Преобразователь нагрузки на колесо транспортного средства по состоянию рессор

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

«Физические основы получения информации»

Тема курсовой работы: «Преобразователь нагрузки на колесо транспортного средства по состоянию рессор»

АННОТАЦИЯ

Целью данного курсового проекта являлось проектирование преобразователя нагрузки. Решение задачи производилось по следующей схеме:

· обзор аналогов данного преобразователя;

· выбор конкретного типа преобразователя;

· расчет параметров преобразователя.

Рассмотрение различных типов преобразователей данной величины вёлся по книжным, журнальным источникам, включая использование патентов и интернета. В результате было рассмотрено несколько принципов действия и построения преобразователей, решающих поставленную задачу. В итоге был выбран конкретный тип преобразователя для проектирования. Далее, на него было составлено техническое задание и произведен расчет для выявления его рабочих параметров и погрешностей. В заключении отражены выводы о проделанной работе.

Цель курсового проекта была достигнута, разработан преобразователь нагрузки, удовлетворяющий заданным требованиям и параметрам.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. К ВОПРОСУ О ПОНЯТИИ ИЗМЕРЯЕМОГО ОБЪЕКТА

2. ОБЗОР АНАЛОГОВ И ПРОТОТИПОВ

2.1 ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

2.2 МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

2.3 ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

2.4 ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

2.5 ЕМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

3. ВЫБОР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

4. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

5. КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

5.1 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

5.2 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

5.3 РАСЧЁТ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ

5.4 ПОГРЕШНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

В современной промышленности при производстве продукции очень большое внимание уделяется её качеству и безопасности использования конечным потребителем. Например, в автомобилях, количество внешних и внутренних факторов влияющих на безопасность столь велико, что учесть их все невозможно без применения различных технических средств. Особенную роль здесь играют различные преобразователи и датчики. Измерительный преобразователь как средство измерений является преобразователем входного измерительного сигнала в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего преобразования, передачи, обработки вычислительными устройствами или хранения, но не пригодным для непосредственного восприятия наблюдателем (это задача измерительного прибора, в состав которого может входить один или несколько преобразователей). На сегодняшний день количество видов и конструкций датчиков колоссально. Интересующие нас преобразователи нагрузки так же довольно разнообразны, и нет проблемы подобрать подходящий.

Тема данного курсового проекта - преобразователь нагрузки на колесо транспортного средства по состоянию рессор. То есть, разрабатываемый преобразователь имеет довольно узкую сферу применения, что, однако, не умаляет его важности.

Для достижения поставленной цели было рассмотрено множество различных преобразователей с различным принципом действия и выбран один, для дальнейших расчетов и проектирования.

1. К ВОПРОСУ О ПОНЯТИИ ИЗМЕРЯЕМОГО ОБЪЕКТА

Данная курсовая работа посвящена очень серьёзной и актуальной теме: преобразователь нагрузки. Под преобразователем подразумевается средство измерений, преобразующее измеряемую физическую величину в сигнал для последующей передачи, обработки или регистрации. В отличие от измерительного прибора, сигнал на выходе И. п. (выходная величина) не поддаётся непосредственному восприятию наблюдателя. Обязательное условие измерительного преобразования - сохранение в выходной величине И. п. информации о количественном значении измеряемой величины. Измерительное преобразование - единственный способ построения любых измерительных устройств. Отличие И. п. от других видов преобразователей- способность осуществлять преобразования с установленной точностью.

Итак, данная работа посвящена преобразователю нагрузки и в качестве объекта его исследования предлагается рассмотреть транспортное средство, а именно - рессорное подвешивание этих транспортных средств. Рессоры появились довольно давно - еще в каретах и старинных экипажах можно найти их первые варианты. Впрочем, это и понятно - мало кто желает трястись в транспорте, если поездку можно сделать максимально комфортной. Вообще слово рессора происходит от французского ressort, что в переводе означает «пружина». Рессора, если говорить в общем, это упругий элемент подвески транспортно средства. Основная цель этого элемента - смягчать удары и толчки на неровных участках дороги, что достигается за счет того, что рессора передает нагрузку с рамы или кузова автомобиля на его ходовую часть.

Прогресс не стоит на месте, и люди довольно быстро перешли от карет и телег к автомобилям. Впрочем, от рессор не отказались. Сегодня существует множество видов евро рессор, различающихся в основном типом конструкции. Здесь и листовые рессоры, и эллиптические, и полуэллиптические, и пружинные, и торсионные… Некоторые из них соответствуют евро стандартам, другие уже давно считаются морально устаревшими.

Листовая рессора - это чаще всего несколько листов листовой стали разного размера, соединенные хомутами. При этом средняя часть (чаще всего) закреплена на ходовой части машины и как бы опирается на нее, в то время как края крепятся к кузову при помощи специальных подвижных соединений - или серьги, или резинометаллические шарниры.

Рисунок 1.1 Листовая рессора

Это не единственная конструкция - каждая компания, занимающаяся производством автомобилей, считает своим долгом предложить свой вариант конструкции евро рессоры. Тем не менее, одно неизменно - листовая передняя рессора, также как и задняя, работает на изгиб, как упругая балка. Одно из последних направлений евро стандартов в этой сфере - переход к малолистовым и даже однолистовым рессорам, которые в последнее время все чаще изготавливаются из неметаллических материалов. В этом есть и свои плюсы (в основном - экономия материала для производителей автомобилей, а значит, и снижение их стоимости), и недостатки - при использовании многолистовых евро рессор происходит совмещение функций пружины и амортизатора в одной, довольно простой, конструкции (благодаря трению листов рессоры), что ликвидируется при использовании монолистовой рессоры.

Впрочем, в большинстве современных транспортных средств, соответствующих евро стандартам, рессора уже почти не применяются - за счет их большой гибкости происходит сильное и неконтролируемое продольное смещение прикрепленного к ним моста. В общем-то, оно не такое уж и большое, но на высоких скоростях это может резко снизить управляемость вашего транпорта, что, в общем-то, чревато. В некоторых моделях, для устранения этой проблемы, технологи пытались добавить в подвеску реактивные тяги, но в конечном итоге пришли к выводу, что проще искать конструкцию с четко определенной геометрией - например, пружинную или торсионную. В некоторых машинах рессоры сохраняются до сих пор, однако только в качестве упругого элемента, в то время как геометрию подвески задают все те же рычаги, сходные с тем, что применяются в пружинной евро подвеске. Кстати, и делают их не из металла, а из композитных сплавов для снижения веса.

Есть и другие разновидности евро рессор - здесь уже и упомянутая ранее эллиптическая, и полуэллиптическая. Впрочем, все эти виды рессор можно назвать тупиковыми ветвями конструирования. В разной степени, но все они технологически довольно сложные конструкции и довольно хрупкие. Например, эллиптическая вызывает огромные смещения моста при работе подвески и изгиб при разгоне и торможении. Большинство из эллиптических рессор использовались еще в экипажах, что же касается машин, то здесь есть свои особенности. Например, на грузовых автомобилях полуэллиптическая рессора используется до сих пор, а вот на легковых автомобилей ее теперь уже почти не встретишь.

Сегодня наибольшее распространение получили две другие конструкции, а все выше описанные ушли в прошлое. Первая из конструкций - торсионная рессора, вторая - пружинная. В торсионной рессоре основной элемент - торсион, представляющий собой упругий стержень, работающий на скручивание. Впрочем, эту технологию редко встретишь на легковых автомобилях - зато она получила широкое распространение в подвесках бронемашин. В пружинной рессоре основным элементом является пружина, как можно понять из названия. Причем выбор здесь довольно широк - здесь и цилиндрические, и конические, и параболоидные или тарельчатые пружины.

Из большого количества типов и видов транспортных средств, для исследования выбираем легковые транспортные средства, т.к. это наиболее распространенный вид транспорта в нашей стране. Подвеска современных легковых автомобилей, а подвеска это совокупность устройств, связывающих колеса и кузов автомобиля, состоит из пружинных рессор амортизаторов и т п.

Совместное действие рессор и амортизаторов обеспечивает пассажирам при движении автомобиля достаточную комфортабельность. Передние колеса могут иметь как независимую подвеску, так и зависимую. Зависимую рессорную подвеску имеют грузовые автомобили. Независимую подвеску передних колес применяют на современных легковых автомобилях. При такой подвеске передние колеса подвешены независимо друг от друга к поперечине при помощи рычагов и пружин.

Поперечная балка -- поперечина служит основанием для крепления деталей, составляющих устройство передней подвески автомобиля. Она сварена из листовой стали в виде вытянутой и несколько изогнутой коробки. Поперечину крепят болтами к подрамнику, вынесенному за пределы нижней панели кузова. К поперечине крепят оси двух рычагов: верхнего и нижнего. К рычагам на шаровых пальцах прикреплена поворотная стойка с цапфой переднего колеса. На цапфе вращается ступица колеса. Она устанавливается на двух подшипниках и удерживается гайкой, которая шплинтуется. Ступицу и колесо крепят между собой при помощи шпилек и гаек. Нижний рычаг имеет гнездо, в котором расположена пружина. Своим верхним концом пружина упирается в поперечину. Внутри пружины помещен телескопический амортизатор такого же типа, как у задней подвески. Его проушина закреплена в опорном гнезде пружины нижнего рычага, а связанный с поршнем шток соединен с поперечиной. При наезде колеса на какую-то неровность поворотная цапфа со стойкой передвигается вверх, поднимая качающиеся на своих осях верхний и нижний рычаги. Нижний рычаг при этом сжимает пружину.

Рисунок 1.2. Передняя подвеска автомобиля

Действие амортизатора сдерживает обратную реакцию пружины и гасит ее колебания. Такое устройство передней подвески автомобиля позволяет смягчать толчки, непосредственно передаваемые колесу. Благодаря этому значительно уменьшается тряска кузова при движении по плохим дорогам, повышается срок службы ходовой части и комфортабельность автомобиля.

Устройство передней подвески автомобиля имеет резиновые буфера. Один буфер мягко ограничивает ход нижнего рычага вверх при сжатии пружины, а следовательно, и максимальный подъем колеса. Другой также мягко останавливает опускание верхнего рычага при максимальном ходе колеса вниз -- его отбойном ходе.

Уменьшение наклона и раскачивания автомобиля при поворотах достигается при помощи стабилизатора поперечной устойчивости. Стабилизатор представляет собой стальной стержень, закрепленный в резиновых втулках параллельно поперечине. Его концы загнуты назад и шарнирно связаны с нижними рычагами подвески. При наклонах автомобиля штанга, оказывая сопротивление скручивающему ее усилию, противодействует наклону автомобиля и уменьшает его раскачивание.

Передние колеса автомобиля устанавливаются не вертикально и не параллельно друг к другу, хотя кажутся стоящими вертикально и параллельно. Они имеют небольшой развал внутрь и некоторое схождение вперед.

Условия эксплуатации легковых транспортных средств в нашей стране довольно суровы. Это и суровые зимние холода, и летний палящий зной. Поэтому предполагаемый разрабатываемый преобразователь должен обладать высокой надёжностью, высокой устойчивостью к внешним воздействиям и вибрациям. Кроме того, когда колесная пара проходит какую-либо неровность пути (ямы и т.п.), возникают динамические нагрузки, в том числе ударные. Так же следует учитывать и движение транспортного средства по кривой, которое вызывает действие центробежной силы. Вследствие этого ход транспортного средства на поворотах не должен превышать определённой скорости, иначе транспортное средство рискует быть опрокинутым в направлении действия центробежной силы. Будущий преобразователь должен быть хорошо защищён от внешних воздействий, таких как грязь, снег, вода и прочих. Ощутимо влияет на работу любого преобразователя и температура окружающей среды, которая в течение всего года может меняться в диапазоне примерно от -30 до +30. Наряду с температурой учитываем так же атмосферное давление, влажность воздуха и прочие факторы внешней среды.

Итак, в соответствии с ГОСТ 15150-69* устанавливаем климатическое исполнение для будущего преобразователя УХЛ2. Данное исполнение охватывает довольно широкий климатический диапазон (макроклиматические районы с умеренным и холодным климатом). К данным районам относят такие, где средняя из ежегодных абсолютных максимумов температура воздуха равна или ниже плюс 40°С, а средняя из ежегодных абсолютных минимумов температура воздуха равна или выше минус 45°С. Среднегодовое значение относительной влажности воздуха в таких районах составляет 75 % при 15°С. Цифра 2 в обозначении исполнения указывают на то, что преобразователь предполагается эксплуатировать в объеме (или оболочке), где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе, и имеется сравнительно свободный доступ наружного воздуха. В силу этих же обстоятельств не учитываем интенсивность дождя и скорость ветра. Рекомендовано использование пыленепроницаемой оболочки.

2. ОБЗОР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАГРУЗКИ

Рассмотреть все известные сегодня датчики силы, представляется невозможным ввиду их огромного разнообразия. Поэтому рассмотрим основные типы преобразователей, наиболее часто применяемых и подходящих для измерения нашей величины.

2.1 ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Тензорезисторный преобразователь(тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия - растяжения.

Тензорезисторный преобразователь силы содержит упругий элемент прямоугольного сечения с четырьмя сквозными отверстиями в боковой грани и пропилами нижней стороны отверстий, над которыми расположена плоская поверхность, где установлены тензорезисторы, присоединительное отверстие для силопередающего элемента (штока), находящееся посередине между парами отверстий. Две площадки с термокомпенсационными резисторами, имеющие таврообразный профиль, расположены над опорным кольцом в одной плоскости с плоскостью упругого элемента, выступающей над опорным кольцом на высоту, определяемую следующим математическим выражением H d+h, где d - диаметр сквозных отверстий, h - наименьшее расстояние между плоской поверхностью упругого элемента и сквозными отверстиями. Упругий элемент и опорное кольцо с площадками выполнены за одно целое. 2

На рисунке 2.1 изображен тензорезисторный преобразователь силы, который содержит основные конструктивные элементы: упругий элемент 1, опорное кольцо 2, площадки 3 с установленными на них термокомпенсационными резисторами 4. Упругий элемент 1 содержит плоскую поверхность 5 с четырьмя установленными тензорезисторами 6, четыре сквозных отверстия 7 и присоединительное отверстие 8.

Рисунок 2.1- тензорезисторный преобразователь силы

Изготовление упругого элемента и опорного кольца за одно целое исключает возможность влияния разнородности материала на термокомпенсационные резисторы, их взаимодействие с тензорезисторами, снижает влияние колебания температуры на показания тензорезисторов, а выполнение площадок тензорезисторного преобразователя силы таврообразного профиля способствует равномерному и быстрому прогреву их за счет увеличения площади, подвергаемой температурному воздействию. Независимость зон деформации от возможного смещения балки, повышение жесткости конструкции преобразователя силы за счет увеличения жесткости заделки упругого элемента на опорном кольце позволяет повысить чувствительность тензорезисторного преобразователя силы. Совокупность указанных технических решений приводит к повышению чувствительности в диапазонах малых давлений и повышению теплоустойчивости.

В то же время выполнение упругого элемента за одно целое с опорным кольцом, имеющим две площадки таврообразного профиля, расположенные в одной плоскости с плоскостью упругого элемента, с установленными термокомпенсационными резисторами, и расположение его над плоскостью опорного кольца на высоту, достаточную для профилирования его по толщине, позволяет повысить функциональность устройства.

Принцип работы заключается в следующем. Измеряемое усилие, воздействуя на упругий элемент через силопередающий элемент (шток), изменяет напряжения растяжения и сжатия на плоской поверхности над сквозными отверстиями, величина и изменение напряжений фиксируется тензорезисторами, расположенными непосредственно над сквозными отверстиями.

Независимость зон деформации от возможного смещения балки при неточном ее изготовлении, повторяемость, линейность распределения напряжений в поперечном направлении упругого элемента позволяет повысить надежность и точность тензорезисторного преобразователя силы.

Недостатком конструкции упругого элемента является низкая жесткость упругого элемента, что снижает чувствительность в диапазоне малых давлений, уменьшает теплоустойчивость и приводит к ухудшению функциональных возможностей.

Достоинством изобретения является стабильность параметров и максимальная чувствительность тензорезисторного преобразователя силы при минимальном силовом воздействии на упругий элемент, а также повышение функциональности конструкции в целом

2.2 МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Магнитоэлектрические преобразователи выделяются среди других групп электромеханических преобразователей широтой и разнообразием применения, высокими метрологическими характеристиками, а также многотипностью.

Магнитоэлектрический преобразователь - преобразователь механического движения постоянного магнита относительно обмотки в электрический сигнал.

Рисунок 2.2 - устройство магнитоэлектрического преобразователя.

Магнитоэлектрический преобразователь силы (рис.2.2) содержит магнитопровод 2, два постоянных магнита 4 с полюсными наконечниками 5, между которыми образованы зазоры 3, где проходят проводники 7 и 8 возвращающей обмотки, которые включены так, что токи в них направлены противоположно. Вся магнитная система размещена на подвижном узле 1, а возвращающая обмотка - на неподвижном основании 14, к одному концу возвращающей обмотки подключено управляющее напряжение, а ко второму - нагрузочный резистор 10, соединенный с землей. Отношение сопротивления нагрузочного резистора 10 к сопротивлению проводников 7 и 8 возвращающей обмотки выполнено в соответствии с соотношением разности между температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) проводников возвращающей обмотки и температурным коэффициентом магнитной индукции к разности между ТКС нагрузочного резистора и температурным коэффициентом магнитной индукции

где r=(1/r)(dr/dT) - ТКС проводников возвращающей обмотки; бR=(1/R)(dR/dT) - температурный коэффициент нагрузочного резистора; бВ=(1/В)(dB/dT) - температурный коэффициент магнитной индукции; R - сопротивление нагрузочного резистора 10; r - сопротивление проводников 7 и 8 возвращающей обмотки. Технический результат - повышение точности датчиков с силовой компенсацией за счет выполнения оптимального соотношения между сопротивлением элементов, входящих в преобразователь, их температурными коэффициентами сопротивления и магнитной индукции.

Рисунок 3.3- устройство магнитоэлектрического преобразователя

На рисунке 3.3 начало проводника 7 первой обмотки соединено с контактной площадкой для соединения с выходом электронного блока (на рис.2.2 электронный блок не показан). Конец проводника 7 первой обмотки соединен с началом проводника 8 второй обмотки, а конец проводника 8 второй обмотки соединен с контактной площадкой 13 для соединения с одним концом нагрузочного резистора 10, второй конец нагрузочного резистора 10 соединен с землей. Для размещения проводников 7 и 8 первой и второй обмоток на неподвижном основании 14 выполнены выступы 16, позволяющие установить проводники 7 и 8 обмоток по середине полюсных наконечников 5, что дает возможность симметризировать характеристику преобразователя силы относительно нейтрального положения. Окна 17 в магнитопроводе 2 имеют квадратную форму, их выполняют в полюсных наконечниках 5 магнитопровода посредством химического травления по фотошаблонам.

Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом. При отсутствии смещения магнитной системы от нейтрального положения (без действия на маятник 1 ускорения) ток в проводниках возвращающей обмотки отсутствует, а при наличии отклонений, например, при действии на маятник 1 ускорения электрический блок вырабатывает электрический сигнал и в цепи "возвращающая обмотка - нагрузочный резистор 10" течет ток, пропорциональный вызывающей его силе.

Достоинствами являются нечувствительность устройства к температурным изменениям величин сопротивления нагрузочного резистора, возвращающей обмотки и магнитной индукции в зазоре; исключение тяжения магнитной системы силовой отработки устройства к внешним магнитным предметам.

2.3 ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Работа пьезоэлектрических преобразователей основана на использовании пьезоэлектрического эффекта, представляющего собой способность некоторых материалов образовывать на гранях поверхности при механическом нагружении электрические заряды (так называемый прямой пьезоэффект), а при приложении электрического поля механически деформироваться (обратный пьезоэффект).

Важнейшими природными материалами, обладающими пьезоэлектрическими свойствами, являются кварц и турмалин. Из названных материалов особое предпочтение отдается кварцу, имеющему удовлетворительные пьезоэлектрические свойства, очень высокое сопротивление, относительно малую температурную зависимость пьезоизоляционных постоянных, высокую механическую прочность и большой модуль упругости.

Рисунок 2.4- Кристалл кварца и упрощенная модель его кристаллической решетки.

На рисунке 2.4, показана форма элементарной ячейки кристаллической структуры кварца (в). Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три кристаллические оси (рис. 2.4, а) продольную или оптическую ось Z , электрические оси X, проходящие через ребра шестигранной призмы кристалла нормально к оптической оси и соединяющие разнополярные ионы(таких осей три), и механические, или нейтральные, оси Y, нормальные к граням кристалла(их также три).

В напряженном состоянии кристалл кварца остается электрически нейтральным, т. е. в нем не наблюдается внешней поляризации. Если же к кристаллу приложена сила F1 , в направлении оси X (рис. 2.4 б и г), то баланс нарушается, кристаллическая решетка становится поляризованной.

Пьезоэффект, возникающий при действии силы F1 , называется продольным.

Значение заряда в этом случае не зависит от геометрических размеров пьезоэлемента, а определяется лишь значением силы F1. Если к кристаллу приложена сила F2 в направлении оси Y (рис.2.4, д), то она вызовет поперечный пьезоэффект. При этом на тех же гранях Y-Y будет возникать

Заряд, противоположный по знаку тому, который возникает под действием силы F1.

На рисунке 2.5 схематически изображено устройство пьезоэлектрического преобразователя силы.

Рисунок 2.5 - Пьезоэлектрический преобразователь силы

Два пьезоэлемента 1 расположены так, что направление их поляризации противоположны и заряд, возникающий на средней контактной пластине 2, удваивается. Нагруженные обкладки кварцевых пьезоэлементов заменены, а внутренняя, изолированная от корпуса самим кварцем, может присоединяться с помощью экранированного кабеля к последующему преобразователю.

Особенностью пьезоэлектрических преобразователей, накладывающей определенные условия на схемы измерительных цепей, является их чрезвычайно малая выходная мощность при высоком сопротивлении.

Коэффициент преобразования пьезоэлектрического преобразователя зависит от собственной емкости и емкости входной цепи вторичного преобразователя. Поэтому, если в характеристиках преобразователя указывается чувствительность по напряжению, то указывается также и емкость, соответствующая этой чувствительности.

На погрешность преобразователя оказывают изменения температуры и влажности окружающей среды, сказывающиеся на геометрических размерах преобразователя и диэлектрической проницаемости воздуха.

2.4 ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Тензорезистивные преобразовательные элементы по принципу действия являются преобразователями механических деформаций , поэтому непосредственное применение они нашли в устройствах измерения деформации.

Тензорезистивные преобразователи сосредоточенных сил (тензодинамометры ) получили широкое распространение в связи с компактностью и широким диапазоном преобразований (от нескольких миллиньютон до десяти мега ньютон). В зависимости от значений преобразуемых усилий тензодинамометры подразделяют на две группы, имеющие принципиальные различия : тензодинамометры больших (10кН…10мН) и малых усилий ( менее 10кН).

В преобразователях больших усилий наибольшее распространение получили упругие преобразовательные элементы стержневого типа(рис 2.6,а). Такой преобразователь состоит из цилиндрического упругого элемента 1, на наружной поверхности которого устанавливаются рабочие тензорезисторы 2, испытывающие продольную деформацию, и компенсирующие тензорезисторы 3, испытывающие поперечную деформацию. Для равномерного распределения напряжения по сечению упругого элемента в зоне тензорезисторов, отношение высоты рабочей части упругого элемента к диаметру должно быть равным 3…5.

Рисунок 2.6- тензорезистивные преобразователи больших усилий

Недостатком упругих элементов стержневого типа является сравнительно большая нестабильность функции преобразования , достигающая 1…1,5%. Кроме того применение в качестве компенсационного тензопреобразователя, испытывающего поперечную деформацию , не обеспечивает полной термокомпенсации. Этот недостаток устраняется применением двух упругих элементов , имеющих зоны с противоположными по знаку и одинаковыми по значению деформациями, возникающими на цилиндрических элементах 4 и 5.

2.5 ЕМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Устройства, содержащие не менее двух поверхностей, между которыми действует электрическое поле, называются электростатическими (ЭС) преобразователями. Электрическое поле создается извне приложенным напряжением или возникает при действии на вход преобразователя измерительного сигнала. Преобразователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением, составляют группу емкостных преобразователей. Основным элементом в этих преобразователях является конденсатор переменной емкости, изменяемой входным измерительным сигналом.

На рисунке 2.7 изображен преобразователь, содержащий подножку (1) с размещенными на ней контактной площадкой (4) и обкладками конденсатора, состоящими из электрода (2) и изолирующего слоя (3), а также мембранную сборку (5) и вакуумную камеру (6). Изолирующий слой расположен под электродом, а мембранная сборка состоит из двух соединенных кремниевых мембран (7) с нанесенными на них обкладками конденсатора и стеклянными шайбами (8). Мембраны соединены друг с другом и выровнены, чтобы облегчить доступ к контактным площадкам, а стеклянные шайбы соединены с мембранами со стороны, противоположной обкладкам конденсатора, и имеют отверстия (9) для обеспечения воздействия давления на мембраны. Вакуумная камера образована герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом (10) на границе соединения (15). Электроды выведены наружу металлического корпуса с помощью контактных площадок, микропроводов (11) и гермопереходников (12), когда микропровода с одной стороны приварены к контактным площадкам, а с другой стороны приварены к гермопереходникам, герметично соединенным с металлической шайбой (13) на границе соединения (17). Металлическая шайба приварена к металлическому корпусу по границе соединения (16), а объем вакуумной камеры в несколько раз превышает объем мембранной сборки (14). Принцип работы преобразователя заключается в следующем. Измеряемое давление, воздействуя на мембраны через отверстия в стеклянных шайбах, изменяет значении емкости, образованной мембранами.



Рисунок 2.7- емкостной преобразователь абсолютного давления

Наличие конструкции, при которой герметизация и вакуумное состояние обеспечены герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом и гермопереходниками, соединенными с металлической шайбой, которая приварена к металлическому корпусу, позволяет повысить надежность преобразователя, стабильность параметров и чувствительность за счет долговременного поддержания высокой степени вакуума в вакуумной камере. А объем вакуумной камеры, образованной герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом, в несколько раз превышает объем мембранной сборки, что также положительно отражается на временной стабильности герметичного соединения.

Емкостной преобразователь абсолютного давления, содержит подножку с размещенным на ней электродом, первую и вторую части, соединенные электродом, и изолирующий слой, расположенный над электродом только на первой части. Кроме того, преобразователь содержит мембранную сборку, находящуюся на подложке и включающую в себя рамку и перегородку, определяющую первый участок, напротив которого размещена мембрана, и второй открытый участок, причем первый и второй участки на подложке расположены таким образом, что первая часть подложки выровнена с первым участком и мембраной так, что мембрана, подложка, перегородка и соответствующая рамка, определяющая первый участок, формируют вакуумную камеру, а вторая часть подложки выровнена со вторым открытым участком, чтобы облегчить доступ к электроду. Кроме того, перегородка разграничивает первый и второй участки и контактирует с изолирующим слоем на электроде в первой части, причем изолирующий слой и электрод выполнены с предварительно заданной толщиной, а изолирующий слой деформирован вокруг электрода для герметизации и поддержания вакуумного состояния в вакуумной камере .

Общими недостатками преобразователя являются низкая надежность, низкая стабильность параметров, низкая чувствительность из-за низкой временной стабильности степени вакуума в вакуумной камере, вследствие малого значения ее объема и наличия герметизации, включающей несколько слоев с разными физико-химическими свойствами, когда герметизация и вакуумное состояние поддерживаются за счет соединения, представляющего собой систему из подложки, рамки, перегородки, изолирующего слоя и электрода, то есть материалов, имеющих различные степень взаимоадгезии и коэффициент термического расширения, что вызывает низкую степень сцепления подложки и мембранной сборки. Поэтому в процессе эксплуатации в рабочем диапазоне температур наблюдается временная нестабильность соединения, приводящая к низкой надежности преобразователя, низкой стабильности параметров, низкой чувствительности из-за влияния внешней воздушной среды, проникающей в вакуумную камеру и воздействующей на мембрану со стороны, обратной измеряемому давлению, что привносит дополнительную погрешность, снижает временную стабильность параметров и чувствительность.

3. ВЫБОР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Исходя из выше приведённого обзора, наиболее предпочтительным считаем тензорезисторный преобразователь силы, конструкция которого приведена на рисунке 2.1. Выбор данного типа преобразователя за основу обусловлен его очевидными преимуществами:

1)Простота конструкции;

2)Малые масса и габариты;

3)Возможность использовать в труднодоступных местах различных машин и механизмов без изменения конструкций.

Третье преимущество явилось определяющим, так как остальные типы рассмотренных преобразователей не способны обеспечить требуемые измерения в подвеске транспортного средства, без изменения её конструкции.

4. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Наименование устройства: тензорезистивный преобразователь силы

Состав устройства:

1, опорное кольцо 2, 4.

упругий элемент;

площадки с установленными термокомпенсационными резисторами;

термокомпенсационными резисторами;

опорное кольцо;

четырьмя тензорезисторами.

Назначение и область применения: контроль нагрузки, которая действует на колесо транспортного средства, с помощью данного преобразователя Технические требования.

Диапазон преобразования: от 0 до 7850 Н;

Допустимая погрешность: не более 10%;

диапазон относительной влажности воздуха от 30 до 80 % при температуре 35 °С;

производственная вибрация в диапазоне частот от 1 до 60 Гц с ускорением 4,9 м/с

Требования к конструкции:

Габаритные размеры, мм: 960Ч800Ч275;

Толщина стенки корпуса: 12 мм

Масса - не более 00 кг;

Количество тензорезисторов: 4 шт;

Материал тензорезисторов: полупроводниковые ;

Форма тензорезисторов: цилиндрическая;

Диаметр резонаторов: 30 мм;

Длина: 80 мм

Статическая характеристика: линейная.

Безопасность эксплуатации тензорезистивного датчика напряжения и сжатия прочностью установленной в стандартах; изоляцией электрических цепей; надежным креплением при монтаже на объекте.

Условия эксплуатации преобразователя:

Рабочий диапазон температур: ±50 єС;

Частотный диапазон: от 60 Гц до 10 кГц.

Требования надежности:

Срок службы устройства: не менее 10 лет.

5. КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

5.1 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Конструкция преобразователя наиболее часто применялась в области измерения малый и средних давлений. Тензорезисторный преобразователь силы работает на основе тензоэффекта. Его чувствительные элементы (тензорезисторы) изменяют свою электропроводность (электрическое сопротивление) при изменении объёма или напряжённого состояния, под действием нагрузки. Уравнение преобразования в общем виде выглядит так: R = с l / S, где R- сопротивление проводника, с - удельное сопротивление проводника(материала), S- площадь поперечного сечения, l - длинна проводника.

Структурная схема установки, предназначенной для определения функции преобразования тензорезисторного преобразователя, представлена на рис.

Рисунок Структурная схема тензорезисторного датчика

5.2 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Конструкция преобразователя разрабатывалась в соответствии с проведёнными расчетами, включающими в себя расчёты характеристик преобразователя при номинальных размерах и размерах элементов, соответствующих граничным условиям допусков, и функции преобразования по заданным исходным данным. Кроме того содержатся расчеты погрешностей, возникающих во время работы преобразователя.

Тензорезисторы характеризуются рядом параметров, основными из которых являются:

1) тензочувствительность Sт;

2) номинальное сопротивление R;

3) допустимая деформация Едоп;

4) погрешность преобразования д.

Тензоэффект характеризуется величиной тензочувствительности, устанавливающей связь между относительным изменением сопротивления и относительной деформацией в направлении измерений .

Тензочувствительность материала характеризуется зависимостью

ST = , (2)

где ; R; ДR; Д - длина и сопротивление тензочувствительного элемента и их приращение в следствии деформации;

Для кремния ST = 170

Коэффициент Пуассона для металлов и сплавов, из которых изготовляют тензорезисторы, в области упругих деформаций лежит в пределах 0,24 - 0,42. Важным свойством полупроводниковых тензорезисторов является практически линейная зависимость сопротивления от деформации и температуры, поэтому отпадает необходимость применения специальных средств для компенсации нелинейности.

Номинальное сопротивление тензорезистора - сопротивление между его выводами при заданной температуре окружающей среды в отсутствии механических нагрузок.

Величина номинального сопротивления полупроводниковых тензорезисторов - 50- 50000 Ом.

Одной из важных характеристик тензорезисторов является допустимая деформация Едоп. Её превышение приводит к появлению остаточных деформаций и даже обрыву проволочных проводников и разрушение пластины полупроводниковых преобразователей. Для тензорезисторов Едоп =3ч5·10-3.

Максимально возможное изменение сопротивления у полупроводниковых тензорезисторных преобразователей составляет: при Sт=100

=30%.

Полупроводниковые тензорезисторы имеют большой динамический диапазон изменения сопротивления и поэтому могут вырабатывать значительный сигнал, не требующий усиления.

5.3 Расчёт тензорезисторов

До последнего времени методы расчёта тензорезисторов не были известны, и разработка преобразователей производилась чисто эмпирическим путём. Однако в связи с развитием квалиметрии измерительных преобразователей оказалось, что основные соотношения режима работы тензорезисторов достаточно хорошо описывается математически, и при проектировании тензорезисторов и сравнении новых типов с известными полезно проводить их расчёт.

Мощность Р, рассеиваемая в тензорезисторе, ограничена его нагревом, вызывающим появления повышенных значений погрешности. Перегрев И тензорезистора по сравнению с температурой детали, на которую он наклеен, равен

, (3)

где RT - тепловое сопротивление, К/Вт; S0 - площадь поверхности теплоотдачи материала резистора, м2; о - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2•К); Руд=Р/S0 - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2 .

При тепловом контакте тензорезистора с деталью через слой клея и подложку отводиться в 200--300 раз больший тепловой поток, чем при теплоотдаче тензорезистора в окружающий воздух. Это объясняется тем, что коэффициент теплоотдачи в воздух равен о= 10 Вт/(м2 •К). Поэтому с высокой точностью можно считать, что практически весь тепловой поток от тензорезистора отводится через слой клея в деталь, на которую он наклеен. Отсюда площадью S0 поверхности теплоотдачи для плёночных и фольговых тензорезисторов следует считать поверхность резистора, обращённую к детали, а для проволочных - с достаточно точным приближением половину цилиндрической поверхности их проволоки.

Необходимые для расчёта значения удельной тепловой нагрузки Руд=Р/S0 большинства используемых сейчас проволочных, Фольговых и полупроводниковых тензорезисторов (с мощностью от 25 до 630 мВт и полной площадью, занимаемой решёткой, от 0,9 до 250 мм2) колеблются в очень узких пределах Руд =26 ч 28 кВт/м2 (или мВт/мм2). Лишь в редких случаях, используя очень тонкую подложку, удаётся достичь Руд=38 ч 39 мВт/мм2.

Допустимое значение тока Iдоп через тензорезистор определяется из соотношения Р= I2R= РудS0, где IДОП в амперах.

На рисунке представлена схема измерительной цепи, построенная на принципе квазиуравновешенного моста. Питание тензомоста R1, R2, R3, R4 осуществляется от стабилизатора тока ИТ. Операционный усилитель Ус1, охваченный цепью параллельной отрицательной обратной связи, уравновешивает мост за счет подачи токат Iвых в узел а выходной диагонали моста. Дополнительный усилитель Ус2 реализует плавующее питание моста таким образом, сто потенциал узла b оказывается близким к нулю. В этом случае выходное напряжение преобразователя будет равным Uвых=IвыхR5, где Iвых=2IKIеl (1+ KIеl). Цепь из резисторов R6, R7 предназначена для установки начального уровня. В данной схеме удается в значительной степени снизить

Рисунок. Измерительная цепь тензорезистора

влияние сопротивления проводов линий связи с датчиком. Практически сказывается влияние лишь сопротивления rл провода, по которому протекает ток Iвых, но это влияние относительно невелико, поскольку величина rл обычно много меньше сопротивления R5,задающего коэффициент передачи устройства.

Для тензометрического моста с четырьмя рабочими плечами Uм/U0=Rт/Rт=, и частота напряжения на выходе компаратора определяется выражением

=(R2+R3)/(4R1C1R3)

Для полупроводниковых, тензоэффект характеризуется величиной тензочувствительности, устанавливающей связь между относительным изменением сопротивления и относительной деформацией в направлении измерений [1].

Тензочувствительность материала характеризуется зависимостью

ST = =1+2 , (4)

где ; R; ДR; Д - длина и сопротивление тензочувствительного элемента и их приращение в следствии деформации;

Ем - модуль упругости образца тензочувствительного материала;

х - продольный коэффициент пьезосопротивления;

m - коэффициент эластосопротивления.

m =хЕм (5)

В формуле члены 1+2 определяют зависимость величины ST от изменения геометрии, а последний член - от изменения свойств материала образца. Для металлов m составляет небольшую долю от величины 1+2. Для полупроводниковых материалов, наоборот, m> 1+2, и для них без особой ошибки можно считать, что

тензорезистор преобразователь нагрузка

ST ? m (6)

Коэффициент Пуассона для металлов и сплавов, из которых изготовляют тензорезисторы, в области упругих деформаций лежит в пределах 0,24 - 0,42. Учитывая, что m? 0, получаем величину ST =1,48ч1,84, т.е. значение коэффициента тензочувствительности проволочных и и фольговых преобразователей близко к двум. У полупроводниковых материалов м и m достигают нескольких десятков, а поэтому ST =50ч100. Важным свойством полупроводниковых тензорезисторов является практически линейная зависимость сопротивления от деформации и температуры, поэтому отпадает необходимость применения специальных средств для компенсации нелинейности.

Таблица 1. Изменение сопротивления тензорезистивного датчика от изменения длины тензочувствительного элемента

R	Ом	1980	2660	3400	4100
l	мм	0,4	0,9	1,35	1,91

Рисунок 2.10 - Изменение сопротивления тензорезистивного датчика от изменения длины тензочувствительного элемента

Максимально возможное изменение сопротивления преобразователей составляет:

- у проволочных при Sт=2

= Sт Едоп = 2•3•10-3 =0,6% (7)

- у полупроводниковых при Sт=100

=30%.

Вследствие малости относительного изменения сопротивления проволочных и фольговых преобразователей возникает необходимость включения их в специальные схемы, предусматривающие усиление сигнала и компенсацию изменения сопротивления R в зависимости от других факторов. Полупроводниковые тензорезисторы имеют большой динамический диапазон изменения сопротивления и поэтому могут вырабатывать значительный сигнал, не требующий усиления.

При тепловом контакте тензорезистора с деталью через слой клея и подложку отводиться в 200--300 раз больший тепловой поток, чем при теплоотдаче тензорезистора в окружающий воздух. Это объясняется тем, что коэффициент теплоотдачи в воздух равен о= 10 Вт/(м2 •К). Поэтому с высокой точностью можно считать, что практически весь тепловой поток от тензорезистора отводится через слой клея в деталь, на которую он наклеен. Отсюда площадью S0 поверхности теплоотдачи для плёночных и фольговых тензорезисторов следует считать поверхность резистора, обращённую к детали, а для проволочных - с достаточно точным приближением половину цилиндрической поверхности их проволоки.

Необходимые для расчёта значения удельной тепловой нагрузки Руд=Р/S0 большинства используемых сейчас проволочных, Фольговых и полупроводниковых тензорезисторов (с мощностью от 25 до 630 мВт и полной площадью, занимаемой решёткой, от 0,9 до 250 мм2) колеблются в очень узких пределах Руд =26 ч 28 кВт/м2 (или мВт/мм2). Лишь в редких случаях, используя очень тонкую подложку, удаётся достичь Руд=38 ч 39 мВт/мм2.

Допустимое значение тока Iдоп через тензорезистор определяется из соотношения:

Р= I2R= РудS0. (8)

Так, например, для проволочных тензорезисторов с базой длиной , из n проводов в решётке с диаметром d, изготовленных из материала с удельным сопротивлением с,

; (9)

(10)

и допустимое значение тока

. (11)

Для константановой проволоки с = 0,46?10-6 Ом•м, тогда при РУД=27 кВт/м2 допустимое значение тока

 ,

где IДОП в амперах и d в метрах.

Функция преобразования сопротивления тензорезисторов составляет S=/=5000 Гц/%.

Для тензометрического моста с четырьмя рабочими плечами Uм/U0=Rт/Rт=, и частота напряжения на выходе компаратора определяется выражением

=(R2+R3)/(4R1C1R3)

5.4 ПОГРЕШНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Погрешности измерения тензорезисторами возникают за счёт следую-щих основных факторов:

- влияния температуры преобразователя на его сопротивление и линейное расширение;

- ползучести характеристики, т.е. её изменения, вызываемого остаточ-ными деформациями в преобразователи при длительном действии значи-тельных по величине нагрузок, близких к допустимым;

- невоспроизводимости характеристики преобразования при нагрузке и разгрузке;

- изменения крутизны характеристики преобразования от времени из-за старения материалов, особенно из-за изменения свойств клеящих компонентов;

- снижения чувствительности при увеличении частоты деформаций, когда длина распространяющейся в детали звуковой волны деформации становятся соизмеримой с базой преобразователя.

Наиболее существенное влияние на величину погрешности имеет пер-вый фактор. Изменение сопротивления преобразователя от изменения температуры соизмеримо с изменением сопротивления от действия деформации. Температура тензорезистора зависит от температуры окружающей среды и величины тока, протекающего через резистор. Изменения температуры должно учитываться при обработки результатов путём введения коррекций или, что более желательно, автоматической компенсацией температурной погрешности. Для снижения температурной погрешности используют несколько путей:

- выбирают материал для тензорезистора с малым температурным коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту расширения детали;

- применяют компенсационные преобразователи, располагаемые в непосредственной близости от однотипного рабочего, но не подвергаемы действию деформации;

- используют самокомпенсирующие тензорезисторы, состоящие из двух частей. Одна часть обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления, вторая - отрицательным. Правильным подбором величин и температурных коэффициентов сопротивлений частей датчика добиваются высокой степени компенсации температурной погрешности. Особенно широкое применение такой способ нашёл при изготовлении полупроводниковых тензорезисторов.

Основная погрешность выпускаемых в настоящее промышленностью проволочных и фольговых тензорезисторов при компенсации температурной погрешности не превышает 1%.

Рассчитаем приведенную погрешность начального значения выходного сигнала по формуле:

(12)

Значения приведенной погрешности нелинейности и вариации выходного сигнала примем по данным обзора.

Рассчитаем основную приведенную погрешность по формуле:

(13)

Расчетное значение меньше заданного

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте был разработан тензочувствительный преобразователь для измерения нагрузки. Простота конструкции, малые масса и габариты позволяют использовать тензорезисторы для измерения сил, давлений, вращающих моментов, ускорений и других величин, преобразуемых в упругую деформацию в труднодоступных местах различных машин и механизмов без изменения конструкций.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ногачева, Т. И. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Физические основы получения информации» для специальности 200101 «Приборостроение» [Текст] / Т. И. Ногачева - Орел: ОрелГТУ, 2009. - 18 с.

2. Электрические измерения неэлектрических величин/А. М. Туричин, П. В. Новицкий, Е. С. Левшина и др.;Под общ. ред. П. В. Новицкого. Л.: Энергия, 2006

3.Измерение электрических и неэлектрических величин. Под ред. Н.Н.Евтихеева.2010

4. Панев Б.И.Электрические измерения. Справочник (в вопросах и ответах). 2014

5. Электроакустический частотный преобразователь для газового анализа. - <<Измерительная техника>>, 1970, № 10, с.64-66 с ил. Авт.: П. В. Новицкий, Н.

6. Турчин А.М., Новицкий П.В. Электрические измерения неэлектрических

Величин. - М.: Энергия, 1975.

7.Прокунцев А.Ф. Преобразование и обработка информации с датчиков физических величин. - М.: Машиностроение, 2012.

8. Агейкин Д.И. Датчики контроля и регулирования. - М.: Машиностроение, 1982.

9. Осипович Л.А. Датчики физических величин. - М.: Машиностроение, 1979.

10. Виглеб Г.С. Датчики. М.: Мир, 2009.

11. Справочник конструктора точного приборостроения/ Г.А. Веркович, Е.Н. Головенкин, В.А. Голубков и др.; Под общ. ред. К.Н. Явленского, Б.П Тимофеева, Е.Е. Чаадаевой.- Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1989.-792 с.: ил.

12. Википедия. Электронный ресурс. Режим доступа http://ru.wikipedia.org.

13. Боднер В. А., Алферов А. В., Измерительные приборы: Учебник для вузов: В 2 т. - М.: ИЗд-во стандартов, 1986.

14.Чурабо, Д. Д. Детали и узлы приборов. Конструирование и расчет. Справочное пособие [Текст] / Д. Д. Чурабо, изд. 4-е, перераб. и доп.- М.: «Машиностроение», 2010. - 559 с., ил.

15. Андреева Л. Е., Упругие элементы приборов. - 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Машиностроение,2011. - 392 с., ил.

16. Патент 1618135 А1 Датчик газа [Текст] / В.П. Мудрик, А.Д. Неуймин и С.И. Ударцев.; патентообладатель Опытное производственно техническое предприятие <<Уралчерметавтоматика >> ; Бюл. - 27.04.89 - № 35.

Размещено на Allbest.ru