Тема 2.8 Датчики силы и момента
1. Получение противодействующей силы посредством электрически инертного деформированного тела, деформация которого измеряется с помощью подходящих датчиков.
2. Получение противодействующей силы посредством электрически активного деформированного тела, то есть изменение его макроскопических электрических или магнитных свойств под влиянием нагрузки.
3. Получение противодействующей силы посредством электромагнитной или электрической системы. Электрическая величина (ток, напряжение), необходимая для достижения состояния равновесия является мерой для действующей силы. Эти системы называются компенсационными системами измерения. Они находят применение прежде всего во взвешивающей технике, где предъявляются очень высокие требования с точности измерения и разрешающей способности.
Тема 2.8.1 Датчики силы/момента с тензорезисторами
Для наклеивания на деформируемые тела производители предлагают специальные клеи, составы, которые согласуются с материалом носителя и основой (сталь, алюминий и т.д.). Принципиально различают составы отвердевающие на холоду и отвердевающие при нагреве.
2.8.2 Оптические методы измерения силы
Наряду с тензорезисторами в комбинации с деформируемыми телами могут использоваться принципиально все физические методы, которые измеряют растяжение или сдвиг. В качестве примера последнего следует назвать чувствительные к положению фотодиоды. Их действие основано на фотоэлектрическом эффекте. Если фотоны попадают на подходящий материал, который в своей оболочке атома имеет электроны с малой энергией связи (например, кремний), то эти электроны "выбиваются" фотонами. Это приводит к возникновению электрического тока, который пропорционален потоку света.
Для использования в качестве системы измерения координат есть две возможности:
1. Два или более световых диодов располагают плотно один к другому и проецируют на них одно большое световое пятно. Если изменяется координата светового пятна на поверхности диода, то изменяется также их частотный ток. Рисунок показывает типичные случаи применения квадратных фотодиодов, с помощью которых можно детектировать движение светового пятна в одном или нескольких направлениях.
Рисунок – Квадратный фотодиод
2. Во втором случае используется так называемый «латеральный фотоэффект»: полоска фоточувствительного материала находится на ее концах. Если на этот материал попадает световое пятно, то возникает два частичных тока i1 и i2. (рисунок), разность которого пропорциональна сопротивлению участка цепи от световой точки до контакта и тем самым пропорциональна расстояниям светового пятна до контактов.
Рисунок – Ленточный фотодиод
2.8.3 Пьезоэлектрические датчики силы и момента
К важнейшим представителям датчиков силы и момента, которые имеют электрически активное деформируемое тело (группа 2) принадлежат пьезоэлектрические датчики силы. Они основываются на том же самом физическом эффекте, что и уже описанные выше пьезоэлектрические датчики ускорения. Связь между зарядом Q и силой F устанавливает соотношение:
Q = kpF
Величина kp является пьезоэлектрической константой и зависит наряду с материалом также от угла между уровями кристалла и измеряемой силой. Для кварцевого датчика, который использует продольный пьезоэффект, составляет kp = 2,3 · 10−12 A · с/Н.
2.8.4 Компенсационные методы измерения силы
Стоит назвать еще одного представителя третьей, основной группы принципов измерения силы, аналогично компенсационного измерения. На рисунке можно видеть принципиальную конструкцию компенсационных весов.
Измеряемая сила F действует на плечо рычага и ведет к его отклонению. Величина отклонения охватывается системой измерения перемещений. Через замкнутый контур регулирования устанавливается противодействующая сила, которая вновь устанавливает отклонение системы на нуль (компенсирует). Необходимое для этого электрическое управляющее воздействие пропорционально действующей силе. Для создания противодействующей силы обычно используются электромагнитные системы. Для измерения очень малых сил в диапазоне мкН – мН используются также электростатические системы.