Вимірювання механічних сил та тиску

Переважна більшість силовимірювальних пристроїв (динамометрів) основана на методі перетворення вимірюваної сили в механічні напруження в матеріалі пружного перетворювального елемента і його деформацію, котрі та допомогою тензорезистивних, індуктивних, п'єзоелектричних, магнітопружних чи інших вторинних перетворювачів перетворюються в електричний сигнал або зміну вихідного електричного параметра

Залежно від значення вимірюваної сили як первинні перетворювачі можуть використовуватись стрижневі пружні елементи, пружні кільця, балкові пружні елементи. Вторинними перетворювачами динамометрів з механічними пружними перетворювачами сили в деформацію є, переважно, тензорезистивні перетворювачі, а вимірювальні кола – мостові. Такі динамометри призначаються для вимірювань з похибкою 1... 2 %

Незважаючи на порівняно низьку точність (сумарна похибка вимірювання сили становить 2...3 %), широко застосовуються для вимірювань великих сил (10⁵...10⁶ H) в складних умовах динамометри з магніто-пружним перетворювальним елементом, які відрізняються простотою конструкції, високою надійністю, значною потужністю вхідного сигна­лу. Магнітопружні перетворювачі виготовляють, переважно диференціальними. Один з перетворювальних елементів є робочим, а іден­тичний йому інший перетворювальний елемент, на який не діють вимірювальні зусилля, служить для компенсації початкової індуктивності робочого перетворювального елемента, а також для компенсації впливу зовнішніх чинників, зокрема температури довкілля, частоти джерела живлення.

Основою п'єзоелектричних динамометрів є п'єзоелектричні перетворювачі сили в електричний заряд. Труднощі, що виникають при побудові п'єзоелектричних динамометрів, зумовлені електростатичною природою зарядів п'єзоелектричного перетворювача: їх малим значенням, тенденцією до швидкого стікання через опір ізоляції та вхідний опір підсилювача.

Надзвичайно мала вихідна потужність при великому опорі п'єзодавача вимагає використання високочутливих підсилювачів з дуже великим вхідним опором.

Тому певний час п'єзодинамометри застосовувались лише для вимірювання змінних сил (тисків). Використання в п'єзодинамометрах підсилювачів заряду дає змогу в тисячі разів зменшити стікання заряду, а, отже, тривало підтримувати значення вихідного сигналу, що дало можливість створити п'єзодинамометри і для вимірювань сталих сил.

До переваг п'єзодинамометрів належить їх висока чутливість, висока швидкодія. Зведена похибка п'єзодинамометрів знаходиться в межах 1 %.

Для точних вимірювань сил, крутних моментів та інших механічних величин, попередньо перетворених в силу чи момент, застосовують засоби зрівноважувального перетворення за неелектричною величиною. В динамометрі перетворення (рис. 3.2) вимірювана сила F_x, попередньо перетворена в момент М_x =F_xI, діючи на рухому частину 1, повертає її. Повертається також закріплене на осі рухомої частини дзеркальце, змінюючи освітленість диференціального фоторезистора, увімкненого в сусідні плечі попередньо зрівноваженої мостової схеми.

На виході моста з'являється напруга розбалансу . Ця напруга підсилюється підсилювачем і подається на вхід кола зворотного зв’язку.

Рисунок 3.2 - Принципова схема динамометра зрівноважувального перетворення

Спричинений цією напругою струм живить рухому обмотку зворотного магнітоелектричного перетворювача, створюючи компенсувальний момент М_к=BSwI (тут В - індукція в робочому зазорі, S та w - площа поперечного перерізу та кількість витків обмотки).