Раздел 4

4.Выбор и расчет компонентов средства измерения

4.1.Выбор и расчет первичного измерительного преобразователя

Для измерения деформаций, напряжений, усилий, давлений, крутящих моментов и других физических величин применяют тензорезистивные датчики и приборы построены на основе тензорезистивных чувствительных элементов – тензорезисторов. Измерение механических Тензорезисторов основан на том, что если проводник или полупроводник наклеить на массивную деталь,

подвергающуюся механическим деформациям, или на упругий чувствительный элемент, к которому приложено усилие, давление, крутящий момент и т. п., то по изменению сопротивления тензорезистора можно судить об измеряемом параметре.

1 Классификация тензорезисторов (по конструкции):

1.проволочные;

2.жидкопроводниковые;

3.фольговые;

4.пленочные;

5.полупроводниковые дискретного типа;

6.интегральные полупроводниковые.

Для измерения массы груза на подвесном конвейере будем использовать проволочный тензорезистор.

Проволочные тензорезисторы имеют в качестве чувствительного элемента решетку, выполненную из тонкой проволоки диаметром от 2 до 50 мкм,

полученной методом волочения (при диаметрах 10—50 мкм) или методом микрометаллургии (литой микропровод в стеклянной изоляции с диаметром жилы от 2 до 6 мкм).

Минимальная база датчика для проволочных тензорезисторов S = 2 мм,

предел измеряемых деформаций 1%, номинальное сопротивление 50—1000 Ом.

Проводники, употребляемые для выводов, могут быть проволочные и

УО «ВГТУ» КП.012 1-53 01 01-05 ПЗ

Таблица 4.1 – Параметры тензорезисторов

Для измерения силы с помощью тензорезисторов используют закон Гука,

согласно которому при упругой деформации механическое напряжение σ пропорционально относительной деформации ε:

где К – модуль упругости тензобалки.

Напряжением σ называется физическая величина, численно равная упругой силе F, приходящейся на единицу площади поперечного сечения балки S:

Используя приведенные выше соотношения, можно выразить величину силы через относительное изменение сопротивления тензорезистора в вид:

Подставляя вместо ε его значение из (4.4), получим:

Таким образом, измерение силы с помощью тензорезистора сводится к измерению его сопротивления или напряжения на выходе измерительного моста,

которое зависит от сопротивления.

Лист

УО «ВГТУ» КП.012 1-53 01 01-05 ПЗ

Исходя из второго закона Ньютона выражение для нахождения массы при

В данной работе будем использовать константановый тензорезистор с техническими характеристиками, представленными в таблице 4.2.

Таблица 4.2 – Характеристики используемого тензорезистора

Из уравнения 4.6 получим зависимость сопротивления от массы груза:

где S – площадь активной поверхности тензобалки, к которой прикреплен тензодатчик (0,0025 м2);

n - число проводников.

Подставив это значение в уравнение 4.7, получим:

Где Rm - сопротивление тензодатчика при массе m, кг;

Построим градуировочную характеристику тензорезистора используя выражение 4.8.

Лист

УО «ВГТУ» КП.012 1-53 01 01-05 ПЗ

Таблица 4.3 – Значение тензосопротивления при разной массе груза

Продолжение таблицы 4.3

4.2 Расчет и выбор вторичного измерительного преобразователя

Измерения с помощью тензодатчиков требуют регистрации очень малых изменений сопротивления.

Чтобы измерять малое изменение сопротивления и скомпенсировать температурную погрешность, тензодатчики практически всегда используют в мостовой схеме (мост Уитстона), подключенной к источнику напряжения или тока

(источнику питания моста).

Общепринятого стандарта для питания моста не существует. Ток через тензодатчик обычно составляет от 2 мА до 30 мА для датчиков с сопротивлением от 1

кОм до 120 Ом. Напряжение питания моста должно быть по возможности большим,

чтобы увеличить отношение сигнала к шуму, и в то же время достаточно малым, чтобы минимизировать погрешность, вызванную саморазогревом датчика.

Для проверки правильности калибровки измерительной схемы используют резистор с известным (калиброванным) значением сопротивления, которым шунтируют тензодатчик. Показания измерительной системы должны соответствовать расчетному значению, соответствующему этому сопротивлению.

Для питания вторичного измерительного преобразователя будем использовать источник питания с номинальным напряжением Uпит = 12 В.

В соседнее плечо измерительного моста необходимо добавить компенсационный тензорезистор Rm2 с идентичными характеристиками. Это позволит избежать дополнительной погрешности в измерениях, связанной с изменением сопротивления при изменении температуры.

Лист

УО «ВГТУ» КП.012 1-53 01 01-05 ПЗ

Таблица 4.3 – Значение выходного напряжения измерительного моста при

разной массе груза

4.3 Расчет и выбор усилителя

Рисунок 4.4 – Схема неинвертирующего усилителя на ОУ В схеме данного измерительного устройства входным сигналом

неинвертирующего усилителя является выходной сигнал измерительного моста Уитстона. Максимальное входное напряжение, которое соответствует максимальной измеряемой массе, равно 1.2348 10-6 В.

Для получения унифицированного сигнала 4-20 мА нам необходимо

Исходя из теории операционных усилителей:

Лист

УО «ВГТУ» КП.012 1-53 01 01-05 ПЗ