Что такое датчик момента
Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение
«Точность – вежливость королей!» В наше время актуальность этого средневекового французского афоризма только растет. Для проведения точных измерительных вычислений на производстве и в быту все шире используются приборы на основе тензометрических датчиков.
Что такое тензометрия и для чего нужны тензодатчики
Тензометрия (от лат. tensus — напряжённый) — это способ и методика измерения напряжённо-деформированного состояния измеряемого объекта или конструкции. Дело в том, что нельзя напрямую измерить механическое напряжение, поэтому задача состоит в измерении деформации объекта и вычислении напряжения при помощи специальных методик, учитывающих физические свойства материала.
В основе работы тензодатчиков лежит тензоэффект — это свойство твёрдых материалов изменять своё сопротивление при различных деформациях. Тензометрические датчики представляют собой устройства, которые измеряют упругую деформацию твердого тела и преобразуют её величину в электрический сигнал. Этот процесс происходит при изменении сопротивления проводника датчика при его растяжении и сжатии. Они являются основным элементом в приборах по измерению деформации твёрдых тел (например, деталей машин, конструкций, зданий).
Устройство и принцип работы
Основу тензодатчика составляет тензорезистор, оснащенный специальными контактами, закрепленными на передней части измерительной панели. В процессе измерения чувствительные контакты панели соприкасаются с объектом. Происходит их деформация, которая измеряется и преобразуется в электрический сигнал, передаваемый на элементы обработки и отображения измеряемой величины тензометрического датчика.
В зависимости от сферы функционального использования датчики различаются как по типам, так и по видам измеряемых величин. Важным фактором является требуемая точность измерения. Например, тензодатчик грузовых весов на выезде с хлебозавода совершенно не подойдет к электронным аптекарским весам, где важна каждая сотая часть грамма.
Рассмотрим более предметно виды и типы современных тензометрических датчиков.
Датчики крутящего момента
Датчики крутящего момента предназначены для измерения крутящего момента на вращающихся частях таких систем, как коленвал двигателя или рулевой колонки. Тензодатчики крутящего момента могут определять как статический, так и динамический момент контактным либо бесконтакным (телеметрическим) способом.
Тензодатчики балочного, консольного и кромочного типов
Эти типы датчиков изготавливают обычно на основе параллелограммной конструкции со встроенным элементом изгиба для высокой чувствительности и линейности измерений. Тензорезисторы в них закрепляются на чувствительных участках упругого элемента датчика и соединяются по схеме полного моста.
Конструктивно балочный тензодатчик имеет специальные отверстия для неравномерного распределения нагрузки и выявления деформаций сжатия и растяжения. Для получения максимального эффекта тензорезисторы по специальным меткам строго ориентируют на поверхности балки в ее самом тонком месте. Высокоточные и надежные датчики этого типа используют для создания многодатчиковых измерительных систем в платформенных или бункерных весах. Нашли они свое применение и в весовых дозаторах, фасовщиках сыпучих и жидких продуктов, измерителях натяжения тросов и других измерителях силовых нагрузок.
Тензодатчики силы растяжения и сжатия
Тензодатчики силы растяжения и сжатия, как правило, имеют S-образную форму, изготавливаются из алюминия и легированной нержавеющей стали. Предназначены для бункерных весов и дозаторов с пределом измерения от 0,2 до 20 тонн. S-образные тензодатчики силы растяжения и сжатия могут использоваться в станках по производству кабелей, тканей и волокон для контроля силы натяжения этих материалов.
Тензорезисторы проволочные и фольговые
Проволочные тензорезисторы делают в виде спирали из проволоки малого диаметра и крепят на упругом элементе или исследуемой детали с помощью клея. Их отличает:
Из недостатков отмечают низкую чувствительность, влияние температуры и влажности среды на погрешность измерения, возможность применения только в сфере упругих деформаций.
Фольговые тензорезисторы в настоящее время являются наиболее распространенным типом тензорезисторов из-за их высоких метрологических качеств и технологичности производства. Это стало доступным благодаря фотолитографической технологии их изготовления. Передовая технология позволяет получать одиночные тензорезисторы с базой от 0,3 мм, специализированные тензометрические розетки и цепочки тензорезисторов с широким рабочим температурным диапазоном от –240 до +1100 ºС в зависимости от свойств материалов измерительной решетки.
Преимущества и недостатки тензодатчиков
Широкое применение тензодатчики получили благодаря своим свойствам:
Из недостатков следует отметить:
Основные схемы подключения
Если длина проводов от весового тензодатчика до блока АЦП значительна, то сопротивление самих проводов будет влиять на показание весов. В этом случае целесообразно добавить цепь обратной связи, которая компенсирует падение напряжения путем корректировки погрешности от сопротивления проводов, вносимую в измерительную цепь. В этом случае схема подключения будет иметь три пары проводов: питания, измерения и компенсации потерь.
Примеры использования тензометрических датчиков
Простота, удобство и технологичность тензодатчиков — основные факторы для дальнейшего активного их внедрения, как в метрологические процессы, так и использования в повседневной жизни в качестве измерительных элементов бытовой техники.
Что такое КИП и А и чем занимаются специалисты службы: слесарь и инженер КИП и А
Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды
Как подключить и настроить датчик движения для управления освещением: электрические схемы подключения и настройка датчика
Что такое электроконтактный манометр, назначение, принцип работы, схема подключения и обзор популярных моделей
Что такое датчик Холла: принцип работы, устройство и способы проверки на работоспособность
Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы
Измерение момента вращения при помощи датчиков вращения
Как правило, измерение крутящего момента стационарного металлического вала не вызывает затруднений. В случае если предел упругости вала не превышен, величина скручивания вала пропорциональна действующему моменту вращения. Измерили градус скручивания; проверили Модуль Юнга для материала вала; применили формулу из Справочника Инженера, и вот Вы получили величину крутящего момента.
Измерение крутящего момента на непрерывно вращающемся вале — задача существенно более сложная. Существует несколько способов, с помощью которых можно ее решить, но наиболее часто используемым является расчет крутящего момента на основе данных о величине мощности, затрачиваемой на вращение вала. В реальности это обычно подразумевает измерение величины тока, приложенного к двигателю, обеспечивающему движение. Такое измерение просто, понятно, но весьма неточно из-за того, что потребление тока так же зависит от целого спектра факторов: скорости, напряжения источника питания, состояния подшипниковых узлов, температуры и т.д.
Измерение момента вращения с помощью тензометрических датчиков
Существенно более точным способом является измерение скручивания вала с помощью тензометрического датчика или датчика поверхностных акустических волн (ПАВ). Это точная, но очень сложная методика, требующая применения ВКУ или устройств беспроводной передачи данных между тензодатчиком на вращающемся валу и окружающим миром. Как и любой инженер, когда-либо имевший дело с тензометрией, выражусь резко — разница между теорией тензометрических измерений и практикой использования таких датчиков колоссальна. Тензометрическим датчикам присуще иметь большие температурные коэффициенты и свойство отрываться от поверхности измерения при ухудшении условий измерения. Определение крутящего момента с помощью тензодатчиков или датчиков ПАВ целесообразно в лабораторных условиях, но для большинства промышленных применений совершенно не реалистично.
Измерение крутящего момента с помощью угловых датчиков вращения
Существует другой способ. Он не новый, но, похоже, был успешно забыт. Впервые такой вариант был применен в 50-х годах прошлого века для измерения момента вращения в двигателях внутреннего сгорания — наиболее наглядно в турбореактивных двигателях тяжелых грузовых самолетов Hercules и C-130. Техники измеряли величину скручивания и, следовательно, момент вращения с помощью измерения величины фазового сдвига между двумя многопериодными резольверами, установленными и отъюстированными на валу. Термин «многопериодный» относится к выходу резольвера — так двухпериодный резольвер имеет циклический выходной сигнал, определяющий абсолютное положение с точностью 180°; 36ти-периодный резольвер имеет циклический выходной сигнал, определяющий абсолютное положение с точностью 10°.
При вращении вала каждый из резольверов выдает два сигнала: первый изменяется по синусоидальному закону, второй — по косинусоидальному. Для упрощения, на рисунке 1, приведенном ниже, показаны только два демодулированных синусоидальных сигнала.
Рисунок 1 — Измерение момента вращения с использованием многопериодных резольверов.
При приложении нулевого момента сигналы с обоих резольверов одинаковы и не имеют сдвига фаз. В случае, когда реальный момент приложен к валу сигнал одного резольвера имеет фазовый сдвиг относительно сигнала другого резольвера. Величина этого фазового сдвига прямо пропорциональна приложенному моменту. Используя многопериодные резольверы с большим числом циклов (например, 128), возможно даже при небольшой величине скручивания получить отклик в виде сравнительно большой величины фазового сдвига. Другими словами, эта методика достаточно прецизионна, чтобы измерять скручивание вала не только на величины менее 1°, но даже и на уровнях менее 0,1°. Из чего следует, что вал, на котором производится измерение, не обязательно должен быть длинным. Действительно, длина вала, необходимого для успешных измерений, может составлять менее 25 мм. Этого можно достигнуть, используя заведомо гибкий вал или располагая резольверы концентрически — один внутри другого — и соединяя внешние и внутренние части вала с применением пружины повышенной крутильной жесткости.
В отличие от тензометрических датчиков, резольверы известны своей надежностью, устойчивостью к внешним воздействиям и точностью, они зачастую используются в космической, оборонной и нефтегазовой технике, где требуются высокие точности и устойчивость к жестким условиям эксплуатации. Поскольку резольвер является бесконтактным измерительным устройством, также исключается необходимость применения токосъемников или оборудования радиочастотной передачи данных.
Итак, почему же эта техника измерений стала немодной? Вероятно, одна из причин в том, что и сами резольверы утратили свою популярность. Плоскопараллельные и плоские с большим полым валом резольверы, идеальные для использования при измерениях крутящего момента, являются откровенно дорогостоящими. Более того, сочетание резольверных двигателей с управляющей электроникой может быть очень сложным. Поскольку в наше время инженеры более привычны к цифровой электронике, они весьма неохотно соглашаются иметь дело и с самой аналоговой электроникой и, тем более, с измерениями фазовых сдвигов аналоговых переменных сигналов.
Новое поколение индуктивных датчиков
В настоящее время резольверы практически полностью заменены более современными устройствами — индуктивными энкодерами или «инкодерами». Технология измерения с помощью инкодеров основана на тех же принципах индукции, применяемых в резольверах, но при этом инкодеры содержат печатные платы вместо массивных и дорогих обмоток трансформаторов. Это позволяет существенно сокращать объем, вес и стоимость датчиков, и одновременно значительно увеличивать возможности измерений. Также в инкодеры обеспечен простой и удобный электрический интерфейс — постоянное напряжение и последовательная шина данных. Поскольку инкодеры базируются на тех же физических принципах, что и резольверы — они обеспечивают тот же набор измерительных возможностей — высокую точность и надежность измерений даже в жестких условиях окружающей среды. Мало того, инкодеры имеют оптимальный для угловых измерений форм-фактор — плоская конструкция с большим полым валом. Это позволяет пропускать вал через центр статора инкодера, а ротор инкодера закреплять непосредственно на вращающийся вал, на котором проводятся измерения. Это исключает необходимость использования ВКУ, точно так же, как это было при использовании резольверов.
Рисунок 2 — Измерение момента вращения и абсолютного положения с помощью индуктивных энкодеров.
Нет необходимости специально выбирать электронику и размещать ее отдельно, поскольку вся требуемая для датчиков электроника размещена непосредственно в статоре энкодера. Примечательно, что инкодеры доступны с разрешением до 4 миллионов импульсов на оборот, таким образом, достаточно минимального скручивания вала, чтобы обеспечить высокое разрешение измерений крутящего момента.
Температурные коэффициенты инкодера малы, в сравнении с тем, что может быть получено при использовании самых лучших тензометрических датчиков, а любые динамические искажения, вызываемые вращением вала на большой скорости, могут быть нивелированы с помощью тактового сигнала — единого для обоих инкодеров, обеспечивающего синхронность считывания данных.
В отличие от тензометрической техники, при использовании инкодеров не существует риска повреждения оборудования в случаях избыточного или импульсного приложения крутящего момента. Что еще более важно — технология позволяет проводить два вида измерений — крутящего момента и угла вращения одновременно, и по цене, меньшей, чем требует измерение одного только момента с помощью тензодатчиков.
Это старая технология, которая перестала быть модной, потому, что резольверы потеряли свою популярность. Современные индуктивные энкодеры возрождают применение принципов индукции для выполнения угловых измерений, и одновременно с этим, возвращают удобный, надежный и эффективный способ контроля крутящего момента и угла вращения.
Рисунок 3 — Индуктивные энкодеры, используемые для измерений крутящего момента на валах диаметром 300 мм: статор слева, ротор справа.
Источник: Сайт компании АВИ Солюшнс
Для осуществления автоматизированного и высокоточного управления технологическими процессами, необходимо всегда иметь в распоряжении информацию о текущих значениях ключевых технологических параметров. Обычно для этой цели применяются различные датчики: силы, давления, крутящего момента и т. д. Давайте рассмотрим три вида датчиков, разберемся в принципе их работы.
Прежде всего отметим, что при построении датчиков силы или крутящего момента, используют чувствительные элементы, определенные свойства которых изменяются в соответствии с текущей степенью деформации, возникающей от того или иного внешнего воздействия.
Это могут быть упругие металлические пластины, пружины или валы, деформация которых передается на магнитострикционный, пьезоэлектрический или полупроводниковый элемент, электрические или магнитные параметры которого будут напрямую зависеть от степени деформации. Достаточно будет измерить этот параметр, чтобы получить представление о величине деформации и соответственно о силе (давлении, крутящем моменте).
Тензорезисторные датчики деформации
Простейший датчик деформации на основе тензорезисторного проволочного преобразователя включает в себя механический упругий элемент, который подвергается деформации, и закрепленный на нем тензорезисторный преобразователь, деформация которого непосредственно преобразуется в электрический сигнал.
В качестве тензорезисторного преобразователя выступает тонкая (диаметром от 15 до 60 мкм) нихромовая, константановая или элинваровая проволока, которая сложена змейкой и закреплена на пленочный подложке. Такой преобразователь приклеивают к поверхности, деформацию которой следует измерить.
Деформация механического упругого элемента приводит к растяжению либо сжатию проволоки по длине, при этом сечение ее уменьшается или увеличивается, что сказывается на изменении сопротивления преобразователя электрическому току.
Измерив это сопротивление (падение напряжения на нем), получаем представление о величине механической деформации и соответственно силы, при условии что механические параметры деформируемого элемента известны.
Тензорезисторные датчики крутящего момента
Для измерения момента силы применяют чувствительные упругие элементы в виде пружин или тонких валов, которые в ходе технологического процесса подвергаются скручиванию. Упругая угловая деформация, то есть относительный угол начала и конца пружины, измеряется и преобразуются в электрический сигнал.
Упругий элемент обычно заключают в трубу, один конец которой фиксируется неподвижно, а второй сопрягается с датчиком углового перемещения, измеряющим угол рассогласования между концами трубы и деформируемого элемента.
Так получается сигнал, несущий в себе информацию о величине крутящего момента. Для снятия сигнала с пружины выводы тензорезисторного элемента подключаются через контактные кольца к щеткам.
Магнитострикционные датчики силы
Существуют также датчики силы с тензочувствительными магнитострикционными преобразователями. Здесь используется явление обратное магнитострикции (эффект Виллари), которое заключается в том, что при давлении на сердечник из железоникелевого сплава, (такого как пермаллой) его магнитная проницаемость изменяется.
Продольное сжатие сердечника приводит к расширению его петли гистерезиса, крутизна петли уменьшается, что вызывает снижение величины магнитной проницаемости, соответственно — к уменьшению индуктивности либо взаимной индуктивности обмоток датчика.
Поскольку магнитные характеристики нелинейны, а также из-за того, что на них существенно влияет температура, возникает необходимость в применении схемы компенсации.
Для компенсации применяется следующая общая схема. Замкнутый магнитострикционный магнитопровод из никель-цинкового феррита подвергается действию измеряемой силы. Аналогичный сердечник не испытывает давления силы, но обмотки на обоих сердечниках соединяются друг с другом так, чтобы возникало изменение суммарной ЭДС.
Первичные обмотки идентичны и соединены последовательно, они питаются переменным током с частотой в пределах десятка килогерц, тогда как вторичные обмотки (тоже одинаковые) включаются встречно, и в отсутствие деформирующей силы общая ЭДС равна 0. Если же давление на первый сердечник возрастает, суммарная ЭДС на выходе не равна нулю и пропорциональна деформации.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Что такое датчик момента
Автор: к.т.н. Вильфрид Криммель. Перевод: АЛЬФА-СЕНСОР © 2010.
Вильфрид Криммель работает в области измерительной техники крутящего момента более 20 лет. На фирме Lorenz Messtechnik GmbH он руководит калибровочной лабораторией.
1. Тензометрическая технология измерений
Историческое развитие технологии измерения крутящего момента начинается в 1678 году. В этом году английский учёный Роберт Гук описал пропорциональную зависимость между деформацией материала и напряжением материала в известном законе Гука.
Дальнейшим витком развития послужил 1833 год. Тогда английский учёный Хантер Кристи описал мостовую схему, при помощи которой можно измерять малейшие изменения напряжения. Не смотря на то, что схема в последующем получила название в честь второго изобретателя, Чарльза Витстоуна, настоящая слава принадлежит все же Хантеру Кристи.
Мостовая схема Wheatstone
Уильям Томсон, который позже стал лордом Кельвином (его именем названа температурная шкала), открыл в 1856 году зависимость между растяжением проводника и его электрическим сопротивлением.
После этого не раз проводились эксперименты с проводниками. Например, в 1937 году с ними экспериментировал Нернст, чтобы измерить давление в двигателе внутреннего сгорания. Однако, первой модели свободно наклеиваемого тензорезистора пришлось ждать до 1938 года. Тогда профессором Руге был разработан первый тензорезистор. Уже три года позже появились первые индустриально изготовленные проволочные тензорезисторы, которые очень быстро нашли практическое применение. Настоящим прорывом для промышленно производимых тензодатчиков стали появившиеся в 1952 году на рынке плёночные тензорезисторы. Они вытравливались на покрытой проводящим материалом плёнке. Таким способом тензорезисторы изготавливаются и сегодня. Ещё в том же году, плёночные тензорезисторы были предложены для измерений крутящего момента. Таким образом были изготовлены первые невращающиеся тензодатчики крутящего момента. Эти датчики помогли решить многие задачи в разработках и испытаниях посредством измерения крутящего момента реакции. Но более важным и частым применением датчиков крутящего момента являются измерения на вращающемся валу. Здесь разработки длились ещё несколько лет, чтобы предложить на рынке готовые к применению тензометрические датчики крутящего момента.
2. Первые вращающиеся датчики крутящего момента
При нагружении вала аксиальным крутящим моментом происходит его скручивание на угол пропорциональный крутящему моменту. Этот угол может быть измерен при помощи углоизмерительной системы. Работающие по этому принципу вращающиеся датчики крутящего момента с индуктивной измерительной системой были предложены на рынке уже после 1945 года. Для питания датчика использовались несущие частоты в несколько сотен кГц. Таким образом, удалось уменьшить габариты катушек индуктивности системы. Амплитуда переменного измерительного сигнала была пропорциональна углу скручивания измерительного вала датчика крутящего момента и имела ту же частоту, что и напряжение питания.
Для питания расположенной на вращающемся валу измерительной системы и для передачи модулированного по амплитуде измерительного сигнала применялись трансляторы, построенные по принципу вращающегося трансформатора. Одна обмотка трансформатора закреплена на статоре, вторая расположена концентрично первой на роторе. При передаче амплитудно-модулированного измерительного сигнала через построенный по такой схеме транслятор коэффициент передачи включается напрямую в измерительный сигнал. Из-за аксиальных и радиальных смещений, эксцентричного вращения, изменения магнитных характеристик материала и магнитных утечек могут возникать поргешности в измерениях.
Первая передача измерительного сигнала тензорезисторного моста, наклеенного на вращающийся вал производилась посредством контактных колец в 1952 году.
Передача питающего и выходного напряжения через контактные кольца требует определённой осторожности. Контактные кольца должны быть изолированы от вала и друг от друга. Уже малейшие ошибки в изоляции могут привести к значительным измерительным ошибкам. Сила нажатия скользящего контакта должна быть выбрана так, чтобы с одной стороны сопротивление контакта было возможно малым, надёжность контакта относительно отрывания вследствие сотрясений и эксцентричности контактных колец длжна была быть достаточно высокой и с другой стороны не должно было быть допущено возникновение чрезмерного нагрева и износа контактных пар. Решающую роль помимо выбора материала играет тщательная обработка поверхностей.
Особенные сложности возникают при высоких скоростях вращения. Некоторые датчики снабжены подъёмными устройствами для щёток, которые опускаются только для измерений. Недостатком данной технологии является то, что контактные кольца и угольные щётки со временем изнашиваются и требуют замены.
Тензометрическая техника тем временем развивалась дальше. Сегодня выпускаются датчики крутящего момента как с температурной компенсацией, так и с компенсацией дрейфа сигнала. Большое преимущество тензометрической техники состоит в том, что компенсация помех возможна непосредственно в месте измерения. Температурная зависимость модуля упругости применяемых материалов составляет, например, у стали около 3 % на 100 К изменения температуры. Так как эта величина помехи входит напрямую в коэффициент чувствительности датчика, его необходимо соответствующим образом компенсировать.
У датчиков с углоизмеряющей системой, если и делается компенсация, то она проводится в усилителе. Таким образом здесь обязательно нужно считаться с влиянием температуры. Углоизмеряющие датчики имеют ещё одну проблему в том, что для измерения крутящего момента требуется относительно большой угол скручивания. Это ведёт к мягким торсионным конструкциям, которые позволяют осуществлять только медленные измерительные процессы.
Постоянно уменьшающиеся размеры электроники и соответственно улучшающиеся возможности передачи измерительного сигнала привели к изменению рынка датчиков крутящего момента в том направлении, что теперь они поставляются с интегрированными усилителями.
Первые датчики крутящего момента имели, как правило, аналоговый выходной сигнал. При таких интерфейсах невозможно исключить помехи исходящие от соседствующих силовых узлов и приводов, особенно при протяженной подводке и высокой динамике. Из-за этого в прошлом увеличивали уровень сигнала датчика. Общепринятые уровни сигнала в ± 5 В и ± 10 В. И всё же, для многих применений помехоустойчивость не достаточна высока. Решение данной проблемы лежит в цифровой сенсорной электронике. Схема её принципиальной механической конструкции представлена на следующей картинке.
На валу находится суженное по диаметру место, где наклеен тензометрический мост. На валу так же находятся вращающаяся часть трансформаторного транслятора и вращающаяся электроника. В корпусе находится стационарная часть транслятора и остальная электроника. Для подключения датчика, на корпусе находится штекер.
Интегрированная электроника как в статоре, так и в роторе содержит микропроцессор с сопутствующей памятью. Измерительный сигнал генерирутся на роторе посредством тензорезисторов, тут же усиливается и оцифровывается. Цифровой сигнал попадает в процессор, который готовит его к передаче на статор в форме последовательного сигнала с контрольной суммой. В статоре сигнал данных подготавливается и в заключение формируется в процессоре для последовательного интерфейса RS 485.
Благодаря применению процессоров такие данные как серийный номер, калибровочные значения, измерительный диапазон, дата калибровки и прочие могут быть сохранены как на роторе, так и на статоре и при необходимости могут быть считаны.
Питание датчика происходит через контролируемый процессором источник, который может подключить калибровочный контроль для проверки датчика. Благодаря оцифровыванию измерительного сигнала непосредственно на месте его снятия и сохранению, а так же считыванию данных датчика обеспечивается очень высокая эксплуатационная надёжность измерительного устройства.
Блок-схема цифровой передачи измерительного сигнала с интегрированными микропроцессорами:
4. Области применения датчиков крутящего момента сегодня
Некоторые отрасли науки и техники сегодня уже невозможно представить без датчиков крутящего момента. Ниже представлены только некоторые сферы их применения: