Проектирование измерительной системы измерения силы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение. Краткий обзор методов измерения

1. Описание объекта измерения

2. Разработка структурной схемы ИИС

3. Выбор измерительных преобразователей

4. Выбор промежуточных преобразователей

Вывод

Введение. Краткий обзор методов измерения

В данной курсовой работе "Проектирование измерительной системы измерения силы" выбрана тяговая сила на ведущих колесах автомобиля. Это сила направлена в сторону движения автомобиля и называется толкающей или тяговой силой. Тяговая сила от колес, передается на ведущий мост и далее на раму, заставляя автомобиль двигаться.

Величина тяговой силы тем больше, чем больше крутящий момент двигателя и передаточные числа коробки передач и главной передачи. Тяговая сила на ведущих колесах достигает наибольшей величины при движении автомобиля на низшей передаче, поэтому низшую передачу используют при трогании с места автомобиля с грузом, при движении автомобиля по бездорожью.

Величина тяговой силы на ведущих колесах автомобиля ограничивается сцеплением шин с поверхностью дороги.

Определять тягово-скоростные показатели работы автомобиля (тяговую характеристику, максимальную скорость движения, ускорение, время и путь разгона) можно как в дорожных, так и в лабораторных условиях.

В лабораторных условиях тяговая характеристика может быть получена в испытаниях на стенде, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.

Рис. 1. Стенд для определения тяговой характеристики автомобиля

В дорожных условиях тягово-скоростная характеристика автомобиля наиболее просто может быть получена с помощью динамометрического прицепа, который буксируется испытываемым автомобилем.

Измерение сил. Единица силы ньютон (Н) относится к производным физическим величинам Международной системы единиц (СИ). Ньютон - это сила, сообщающая телу массой 1 кг ускорение 1 м/сІ в направлении действия силы:1 Н = 1 кг*м/сІ.

Для измерения сил используют различные физические эффекты, для которых характерны определенная зависимость между силой и другой величиной, например деформацией (относительной или абсолютной), давлением, пьезоэлектричеством, магнитострикцией и т.д. Наиболее распространенным методом измерения силы является использование упругой деформации пружинных элементов (например, пружинные весы). В пределах действия закона Гука наблюдается пропорциональная зависимость между силой F и деформацией. Деформацию чаще всего измеряют описанными выше электрическими, оптическими или механическими методами.

Электрические динамометры. Быстрое развитие электротехники и электроники привело к широкому распространению электрических методов измерения механических величин, в частности силы. Сначала механические преобразователи деформации в механических динамометрах были заменены электрическими (например, механические преобразователи перемещений - индуктивными). С развитием тензорезисторов открылись новые возможности. Независимо от этого были, однако, усовершенствованы и другие электрические методы измерения и разработаны новые способы измерений.

Электрические тензорезисторные динамометры

Индуктивные динамометры

Пьезоэлектрические динамометры

Струнные динамометры.

В струнных динамометрах применяют струнный тензометр

Механические динамометры.

Механические динамометры в основном используют в следующих двух областях:

а) в контрольно-испытательной аппаратуре: в частности, для проверки испытательных машин и защитных устройств на прессах (здесь они все больше заменяются тензорезисторными динамометрами);

б) в промышленных установках для выявления нагрузочной способности рабочих машин и т.п.

Гидравлические динамометры

Измерение крутящих моментов.

Момент M - физическая величина, выражаемая произведением силы F на плечо L (момент сил).

В случае вращающихся силовых или рабочих машин для других объектов, в которых сила вызывает вращение тела вокруг некоторой точки, говорят о крутящем моменте. Крутящий момент можно обозначать с индексом, например Md. В этом случае плечом является радиус, на котором действует сила F:

M = F L; Md = F r.

Единицей момента силы в системе СИ является ньютон-метр (Н*м), под которым понимают момент силы, равной 1 Н, относительно точки, расположенной на расстоянии 1 м от линии действия силы.

1. Описание объекта измерения

Тяговая характеристика автомобиля выражает зависимость тяговой силы на ведущих колесах Рк от скорости движения автомобиля V. Ее получают или на всех, или на какой-то одной передаче. Упрощенная тяговая характеристика представляет зависимость свободной тяговой силы Рд на крюке автомобиля от скорости его движения.

Задние (ведущие) колеса автомобиля опираются на ленту, перекинутую через два барабана. Для уменьшения трения между лентой и ее опорной поверхностью создают воздушную подушку. Барабан 1 соединен с электротормозом, с помощью которого можно плавно изменять нагрузку на ведущих колесах автомобиля.

Свободную тяговую силу измеряют непосредственно динамометром 2. Полная тяговая сила на ведущих колесах может быть подсчитана по формуле

Рк = Рд + Рf,

где: Pf - сила сопротивления качению автомобиля.

Измеряя при испытаниях с помощью динамографа силу тяги на крюке, а также скорость движения автомобиля, можно построить кривые зависимости Рк от V. При этом тяговую силу подсчитывают по формуле

Рк = Рд + Рf + Рщ.

где: Рд - сила тяги на крюке, измеренная с помощью динамографа;

Рf и Рщ - силы сопротивления соответственно качению и воздуху.

Зависимость сил сопротивления Pf и Рщ от скорости движения автомобиля должна быть получена предварительно проведенными испытаниями.

Силы сопротивления движению автомобиля определяют в дорожных и лабораторных условиях. В дорожных условиях суммарное значение этих сил наиболее просто можно получить, используя метод выбега. Для этого автомобиль на ровной горизонтальной дороге со скорости, близкой к максимальной, свободно движется с выключенной передачей (выбег). При этом с помощью "пятого колеса" (прибора "путь-скорость-время") получают зависимость скорости движения автомобиля от времени выбега. Дифференцируя эту зависимость графически, определяют значения замедления для каждой скорости.

Некоторые приборы позволяют непосредственно измерить ускорение или замедление автомобиля. При использовании акселерографов можно получить без промежуточных измерений зависимость замедления от скорости движения автомобиля при выбеге. Суммарное значение силы сопротивления движению автомобиля определяют по формуле

Рщ + Рf = jma - Mr/rд,

где: j - замедление автомобиля при выбеге;

ma - полная масса автомобиля;

rд - динамический радиус ведущих колес;

Мr - момент трения в трансмиссии, измеренный на ведущих колесах.

Момент трения Мr и его зависимость от частоты вращения ведущих колес определяют в лабораторных условиях при работе трансмиссии без нагрузки (нейтральное положение шестерен коробки передач). Момент трения Мх наиболее просто и с достаточной точностью измеряют с помощью тензорезисторов, наклеенных на карданный вал, а момент трения в трансмиссии подсчитывают по формуле

Мr = Мхi0,

где: i0 - передаточное число главной передачи.

Температура агрегатов трансмиссии в этом случае должна соответствовать их температуре при дорожных испытаниях.

В некоторых случаях требуется определить не только суммарную силу сопротивления движению, но и каждую ее составляющую, т.е. необходимо определить коэффициенты лобового сопротивления и сопротивления качению.

В лабораторных условиях коэффициент лобового сопротивления находят продувкой уменьшенных моделей или натурных образцов автомобилей в аэродинамической трубе. Модель или автомобиль в аэродинамической трубе устанавливают или подвешивают так, чтобы можно было измерить все основные действующие на них силы. Сила сопротивления воздуха движению автомобиля зависит от плотности воздушной среды с, скорости автомобиля V, площади миделева сечения F и аэродинамических свойств машины:

Рщ = 0,5CxсV2F,

где: Сх - коэффициент лобового сопротивления.

В процессе испытаний коэффициент лобового сопротивления и площадь миделева сечения не должны изменяться, при этом обязательно фиксируют температуру и атмосферное давление, изменяющие плотность воздуха.

При исследовательских испытаниях тяговая характеристика автомобиля может быть определена по измерениям крутящих моментов ведущих колес автомобиля. Для этого на полуосях наклеивают тензорезисторы и устанавливают концевые токосъемные устройства. Нагрузка при этих испытаниях создается динамометрической тележкой. При этом методе нет необходимости в дополнительном измерении сил сопротивления движению PfиРщ.

Тяговая характеристика полностью определяет динамические свойства автомобиля, однако ее получение связано с большим объемом испытаний. В большинстве случаев, например при проведении длительных контрольных испытаний, определяют следующие динамические свойства автомобиля:

минимальную устойчивую и максимальную скорость;

время и путь разгона;

максимальные подъемы, которые может преодолеть автомобиль при равномерном движении.

Дорожные динамические испытания проводят при равных нагрузках автомобиля и без нагрузки на горизонтальном прямолинейном участке дороги с твердым и ровным покрытием (асфальт или бетон). На полигоне НАМИ для этого предназначена динамометрическая дорога. Все измерения производят при заездах автомобиля в двух взаимно противоположных направлениях при сухой безветренной погоде (скорость ветра до 3 м/с), причем подъемы преодолеваются 2 раза.

Минимальную устойчивую скорость движения автомобиля определяют на прямой передаче. Измерения производят на двух последовательно расположенных участках пути длиной 100 м каждый с расстоянием между ними равным 200-300 м. Максимальную скорость движения определяют на высшей передаче при прохождении автомобилем мерного участка длиной 1 км. Время прохождения мерного участка фиксируют секундомером или фотоствором.

Время и путь разгона автомобиля находят обычно при двух режимах. На первом режиме автомобиль разгоняют на прямой передаче с начальной скоростью 15 км/ч до скорости, примерно равной 80% максимальной на этой передаче. В случае, если минимальная устойчивая скорость выше 15 км/ч, то разгон начинают с минимальной устойчивой скорости. При разгоне педаль подачи топлива выжимают полностью. Во втором режиме автомобиль разгоняют с места, начиная с первой или второй передачи, обычно также до скорости, примерно равной 80% максимальной.

Автомобиль с автоматической коробкой передач разгоняют только с места. Если коробка передач имеет два диапазона (высших и низших) передач, то разгон производят последовательно на обоих диапазонах.

Для измерения параметров, характеризующих динамические свойства автомобилей, применяют приборы типа "путь-скорость-время", записывающие параметры процесса разгона. В результате обработки первичной записи получают зависимости пути и времени разгона от скорости движения автомобиля. Величины ускорений разгона автомобиля определяют графическим дифференцированием зависимости времени разгона от скорости или при помощи акселерографов. При исследовательских испытаниях параметры процесса разгона записывают на осциллограф или магнитограф.

Числовые характеристики при проведении испытания и их влияние на результаты измерений:

Диапазон измерения силы тяги: 0-104Н

Относительная погрешность: не более 1%

Температура окружающей среды: Т=-20-300С

Влажность воздуха: 50-90%

Атмосферное давление: 1 атм. (106Па)

Поток магнитной индукции: В=0.00004-0.00007Тл

Такие факты как: температура воздуха, атмосферное давление и поток магнитной индукции мало изменчивы во время испытания (измерения силы натяжения) будем считать их константами. В противном случае их изменение в указанных диапазонах их влияние на изменение результата стремиться к нулю. Поэтому эти акты не будем учитывать при расчете погрешности.

2. Разработка структурной схемы ИИС

автомобиль тяга измерение тензорезистор

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Рис.2 изображено устройство для измерения тяговой силы на ведущих колесах автомобиля при качении по барабанам стенда, на Рис.3 изображена схема включения тензометрических датчиков.

Рис. 2. Схема измерительной информационной системы

Устройство содержит в своей конструкции тормозной динамометр 1, установленный на одной оси с рабочими барабанами. Фланец 7 динамометра соединен с неподвижным кронштейном 4 консольного типа тензометрической тягой 6. Для исключения влияния изгибающих напряжений соединение фланца 7 и кронштейна 4 осуществляется через подшипниковые узлы 2 и 3.

Мостовая собрана из приклеенных к тяге 6 активных тензорезисторов 9 и 11, а также пассивных - 10 и 12. Кроме того, измерительный комплекс содержит тензометрический усилитель 8, аналого-цифровой преобразователь 14 и компьютер 13.

Рис. 3 Схема включения тензометрических датчиков

Устройство работает следующим образом, перед проведением испытаний автомобиля на стенде производится тарирование тензометрической тяги путем приложения к фланцу статора эталонного крутящего момента с помощью эталонных гирь 5. Во время испытаний автомобиля крутящий момент при качении ведущих колес по барабанам стенда передается ротору динамометра. Под действием электромагнитных или гидравлических сил статор 1 отклоняется и тензометрическая тяга 6 деформируется в направлении своей продольной оси. Также деформируются приклеенные к ней активные тензометрические датчики 9 и 10, изменяя напряжение электрического сигнала, идущего на тензоусилитель. Усиленный таким образом сигнал регистрируется компьютером с помощью аналого-цифрового преобразователя в виде зависимости напряжения от времени.

Формула изобретения

Устройство для измерения тяговой силы на ведущих колесах автомобиля при качении по барабанам стенда, содержащее в своей конструкции регистрирующую аппаратуру и тормозной балансирный динамометр, ротор которого соединен с беговыми барабанами, отличающееся тем, что тензометрическая тяга одним концом шарнирно крепится к фланцу статора, а другим - к неподвижному кронштейну.

.

Рис. 2 Устройство для определения тяговой силы на ведущих колесах автомобиля при качении по барабанам стенда: 1 - тормозной динамометр; 2, 3 - подшипниковые узлы; 4 - кронштейн; 5 - эталонные гири; 6 - тензометрическая тяга; 7 - фланец динамометра.

Устройство содержит в своей конструкции регистрирующую аппаратуру и тормозной балансирный динамометр, ротор которого соединен с беговыми барабанами. Тензометрическая тяга одним концом шарнирно крепится к фланцу статора, а другим - к неподвижному кронштейну. Технический результат - обеспечение возможности измерения и регистрации тяговой силы на ведущих колесах автомобиля устройством в условиях интенсивных колебаний статора без опасности повреждения элементов измерительного комплекса

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к стендовым испытаниям автомобилей.

Известно, что в лабораторных условиях тяговая сила на ведущих колесах автомобиля может быть определена при испытаниях на стенде с беговыми барабанами. Существующий способ заключается в том, что ведущие колеса автомобиля устанавливаются на барабаны, соединенные с ротором тормозного динамометра, и приводят их во вращение. Известны электрические и гидравлические тормозные динамометры, основой конструкции которых является качающийся статор и ротор, передающий усилие на статор через электромагнитное поле или. При качении колес по барабанам стенда под действием электромагнитных или гидравлических сил происходит отклонение статора относительно оси статического равновесия. При этом реактивный момент статора измеряется при помощи гидравлического датчика давления, электрический сигнал с которого поступает на вольтметр, проградуированный в единицах силы. Реактивный момент также можно измерить динамометром сжатия или растяжения. Тяговая сила на ведущих колесах рассчитывается как отношение реактивного крутящего момента к радиусу рабочего барабана.

Тарирование прибора для измерения тяговой силы (вольтметра) осуществляется путем приложения к статору эталонной величины крутящего момента с помощью установки эталонных гирь непосредственно на датчик.

Известный измерительный комплекс имеет недостатки, усложняющие и ограничивающие его применение. В их числе - невозможность регистрации и измерения тяговой силы с высокой точностью при интенсивных ее колебаниях из-за установки на барабаны искусственных неровностей при экспериментальных исследованиях. Кроме того, интенсивные колебания статора тормозного динамометра приводят к отказам стрелочных приборов и повреждению датчика.

Технический результат заключается в обеспечении возможности измерения и регистрации тяговой силы на ведущих колесах автомобиля устройством в условиях интенсивных колебаний статора без опасности повреждения элементов измерительного комплекса.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения тяговой силы на ведущих колесах автомобиля при качении по барабанам стенда, содержащее в своей конструкции регистрирующую аппаратуру и тормозной балансирный динамометр, ротор которого соединен с беговыми барабанами, согласно изобретению тензометрическая тяга одним концом шарнирно крепится к фланцу статора, а другим - к неподвижному кронштейну.

3. Выбор измерительных преобразователей

Наибольшее распространение получили параметрические датчики силы с использованием тензорезисторов.

Тензорезисторами называют преобразователи, осуществляющие преобразование механических деформаций в изменение электрического сопротивления, т.е. преобразователи, основанные на тензоэффекте.

Как следует из определения, измерения деформаций с помощью тензорезисторов основано на тензоэффекте. Тензоэффектом называется свойство проводниковых и полупроводниковых материалов изменять электропроводность (электрическое сопротивление) при изменении объёма или напряжённого состояния.

У полупроводников материалов тензоэффект связан со значительным изменением удельного сопротивления; знак тензоэффекта зависит от типа проводимости полупроводникового материала, а величина - от кристаллографического направления. Наиболее сильно тензорезистивный эффект выражен в полупроводниковых кристаллах германия и кремния. Для создания полупроводниковых тензорезистивных элементов применяются преимущественно кремний, поскольку он, по сравнению с германием, имеет более высокую тензочувствительнотсть, большую механическую прочность и выдерживает более высокие температуры. Тензометрические свойства кремния анизотропны и зависят от кристаллографических направлений. Наибольшей тензочувствительностью обладают тензорезисторы, у которых направление деформации совпадает с кристаллографическим направлением.

Основные параметры и характеристики тензорезисторов.

Тензорезисторы характеризуются рядом параметров, основными из которых являются:

- тензочувствительностьSт;

- номинальное сопротивление R;

- допустимая деформация Едоп;

- погрешность преобразования.

Для обоих видов тензочувствительных материалов, проводниковых и полупроводниковых, тензоэффект характеризуется величиной тензочувствительности, устанавливающей связь между относительным изменением сопротивления и относительной деформацией в направлении измерений [1,2].

Тензочувствительность материала характеризуется зависимостью

ST = =1+2, [1]

где; R; ДR; Д - длина и сопротивление тензочувствительного элемента и их приращение в следствии деформации;

m - коэффициент эластосопротивления, равный

m =хЕм;

Ем - модуль упругости образца тензочувствительного материала;

х - продольный коэффициент пьезосопротивления.

В формуле члены 1+2 определяют зависимость величины ST от изменения геометрии, а последний член - от изменения свойств материала образца. Для металлов m составляет небольшую долю от величины 1+2. Для полупроводниковых материалов, наоборот, m> 1+2, и для них без особой ошибки можно считать, что ST ? m. Коэффициент Пуассона для металлов и сплавов, из которых изготовляют тензорезисторы, в области упругих деформаций лежит в пределах 0,24 - 0,42. Учитывая, что m? 0, получаем величину ST =1,48ч1,84, т.е. значение коэффициента тензочувствительности проволочных и и фольговых преобразователей близко к двум. У полупроводниковых материалов м и m достигают нескольких десятков, а поэтому ST =50ч100. Важным свойством полупроводниковых тензорезисторов является практически линейная зависимость сопротивления от деформации и температуры, поэтому отпадает необходимость применения специальных средств для компенсации нелинейности.

Номинальное сопротивление тензорезистора - сопротивление между его выводами при заданной температуре окружающей среды в отсутствии механических нагрузок.

Величины номинального сопротивления проволочных и фольговых тензорезисторов находятся в пределах 10-800 Ом, полупроводниковых - 50-50000 Ом.

Одной из важных характеристик тензорезисторов является допустимая деформация Едоп. Её превышение приводит к появлению остаточных деформаций и даже обрыву проволочных проводников и разрушение пластины полупроводниковых преобразователей. Для тензорезисторовЕдоп =3ч5·10-3.

Максимально возможное изменение сопротивления преобразователей составляет:

у проволочных и фольговых при Sт=2

= SтЕдоп = 2•3•10-3 =0,6% [2]

у полупроводниковых при Sт=100

=30%.

Вследствие малости относительного изменения сопротивления проволочных и фольговых преобразователей возникает необходимость включения их в специальные схемы, предусматривающие усиление сигнала и компенсацию изменения сопротивления R в зависимости от других факторов. Полупроводниковые тензорезисторы имеют большой динамический диапазон изменения сопротивления и поэтому могут вырабатывать значительный сигнал, не требующий усиления.

Расчёт тензорезисторов

До последнего времени методы расчёта тензорезисторов не были известны, и разработка преобразователей производилась чисто эмпирическим путём. Однако в связи с развитием квалиметрии измерительных преобразователей оказалось, что основные соотношения режима работы тензорезисторов достаточно хорошо описывается математически, и при проектировании тензорезисторов и сравнении новых типов с известными полезно проводить их расчёт.

Расчёт тензорезисторов сводится к определению при выбранных их размерах допускаемой тензорезистором мощности рассеяния (а следовательно, и допустимого значения тока при данном сопротивлении) или наоборот - к определению размеров тензорезистора, необходимых для обеспечения заданной мощности.

Мощность Р, рассеиваемая в тензорезисторе, ограничена его нагревом, вызывающим появления повышенных значений погрешности.

При тепловом контакте тензорезистора с деталью через слой клея и подложку отводиться в 200--300 раз больший тепловой поток, чем при теплоотдаче тензорезистора в окружающий воздух. Это объясняется тем, что коэффициент теплоотдачи в воздух равен о= 10 Вт/(мІ •К). Поэтому с высокой точностью можно считать, что практически весь тепловой поток от тензорезистора отводится через слой клея в деталь, на которую он наклеен. Отсюда площадью S0поверхности теплоотдачи для плёночных и фольговых тензорезисторов следует считать поверхность резистора, обращённую к детали, а для проволочных - с достаточно точным приближением половину цилиндрической поверхности их проволоки.

Необходимые для расчёта значения удельной тепловой нагрузки

Руд=Р/S0

большинства используемых сейчас проволочных, Фольговых и полупроводниковых тензорезисторов (с мощностью от 25 до 630 мВт и полной площадью, занимаемой решёткой, от 0,9 до 250 ммІ) колеблются в очень узких пределах Руд =26 ч 28 кВт/мІ (или мВт/ммІ). Лишь в редких случаях, используя очень тонкую подложку, удаётся достичь Руд=38 ч 39 мВт/ммІ.

Допустимое значение тока Iдоп через тензорезистор определяется из соотношения

Р= I2R= РудS0.

Так, например, для проволочных тензорезисторов с базой длиной, из n проводов в решётке с диаметром d, изготовленных из материала с удельным сопротивлением с.

Для константановой проволоки с = 0,46?10-6 Ом•м, тогда при РУД=27 кВт/мІ допустимое значение тока где IДОП в амперах и d в метрах.

Погрешности измерения тензорезисторами возникают за счёт следующих основных факторов:

- влияния температуры преобразователя на его сопротивление и линейное расширение;

- ползучести характеристики, т.е. её изменения, вызываемого остаточными деформациями в преобразователи при длительном действии значительных по величине нагрузок, близких к допустимым;

- невоспроизводимости характеристики преобразования при нагрузке и разгрузке;

- изменения крутизны характеристики преобразования от времени из-за старения материалов, особенно из-за изменения свойств клеящих компонентов;

- снижения чувствительности при увеличении частоты деформаций, когда длина распространяющейся в детали звуковой волны деформации становятся соизмеримой с базой преобразователя.

Наиболее существенное влияние на величину погрешности имеет первый фактор. Изменение сопротивления преобразователя от изменения температуры соизмеримо с изменением сопротивления от действия деформации. Температура тензорезистора зависит от температуры окружающей среды и величины тока, протекающего через резистор. Изменения температуры должно учитываться приобработки результатов путём введения коррекций или, что более желательно, автоматической компенсацией температурной погрешности. Для снижения температурной погрешности используют несколько путей:

- выбирают материал для тензорезистора с малым температурным коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту расширения детали;

- применяют компенсационные преобразователи, располагаемые в непосредственной близости от однотипного рабочего, но не подвергаемы действию деформации;

- используют самокомпенсирующиеся тензорезисторы, состоящие из двух частей. Одна часть обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления, вторая - отрицательным. Правильным подбором величин и температурных коэффициентов сопротивлений частей датчика добиваются высокой степени компенсации температурной погрешности. Особенно широкое применение такой способ нашёл при изготовлении полупроводниковых тензорезисторов.

Основная погрешность выпускаемых в настоящее промышленностью проволочных и фольговых тензорезисторов при компенсации температурной погрешности не превышает 1%.

Конструкция тензорезисторов.

В технике измерения неэлектрических величин тензорезисторы используются по двум направлениям.

Первое направление - использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объёмного сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего его газа или жидкости. На этом принципе строятся манометры для измерения высоких и сверхвысоких давлений, преобразователи которых представляют собой катушку провода (обычно манганинового) или полупроводниковый элемент (чаще всего германиевый или кремниевый), помещённые в область измеряемого давления (жидкости или газа). Выходной величиной преобразователя является изменение его активного сопротивления.

Второе направление - использование тензоэффекта растягиваемого или сжимаемого тензочувсвительного материала. При этом тензорезисторы применяются в виде "свободных" преобразователей и в виде наклеиваемых.

"Свободные" преобразователи выполняются в виде одной или ряда проволок, закреплённых по концам между подвижной и неподвижной деталями и, как правило, выполняющих одновременно роль упругого элемента. Естественной входной величиной таких преобразователей является весьма малое перемещение подвижной детали.

Устройство наиболее распространённого типа наклеиваемого проволочного тензорезистора изображено на. На полоску тонкой бумаги или лаковую плёнку 2 наклеивается так называемая решётка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 3 диаметром 0,02 - 0,05 мм. К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники 4. Сверху преобразователь покрывается слоем лака 1. Такой преобразователь, будучи приклеенным к испытуемой детали, воспринимает деформации её поверхностного слоя. Таким образом, естественной входной величиной наклеиваемого тензопреобразователя является деформация поверхностного слоя детали, на которую он наклеен, а выходной - изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации.

Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используется преобразователи с базами 5 - 20 мм, обладающие сопротивлением 30 - 500 Ом.

Кроме наиболее распространённой петлевой конструкции проволочных тензорезисторов, существуют и другие. При необходимости уменьшения измерительной базы преобразователя (до 3 - 1 мм) его изготовляют двухслойным так называемым витковым способом, который заключается в том, что на оправке круглого сечения на трубку из тонкой бумаги наматывается спираль из тензочувсвительной проволоки. Затем эта трубка проклеивается, снимается с оправки, расплющивается и к концам проволоки прикрепляются выводы.

Когда надо подучить от цепи с тензорезистором ток большой величины, часто используют "мощные" проволочные тензорезисторы.

Они состоят из большого числа (до 30 - 50) параллельно соединенных проволок, отличаются большими габаритами (длина базы 150 - 200 мм) и развивают мощность, достаточную для вибратора осциллографа без использования усилителей.

Фольговые преобразователи представляют собой весьма тонкую ленту из фольги толщиной 4 - 12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует показанную на решётку с выводами.

В последние годы появился ещё один способ массового изготовления тензорезисторов, заключающийся в вакуумной возгонке тензочувсвительного материала и последующей конденсации его на подложку. Такиетензорезисторы получили название плёночных.

Для изготовления плёночных тензорезисторов, помимо металлических материалов (например, титаноалюминиевый сплав 48Т-2, обеспечивающий измерение деформаций до 12% при коэффициенте тензочувствительности порядка 0,2), используется также целый ряд полупроводниковых материалов, например германий, кремний (k=100ч120) и др.

При изготовлении фольговых и плёночных преобразователей можно предусмотреть любой рисунок решётки, что является существенным их достоинством.

Полупроводниковые тензорезисторы могут быть изготовлены непосредственно вырезанием из полупроводникового материала. Однако возможны и другие пути. Можно выращивать монокристаллы в виде "усов" путём конденсации паров, но получающиеся при этом тензорезисторы имеют большой разброс по размерам и свойствам. Выращивание дендритных кристаллов позволяет получить более однородные тензорезисторы. Таким способом получают тензорезисторы, предназначеные для наклеивания на упругий элемент. Клей или цемент в этом случае исполняет роль изолятора. Наклеиваемые тензорезисторы не получили широкого применения, потому что склейка не позволяет получить безгистерезисные соединения.

Для получения наклеиваемых тензорезисторов используются диффузная или эпитаксиальная технология. В обоих случаях электрическая изоляция тензорезистора обеспечивается большим сопротивлением p-n перехода.

Тензорезисторы образуются за счёт локальной диффузии примесей в подложку. При этом тип электрической проводимости тензорезистивных плёнок должен быть противоположен типу электрической проводимости подложки. Обычно маской является оксидная плёнка, в которой методом фотолитографии вытравливаются окна соответствующих размеров.

Температура и длительность процесса диффузии определяют толщину и сопротивление получаемых тензорезисторов.

В качестве подложек применяется сапфир или шпинель. Подложка из монокристаллического сапфира обладает исключительными упругими свойствами. Сапфир весьма прочен, имеет высокую стойкость к агрессивным средам. В вакууме сапфир хорошо спаивается с металлами твёрдыми припоями.

Для определения силы тяги, будем использовать тензорезистор LTZ-2TA, с техническими характеристиками:

Погрешность: ±0.05%

Номинальный выход: 3 мВ/В (6000 мкм/м) ±0.2%

Номинальный диапазон: 20кН

Натуральная частота: 2,6кГц

Окружающая среда

Безопасный температурный диапазон: от -20 до 80°C

Компенсированный температурный диапазон: от -10 до 70°C

Электрические характеристики

Безопасное напряжение возбуждения:20 В пост. или перем. тока

Рекомендованное напряжение возбуждения: от 1 до 10 В пост. или перем. тока

Входное сопротивление: 350 Ом ±0.5%

Выходное сопротивление: 350 Ом ±0.5%

Механические свойства

Безопасный диапазон перегрузки: 150%

Материал: Алюминиевый сплав (корпус от 50 до 200KA)

Масса: ?1.5кг

Степень защиты: IP64 (Защита от брызг соответствует JIS C 0920)

4. Выбор промежуточных преобразователей

Тензометрические усилители и аналого-цифровые преобразователи.

Тензометрические усилители

Применение. На практике, часто возникает потребность в преобразовании измерительных сигналов датчиков в стандартный сигнал самым простым методом, в непосредственной близости от датчика. Этот линейный тензометрический измерительный усилитель обеспечивает безаварийную, с низкими потерями, передачу измеряемых значений на большие расстояния на системы контроля или приборные панели.

Модель линейного тензометрического измерительного усилителя 9235 идеально подходит для этой цели. Усилитель устанавливается на соединительном кабеле посредством штырьковых D-sub разъемов. Вследствие его компактной, прочной конструкции и малого веса, линейный тензометрический измерительный усилитель применяется во многих приложениях. Даже подвижное размещение, подверженное ускорениям, например на манипуляторах, не является проблематичным. Эти усилители предназначены, главным образом, для использования вне контрольных кабин, практически, в любом месте и c адаптацией к определенному датчику. Алюминиевый корпус линейного тензометрического измерительного усилителя обладает высокой прочностью и предоставляет очень хорошую защиту даже в тяжелых производственных условиях.

Пользователям, которые предпочитают интеграцию усилителя в собственные схемные платы или в собственные корпуса, доступна поставка его как компонента открытого типа, с терминалами вместо штырьковых разъемов

Описание. Питание модуля линейного усилителя осуществляется напряжением в пределах 15 - 30 В. На базе этого напряжения в модуле усилителя формируется стабильное напряжение питания датчиков. Сигналы измерения датчика, составляют обычно между 0... 5 милливольт и 0... 10 милливольт (для полномостовых тензометрических схем) и усиливаются модулем до аналогового сигнала 0... 10 В. Характеристики датчика предварительно задаются примерно, посредством DIP - переключателей, расположенных внутри корпуса модуля усилителя. Точная балансировка ноля и параметры настройки усиления выполняются посредством многооборотных резисторов при помощи отвертки через отверстия в корпусе модуля. Соединения линейного тензометрического измерительного усилителя реализованы при помощи разъемов sub-D; защита от короткого замыкания и неправильной полярности питания измерительного усилителя предоставляют дополнительную безопасность для оборудования. Если усилитель должен быть закреплен на оборудовании, это может быть сделано при помощи креплений или клея. У схемной платы открытого типа есть монтажные отверстия для винтов М 2,5. Частота среза усилителя >1 кГц, его вес - <65 г.

Аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровое преобразование - это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь - устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина - напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код.

Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.

Основные характеристики АЦП. АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samplespersecond, SPS), разрядность - в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Типы АЦП. Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только следующих типов:

· АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)

· АЦП последовательного приближения (SAR ADC)

· дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)

Существуют также и другие типы АЦП, в том числе конвейерные и комбинированные типы, состоящие из нескольких АЦП с (в общем случае) различной архитектурой. Однако приведенные выше архитектуры АЦП являются наиболее показательными в силу того, что каждая архитектура занимает определенную нишу в общем диапазоне скорость-разрядность.

Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы TexasInstruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим быстродействием и их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.

Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS.

Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS.

Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в старых измерительных приборах.

АЦП прямого преобразования

АЦП прямого преобразования получили широкое распространение в 1960-1970 годах, и стали производиться в виде интегральных схем в 1980-х. Они часто используются в составе "конвейерных" АЦП (в данной статье не рассматриваются), и имеют разрядность 6-8 бит при скорости до 1 GSPS.

Рис. 4. Структурная схема АЦП прямого преобразования

Принцип действия АЦП предельно прост: входной сигнал поступает одновременно на все "плюсовые" входы компараторов, а на "минусовые" подается ряд напряжений, получаемых из опорного путем деления резисторами R. Для схемы на рис. 1 этот ряд будет таким: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, где Uref - опорное напряжение АЦП.

Пусть на вход АЦП подается напряжение, равное 1/2 Uref. Тогда сработают первые 4 компаратора (если считать снизу), и на их выходах появятся логические единицы. Приоритетный шифратор (priorityencoder) сформирует из "столбца" единиц двоичный код, который фиксируется выходным регистром.

Теперь становятся понятны достоинства и недостатки такого преобразователя. Все компараторы работают параллельно, время задержки схемы равно времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе. Компаратор и шифратор можно сделать очень быстрыми, в итоге вся схема имеет очень высокое быстродействие.

Но для получения N разрядов нужно 2^N компараторов (и сложность шифратора тоже растет как 2^N). Схема на рис. 1. содержит 8 компараторов и имеет 3 разряда, для получения 8 разрядов нужно уже 256 компараторов, для 10 разрядов - 1024 компаратора, для 24-битного АЦП их понадобилось бы свыше 16 млн. Однако таких высот техника еще не достигла.

АЦП последовательного приближения

АЦП последовательного приближения реализует алгоритм "взвешивания", восходящий еще к Фибоначчи. В своей книге "LiberAbaci" (1202 г.) Фибоначчи рассмотрел "задачу о выборе наилучшей системы гирь", то есть о нахождении такого ряда весов гирь, который бы требовал для нахождения веса предмета минимального количества взвешиваний на рычажных весах. Решением этой задачи является "двоичный" набор гирь. Подробнее о задаче Фибоначчи можно прочитать, например, здесь: http://www.goldenmuseum.com/2015AMT_rus.html.

Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения (SAR, Successive Approximation Register) измеряет величину входного сигнала, осуществляя ряд последовательных "взвешиваний", то есть сравнений величины входного напряжения с рядом величин, генерируемых следующим образом:

1. на первом шаге на выходе встроенного цифро-аналогового преобразователя устанавливается величина, равная 1/2Uref (здесь и далее мы предполагаем, что сигнал находится в интервале (0 - Uref).

2. если сигнал больше этой величины, то он сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref. Если сигнал меньше установленного уровня, то следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref).

3. Шаг 2 повторяется N раз. Таким образом, N сравнений ("взвешиваний") порождает N бит результата.

Рис. 5. Структурная схема АЦП последовательного приближения.

Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов:

1. Компаратор. Он сравнивает входную величину и текущее значение "весового" напряжения (на рис. 2. обозначен треугольником).

2. Цифро-аналоговый преобразователь (Digitalto Analog Converter, DAC). Он генерирует "весовое" значение напряжения на основе поступающего на вход цифрового кода.

3. Регистр последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR). Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП.

4. Схема выборки-хранения (Sample/Hold, S/H). Для работы данного АЦП принципиально важно, чтобы входное напряжение сохраняло неизменную величину в течение всего цикла преобразования. Однако "реальные" сигналы имеют свойство изменяться во времени. Схема выборки-хранения "запоминает" текущее значение аналогового сигнала, и сохраняет его неизменным на протяжении всего цикла работы устройства.

Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять 16-18 бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767).

Дельта-сигма АЦП

И, наконец, самый интересный тип АЦП - сигма-дельта АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис. 3.

Рис.6. Структурная схема сигма-дельта АЦП.

Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора "отслеживает" входное напряжение (рис. 4). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат. ФНЧ на рис. 3. Объединен с "дециматором", устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их "прореживания".

Рис. 7. Сигма-дельта АЦП как следящая система

Ради строгости изложения, нужно сказать, что на рис. 3 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка. Сигма-дельта АЦП второго порядка имеет два интегратора и две петли обратной связи, но здесь рассматриваться не будет. Интересующиеся данной темой могут обратиться к [3].

На рис. 8 показаны сигналы в АЦП при нулевом уровне на входе (сверху) и при уровне Vref/2 (снизу).



Рис. 8. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе.

Более наглядно работу сигма-дельта АЦП демонстрирует небольшая программа, находящаяся тут:

http://designtools.analog.com/dt/sdtutorial/sdtutorial.html.

Теперь, не углубляясь в сложный математический анализ, попробуем понять, почему сигма-дельта АЦП обладают очень низким уровнем собственных шумов.

Рассмотрим структурную схему сигма-дельта модулятора, изображенную на рис. 3, и представим ее в таком виде (рис. 9):

Рис. 9. Структурная схема сигма-дельта модулятора

Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования.

Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s. Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП:

Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)

То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора.

Рис. 10. Явление "вытеснения" шума в высокочастотную часть спектра

Однако следует понимать, что это чрезвычайно упрощенное объяснение явления вытеснения шума (noiseshaping) в сигма-дельта АЦП.

Итак, основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования.

Они могут использоваться в аудиотехнике, однако основное применение находят в промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, в измерительных приборах, и в других приложениях, где требуется высокая точность, но не требуется высокой скорости.

Таким образом мы выбираем для нашего измерения усилитель типа:

WGA-670A с техническими характеристиками:

Нелинейность: ± 0,03%

Выходное напряжение: ± 10

Высокая скорость дискретизации: 2000. / секунду

Возможность подключения до четырех датчиков параллельно с сопротивлением моста 350 Ом

Оснащен функцией непрерывного удержания пиковых значений, что позволяет отображать только пиковые значения.

Разрядность: от -19999 до +19999.

Количество измерительных каналов: 1

применяется преобразователь: Тензодатчик тип преобразователя

применяется резистивный мост: 87,5 Щ до 10 кОм (четыре 350-Щ датчики могут быть подключены параллельно.)

А так же мы выбираем аналого-цифровой преобразователь с техническими характеристиками:

Количество входов: 16 синфазных / 8 дифференциальных

Суммарная частота преобразования по всем включенным каналам: до 500кГц

Количество разрядов АЦП: 16

Максимальное входное напряжение/ток: ± 7 В

Входное сопротивление: 2 кОм

Динамический диапазон: 84 дБ

Количество выходов: 2 синфазных

Максимальное выходное напряжение: ± 2,5 В

Количество разрядов ЦАП: 14

Количество бит на вход/выход: 14 бит

Габаритные размеры: 90 х 110 х 35 мм

Вес: 0,2 кг

Тип разъема аналогового входа/выхода (ответная часть входит в комплект) DSUB DB-25

Тип разъема цифрового входа/выхода (ответная часть входит в комплект) DSUB DB-15

Вывод

В данной работе было изучены проблемы измерения тяговой силы на ведущих колесах автомобиля. Описаны существующие технические средства для решения этой задачи. Рассмотрены методы измерения тяговой силы с помощью тензорезисторов, изучены их основные характеристики. Так же рассмотрены тензометрические усилители и аналого-цифровые преобразователи и изучены их свойства.

Измерение и знание тяговых свойств автомобиля важно в машиностроении, при разработке новых моделей и проверке автомобилей по ГОСТу.

Размещено на Allbest.ru

...