Датчики силы

С помощью датчика силы измеряется сила (также называемая тензодатчиком, тензодатчиком, тензодатчиком или тензодатчиком) , действующая на датчик. Обычно как растягивающие, так и сжимающие силы можно измерить с помощью упругой деформации.

Тело пружины тяги / толкателя
Корпус диафрагменной пружины
Пружинный корпус с тензодатчиками от весов для ванной

Помимо измерения силы , приложениями также являются взвешивание (см. Также тензодатчик ) и определение крутящего момента .

Датчик силы пружины

Пружинный корпус преобразователя упруго деформируется под действием силы . Поглощение силы должно происходить в заданном направлении. Деформация корпуса пружины (в основном металлической ) преобразуется в изменение электрического напряжения с помощью тензодатчиков , электрическое сопротивление которых изменяется с расширением . Электрическое напряжение и , таким образом , изменение напряжения регистрируются с помощью измерительного усилителя . Благодаря упругим свойствам металла это значение можно преобразовать в значение измерения силы, по которому калибруется преобразователь .

Другой метод регистрации деформации - емкостные датчики .

Для отслеживания единичной силы в соответствии с ее физическим определением калибровка датчиков силы до силы 16,5 МН проводится в Physikalisch-Technische Bundesanstalt в Брауншвейге. Другие аккредитованные лаборатории, подключенные к PTB, также могут отследить силовую единицу, используя эталонный метод. Используя используемые методы, эти лаборатории не достигают точности измерения эталонов силы PTB. В областях, связанных с безопасностью, калибровка контролируется и выполняется MPA , TÜV , другими сертифицированными институтами или сертифицированными службами калибровки .

Диапазон измерения

Датчики усилия пружины доступны в диапазонах измерения от 0,5 Н до нескольких десятков МН. Самые большие датчики силы включают в себя так называемые системы создания датчиков силы, которые состоят из нескольких датчиков силы пружинных элементов. Они достигают номинальных нагрузок до 50 МН.

Чем меньше номинальная нагрузка, тем чувствительнее датчик силы. Преобразователи с номинальной нагрузкой в ​​диапазоне нескольких десятков ньютонов могут быть повреждены или разрушены силами, которые прилагаются во время манипуляции. Если к датчику приложена сила, значительно превышающая его номинальную нагрузку, механические компоненты могут быть нагружены за пределы их предела упругой деформации. Прежде всего, это означает, что измеренные значения датчика больше не могут быть воспроизведены. Кроме того, материал датчика и материал измерительной сетки измерительных полос могут быть нагружены до разрушающей нагрузки, в результате чего упругие свойства безвозвратно теряются. Соотношение между приложенной силой и траекторией деформации датчика больше не воспроизводится.

Типы

Существует множество типов датчиков силы пружины, некоторые из которых перечислены ниже:

  • Гибочная балка
Изгиб луча для измерения реакции крутящего момента на водяной вихревой тормоз WX-40 ВЭБ Spezialfahrzeugwerk Берлин
В случае балки тензодатчики прикрепляются к балке (рычагу). Рычаг прикреплен на одной стороне и сила приложена на противоположной стороне. Рычаг упруго изогнут, что также изменяет удлинение тензодатчиков, прикрепленных вдоль вверху и внизу. Этот тип конструкции в основном используется для высокоточных измерений. Он может подвергаться как сжатию, так и растяжению.
Дополнительно или исключительно можно измерить сдвиг (поперечная балка).
  • Кольцо пружины кручения
Принцип кольцевой пружины кручения очень часто используется в конструкции промышленных преобразователей силы. Тороидальное тело подвергается действию силы изнутри, встречный подшипник - снаружи. Под действием нагрузки торсионная пружина испытывает постоянное скручивание, которое сжимает верх и растягивает низ. Тензодатчики соответственно приложены к верхней и нижней части корпуса пружины.
Особое преимущество этой конструкции состоит в том, что эти датчики силы реагируют на поперечную силу эллиптической деформацией, которая практически не меняет общую деформацию соответствующих измерительных полос. Это делает датчики силы этого типа особенно устойчивыми к паразитным силовым воздействиям, таким как изгибающие моменты и поперечные силы.
  • S-образный пружинный корпус
Корпус пружины имеет форму S. Сила прилагается вертикально. Измерение изгиба находится на средней полосе. Датчики веса этого типа отличаются компактной конструкцией, высокой надежностью и точностью, они менее чувствительны к боковым силам по сравнению с изгибающимися балками.
  • Расширительный цилиндр
Цилиндрическое тело нагружается в направлении его первой главной оси. Это приводит к расширению в направлении первой главной оси и поперечному сжатию в направлении второй главной оси. Расширительные цилиндры просты в изготовлении и очень прочные. Их недостаток - очень высокая чувствительность к допускам изготовления в точках приложения силы и паразитным силовым воздействиям. Следовательно, эти конструкции предпочтительны в меганьютонном диапазоне, где допускаются более высокие погрешности измерения.
  • Расширительный цилиндр с полым корпусом
Как расширяющийся цилиндр, но выполнен в виде полого тела. Такие датчики особенно подходят для очень высоких сил в диапазоне высоких меганьютонов; эти устройства в настоящее время используются до 30 МН.
Тензодатчики определяют деформации, которые должны быть достигнуты при полной нагрузке, поэтому радиусы также указаны для твердого тела. Однако при очень высоких нагрузках эти параметры часто слишком малы и больше не соответствуют геометрическим или кинематическим граничным условиям соответствующего приложения. Решение состоит в том, чтобы спроектировать полое тело, номинальный диаметр которого может изменяться в определенных пределах, с тем же поперечным сечением и, следовательно, с таким же первым основным расширением.
По этому принципу часто изготавливают крупногабаритные преобразователи давления.
  • Корпус диафрагменной пружины
Корпус диафрагмы связан с кольцевой пружиной кручения. Мембранная структура реализована между приложением нагрузки и снятием нагрузки в датчике силы, который испытывает изгибающую нагрузку, когда зажимной момент блокируется с обеих сторон. В результате гибкая мембрана демонстрирует S-образный сон, типичный для этого случая нагрузки под нагрузкой. Этот факт помогает применять тензодатчики и их подключение к измерительному мосту Уитстона таким образом, чтобы всегда были две области с отрицательным и две области с положительным расширением.

Пьезоэлектрический преобразователь силы

В пьезокерамическом элементе действие силы создает распределение заряда, пропорциональное силе. Если этот заряд измеряется с помощью усилителя заряда , проблем с изоляцией из-за короткого замыкания чувствительного элемента нет. Если, с другой стороны, вы используете простое преобразование в напряжение через параллельную емкость, вы не добьетесь хороших результатов из-за быстрой разрядки заряда при статической и квазистатической нагрузке.

В зависимости от типа кристаллической структуры пьезоэлемента могут быть измерены силы давления или сдвига. Силы растяжения можно измерить только с предварительным натягом. Пьезоэлектрические преобразователи силы могут быть очень жесткими и могут также измерять высокие динамические силы (до 60 кГц в зависимости от версии).

Датчик силы с вибрирующими элементами

Эти датчики силы используются только в особых случаях.

Например, можно измерить резонансную частоту струны, натянутой под действием силы.

В атомно-силовом микроскопе для измерения силы измеряется частота колебаний держателя сканирующей иглы. Когда он приближается к образцу, демпфирование и резонансная частота изменяются из-за сил Ван-дер-Ваальса .

Электродинамические преобразователи силы

Они работают так же, как электродинамический громкоговоритель ; ток через катушку в магнитном поле пропорционален силе, если он компенсирует отклонение; ЧАС. удерживает шпульку в фиксированном положении. Для этого требуются датчик положения и регулятор тока.

Подробно: электрический ток течет через движущуюся катушку , которая электромагнитно компенсирует несущую силу . Это осуществляется через электрическую цепь управления, которая поддерживает постоянное положение катушки. Емкостной или оптоэлектронный датчик положения измеряет положение катушки. Если на катушку действует сила, она погружается в горшок-магнит. Датчик положения распознает это и отправляет контрольную разницу в контроллер. Это увеличивает ток катушки настолько, что снова достигается исходное «нулевое положение». Результирующее увеличение тока пропорционально силе; положение одинаково в нагруженном и ненагруженном состоянии.

Такие датчики силы могут также точно измерять очень малые силы и, следовательно, являются u. а. Используется в прецизионных весах , мелкие остатках , аналитических весах и микро остатков до разрешения 0,1 мкг.

Датчики сопротивления

Эти датчики изменяют свое электрическое сопротивление при приложении силы . Одним из примеров этого являются так называемые датчики FSR . Они состоят из двух тонких фольг и встроенных в них проводящих структур. При максимальном давлении 100 Н / см² электрическое сопротивление падает с нескольких МОм примерно до 1 кОм.

Области применения

Датчики силы u. а. в весах , запрессованных устройствах , в кранах и экскаваторах для контроля нагрузки , а также в испытательной технике, например B. используется в универсальных испытательных машинах для измерения силы растяжения или сжатия . Другой областью применения является измерение реактивного момента водяных вихревых тормозов , вихретоковых тормозов и маятниковых машин с помощью рычага .

Смотри тоже

веб ссылки

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ http://www.ebe-gmbh.de/resources/News/PC_und_Industrie_S1_und_S138.pdf Емкостные датчики силы и крутящего момента с capaTEC в Руководстве по закупке Measurement Technology & Sensor Technology 2015 , страница 138, по состоянию на 9 мая 2018 г.