Преобразователь ускорения движущегося по рельсам поезда

          Рассмотренные ранее пьезоэлектрические  преобразователи не совсем подходят  для измерения ускорений линейного  типа. Они больше подойдут для измерения вибрационных ускорений. Так как основным недостатком данных преобразователей является невозможность измерения постоянной составляющей динамического процесса. Так же к недостаткам можно отнести наличие большого входного сигнала от кабеля (при  работе с усилителем напряжения) и другие. Как и у каждого преобразователя, у пьезоэлектрического так же имеются преимущества. Основными являются: широкий диапазон рабочих частот, большая вибрационная и ударная прочность, простота конструкции, малая чувствительность к магнитным полям, возможность создания высокотемпературных преобразователей и преобразователей с малыми размерами и массой.

          Однако, при таком количестве  преимуществ пьезоэлектрические  преобразователи не подходят для измерения линейного ускорения.

          Следующим измерительным преобразователем, рассмотренным в обзоре, является реостатный преобразователь, который как и все имеет ряд преимуществ и недостатков.

          Основным недостатком реостатных  преобразователей является быстрый износ поверхностей ползунка и каркаса с обмоткой. Так же к недостаткам можно отнести наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших перемещений движка и значительного усилия для его перемещения.

          К достоинствам реостатных преобразователей  относится возможность получения  высокой точности, значительных  по уровню выхоных сигналов, а  так же относительная простота  конструкции.

          Индуктивный измерительный преобразователь  тоже имеет как ряд достоинств, так и недостатков. По сравнению с другими преобразователями, индуктивные отличаются значительными по мощности выходными сигналами, простотой и надежностью в работе. Но недостатком их является наличие обратного воздействия преобразователя на измерительный объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотную характеристику прибора.

          К достоинствам емкостных относятся:  простота устройства, высокая чувствительность  и возможность получения малой  инерционности преобразователя.

           Недостатками являются: влияние  внешних электрических полей,  паразитных емкостей, температуры, влажности, относительная сложность схем включения и необходимость в специальных источниках питания повышенной частоты.

          Проанализировав все преимущества  и недостатки каждого преобразователя, наиболее подходящим для измерения линейного ускорения движущегося по рельсам поезда является тензорезистивный преобразователь, представленный на рисунке 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Техническое задание

 

 

1. Наименование устройства:

Тензорезистивный преобразователь  ускорения

2. Состав устройства:
1. Инерционная масса в виде грузов;
2. Плоская пружина (мембрана);
3. Тензоэлементы, которые состоят из подложки из тонкой бумаги, проволоки, выводов из медного провода и сверху покрытые слоем лака.
3. Назначение и область применения:

    Тензорезистивный  преобразователь предназначен для  измерения линейных ускорений в неустановившихся процессах движения машин и механизмов. Преобразователь данного типа используется в машиностроении, автомобилестроении, приборостроении и других сферах, где требуется измерение ускорения.

4. Технические требования:
1. Диапазон преобразования: 0 – 1 м/с²;
2. Допустимая погрешность: не более 5%;
3. Частота собственных колебаний инерционной массы: ~20Гц;
4. Коэффициент демпфирования: 0,65.
5. Требования к конструкции:
1. Габаритные размеры, мм: 65×48×40;
2. Толщина стенки корпуса: 3 мм;
3. Форма корпуса: цилиндр;
4. Материал, из которого изготовлен корпус: сталь;
5. Масса: 200г;
6. Количество грузиков: 2 шт;
7. Материал грузиков: сталь;
8. Размеры грузиков: 10×10×10;
9. Материал тензоэлементов: Константан;
10. База тензоэлементов: 10 мм;
11. Питание моста:

Напряжение: ~5 В;

Частота: 5 кГц;

12. Статическая характеристика: линейная.
13. Безопасность эксплуатации тензорезистивного преобразователя должна обеспечиваться: прочностью установленной в стандартах; изоляцией электрических цепей; надежным креплением при монтаже на объекте.
6. Условия эксплуатации преобразователя:
1. Рабочий диапазон температур: ±50 ºС;
2. Частотный диапазон: 0 – 70 Гц.
7. Требования надежности:
1. Срок службы устройства: не менее 10 лет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Конструкторский раздел

 

1. Принцип действия преобразователя 

 

 

Структурная схема тензорезистивного преобразователя  ускорения представлена на рисунке 5.1:

 

Рисунок 5.1 – Структурная схема преобразователя

 

          Тензорезистивный преобразователь присоединяется к исследуемому объекту 1. При ускоренном движении объекта, возникает сила 2, которая воздействует на упругий элемент (плоскую мембрану) 3. Мембрана прикреплена к корпусу, к концам мембраны прикреплены грузики (инерционная масса) 4. На мембране наклеены четыре тензорезистора 5. При воздействии на мембрану давления, она прогибается. При прогибе мембраны изменяется длина тензорезисторов, а, следовательно, и их сопротивление. Изменение сопротивления с тензорезисторов далее поступает на блок обработки и регистрации 6, т. е. обрабатывается измерительной цепью, которая представляет собой мостовую схему, состоящую из четырех тензорезисторов, источника питания (5В), и вольтметра. Выходным сигналом преобразователя будет напряжение.

 

2.   Описание конструкции преобразователя

 

 

 

Рисунок 5.2.1 – Конструкция тензорезистивного  преобразователя

 

Конструкция тензорезистивного преобразователя представлена на листе графической части курсового проекта.

Преобразователь состоит из стального цилиндрического  корпуса, к которому присоединена плоская  круглая мембрана. Мембрана подвешена  и закреплена к крышке корпуса  с помощью болтов. На мембрану приклеены  клеем БФ-2 четыре тензорезистора, марки 1-Пн. Преобразователь присоединяется к исследуемому объекту по средствам резьбового соединения.

При ускоренном движении возникает сила, которая  воздействует на мембрану. Под действием  этой силы мембрана прогибается. При прогибе мембраны изменяется длина тензорезисторов, а, следовательно, и их сопротивление. Изменение сопротивления с тензорезисторов обрабатывается измерительной цепью, которая представляет собой мостовую схему, состоящую из четырех тензорезисторов, источника питания (5В), и вольтметра. Выходным сигналом преобразователя является напряжение.

 

3. Расчет основных характеристик преобразователя

Работа тензорезистивного преобразователя  основана на изменении активного сопротивления материала при его механической деформации. 
Тензорезистивный преобразователь – это устройство, при воздействии на который давления, на выходе можно получить электрическое сопротивление. Для измерения этого напряжения традиционно применяется мостовая схема, с четырьмя рабочими плечами. Однако за счет того, что тензорезисторы наклеены на мембрану возникает периодическое изменение чувствительности, вследствие эффекта ползучести клея. Тем не менее метод наклеивания тензорезисторов остается популярным, в следствие того, этот метод имеет ряд достоинств: простота и достаточный срок службы.

Недостатком тензорезистивного  преобразователя является малые  напряжения на выходе измерительной цепи.

Точность тензорезистивных преобразователей во многом зависит  от свойств применяемых для его  изготовлении материалов и технологии производства.

Чтобы получить функцию преобразования, в первую очередь необходимо рассчитать упругий элемент, т.е. плоскую мембрану.

Сила, которая  действует на грузики рассчитывается по закону Ньютона:

F=mg,                           (5.3.1)

где  m – масса грузиков, кг;

   g – ускорение свободного падения, м/с².

 

 
              

,                                       (5.3.2)

где  ρ – плотность стали (7,8 гр/см³);

V – объем (1 см³).

 

F=0,0156*9,8=0,153 H. 

Основные требования к материалу упругих элементов  датчиков следующие:

1.  Малые величины гистерезиса, последействия и релаксация напряжений.

2.  Высокая коррозионная стойкость и биологическая пассивность.

3.  Незначительная величина температурного коэффициента модуля продольной упругости.

4.  Пластичность ( для металлических упругих элементов).

5.  Малая и определенная величина коэффициента линейного расширения.

6.  Высокая электропроводность (для упругих элементов емкостных датчиков).

7.  Высокие изоляционные свойства ( например, для спекаемых полупроводниковых чувствительных элементов).

8.  Немагнитность ( для упругих элементов датчика Холла).

9.  Возможность сварки, пайки и применения металлических клеев.

10.  Постоянство характеристик во времени.

Материалом для  мембраны был выбран сплав 36 НХТЮ (ГОСТ 10994-74): [11]

Химический состав(%):

Углерод: не более 0,05; Кремний:0,3 – 0,7; Марганец: 0,8 – 1,2; Сера: не более 0,02; Фосфор: не более 0,02; Хром: 11,5 – 13,0; Никель: 35,0 – 37,0; Титан: 2,7 – 3,2; Аллюминий: 0,9 – 1,2;  остальное железо.

Основная техническая характеристика:

Сплав не магнитный коррозионно-стойкий дисперсионно-твердеющий с временным сопротивлением 1180 – 1570 МН/м² (120 – 160 кгс/мм²), с модулем нормальной упругости 186500 – 196000 МН/м² (19000 – 20000 кгс/мм²).

   

Примерное назначение:

Для упругих  чувствительных элементов приборов и деталей, работающих при температуре 250°C.

Термообработка: закалка 920 – 950⁰С в воде и дисперсионное твердение 650 – 670⁰С в течение 2 – 4 ч.

Модуль упругости для данного  сплава: Е=21*10¹⁰ Па.

Необходимо выбрать параметры  мембраны так, чтобы погрешность  линейности преобразования составляла 1%.

Относительная погрешность линейности