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 ε или Dl : F ~ e ~ Dl.
Деформацию чаще всего измеряют описанными выше электрическими, оптическими или механическими методами.
В зависимости от выбранного метода и диапазона измерения деформируемый чувствительный элемент (воспринимающий деформацию) выполняют таким образом, что деформация воспроизводится в виде растяжения или сжатия, т.е. как изменение начальной длины (базы). Упругий элемент совместно с приданными ему элементами, выполняющими функции преобразования (механическими, электрическими или др.), защитным корпусом и т.д. образует преобразователь силы (динамометр). Несмотря на разнообразие требований в отношении номинальной нагрузки, особенностей, обусловленных техникой измерений и другими причинами, все упругие элементы можно свести к сравнительно небольшому числу основных типов.
Механические динамометры используют преимущественно для единичных измерений в особо суровых условиях эксплуатации, а также там, где допустима сравнительно небольшая точность. Однако применение для измерения деформаций чувствительных измерительных приборов (микрометра, микроскопа) позволяет при помощи механических динамометров достигать хорошей точности.
В других динамометрах изменение длины упругого элемента преобразуется в перемещение по шкале светового указателя, отклоняемого прикрепленным к упругому элементу поворотным зеркалом (прибор Мартенса). При квалифицированном обслуживании с учетом многих обязательств, связанных с техникой измерения, можно добиться высокой точности результатов. Вследствие ряда трудностей эти приборы применяют почти исключительно для испытания и градуировки.
Гидравлические динамометры можно использовать для измерений со средней точностью в тяжелых условиях эксплуатации. В качестве показывающих приборов в них применяют измерители давления с трубкой Бурдона. Их, как правило, монтируют непосредственно на динамометре; в случае надобности они могут быть соединены с динамометром капиллярной трубкой длиной в несколько метров. Такие измерительные устройства допускают подключение самопишущих приборов.
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.
При выборе большое значение имеет точность измерения.
1.2.1 Электрические тензорезисторные динамометры.
Среди динамометров имеют наибольшее значение, а именно тензорезисторные динамометры. Диапазон измерения этих динамометров необычайно широк – имеются динамометры на номинальные силы от 5 Н до более чем 10 МН. высокая точность измерения. погрешность 0,03 % и даже 0,01 %.
Конструктивное исполнение, основные типы. В простейшем виде упругий чувствительный элемент динамометра представляет собой стержень, нагруженный вдоль оси. Чувствительные элементы этого типа используют для измерений в диапазоне от 10 кН до 5 МН. При нагружении стержень сжимается, причем в соответствии с коэффициентом Пуассона одновременно увеличивается его диаметр. Тензорезисторы, наклеенные на стержень в области однородного силового поля, включают в схему моста Уитстона так, что в двух противоположных его плечах оказываются тензорезисторы, решетки которых направлены вдоль оси стержня или перпендикулярно ей.
Кроме тензорезисторов, в схему моста Уитстона входят дополнительные схемные элементы, служащие для компенсации различных зависящих от температуры эффектов, таких, например, как нестабильность нуля, изменение модуля упругости и теплового расширения материала чувствительного элемента, изменения чувствительности тензорезистора, а также линеаризации характеристики динамометра.
Выходное напряжение пропорционально относительной деформации, а последняя, в соответствии с законом Гука, пропорциональна нагрузке стержня.
Для расширения пределов измерений до 1 – 20 МН в целях лучшего распределения напряжений упругий элемент часто выполняют в виде трубы, и тензорезисторы наклеивают на его внутреннюю и наружную поверхности.
На рис.1 представлены некоторые типы упругих элементов для тензорезисторных динамометров.
Для измерения сил в меньшем диапазоне (примерно до 5 Н) и увеличения показания применяют чувствительные элементы, в которых используются не продольные деформации, а деформации изгиба.
Методы контроля силовых качеств имеют давнюю историю. Первые механические устройства, предназначенные для измерения силы человека, были созданы еще в XVIII в.
При контроле силовых качеств обычно учитывают три группы показателей.
- 1. Основные: а) мгновенные значения силы в любой момент движения (в частности, максимальная сила); б) средняя сила.
- 2. Интегральные, такие как импульс силы.
- 3. Дифференциальные, например, градиент силы.
Максимальная сила весьма наглядна, но в быстрых движениях сравнительно плохо характеризует их конечный результат (например, корреляция максимальной силы отталкивания и высоты прыжка может быть близка к нулю). Согласно законам механики конечный эффект действия силы, в частности, усилие, достигнутое в результате изменения скорости движения тела, определяется импульсом силы. Если сила постоянна, то импульс - это произведение силы на время ее действия (Sj =F At). В других условиях, например, при ударных взаимодействиях, расчеты импульса силы проводятся путем интегрирования, поэтому показатель называется интегральным.
Таким образом, наиболее информативен импульс силы при контроле ударных движений (в боксе, по мячу и т.п.).
Средняя сила - это условный показатель, равный частному от деления импульса силы на время ее действия. Введение средней силы равносильно предположению, что на тело в течение того же времени действовала постоянная сила (равная средней).
Дифференциальные показатели получаются в результате применения математической операции дифференцирования. Они показывают, как быстро изменяются мгновенные величины силы.
Различают два способа регистрации силовых качеств:
- 1) без измерительной аппаратуры (в этом случае оценка уровня силовой подготовленности проводится по тому максимальному весу, который способен поднять или удержать спортсмен);
- 2) с использованием измерительных устройств - динамометров или динамографов.
Все измерительные процедуры проводятся с обязательным соблюдением общих для контроля физической подготовленности метрологических требований. Необходимо также строго соблюдать специфические требования к измерению силовых качеств:
- 1) определять и стандартизировать в повторных попытках положение тела (сустава), в котором проводится измерение;
- 2) учитывать длину сегментов тела при измерении моментов силы;
- 3) учитывать направление вектора силы.
Измерение максимальной силы. Понятие «максимальная сила» используется для характеристики, во-первых, абсолютной силы, проявляемой без учета времени, и, во-вторых, силы, время действия которой ограничено условиями движения. Например, вертикальная составляющая максимальной силы отталкивания в движении, моделирующем беговой шаг, составляет 4000 Н; реальная же вертикальная сила отталкивания в ходьбе равна 700 Н (приблизительно 10 Н/кг массы спортсмена), в беге - 2000 Н (или около 30 Н/кг).
Максимальная сила измеряется в специфических и неспецифических тестах.
В первом случае регистрируют силовые показатели в соревновательном упражнении или упражнении близком к нему по структуре двигательных качеств.
Во втором случае чаще всего используют стенд силовых обмеров, на котором измеряют силу практически всех мышечных групп в стандартных заданиях (как правило, в сгибаниях и разгибаниях сегментов тела).
В зависимости от способа регистрации результатом измерения бывает:
- 1) максимальная статическая сила;
- 2) максимальная динамическая сила.
При измерении силы в односуставных движениях фактически регистрируется ее момент, величина которого зависит от длины плеча силы и величины проявляемой силы (модуля силы). Поэтому точность результатов измерений оказывается тем большей, чем прочнее и стандартнее фиксируется тело спортсмена (или сустав) во время измерения. Даже небольшое изменение позы при повторных попытках может значительно изменить силовые показатели. Так как в сгибательных и разгибательных движениях регистрируется нс сила, а ее момент, то в строгом смысле результаты измерений должны быть представлены не в ньютонах (Н) или килограммах силы (кГс), а в ньютонометрах (Нм) или килограммометрах (кГ м).
Зарегистрированные в ходе измерений показатели силы называют абсолютными; расчетным путем определяют относительные показатели (отношение абсолютной силы к массе тела). При анализе относительных показателей необходимо учитывать, что в общем виде зависимость «сила- масса» описывается уравнением:
где: F - сила (результат в силовом тесте); W - масса тела; а - константа.
Измерение градиентов силы. Дифференциальные показатели (или градиенты) силы характеризуют уровень развития взрывной силы спортсменов. Определение их величины связано с измерением времени достижения максимума силы или каких-то фиксированных ее значений (0,5Fmax и т.п.). Чаще всего это делается с помощью тензодинамографических устройств, позволяющих получить динамику силы. Анализ градиентов силы позволяет установить причины различий в соревновательных движениях у спортсменов с одинаковым уровнем абсолютной силы.
посредством акселерометра; измерением амплитуды и частоты колебаний
2. Сравнением неизвестной силы с силой тяжести Р =mg: непосредственным нагружением образцовыми гирями;
посредством гидропередачи и образцовых гирь;
посредством рычагов и образцовых гирь;
посредством рычагов и маятника
3. Измерением упругой деформации
тела, взаимодействующего с неиз-
вестной силой F = с |; посредством датчиков деформации; посредством датчиков перемещения 4. Сравнением неизвестной силы с силой взаимодейтсвия тока с магнитным полем F = / В I sin a посредством электродинамического силовозбудителя. Измерение переменной гармонической силы путем определения амплитуды и частоты колебаний тела с известной массой может быть осуществлено с высокой точностью. Массу можно измерить с погрешностью, не превышающей нескольких тысячных долей процента. С такой же точностью можно измерить и частоту колебаний. Амплитуду колебаний тела с известной массой можно измерить с погрешностью, не превышающей нескольких десятых долей процента, которая, по существу, и будет определять погрешность измерения силы указанным методом.
Метод измерения силы сравнением неизвестной силы с силой тяжести исполь-
зуют при точных измерениях и воспроизведении статических и квазистатических сил.
Метод непосредственного нагружения используют для создания Государственных первичных эталонов единицы силы, воспроизводящих ее с наивысшей точностью.
Метод сравнения неизвестной силы с силой тяжести посредством рычагов и образцовых гирь используют для создания образцовых средств второго разряда для измерения силы, обеспечивающих ее измерение с погрешностью, не превышающей 0,2 % измеряемой величины, а также в силоизмерителях испытательных машин, обеспечивающих измерение силы с погрешностью, не превышающей 1 % измеряемой силы в диапазоне 0,04 - 1 от верхнего предела силоизмерителя.
Метод сравнения неизвестной силы с силой тяжести посредством гидропередачи и образцовых гирь используют также в образцовых средствах второго разряда для измерения силы и в силоизмерителях испытательных машин. Для ис-
ключения трения в гидропередаче применяют пару поршень-цилиндр, в которой один из элементов вращается относительно другого.
Метод сравнения неизвестной силы с силой тяжести посредством рычагов и маятника используют в силоизмерите-лях испытательных машин.
Все средства для измерения силы, основанные на методах сравнения неизвестной силы с силой тяжести, обычно представляют собой стационарные установки. Процесс сравнения сил в этих установках механизирован.
Измерение силы посредством измерения упругой деформации тела, взаимодействующего с неизвестной силой, является самым распространенным методом, который используют как в стационарных, так и в переносных средствах для измерения статических и переменных во времени сил. Этот метод используют в образцовых динамометрах первого разряда, обеспечивающих передачу единицы силы от Государственного эталона к образцовым средствам второго разряда с погрешностью, не превышающей 0,1 % измеряемой силы. Кроме того, этот метод используют в рабочих средствах измерения статических и переменных во времени сил.
Метод позволяет создать стационарные и переносные средства измерения растягивающих и сжимающих сил - динамометры, которые содержат упругий элемент, снабженный для его включения в силовую цепь захватами либо опорами. В упругом элементе возникает сила реакции, противодействующая измеряемой силе. Упругий элемент может быть электрически неактивным либо электрически активным, т. е. он является одновременно и чувствительным элементом.
Упругий электрически неактивный элемент выполняет чисто механические функции. Возникающая деформация упругого элемента воспринимается чувствительным элементом, которым может быть либо датчик деформации, либо
датчик перемещения, преобразующий ее в выходную величину.
Упругий, электрически активный элемент реагирует на созданное измеряемой силой поле механических напряжений или деформаций изменением своих электрических или магнитных характеристик. К упругим, электрически активным элементам относят, например, пьезоэлектрические и магнитоанизотропные.
Для достижения оптимальных метрологических характеристик динамометра необходимо соблюдение нескольких принципов.
Принцип цельности конструкции. Измеряемая сила должна передаваться в динамометре по сплошной среде из одного материала. Нарушение сплошности конструкции упругого элемента является причиной возникновения трения между сопрягаемыми элементами. С этим трением связаны погрешности измерения силы, которые могут быть значительными.
Принцип интегрирования. Динамометр тем точнее, чем лучше чувствительный элемент распределен по поперечному сечению упругого элемента. С этой целью используют усреднение - интегрирование напряжения или деформации упругого элемента, которое можно охарактеризовать или как мнимое, или как действительное.
При мнимом интегрировании о всем поле напряжения или деформации, а следовательно, и об измеряемой силе судят по состоянию в одной точке этого поля. При этом предполагают, что внутри ограниченной области упругого элемента существует определенное механическое поле, которое не зависит от точки приложения силы. Это дает возможность использовать один чувствительный элемент. Конструктивными решениями, обеспечивающими мнимое интегрирование, являются удаление силовосприни-мающих частей упругого элемента от области расположения чувствительного элемента, ограничение области возможных точек приложения силы.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.Allbest.ru/
Введение
1. Общие сведения об измеряемой величине
2. Обзор методов измеряемой величины
3. Описание индуктивного преобразователя
3.1 Погрешности индуктивных преобразователей
3.2 Измерительные цепи индуктивных преобразователей
4. Расчет основных параметров преобразователя
5. Расчет мостовой схемы
6. Определение погрешности индуктивного преобразователя
Заключение
Список литературы
Введение
Измерительные преобразователи представляют собой технические устройства, которые осуществляют преобразования величин и образуют канал передачи измерительной информации. При описании принципа действия измерительного устройства, включающего последовательный ряд измерительных преобразователей, часто представляют его в виде функциональной блок-схемы (измерительной цепи), на которой отражают функции отдельных его частей в виде символических блоков, связанных между собой.
Основные характеристики измерительного преобразователя - это функция преобразования, чувствительность, погрешность.
Измерительные преобразователи можно условно разбить на три класса: пропорциональные, функциональные и операционные.
Пропорциональные предназначены для подобного воспроизведения входного сигнала в выходном сигнале. Вторые - для вычисления некоторой функции от входного сигнала; третьи - для получения выходного сигнала, являющегося решением некоторого дифференциального уравнения. Операционные преобразователи являются инерционными, так как у них значение выходного сигнала в любой момент времени зависит не только от значения входного в тот же момент времени. Но и от его значений в предшествующие моменты времени.
При проектировании специализированного нестандартного средства измерения следует учитывать существенные организационно-технические формы контроля, масштаб производства, характеристики измеряемых объектов, требуемую точность измерения и другие технико-экономические факторы.
В нашем случае производится проектирование только преобразователя и поэтому частью этих факторов можно пренебречь. Нам важна только требуемая точность измерения заданного параметра. Любая измерительная задача начинается с выбора первичного преобразователя - «датчика», способного преобразовать исходную информацию (любой вид деформации, кинематический параметр движения, температурные изменения и пр.) в сигнал, подлежащий последующему исследованию. Первичный преобразователь является начальным звеном измерительной системы. Преобразователем в данной курсовой работе является индуктивный преобразователь.
1 . Общие сведения об измеряемой величине
Сила -- векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нём деформаций и напряжений.
Сила как векторная величина характеризуется модулем, направлением и точкой приложения силы. Также используется понятие линия действия силы, обозначающее проходящую через точку приложения силы прямую, вдоль которой направлена сила.
За единицу силы в СИ принят ньютон (Н). Ньютон - это сила, которая придает массе 1 кг в направлении действия этой силы ускорение 1 м/с 2 .
В технических измерениях допускаются единицы силы:
· 1 кгс (килограмм-сила) = 9,81 Н;
· 1 тc (тонна-сила) = 9,81 х 103 Н.
Силу измеряют посредством динамометров, силоизмерительных машин и прессов, а также нагружением при помощи грузов и гирь.
Динамометры - приборы, измеряющие силу упругости.
Динамометры бывают трёх типов:
· ДП - пружинные,
· ДГ - гидравлические,
· ДЭ - электрические.
По способу регистрации измеряемых усилий динамометры подразделяют на:
· указывающие - применяют главным образом для измерений статических усилий, возникающих в конструкциях, установленных на стендах, при приложении к ним внешних сил и для измерения силы тяги при плавном передвижении изделия;
· считающие и пишущие динамометры, регистрирующие переменные усилия, применяют чаще всего при определении силы тяги паровозов и тракторов, так как вследствие сильной тряски и неизбежных рывков при ускорении их движения, а также неравномерности загрузок изделия создаются переменные усилия.
Наибольшее распространение имеют динамометры общего назначения пружинные, указывающие.
Основные параметры и размеры динамометров общего назначения, пружинных со шкальным отсчётным устройством, предназначенных для измерений статических растягивающих усилий, устанавливает ГОСТ 13837.
Пределы измерений и погрешность динамометра должны определяться одним из двух способов:
· расчётным,
· по таблицам ОСТ 1 00380.
Рабочие средства измерений, применяемые в силоизмерительных системах, приведены в ОСТ 1 00380.
Существуют различные виды сил: гравитационные, электромагнитные, реактивные, ядерные, слабого взаимодействия, сила инерции, сила трения и другие. Силы необходимо измерять в широком диапазоне - от 10 -12 Н (Ван-дер - Ваальсовы силы) до 10Н (силы удара, тяги). С малыми силами имеют дело при научных исследованиях, при испытании точных датчиков силы в системах управления и др. Силы от 1Н до 1МН характерны для испытательной техники и при определении усилий в транспортных средствах, прокатных станках и другое. В некоторых областях машиностроения, сталепрокатной и аэрокосмической технике необходимо измерять силы до 50-100 МН. Погрешности измерений силы и моментов при технических измерениях составляют 1--2%. К измерению силы сводится измерение таких физических величин, как давление, ускорение, масса, погрешность измерения которых во многих случаях не должна превышать 0,001%.
2 . Обзор методов измеряемой величины
В современной технике широко применяются измерения неэлектрических величин (температуры, давления, усилий и пр.) электрическими методами. В большинстве случаев такие измерения сводятся к тому, что неэлектрическая величина преобразуется в зависимую от нее электрическую величину (например, сопротивление, ток, напряжение, индуктивность, емкость и пр.), измеряя которую, получают возможность определить искомую неэлектрическую величину.
Устройство, осуществляющее преобразование неэлектрической величины в электрическую, называется датчиком. Датчики делятся на две основные группы: параметрические и генераторные. В параметрических датчиках неэлектрическая величина вызывает изменение какого-либо электрического или магнитного параметра: сопротивления, индуктивности, емкости, магнитной проницаемости и пр. В зависимости от принципа действия эти датчики подразделяются на датчики сопротивления, индуктивные, емкостные и др.
Устройства для измерения различных неэлектрических величин электрическими методами широко применяют на э.п.с. и тепловозах. Такие устройства состоят из датчиков, какого-либо электроизмерительного прибора (гальванометра, милливольтметра, миллиамперметра, логометра и т.д.) и промежуточного звена, которое может включать в себя электрический мост, усилитель, выпрямитель, стабилизатор и др.
Изменение силы методом уравновешивания
Метод основан на уравновешивании измеряемой силы силой, создаваемой обратным электромеханическим преобразователем, чаще всего магнитоэлектрическим, а также силой реакции, возникающей в динамической системе. К таким силам относятся центростремительная сила, сила инерции при колебательном движении, гироскопический момент.
Перспективным способом создания высокоточных средств измерений больших сил (от 105Н и более) является применение электродинамических обратных преобразователей силы со сверхпроводящими обмотками, которые позволяют воспроизводить силы до 107-108Н с погрешностью 0,02-0,05%.
Гироскопический метод измерения сил основан на измерении угловой скорости прецессии рамки гироскопа, возникающей под воздействием гироскопического момента, уравновешивающего измеряемый момент или момент, создаваемый измеряемой силой. Этот метод нашел применение в весоизмерительной технике.
Сила реакции однозначно определяется геометрией системы, массами клиньев и частотой их вращения. Таким образом, при неизменных параметрах измерительного устройства измеряемая сила Fx определяется по частоте вращения двигателя.
Силовой метод
Основан на зависимости силы или момента сил, развиваемых неупругим или упругим чувствительным элементом, от приложенного давления. По этому методу строятся две разновидности приборов и датчиков давления:
Силовые датчики прямого преобразования, в которых развиваемая чувствительным элементом сила преобразуется с помощью электрического преобразователя в электрическую величину
Приборы и датчики с силовой компенсацией, в которых сила, развиваемая чувствительным элементом, уравновешивается силой, создаваемой компенсирующим элементом. В зависимости от типа компенсирующего устройства выходным сигналом может служить сила тока, линейное или угловое перемещение.
Измерение силы, механических напряжений
Датчики силы можно разделить на два класса: количественные и качественные.
Количественные датчики измеряют силу и представляют ее значение в электрических единицах. Примерами таких датчиков являются динамометрические элементы и тензодатчики.
Качественные датчики - это пороговые устройства, чья функция заключается не в количественном определении значения силы, а в детектировании превышения заданного уровня приложенной силы. То есть, в первом случае речь идет об измерении, а во втором случае - о контроле силы или механических напряжений. Примерами таких устройств являются, например, тензодатчики и клавиатура компьютера. Качественные датчики часто используют для детектирования движения и положения объектов.
Методы измерения силы можно разделить на следующие группы:
* уравновешивание неизвестной силы силой тяжести тела известной массы;
* измерение ускорения тела известной массы, к которому приложено усилие;
* уравновешивание неизвестной силы электромагнитным усилием;
* преобразование силы в давление жидкости и измерение этого давления;
* измерение деформации упругого элемента системы, вызванной неизвестной силой.
В большинстве датчиков не происходит прямого преобразования силы в электрический сигнал. Для этого обычно требуется несколько промежуточных этапов. Поэтому, как правило, датчики силы являются составными устройствами. Например, датчик силы часто представляет собой комбинацию преобразователя силы в перемещение и детектора положения (перемещения). Принципы построения весов сводятся к измерению силы. Приложенная сила воздействует на первичный преобразователь (датчик), состоящий из упругого элемента и преобразователя деформации, механически связанного с упругим элементом и преобразующим эту деформацию в электрический сигнал.
В настоящее время в весовой технике нашли применение следующие типы преобразователей:
1. Реостатные преобразователи. Работа их основана на изменении сопротивления реостата, движок которого перемещается под воздействием силы.
2. Проволочные преобразователи (тензосопротивления). Работа их основана на изменении сопротивления проволоки при ее деформации.
4. Индуктивные преобразователи. Изменение индуктивности преобразователя от изменения положения одной из его частей под действием измеряемой величины. используется для измерения силы, давления, линейного перемещения детали.
5. Емкостные преобразователи. Изменение емкости преобразователя под действием измеряемой неэлектрической величины: силы, давления линейного или углового перемещения, содержания влаги и т.д.
Генераторные преобразователи по принципу работы делятся на группы:
1. Индукционные преобразователи. Работа их основана на преобразовании измеряемой неэлектрической величины, например скорости, линейных или угловых перемещений, в индуктированную э.д.с.
3. Пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрический эффект, т.е. возникновение э.д.с. в некоторых кристаллах под действием механических сил, используется для измерения этих сил, давления и других величин.
3 . Описание индуктивного преобразователя
В технических и научных измерениях неэлектрических величин широко используются индуктивные преобразователи, относящиеся к группе параметрических датчиков. Они отличаются конструктивной простотой, надежностью и малой стоимостью. К тому же для своей работы они не требуют сложного вторичного оборудования.
Индуктивный преобразователь представляет собой дроссель, индуктивность которого изменяется под действием входной (измеряемой) величины. В измерительной технике используются конструкции преобразователя с переменным воздушным зазором и соленоидные (или плунжерные) преобразователи, которые и изучаются в данной работе.
Индуктивный преобразователь с переменным воздушным зазором схематически показан на рис. 1. Он состоит из П-образного магнитопровода 1, на котором размещена катушка 2, и подвижного якоря 3. При перемещении якоря изменяется длина воздушного зазора и, следовательно, магнитное сопротивление. Это вызывает изменение магнитного сопротивления и индуктивности преобразователя L. При некоторых допущениях индуктивность преобразователя можно рассчитать по формуле (1):
Рис. 1. Конструкция индуктивного преобразователя с переменным воздушным зазором (1- П-образный магнитопровод, 2- катушка, 3- якорь): а) одинарный преобразователь; б) дифференциальный преобразователь
где w - число витков катушки, µ о = 4 10 7 Гн/м - магнитная постоянная, µ - магнитная постоянная стали, - площадь сечения магнитного потока в воздушном зазоре, - средняя длина магнитной силовой линии по стали.
Одинарные индуктивные преобразователи имеют ряд недостатков, в частности их функция преобразования нелинейная, они могут иметь большую аддитивную погрешность, вызванную температурным изменением активного сопротивления обмотки, и ряд других.
Этих недостатков лишены дифференциальные преобразователи, которые представляют собой два одинарных преобразователя, имеющих общий якорь. На рис. 1б показан дифференциальный индуктивный преобразователь, состоящий из двух преобразователей, показанных на рис. 1а.
При перемещении якоря, например, влево, индуктивность L, возрастает, а другая индуктивность L2 уменьшается.
Рис. 2. Конструкция индуктивного плунжерного преобразователя (1 - катушка, 2 - плунжер): а) одинарный преобразователь; б) дифференциальный преобразователь
Другой разновидностью индуктивных преобразователей являются плунжерные преобразователи. На рис. 2а показан одинарный плунжерный преобразователь, который представляет собой катушку 1, из которой может выдвигаться ферримагнитный сердечник 2 (плунжер). При среднем положении плунжера индуктивность максимальна.
Дифференциальный преобразователь, состоящий из двух одинарных преобразователей плунжерного типа, схематически изображен на рис. 2б. 3десь также при перемещении плунжера одна индуктивность уменьшается, а другая увеличивается.
При использовании индуктивных преобразователей в качестве выходной величины обычно используется не индуктивность как таковая, а реактивное сопротивление преобразователя Z, которое, если пренебречь активной составляющей, равно Z = jwL.
3.1 Погрешности индуктивных преобразователей
Погрешности индуктивных преобразователей в основном обусловлены изменением активной составляющей их сопротивлений. Эта погрешность аддитивна и уменьшается в случае применения мостовых схем. Кроме того, при изменении температуры изменяется магнитная проницаемость стали, что приводит к дополнительному изменению аддитивной и мультипликативной погрешностей. Изменения напряжения питания и его частоты также служат причиной изменения чувствительности и появления мультипликативных погрешностей.
Среди погрешностей индуктивных датчиков можно выделить следующие:
1.1) Погрешность, обусловленная температурным режимом. Эта погрешность относится к случайным и должна подлежать оценке перед тем, как датчик начнёт работать. Погрешность происходит из-за того, что определённые параметры составных частей датчика зависят от температуры и при довольно сильном отклонении от нормы в ту или иную сторону, погрешность может быть весьма внушительной.
1.2) Погрешность, обусловленная действием силы притяжения якоря
1.3) Погрешность линейности функции преобразования
При работе индуктивных преобразователей в мостовых схемах возникает погрешность обусловленная нестабильностью напряжения и частоты питания моста, а также изменением формы кривой питающего напряжения. Для улучшения свойств индуктивных ИП используются дифференциальные преобразователи (их конструкция указана на рис. 1б) Дифференциальные преобразователи позволяют существенно уменьшить погрешности, повысить чувствительность и увеличить линейный участок характеристики.
3.2 Измерительные цепи индуктивных преобразователей
Мосты для измерения индуктивности и добротности катушек индуктивности. Катушка индуктивности, параметры которой измеряются, включается в одно из плеч четырехплечего моста, например в первое плечо:
Чтобы мост можно было уравновесить, по крайней мере, одно из оставшихся плеч должно содержать реактивность в виде индуктивности или емкости.
Предпочтение отдают емкости, т.к. катушки индуктивности по точности изготовления уступают конденсаторам, а стоят значительно дороже. Схема такого моста показана на рис. 3
Рис. 3. Мост для измерения параметров катушек индуктивности
При равновесии моста, согласно общему уравнению равновесия, справедливо. Приравняв отдельно действительные и мнимые части, получим два условия равновесия:
Уравновешивается такой мост регулировкой и. Значение пропорционально индуктивности, а - добротности измеряемой катушки. Недостаток рассмотренной схемы - плохая сходимость моста при измерении параметров катушек с низкой добротностью. Если Q = 1, процесс уравновешивания уже затруднен, а при Q < 0,5 уравновешивание моста практически невозможно.
измерительный сила индуктивный преобразователь
4 . Расчет основных параметров преобразователя
Требуется разработать датчик, для которого даны следующие характеристики средства измерений:
Измеряемая величина: сила;
Значение измеряемого параметра: 70-120 кН;
Погрешность измерения: 0,25%
Вид выходного сигнала: электрический сигнал
Преобразователь: индуктивный
Для нашей курсовой работы выбираем индуктивный преобразователь одинарный с переменным воздушным зазором, так как для него характерны измерения в пределах от 0,01 до 10 мм, что позволяет выполнить измерение заданного параметра.
Изобразим структурную схему данного устройства на рисунке 4. Выходной сигнал получаем в виде переменного напряжения, снимаемого с сопротивления нагрузки R Н включенного в цепь помещенной на сердечнике 1 обмотки 2. Питание осуществляется переменным напряжением U. Под действием входного сигнала перемещается якорь 3 и изменяет зазор:
Рис. 4 - Одинарный индуктивный преобразователь с переменным воздушным зазором
Рассчитаем основные параметры каркаса разрабатываемого датчика:
Материал - сплав прецизионный 55 ВТЮ;
Коэффициент Пуассона - 0,295;
Модуль упругости - 11 * Н/ = 1,1209 * кгс/;
Пусть радиус мембраны;
24,77 МПа = 2,43 кгс;
42,46 МПа = 4,17 кгс.
Рассчитаем толщину мембраны по формуле (2)
h = 0,0408 см;
По формуле (3) определим минимальный и максимальный прогиб мембраны
Р = 0,044 см;
Р = 0,076 см;
По формуле (4) рассчитаем индуктивность при максимальном прогибе мембраны.
Площадь сечения воздушного зазора;
Магнитная проницаемость воздуха;
Переменная площадь воздушного зазора.
Полученные данные представим в таблице 1 и отобразим на графике зависимость (Р) (рисунок 5) и зависимость L(Р) (рисунок 6):
Таблица 1
Расчет индуктивного преобразователя
Рис. 5 - Зависимость (Р)
Рис. 6 - Зависимость L(Р)
5 . Расчет мостовой схемы
Мост Максвелла - Вина изображен на рисунке (3)
Примем = 800 Ом;
Вычислим при минимальном и максимальном значении индуктивности.
6 . Определение погрешности индуктивного преобразователя
Информативная способность индуктивного датчика в значительной мере определяется его погрешностью преобразования измеряемого параметра. Суммарная погрешность индуктивного датчика складывается из большого числа составляющих погрешностей, таких как погрешность от нелинейности характеристики, температурная погрешность, погрешность от влияния внешних электромагнитных полей, погрешность от магнитоупругого эффекта, погрешность от соединительного кабеля и другие.
По справочным данным погрешность амперметра составляет 0,1%, погрешность моста равняется 0,02%.
0,25 - (0,02 + 0,1) = 0,13%;
Погрешность индуктивного датчика определяется по формуле (1):
Найдем необходимые переменные.
0,065*24,77=1,61 МПа;
169,982 мГн.
Подставляем полученные данные в выражение (6) и находим погрешность индуктивного датчика:
Сравним полученную погрешность с заданной
0,23% < 0,25%
Таким образом, полученная погрешность не больше заданной, поэтому делаем вывод о том, что разработанная система удовлетворяет поставленным требованиям.
Заключение
Курсовая работа была посвящена разработке метода для измерения силы с помощью индуктивного преобразователя, отвечающего требованиям технического задания. В ходе проектирования были изучены разнообразные методы измерения силы, на основе которых разрабатывался полученный метод измерения данного параметра.
Был выполнен обзор методов измерения силы, выбран соответствующий метод в измеряемом диапазоне, рассчитаны основные параметры преобразователя, рассчитана погрешность полученного метода измерения силы.
Таким образом, в процессе выполнения курсовой работы были выполнены все пункты технического задания и разработан метод измерения соответствующего параметра, отвечающего предъявленным к нему требованиям.
Список литературы
1. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерения: Пер. с анг. М.: Мир, 1990. - 535 с.
2. Бриндли К.Д. Измерительные преобразователи. М.: Электр, 1991. - 353 с.
3. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 320 с.
4. Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин. М.: Мир, 1983 - 105 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Разработка измерительного канала контроля физического параметра технологической установки: выбор технических средств измерения, расчет погрешности измерительного канала, дроссельного устройства, расходомерных диафрагм и автоматического потенциометра.
курсовая работа , добавлен 07.03.2010
Мостовой и косвенный методы для измерения сопротивления постоянного тока. Резонансный, мостовой и косвенный методы для измерения параметров катушки индуктивности. Решение задачи по измерению параметров конденсатора с использованием однородного моста.
контрольная работа , добавлен 04.10.2013
Особенности измерения силы тока в цепи с помощью амперметра. Методика расчета силы тока в неразветвленной части электрической цепи по первому закону Кирхгофа, проверка его правильности. Анализ абсолютной и относительной погрешностей параметров цепи.
лабораторная работа , добавлен 12.01.2010
Основные типы, устройство, принцип действия датчиков, применяемых для измерения давления. Их достоинства и недостатки. Разработка пьезоэлектрического преобразователя. Элементы его структурной схемы. Расчет функций преобразования, чувствительности прибора.
курсовая работа , добавлен 16.12.2012
Выбор измерительного прибора для допускового контроля параметров. Определение доверительных границ неисключенной доверительной погрешности результата измерения. Назначение и принцип действия цифровых универсальных вольтметров и их составных частей.
курсовая работа , добавлен 14.04.2019
Устройства для измерения уровня освещенности. Разработка методики измерения. Определение освещенности с помощью селенового фотоэлемента. Измерение освещенности люксметром Ю117. Определение погрешности измерений. Область применения и работа прибора.
курсовая работа , добавлен 05.05.2013
Классификация средств измерений и определение их погрешностей. Рассмотрение законов Ньютона. Характеристика фундаментальных взаимодействий, сил тяготения и равнодействия. Описание назначений гравиметров, динамометров, прибора для измерения силы сжатия.
курсовая работа , добавлен 28.03.2010
Прямые и косвенные измерения напряжения и силы тока. Применение закона Ома. Зависимость результатов прямого и косвенного измерений от значения угла поворота регулятора. Определение абсолютной погрешности косвенного измерения величины постоянного тока.
лабораторная работа , добавлен 25.01.2015
Магнитоэлектрические измерительные механизмы. Метод косвенного измерения активного сопротивления до 1 Ом и оценка систематической, случайной, составляющей и общей погрешности измерения. Средства измерения неэлектрической физической величины (давления).
курсовая работа , добавлен 29.01.2013
Параметры и характеристики тензорезисторов, преобразование деформации. Расчет функции и коэффициента передачи с учетом влияния концевых и контактных участков. Определение параметров измерительного модуля. Транспортировка, монтаж и хранение устройства.
Нам уже известно, что для описания взаимодействия тел используется физическая величина, называемая силой. На этом уроке мы подробнее познакомимся со свойствами этой величины, единицами силы и прибором, который используется для ее измерения - с динамометром.
Тема: Взаимодействие тел
Урок: Единицы силы. Динамометр
Прежде всего, вспомним, что такое сила. Когда на тело действует другое тело, физики говорят, что со стороны другого тела на данное тело действует сила.
Сила - это физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое.
Сила обозначается латинской буквой F , а единица силы в честь английского физика Исаака Ньютона называется ньютоном (пишем с маленькой буквы!) и обозначается Н (пишем заглавную букву, так как единица названа в честь ученого). Итак,
Наравне с ньютоном, используются кратные и дольные единицы силы:
килоньютон 1 кН = 1000 Н;
меганьютон 1 МН = 1000000 Н;
миллиньютон 1 мН = 0,001 Н;
микроньютон 1 мкН = 0,000001 Н и т. д.
Под действием силы скорость тела изменяется. Другими словами, тело начинает двигаться не равномерно, а ускоренно. Точнее, равноускоренно : за равные промежутки времени скорость тела меняется одинаково. Именно изменение скорости тела под действием силы физики используют для определения единицы силы в 1 Н.
Единицы измерения новых физических величин выражают через так называемые основные единицы - единицы массы, длины, времени. В системе СИ - это килограмм, метр и секунда.
Пусть под действием некоторой силы скорость тела массой 1 кг изменяет свою скорость на 1 м/с за каждую секунду . Именно такая сила и принимается за 1 ньютон .
Один ньютон (1 Н) - это сила, под действием которой тело массой 1 кг изменяет свою скорость на 1 м/с каждую секунду.
Экспериментально установлено, что сила тяжести, действующая вблизи поверхности Земли на тело массой 102 г, равна 1 Н. Масса 102 г составляет приблизительно 1/10 кг, или, если быть более точным,
Но это означает, что на тело массой 1 кг, то есть на тело в 9,8 раз большей массы, у поверхности Земли будет действовать сила тяжести 9,8 Н. Таким образом, чтобы найти силу тяжести, действующую на тело любой массы, нужно значение массы (в кг) умножить на коэффициент, который принято обозначать буквой g :
Мы видим, что этот коэффициент численно равен силе тяжести, которая действует на тело массой 1 кг. Он носит название ускорение свободного падения . Происхождение названия тесно связано с определением силы в 1 ньютон. Ведь если на тело массой 1 кг действует сила не 1 Н, а 9,8 Н, то под действием этой силы тело будет изменять свою скорость (ускоряться) не на 1 м/с, а на 9,8 м/с каждую секунду. В старшей школе этот вопрос будет рассмотрен более подробно.
Теперь можно записать формулу, позволяющую рассчитать силу тяжести, действующую на тело произвольной массы m (Рис. 1).
Рис. 1. Формула для расчета силы тяжести
Следует знать, что ускорение свободного падения равно 9,8 Н/кг только у поверхности Земли и с высотой уменьшается. Например, на высоте 6400 км над Землей оно меньше в 4 раза. Однако при решении задач этой зависимостью мы будем пренебрегать. Кроме того, на Луне и других небесных телах также действует сила тяжести, и на каждом небесном теле ускорение свободного падения имеет свое значение.
На практике часто приходится измерять силу. Для этого используется устройство, которое называется динамометр. Основой динамометра является пружина, к которой прикладывают измеряемую силу. Каждый динамометр, помимо пружины, имеет шкалу, на которую нанесены значения силы. Один из концов пружины снабжен стрелкой, которая указывает на шкале, какая сила приложена к динамометру (Рис. 2).
Рис. 2. Устройство динамометра
В зависимости от упругих свойств пружины, использованной в динамометре (от ее жесткости), под действием одной и той же силы пружина может удлиняться больше или меньше. Это позволяет изготавливать динамометры с различными пределами измерения (Рис. 3).
Рис. 3. Динамометры с пределами измерения 2 Н и 1 Н
Существуют динамометры с пределом измерения в несколько килоньютонов и больше. В них используется пружина с очень большой жесткостью (Рис. 4).
Рис. 4. Динамометр с пределом измерения 2 кН
Если подвесить к динамометру груз, то по показаниям динамометра можно определить массу груза. Например, если динамометр с подвешенным к нему грузом показывает силу 1 Н, значит, масса груза равна 102 г.
Обратим внимание на то, что сила имеет не только численное значение, но и направление. Такие величины называют векторными. Например, скорость - это векторная величина. Сила - также векторная величина (говорят еще, что сила - вектор).
Рассмотрим следующий пример:
Тело массой 2 кг подвешено на пружине. Необходимо изобразить силу тяжести, с которой Земля притягивает это тело, и вес тела.
Вспомним, что сила тяжести действует на тело, а вес - это сила, с которой тело действует на подвес. Если подвес неподвижен, то численное значение и направление веса такие же, как у силы тяжести. Вес, как и сила тяжести, рассчитываются по формуле, изображенной на рис. 1. Массу 2 кг необходимо умножить на ускорение свободного падения 9,8 Н/кг. При не слишком точных расчетах часто ускорение свободного падения принимают равным 10 Н/кг. Тогда сила тяжести и вес приблизительно будут равны 20 Н.
Для изображения векторов силы тяжести и веса на рисунке необходимо выбрать и показать на рисунке масштаб в виде отрезка, соответствующего определенному значению силы (например, 10 Н).
Тело на рисунке изобразим в виде шара. Точка приложения силы тяжести - центр этого шара. Силу изобразим в виде стрелки, начало которой расположено в точке приложения силы. Стрелку направим вертикально вниз, так как сила тяжести направлена к центру Земли. Длина стрелки, в соответствии с выбранным масштабом, равна двум отрезкам. Рядом со стрелкой изображаем букву , которой обозначается сила тяжести. Так как на чертеже мы указали направление силы, то над буквой ставится маленькая стрелка, чтобы подчеркнуть, что мы изображаем векторную величину.
Поскольку вес тела приложен к подвесу, начало стрелки, изображающей вес, помещаем в нижней части подвеса. При изображении также соблюдаем масштаб. Рядом помещаем букву , обозначающую вес, не забывая над буквой поместить небольшую стрелку.
Полное решение задачи будет выглядеть так (Рис. 5).
Рис. 5. Оформленное решение задачи
Еще раз обратите внимание на то, что в рассмотренной выше задаче численные значения и направления силы тяжести и веса оказались одинаковыми, а точки приложения - различными.
При расчете и изображении любой силы необходимо учитывать три фактора:
· численное значение (модуль) силы;
· направление силы;
· точку приложения силы.
Сила - физическая величина, описывающая действие одного тела на другое. Обычно она обозначается буквой F . Единица измерения силы - ньютон. Для того чтобы рассчитать значение силы тяжести, необходимо знать ускорение свободного падения, которое у поверхности Земли составляет 9,8 Н/кг. С такой силой Земля притягивает к себе тело массой 1 кг. При изображении силы необходимо учитывать ее числовое значение, направление и точку приложения.
Список литературы
- Перышкин А. В. Физика. 7 кл. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2010.
- Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7-9 кл.: 5-е изд., стереотип. - М: Издательство «Экзамен», 2010.
- Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений. - 17-е изд. - М.: Просвещение, 2004.
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
Домашнее задание
- Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7-9 классов №327, 335-338, 351.
