ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СРЕДСТВАХ И МЕТОДАХ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ 7
1.1 Понятие силы - как физической величины 7
1.2 Существующие методы и средства измерения усилий 7
1.2.1 Индуктивные ёмкостные датчики усилий 7
1.2.2 Пьезоэлектрические и магнитоупругие датчики усилий 9
1.2.3 Тензорезистивный эффект 11
1.2.3.1 Тензорезистивный эффект в проводниках 12
1.2.3.2 Тензорезистивный эффект в полупроводниках 13
1.2.3.3 Применение тензорезисторов 17
1.3 Примеры конструктивного исполнения тензометрических датчиков,
серийно выпускаемых промышленностью 20
1.3.1 Тактильные чувствительные элементы 21
1.4 Принцип действия пьезоэлектрических датчиков усилий 23
1.4.1 Преобразователи с демпфирующими прокладками 26
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ УСИЛИЯ, ОСНОВАННЫХ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ СВЯЗАННЫХ КОЛЕБАНИЙ ПЬЕЗОРЕЗОНАТОРОВ _ .35
2.1 Вывод критерия эффективности ИП 35
2.2 О связанных колебаниях механических систем 40
2.3 Моделирование ПЭТ ИП 49
2.3.1 С двумя степенями свободы 49
2.3.2 Исследование чувствительности ИП дифференциального
типа с амплитудным и частотным выходом, реализующих различные режимы СК в системах с двумя степенями свободы 49
ГЛАВА 3. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ 54
3.1 Способ крепления 54
3.2 Разработка электрической части датчика 57
3.2.1 Автогенераторные схему пьезорезонансных датчиков 57
3.2.2 Основные факторы, оказывающие воздействие на стабильность
частоты автогенератора 62
3.2.3 Схема обработки сигнала датчика для измерения силы 64
3.2.4 Схема автогенератора датчика усилий 64
3.2.5 Схема усилителя высокой частоты датчика усилий 64
3.3 Конструкции пьезорезонансных ПЭТ ИП с твердотельным элементом
связи 65
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 71
Приложение А. Задание на дипломное проектирование
Измерения усилий играют важную роль при автоматизации технологических процессов во многих отраслях промышленности. Технические средства, применяемые для измерения усилий, называются динамометры, они имеют широкое применение в различных отраслях промышленности для измерения усилий, деформаций, давлений и т.п.
Среди большого числа существующих в настоящее время методов и средств измерения усилий особый интерес представляет возможность применения для этой цели акусточувствительного метода с использованием датчиков вибрационного типа.
Актуальность проблемы создания датчиков для измерения усилий, основанных на использовании акустически связанных пьезорезонаторов заключается в сложности описания режимов их работы, оценки их метрологических характеристик и поиска путей оптимизации конструктивного исполнения первичного измерительного преобразователя. Особенностью датчиков такого типа является реализация возможности управления уровнем акустической связи между взаимодействующими вибраторами функции измеряемого усилия. Такая колебательная система синхронизирована и обладает высоким коэффициентом чувствительности. Аналогов данного устройства на сегодняшний день не существует.
Целью данной работы является разработка и исследование датчика усилия на основе взаимосвязанных пьезорезонаторов.
Задачи, решаемые в дипломной работе, подразделяются на задачи теоретического и практического характера. В теоретической части рассмотрены вопросы посвященные обзору существующих способов измерения усилий, описание физической модели устройства, состоящего из контактирующих пьезорезонаторов и канала акустической связи, а также режимы связанных колебаний в составных пьезорезонаторах. В практической части отражены вопросы разработки конструкции датчика, результаты экспериментальных исследований и моделирования режимов работы датчика, а также вопросы практического применения устройства.
Одним из важных факторов, определяющих конкурентоспособность прибора, является повышение эксплуатационных и метрологических характеристик датчика усилия, это планируется обеспечить за счет использования высокочувствительных режимов связанных колебаний пьезорезонаторов. Прибор должен быть надёжным, недорогим и удобным в эксплуатации. Поэтому разработка принципиально новых приборов, обеспечивающих большую экономическую эффективность, является в настоящий момент очень актуальной.
Датчики усилий имеют широкое применение в различных отраслях промышленности для измерения различных физических величин. Датчики усилий востребованы как в машиностроительной, химической промышленности, металлургии, так и в пищевом производстве, и в сельском хозяйстве и т. п.
Устройства данной конструкции могут быть использованы как для регистрации достижения определенного уровня усилий, так и для его непрерывного контроля.
В отличие от отечественных и зарубежных аналогов, использующих вибраторы камертонного типа, данное устройство:
- реализует высокочастотный режим колебаний вибратора пластинчатой формы,
- не создает «мертвой» зоны в области колеблющегося вибратора, так как совершает не поперечные, а продольные колебания,
В ходе написания дипломной работы была разработана конструкция первичного измерительного преобразователя усилий, произведен расчет параметров эквивалентной электрической схемы замещения разрабатываемого датчика, проведено имитационное моделирование акустически связанных пьезорезонаторных структур, проведены экспериментальные исследования разработанного макета датчика усилия.
