения полного сгорания топлива.)

Тензодатчик обусловливает зависимость электрического сопротивления от внутреннего напряжения: поперечного или продольного. При механическом воздействии изменяется длина l и площадь поперечного сечения S:

R = R_уд l / S .

Тензочувствительным элементом может служить

- тонкая проволока (из константана диаметром 0.02-0.05 мм) большой длины,

- тонко- или толстопленочный проводник,

- полупроводник,

- токопроводящий полимер.

Элементу придают форму меандра с осью наибольшей длины в направлении ожидаемой деформации. Для измерений в плоскости используют пару взаимо перпендикулярных тензорезисторов.

Тензочувствительный элемент наносится (напыляется, вжигается, приклеивается, в т. ч. цементом) на

- непосредственно исследуемую деталь,

- упругую пластину (металлическую или диэлектрическую подложку, фольгу), мембрану,

- полупроводник.

Тензорезистор реализует зависимость электрического сопротивления R от внутреннего напряжения. При механическом воздействии на проволочные резисторы изменяется длина l и площадь поперечного сечения S:

R = R_уд l / S .

Эти резисторы выполняются в виде тонкой проволоки большой длины (М03-03), тонко- или толстопленочного проводника (М03-03а), токопроводящего полимера.

А Б

Рис. А – тонкопленочный «проволочный» датчик давления на стальной мембране. Б - микродатчик на проволочных тензорезисторах.

А Б В

Рис. А - плата датчика с мембраной из фольги и «проволочными» тензорезисторами. Б - моно- и дифференциальный датчики на печатной плате. В - корпусированные датчики.

В наносистемах используются точечные тензорезисторы, представляющий собой легированный полупроводник. Внутренние напряжения, создаваемые легирующей примесью, являются причиной значительных изменений удельного сопротивления ρ даже при небольших деформациях и, следовательно, изменений сопротивления R. У полупроводников наблюдается пьезоэлектрический эффект за счет асимметрии элементарной кристаллической решетки.

Рис. 1.4.4. Точечные тензорезисторы на основе легированного полупроводника.

Изменение сопротивления точечного тензорезистора удобно представить как:

ΔR = K ε,

где К- коэффициент тензочувствительности. Полупроводниковые тензорезисторы более чувствительны. Резистивный мост (М03-03в) из точечных резисторов – компактен.

Тензорезисторы используются в качестве датчиков (S01-03) силы, напряжения, давления и других параметров.

Изменение напряжения и силы тока коррелируются с величиной деформации при изгибе, давлении, приложении силы. Влияние температуры необходимо компенсировать. Эту функцию может выполнить перпендикулярно расположенный тензорезистор той же длины.

R_т R_к

 U

Тензодатчики

U

Рис. Схема манометра с термокомпенсацией и расположение тензодатчиков на поверхности объекта.

При постоянном питающем мост напряжении сигнал на выходе моста  U пропорционален измеряемому давлению. Механическая деформация рассогласовывает мостовую схему.

Давление к тензодатчику может передаваться с помощью рычажно - мембранного механизма. Мембраны 1 соединены между собой штоком 7. Шток через рычаг 6 связан с измерительной мембраной 2, на которую нанесены тензодатчики. Под действием разности давлений шток 7 перемещается, вызывая пропорциональный прогиб мембраны 2, на которой нанесены 4 тензорезистора по 2 каждую координату.

Такая схема используется при механической обработке для контроля силы резания. Тензодатчики устанавливаются в канавке подшипника передней опоры шпинделя станка и дают информацию для корректировки времени операции.

Пьезорезисторы могут быть изготовлены по толстопленочной технологии из паст DP7600, ESL 3100, Cermalloy 600 на металлодиэлектрической подложке (МДП).

Эластомер с добавками, в том числе и наноразмеров, металла или графита (квантовый туннельный композит (КТК) - QTS) может обладать переменной проводимостью в зависимости от давления.