Меню

Измерение крутящего момента при помощи датчика



Измерение крутящего момента при помощи датчика

Автор: к.т.н. Вильфрид Криммель. Перевод: АЛЬФА-СЕНСОР © 2010.
Вильфрид Криммель руководит калибровочной лабораторией на фирме Lorenz Messtechnik GmbH и работает в области измерительной техники крутящего момента с 1981 года.

Благодаря интеграции USB-интерфейса в цифровой датчик крутящего момента (см. рис. 1), удалось полностью отказаться от достаточно дорогих и сложных в управлении дополнительных измерительных усилителей. Кроме того, благодаря работающему по принципу Plug and Play USB-интерфейсу, датчик автоматически распознаётся компьютером, что позволяет начать измерения в течение нескольких секунд. Для отображения и анализа измерительного сигнала достаточно обычного компьютера. Перед началом эксплуатации необходимо лишь инсталлировать программное обеспечение и USB-драйвер на компьютере. Измеренные данные сохраняются в формате CSV и могут обрабатываться в любой программе табличной обработки (например, в MS Excel). Диаграмма сигнала, отображённая на мониторе, может быть сохранена на компьютере как BMP-файл. Таким образом, данный датчик идеален в тех случаях, когда крутящий момент нужно измерить быстро и просто, например, при конструировании, испытаниях, а так же при производстве, например, при проверке производственного оборудования.

Устройство современного датчика крутящего момента.

Устройство современного датчика крутящего момента представлено на рис. 2. На находящемся в корпусе валу имеется суженное место, где наклеены тензорезисторы. На валу так же находится электроника. На корпусе располагается дополнительная электроника и USB-разъем для электрического подключения датчика. Для передачи сигнала и энергии служат два вращающихся трансформатора. Такой трансформатор состоит из двух расположенных концентрически друг к друг катушек. Причём одна катушка закреплена на роторе, а другая — на статоре. При опции «частота вращения» или «угол поворота» присутствует генератор импульсов.

Принцип функционирования электроники

Как уже было показано выше, измерение крутящего момента происходит посредством тензорезисторов на вращающемся валу. Снятый сигнал тотчас же усиливается, оцифровывается и попадает в процессор, который обрабатывает его для передачи через трансформаторный транслятор в форме последовательного кода (рис. 3). Большое преимущество данного транслятора в его двухстороннем применении. Сигналы могут передаваться как от вращающегося ротора к статору, так и в противоположном направлении. Типичным примером передачи команд является контрольное включение для проверки датчика. Так же через трансформаторный транслятор происходит питание вращающейся электроники.
В статоре сигнал с данными измерения обрабатывается и преобразуется в процессоре в последовательный сигнал. Далее следует конвертер, который отвечает за конвертирование последовательных данных в USB-протокол. В заключение, данные передаются по USB-интерфейсу на компьютер.

Использование процессоров позволяет сохранить в датчике крутящего момента такие данные, как серийный номер, калибровочные значения, измерительный диапазон, дату калибровки и т.д. Эти данные считываются программным обеспечением для автоматической конфигурации, что ведёт к повышению надёжности работы измерительного устройства.Так как для питания датчика используется постоянное напряжение 5 В от USB-интефейса, нет необходимости в дополнительных источниках питания.

Измерение угла поворота и частоты вращения

Снятие значений угла и частоты вращения происходит двумя различными способами. При угле поворота у TTL-сигнала углового датчика обрабатываются только вертикальные фронты. Таким образом получается разрешение в ¼°. Информация о направлении вращения берётся из фазового смещения двух каналов угла. Датчик выдает не обычный TTL-сигнал, а уже подготовленный сигнал в градусах. Тем самым к измеренному моменту всегда выдаётся соответствующий угол.

Измерение частоты вращения происходит другим путём. Здесь проводится продолжительный замер периодов и отсюда определяется частота вращения. Также и в этом случае выдаётся не TTL-сигнал, а уже скорость вращения в мин -1 . Как при измерении частоты вращения так и при измерении угла поворота результат выдаётся датчиком значением в 16 бит.

Передача данных через USB

USB — это вид интерфейсов для звёздоподобного подключения к компьютеру до 124 периферийных приборов, таких как принтер, цифровая камера, мышка, сканер, измерительные приборы и прочие. USB-приборы могут быть подключены и снова отключены во время работы. Таким образом они имеют hot-plugging и plug & play — качества. При наличии драйвера на на компьютере операционная система автоматически распознаёт подключение прибора. В противном случае запрашивается инсталляция драйвера. Через USB могут передаваться данные со скоростью до 480 Мбит/с, что для измерительных нужд вполне достаточно.
Коммуникация с датчиком происходит при помощи разработанного фирмой Лоренц протокола (рис. 4). Он содержит определённое число команд, которые служат для конфигурации датчика. Как пример тут можно назвать частоту измерений, которая устанавливается до значения 2500 измерений в секунду. Передача данных подстрахована контрольными суммами и обеспечивает наивысшую надёжность данных.
Протокол USB-интерфейса применяется при передаче данных между компьютером и датчиком. Поэтому команды протокола Лоренца с измерительными величинами формируются в пакеты данных и передаются по протоколу USB. Таким образом, такие элементы, как данные измерений, управляющие команды, контрольные суммы и т.д. туннелизируются шиной USB. Коммуникация между датчиком и проинсталлированным на компьютере программным обеспечением происходит как показано на рис. 4.

Последовательный сигнал после процессора соответствует протоколу интерфейса RS232. Этот сигнал преобразуется в конвертере в USB-подключение с соответствующим USB-протоколом. Драйвер, установленный на компьютере, перенимает на себя коммуникацию через USB-интерфейс и возвращает последовательный сигнал обратно. Таким образом, поставляемое с датчиком программное обеспечение видит не USB-интерфейс, а COM-порт (последовательный интерфейс), который виртуально представляется драйвером. Во время коммуникации компьютера с датчиком компьютер отправляет команды датчику, который их обрабатывает и исполняет. Так как внутри симулируется последовательный интерфейс, скорость передачи в бодах для передатчика и приёмника должна выставляться и быть идентичной. Это происходит, конечно же, автоматически, благодаря программному обеспечению.
Передача данных происходит как для измеренных значений крутящего момента, так и для угла и скорости вращения как 16-ти битное машинное слово. Таким образом через USB-интерфейс передаётся не больше 2 Мбит данных в секунду. И мы видим, что только малая часть возможной передачи используется датчиком крутящего момента. Даже у соединения USB 1.1 возможная ширина передачи в 12 Мбит/с только частично востребуется датчиком.

Коммуникационное программное обеспечение

Поставляемое вместе с датчиком коммуникационное программное обеспечение (рис. 5) инсталлируется вместе с драйвером на компьютере. После электрического подключения датчика программа распознаёт его и настраивает себя автоматически. В заключение можно тотчас же начинать измерения. Коммуникационное программное обеспечение записывает одновременно крутящий момент, угол и частоту вращения датчика соответственно, в зависимости от исполнения датчика. Из крутящего момента и скорости вращения программа высчитывает механическую мощность и показывает все измеренные и вычисленные значения. Единицы измерения выставляются индивидуально. Даже англо-американская система единиц может быть выбрана. Также можно выбрать триггерную схему функционирования через ручную настройку старта и стопа триггера. Само собой разумеется, можно установить скорость измерений, вид представления измеренных данных, вычисление среднего значения и т.д. Графическое отображение измеренных значений с различными возможностями конфигурации происходит в зоне диаграмм программного обеспечения.

Измеренные значения могут быть экспортированы в CSV-файл и обрабатываться дальше при помощи обычной программы табличной обработки данных. Сохранение графического отображения происходит в виде растровой графики в формате BMP. Кроме того возможна пользовательская настройка датчика. При этом через нулевой пункт и юстировочное значение прокладывается прямая и таким образом датчику присваивается новая юстировочная кривая. Это применяется, например, в том случае, когда датчик при калибровке нужно заново отъюстировать. Заводская юстировка в этом случае не активна, но через стирание пользовательской юстировки может быть снова активирована.

Применение в испытательных стендах

Испытательные стенды (рис. 6) состоят, как правило, из тормозного устройства и испытуемого образца, между которыми свободно встроен датчик с двумя половинчатыми муфтами. Муфты применяются для сглаживания неминуемого смещения валов, так как из-за смещения валов на датчик могут действовать неопределимо большие сторонние силы, ведущие к ошибкам в измерении момента. Испытуемый образец фиксируется в призматической направляющей при помощи зажима. Причём выравнивание образца происходит посредством смещения по осям Y и Z. Пружинные клеммы обеспечивают быстрое и надёжное электрическое подключение испытуемого образца.

Источник

ИЗМЕРЕНИЕ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

При исследовании и контроле над работой различных устройств и агрегатов (двигателей, насосов, компрессоров, генераторов и т.д.) часто возникает необходимость измерения крутящего момента на валу устройства.

Крутящий момент на валу электродвигателя приближенно можно измерять обычным ваттметром при одновременном измерении частоты вращения. Крутящий момент однозначно определяется мощностью и частотой вращения из известных зависимостей. Однако здесь следует иметь ввиду, что, измеряя ток и напряжение, определяющие мощность, мы опроеделяем не фактическую мощность на валу двигателя, а его электрическую мощность, которую можно перевести в механическую только при условии, что достаточно точно известна электромеханическая характеристика электродвигателя. Это не всегда возможно, поэтому такой способ измерения используется только в том случае, когда передаваемый (или потребляемый приводимым двигателем объектом) крутящий момент не является предметом исследования.

Читайте также:  Как измерить действующее значение напряжения переменного тока

В том случае, если крутящий момент необходимо измерять достаточно точно, применяются в основном два способа: измерение с помощью так называемых мотор-весов и измерение с помощью тензометрических датчиков крутящего момента.

Мотор-весы представляют собой укрепленную на оси платформу, на которой устанавливается испытываемый объект (рис. 17.1).

Рис. 17.1. Схема мотор-весов для измерения крутящего момента (а – с применением противовеса, б – с применением датчика силы): 1. Объект испытаний. 2. Платформа. 3. Ось на подшипниках. 4. Набор уравновешивающих грузов. 5. Кронштейн. 6. Датчик силы (тензодатчик). 7. Упор

При использовании противовесов (рис. 17.1а) практически невозможно измерять переменный крутящий момент и точно подобрать вес грузов 4, т.к. платформа в этом варианте является неустойчивой, и невыполнение условия F∙R = МКР может привести к ее колебаниям.

При использовании тензодатчиков 6 (рис. 17.1б) проблемы неустойчивости нет, а при установке датчиков 6 с обеих сторон при Δ

0 устройство может измерять крутящий момент, изменяющий не только величину, но и направление.

Промышленностью выпускаются также неподвижные тензодатчики крутящего момента, которые можно использовать в устройствах, напоминающих мотор-весы (рис. 17.2).

Рис. 17.2. Пример схемы измерения крутящего момента электродвигателя мотор-весами и неподвижным тензодатчиком: 1. Неподвижная платформа. 2. Насос. 3. Ременная передача. 4. Подвижная платформа. 5. Ось вращения подвижной платформы. 6. Подшипник оси. 7. Электродвигатель. 8. Муфта. 9. Неподвижный тензодатчик крутящего момента

В этой конструкции тензодатчик 9 может измерять переменный по величине и направлению крутящий момент. Ось электродвигателя 7 с максимальной точностью совпадает с осью подшипника 6 и датчика 9.

Выпускаются также вращающиеся тензодатчики крутящего момента, которые при свеем применении требуют использования токосъемных устройств.

И в неподвижных, и во вращающихся тензодатчиках чаще всего измерение производится тензорезисторами, наклеенными на упругий вал в направлении его «скручивания» под действием крутящего момента. Как правило, современные промышленные датчики имеют вторичные приборы, проградуированные в единицах крутящего момента (Н∙м) и снабженные цифровым выходом на ЭВМ.

В лабораторных условиях, когда по каким-либо объективным причинам нет возможности использовать готовые тензодатчики крутящего момента, можно использовать простой датчик, схема которого приведена на рис. 17.3.

Крутящий момент создает на измерительной балке 3 усилие, которое приводит к изменению сопротивления основного измерительного тензорезистора, наклеенного на боковую поверхность балки. Компенсационный тензорезистор наклеен сверху и не претерпевает растяжения или сжатия при изгибе балки.

В качестве балки 4 с тензорезисторами 5 можно использовать также готовый тензодатчик балочного типа.

Сигнал с тензорезисторов (или с промышленного тензодатчика) подводится к кольцевым проводникам токосъемного устройства 7, а затем с помощью графитовых щеток передается на вторичный прибор (тензостанцию), после чего выводится на показывающий прибор, или через АЦП – в ЭВМ.

Использование готового тензодатчика балочного типа предпочтительнее, т.к. отпадает необходимость тарировки. Кроме того, во многих серийных тензодатчиках сразу имеется усилитель и АЦП, в связи с чем его сигнал может быть непосредственно послан в ЭВМ.

При измерении параметров вращающихся объектов очень часто имеется необходимость фиксации частоты вращения (частоты двойных ходов), а также определенных положений вала объекта, например – верхней или нижней мертвой точки поршневых машин, крайних положений гидро- или пневмоцилиндров и т.д. С этой целью чаще всего используют оптоэлектронные пары, магнитные управляемы герметичные контакты (герконы) и индукционные датчики.

В случаях применения оптоэлектронной пары для контроля частоты вращения или положений вала, на вращающийся вал устройства надевают диск с узкой прорезью и устанавливают на одной линии с одной стороны диска источник света, а на другой стороне – приемник (фоторезистор или фотодиод), которые включают в соответствующие измерительные схемы. При прохождении прорези между источником и приемником света электрические параметры последнего изменяются, появляется сигнал, который фиксируется измерительной аппаратурой. Для определения частоты вращения производят подсчет таких сигналов за единицу времени, или определяют временной интервал между соседними сигналами. Световой проход узкой щели выбирается в пределах нескольких десятых долей миллиметра и зависит от яркости источника света, чувствительности приемника, частоты вращения и расстояния оптоэлектронной пары от оси вращения. Чем больше это расстояние, тем шире может быть щель. Частота срабатываний такого устройства составляет сотни Гц.

Герконы очень просты по конструкции и надежны в эксплуатации. Они представляют собой два упругих проводника с магнитными свойствами, помещенные в общую стеклянную (или любую другую диэлектрическую) капсулу (рис. 17.4)

Рис. 17.4. Конструктивная схема простого геркона: 1. Выводы. 2. Стеклянная капсула. 3. Магнитоуправляемые упругие контакты

При наложении на геркон магнитного поля его контакты притягиваются друг к другу и геркон начинает пропускать электрический ток. Герконы достаточно миниатюрные устройства, диаметр капсулы может быть менее 2 мм при длине 5-6 мм. Частота их срабатываний может составлять сотни Гц.

Чаще всего управляют работой геркона постоянным магнитом, который крепится на подвижную часть устройства, положение которого хотят зафиксировать. При приближении магнита к геркону его контакты замыкаются. На рис. 17.5. приведена простейшая схема управления работой геркона.

Рис. 17.5. Простейшая схема включения геркона: 1. Подвижный объект. 2. Постоянный магнит. 3. Геркон. G — источник питания. R – переменный резистор для регулировки напряжения и тока выходного сигнала

Недостатком герконов является невозможность работы с большими токами, но в данном случае, при использовании его в качестве датчика, можно ограничиться током всего лишь в десятки миллиампер. Еще один недостаток — ограниченное число срабатываний до разрушения контактов. Оно составляет около 10 8 – 10 10 раз и более.

Простейший индукционный датчик представляет собой катушку индуктивности, намотанную на стальном сердечнике из магнитомягкой (легко перемагничиваемой) стали. При попадании датчика в переменное (изменяющееся) магнитное поле в катушке возникает ЭДС индукции, которая и является выходным сигналом датчика. Схема включения такого датчика аналогична схеме включения геркона (рис. 17.6).

Рис. 17.6 Простейшая схема включения индукционного датчика: 1. Подвижный объект. 2. Постоянный магнит. 3. Сердечник. 4. Катушка индуктивности R ‑ переменный резистор для регулировки напряжения и тока выходного сигнала

Как и оптоэлектронный датчик, данное устройство не имеет подвижных частей и не изнашивается во время работы. Основной недостаток таких датчиков – существенная зависимость уровня сигнала от скорости изменения магнитного поля, в связи с чем его невозможно использовать для контроля медленно перемещающихся (в т.ч. вращающихся) объектов.

| следующая лекция ==>
| Операции на печени, желчном пузыре, желчных путях, поджелудочной железе

Дата добавления: 2016-04-19 ; просмотров: 9627 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Датчики силы и момента

Датчики силы и момента являются неотъемлемым компонентом измерительной системы автомобиля. Они являются поставщиком исходных данных в системах автоматического управления. Процесс измерения включает в себя ряд последовательных операций, которые протекают как на физическом, так и на электрическом уровнях. Вот о том, какими бывают датчики силы и момента в автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

Что измеряют датчики силы и момента

Датчики силы и моменты используются в ав­томобилях для определения многочисленных переменных:

  • Сила сцепления между тягачом и прице­пом или полуприцепом для регулируемого торможения без воздействия сил (отсут­ствие сил растяжения и сдвига на сцепке при торможении);
  • Сила амортизации для электронных си­стем управления подвеской;
  • Осевая нагрузка для систем электронного управления распределением тормозного усилия для автомобилей большой грузо­подъемности;
  • Усилие на педали для систем ­управляемых электроникой тормозных систем;
  • Тормозное усилие для управляемых электроникой тормозных систем;
  • Крутящий момент привода и тормозной момент;
  • Крутящий момент на рулевом колесе или в усилителе рулевого управления;
  • Защита пальцев пассажиров в стеклоподъ­емниках и люках с электроприводом;
  • Силы на колесах;
  • Вес пассажиров автомобиля (для систем защиты пассажиров).
Читайте также:  Как измерить ток утечки тэна

Во многих случаях начальные разработки не привели к ожидаемым результатам из-за чрезмерных затрат на достижение заявлен­ной точности систем, в которых нужно было устанавливать датчики. Вопреки ожиданиям, оказалось невозможным снизить затраты на производство хороших датчиков крутящего момента ниже уровня затрат на датчики дав­ления и ускорения. На самом деле датчики крутящего момента стоят дороже. Дело усложняется, и это особенно относится к датчикам крутящего момента, когда изме­ряемый параметр должен передаваться бес­контактными методами с вращающегося вала (например, рулевого или приводного вала) на датчик, установленный на шасси. Токо­сборные контактные кольца неприемлемы в автомобиле.

Поскольку любая форма измерения лишь части силы и момента очень проблематична и легко может привести к искажению ре­зультатов, датчики силы и момента должны непосредственно подключаться к потоку энергии (иными словами, через них должна проходить полная измеряемая переменная). Для этого нужно отсечь компоненты, не­сущие силу и момент, чтобы можно было установить ранее проверяемые датчики. Это часто приводит к проблемам. Но даже если не нужно отсекать компоненты, несущие силу и момент, а механические элементы использу­ются в качестве измерительных пружин, ко­торые требуют модификации для установки чувствительных элементов, то все равно не­обходима четкая договоренность с изготови­телем этих компонентов.

В силу конструкции размер датчиков силы напрямую зависит от диапазона измерения. Хотя, благодаря запросам автопромышленно­сти, и существуют компактные датчики силы и момента, они обеспечивают достаточную точность измерений только при воздействии сил на датчик точно определенным образом, что обычно имеет место лишь в лабораторных условиях. Допуски и нарушение регулировки, обычно встречающиеся на практике, диктуют необ­ходимость подключения гомогенизирующих элементов, которые в свою очередь делают датчики слишком большими.

Принципы измерения датчиков силы и момента

Говоря о датчиках силы и момента, следует различать статический и динамический принципы измерения, а также принципы измерения, основанные на смещении и ме­ханическом напряжении. До сих пор были востребованы, большей частью, статические датчики, при этом для датчиков силы пред­почтительными были принципы измерения неупругих нагрузок. В настоящее время для измерения момента на рулевом колесе при­емлемы системы с «мягкими» упругими датчиками, которые также могут содержать датчики измерения угла. Это возможно, в частности, потому, что эта характеристика показала себя приемлемой в более ранних гидравлических системах, не имевших дат­чиков. Для определения силы и крутящего момента, в том числе и в промышленности, чаще всего используются магнитно-эффек­тивные катушечные системы.

Однако в последнее время стали использо­ваться и магнитостатические датчики Холла, измеряющие смещение (например, определение веса пассажира), так что здесь можно использовать массово производимые микро- структурированные элементы. Несмотря на общеизвестные проблемы с загрязнением и затраты на установку, рассматриваются также оптоэлектронные датчики (например, для электронных систем усиления рулевого управления), позволяющие определять угол поворота с высоким разрешением одновре­менно с определением крутящего момента.

Датчики силы

Датчики измерения механической нагрузки

Магнитоэластичный принцип Ферромагнитные материалы под влиянием магнитного поля изменяют свою длину в на­правлении поля (эффект магнитострикции). Обратный эффект — изменение магнитных свойств при растягивании и сжатии — назы­вают магнитоэластичным эффектом. Этот эффект выражается в анизотропическом (на­правленном) поведении относительной маг­нитной проницаемости μr (отношение маг­нитной индукции В к напряженности магнитного поля H). Если она сохраняет оди­наковое значение в случае, когда отсутствуют силы во всех направлениях (изотропия), то под воздействием силы F она принимает за­висящее от материала значение (μri), не­сколько отличающееся по направлению силы, чем поперек направления силы rq) (рис. «Магнитоэластичный анизотропический эффект» ).

На самом деле изменение магнитной про­ницаемости по направлению силы истинно отражает знак силы. Несмотря на то, что этот эффект демонстрируют практически все ферромагнитные материалы, его можно оптимизировать путем использования опре­деленного сплава. К сожалению, материалы с хорошей линейностью, низким гистерезисом и низкой температурной чувствительностью не идентичны материалам, имеющим хоро­ший измерительный эффект. Таким обра­зом, эффект для метрологически оптими­зированных материалов все еще находится в диапазоне нескольких процентов и требует электронного усиления.

Преимуществом магнитоэластичного эффекта, с одной стороны, является боль­шой диапазон температур (около 300 °С). С другой стороны, это дает выраженный объ­емный эффект. Это означает, что катушки, используемые для обнаружения изменений, не только регистрируют локальное измене­ние проницаемости, вызванное воздействием силы (как, например, у тензометрических датчиков), но на показания в большей или меньшей степени влияет на все поперечное сечение катушки. Это делает датчик чуть ме­нее чувствительным к возможности ассиметричного воздействия силы.

Поскольку изменения проницаемости в ре­зультате воздействия силы практически всегда регистрируются с помощью переменных по­лей, то необходимо соблюдать глубину про­никновения этих полей, которая очень сильно зависит от частоты. Чтобы максимально ис­пользовать измерительный эффект, магнит­ноактивный воздушный зазор должен быть как можно меньше. Часто это означает, что магнитноактивный измерительный контур за­мыкается ферромагнитным материалом, даже если он не включен в магнитный поток.

Для использования эффекта напряжен­ность поля H питающей катушки не должна быть параллельна воздействующей силе. Под воздействием силы она изменяет не только магнитную индукцию В, но и ее направление (из-за анизотропии проницаемости). Если ис­ходить из того, что при отсутствии силы Н и В направлены параллельно, то при воздей­ствии силы и ее возрастании они будут при­нимать все более разные направления Это можно использовать как особое преимуще­ство для регулирования индуктивной связи двух катушек, пересекающихся под углом 90° для измерения (рис. «Магнитоэластичный датчик силы растяжения сжатия, работающий по принципу кроссдуктора» ).

Принцип тензометрического (пьезорезистив­ного) датчика

Тензометрические резисторы представляют собой наиболее распространенный и, пожа­луй, самый надежный и точный метод измере­ния силы и момента (рис. «Тензометрические датчики силы» ). Их принцип дей­ствия основан на наличии в измеряемой зоне эластичного элемента, к которому применим закон Гука, пропорциональной связи между механическим напряжением в этом элементе а, вызванным воздействием силы, и возника­ющей деформацией е. Согласно закону Гука:

ε = Δl/l = σ/E

где: Е — модуль упругости.

Поскольку из­меряется не непосредственно напряжение в результате воздействия силы, а возникающая деформация, то тензометрический метод можно рассматривать как метод косвенного измерения. Например, при уменьшении мо­дуля эластичности на 3% при температуре более 100 К, что нормально для металлов, сила, выдаваемая тензометрическим мето­дом 3% слишком велика. Тензометрические резисторы соединяются как пленочные ре­зисторы — в отличие от постоянно открытых тензометров — с поверхностью выбранного эластичного элемента таким образом, чтобы они в точности следовали его поверхност­ной деформации. Изменение сопротивления вследствие деформации резистора опреде­ляется коэффициентом К данного резистора (см. «Датчики давления»):

ΔR/R = σ/E

У металлооксидных резисторов коэффи­циент К обычно не превышает 2. Реакция температуры резистора устраняется за счет того, что тензометры обычно крепятся к эла­стичному элементу полумостом или мостом. Поскольку воздействия температуры приво­дят к таким же изменениям направления на тензометре, выходной сигнал отсутствует. Несмотря на высокий уровень точности и на­дежности, поскольку деформация и, соответ­ственно, изменения сопротивления нахо­дятся лишь в процентном диапазоне исходного состояния, тензометрические дат­чики генерируют выходное напряжение только в милливольтовом диапазоне. Они обычно требуют локального усиления.

Области применения датчиков силы

Как правило, чтобы измерить силу, нужно прикрепить очень маленькие тензометриче­ские резисторы к более крупным деталям, на которые воздействует сила, или эластичным элементам. Традиционный пленочный способ крепления тензометрических резисторов к эластичному элементу (применяется в таких устройствах, как высокоточные весы) недо­статочно дешев для экономичного производ­ства крупными партиями. Поэтому делаются первые попытки для применения недорогих, приемлемых для массового производства технологий пленочного/послойного нане­сения тензометрических резисторов на ма­ленькие металлические пластинки, которые затем впрессовываются или ввариваются в эластичный элемент.

Ортогональные печатные резисторы

Практически все электрические пленочные резисторы изменяют свое сопротивление не только под воздействием боковой дефор­мации, но и при вертикальном (ортогональ­ном) сжатии пленки. Так называемый «про­водящий пластик», широко используемый в потенциометрах, отличается здесь очень высокой чувствительностью. Также очень высокой чувствительностью обладают ме­таллокерамика и угольные слои. До опреде­ленного предела сопротивление упомянутых выше материалов большей частью умень­шается с ростом силы сжатия. Значения, которых можно достигнуть без постоянного изменения сопротивления, похожи на те, что применимы к боковой деформацию. Конечно, датчики этого типа подходят почти исключительно для нагрузки только путем сжатия, а не поперечной деформации.

Читайте также:  Момент инерции определение единицы измерения

Датчики силы, измеряющие смещение

В случае с уже подпружиненными автомо­бильными сиденьями не важно, имеет ли установленный датчик массы, измеряющий смещение, небольшую дополнительную упругость или нет.

Датчик веса на базе датчика Холла

На рис. «Датчик Холла для определения веса переднего пассажира» показано использование такого дат­чика силы, измеряющего смещение, при кото­ром с помощью датчика Холла измеряется эла­стичное отклонение в несколько десятых, миллиметра (принцип вращающегося тока). Датчик измеряет вес переднего пассажира, чтобы оптимально раскрывалась подушка безо­пасности. Для этого чисто механический болт, которым сиденье через поворотный рычаг кре­пится к направляющей, во всех четырех углах сиденья заменяется на «болт-датчик» (iBolt). Общий вес F в этом случае больше не переда­ется непосредственно от поворотного рычага на направляющую сиденья; вместо этого он пере­дается сначала через цилиндрический «стакан» и параллельно-направленную, вилкообразную фасонную двойную пружину. Конец, соединен­ный со стаканом, отклоняется пропорционально весу на несколько десятых миллиметра ( 1000 Н стакан (см. рис. Датчик Холла для определения веса переднего пассажира) соприкаса­ется с краем ножки измерительной пружины, что обеспечивает очень простую защиту от перегрузки. По общему виду всех четырех измерительных болтов можно определить не только вес переднего пассажира, но в опре­деленной степени его положение на сиденье.

Оптоволоконный датчик силы Датчики для измерения смещения также включают в себя оптоволоконные датчики, работающие по принципу микроизгиба (при­менение: например, системы защиты паль­цев при действии стеклоподъемников). Эти датчики уже протестированы с аналогичным успехом, как и контактные и деформаци­онные датчики, в панелях автомобильных дверей, где их можно использовать для своевременной инициации системы защиты пассажиров при боковом ударе.

Датчики момента

В случае с измерением момента, по существу, различают два процесса: измерение угла и ме­ханического напряжения. В отличие от методов измерения механического напряжения с исполь­зованием тензорезисторов или магнитоупругих датчиков, методы измерения углов (например, с помощью вихревых токов) требуют наличия вала определенной длины, работающего на кручение. Замеряются углы закручивания вала (приблизительно, в диапазоне 0,4…4,0°). Воз­никающее при этом механическое напряжение о, пропорциональное моменту, направлено под углом 45° к оси вала (рис.»Основные принципы измерения крутящего момента» ).

Все описанные ниже принципы подходят для бесконтактной передачи измеряемых значений, даже с вращающихся валов. В слу­чае с измерением момент на рулевом колесе также желательно, чтобы используемая си­стема очень точно измеряла угол поворота рулевого колеса (на полный оборот в 360°). Это отвечает духу модульной интеграции, и изменения при реализации должны быть незначительными.

Датчики измерения механической нагрузки. Тензометрические датчики

Здесь почти исключительное признание снискал тензометрический принцип (рис. «Тензодатчик крутящего момента с бесконтактным преобразователем» ). Для измерения механической нагрузки используется тензометрический мост, за­питываемый от преобразователя (выпрями­тель и управляющая электроника на валу, независимо от воздушного зазора). Другие локальные электронные компоненты на валу позволяют усилить измеряемый сигнал и преобразовать в сигнал переменного тока, не зависящий от воздушного зазора (напри­мер, частотно-аналоговый), который затем также может быть выведен с использова­нием бесконтактного преобразователя.

При крупных партиях электронные цепи на валу можно легко встроить в один чип. Датчики деформации можно без значительных затрат штамповать на готовой стальной болванке (например, по тонкопленочным техноло­гиям), которая затем приваривается к валу. Два кольцевых преобразователя, необходи­мых для передачи энергии и сигнала, можно недорого изготавливать из магнитомягкого формовочного материала. При такой схеме за счет приемлемых затрат может быть до­стигнут высокий уровень точности.

Датчик крутящего момента на базе этого принципа был разработан для электроусилителя руле­вого управления уровня образца А.

Датчики для измерения углов (торсионное измерение). Оптоэлектронные (магнитные) датчики

Определить угол скручивания относительно легко, если на каждом конце секции, подвер­гаемой измерению кручения (длиной 5-10 см) имеются два взаимно-инкрементных дат­чика скорости вращения или бесконтактный датчик абсолютного измерения (аналоговый или цифровой) углового перемещения. Раз­ность их выходных сигналов Ф21 опреде­ляет угол скручивания:

где L длина торсионной секции.

Этот метод до сих пор считался слишком сложным, поскольку для адекватной точ­ности требуются исключительно точные подшипники, а также соответственно точное угловое или инкрементное деление по всей пе­риферии. Тем не менее, продолжаются пои­ски путей решения этой проблемы (магнитно или оптически, рис. «Оптоэлектронный датчик, измеряющий момент на рулевом колесе по разности углов» ), потому что такая система имела бы два явных преимущества:

  • Возможность одновременного измерения угла поворота в этой же системе;
  • Возможность измерения без необходимо­сти значительных модификаций торси­онного вала, так чтобы датчик мог быть сменным (вставным), с обеспечением эффективного интерфейса для поставляе­мых компонентов.

Высокоточное измерение углового положе­ния можно выполнить, например, по прин­ципу Вернье. Здесь окружность вала отме­чается синусоидальной меткой, при этом на окружности умещается общее количество периодов синусоиды, равное N. В отличие от чисто инкрементной метки, которая обеспе­чила бы лишь разрешение 1/N длины окруж­ности при том же количестве периодов, эта синусоидная структура сигнала теоретически допускает любое разрешение по окружности путем применения функции арксинуса в от­дельных синусоидальных периодах. Однако это разрешение можно использовать, только если известно, в каком из N периодов мы на­ходимся.

Однозначности можно добиться путем до­бавления в окружность второй метки с чуть меньшей пространственной частотой, в кото­рой только N1 синусоидальных периодов умещаются на окружности. Хотя два сигнала не могут обеспечить четких сигналов для из­мерения углового положения, можно по фа­зовой разности Δφ между двумя сигналами определить синусодальный период, в кото­ром мы находимся. Это происходит потому, что фазовая разность между двумя сигналами изменяется по всей длине окружности ровно на 360°. Это можно увидеть на рис. «Датчик углового положения, работающий по принципу Вернье» на при­мере N = 10. Если фазовая разность между двумя сигналами, к примеру, находится в ди­апазоне 36-72°, то мы находимся во втором синусоидальном периоде: если она находится в диапазоне 216—252° то мы находимся в шестом периоде. Точный угол измерения Ф в этом случае получается путем добавления в первом случае угла 36°, а во втором — 216° к измеренному, yj еще не четкому сиг­налу φ.

Однако на практике функция арксинуса не используется для высокого разрешения от­дельных синусоидальных периодов, так как для этого пришлось бы гарантировать посто­янную и нормализованную амплитуду сигнала. Вместо этого рядом с синусоидальной меткой вводится вторая, косинусоидальная метка, на­ходящаяся точно в квадратуре с первой (сдвиг по фазе на 90°). Из-за пространственной бли­зости можно допустить что обе метки считы­ваются с одинаковой амплитудой й таким об­разом, чтобы угол φ можно было определить в пределах синусоидального периода с помо­щью функции арктангенса по двум отдельным сигналам u1 и и2 независимо от и:

Таким образом, для отделения точного и однозначного угла поворота Ф всего требу­ется четыре метки. Поэтому датчику момента и угла поворота на рулевом колесе (TAS, рис. «Оптоэлектронный датчик, измеряющий момент на рулевом колесе по разности углов» ) в общей сложности требуется восемь оптоэлектронно считываемых меток для из­мерения двух углов Ф1 и Ф2 Его точность в диапазоне 360° составляет 1°, угловое раз­решение равно 0,0055» и разрешение диф­ференциального угла Δφ равно 0,0044° с диапазоном измерение ≠ 9°.

Датчики вихревых токов

К обоим концам достаточно длинной секции измерительного вала лепятся две втулки из токопроводящего алюминия с прорезями. Они вставляются одна в другую (рис. «Датчик измерения крутящего момента на основе вихревых токов» ).

Каж­дая втулка имеет два ряда прорезей, чтобы при повороте вала его выло лучше видно че­рез один ряд прорезей и хуже через другой. Это приводит увеличению или уменьшению затухания у двух высокочастотных обмоток (около 1 МГц), расположенных над каждым рядом прорезей, так что соответственно ме­няется и индуктивность обмоток.

Для дости­жения заданной точности втулки с прорезями должны изготавливаться и собираться с со­ответственно высокой точностью. Электронику следует размещать как можно ближе к обмоткам.

Этот принцип был разработан для автопромышленности, но затем нашел применение только в электроинстру­ментах (определение крутящего момента в профессиональных шуруповертах). Однако одна японская компания, доработала этот принцип для ис­пользования в автомобилях.

Источник