Электронные и механические динамометры

Динамометром принято называть прибор, используемый для измерения собственно силы или момента силы и состоящий из упругого элемента, играющего роль силового звена, и устройства отсчётного. Одним из часто используемых видов такого оборудования являются медицинские динамометры.

Измеряемое усилие вызывает в силовом звене деформацию, которая передаётся отсчётному устройству. Диапазон измерений, в зависимости от моделей, от доли ньютона до десятков меганьютонов.

Содержание

• 1 Виды динамометров
• 2 Классификация динамометров по назначению
• 3 Электронные динамометры. Принципы работы используемых в них датчиках

Виды динамометров

По принципу действия существующие модели динамометров делятся на:

• механические (рычажные и пружинные);
• гидравлические;
• электронные;
• комбинированные.

В пружинном механическом динамометре сила передаётся (равно как и момент силы) пружине, растягивая или сжимая последнюю. Возникающая при этом упругая деформация пропорциональна значению силы.

В динамометрах рычажных действующая сила приводит к деформации рычага. Величины возникающих деформаций в первом и втором случаях фиксируются и регистрируются.

Динамометры гидравлические используют в работе принцип вымещения из цилиндра жидкости под действием приложенной силы. Жидкость по специальной капиллярной трубке поступает в аппаратуру записывающую, и фиксируется ей.

Электронные динамометры представляют собой устройства, имеющие датчик, преобразующий деформацию, возникающую от воздействия силы, в электрический сигнал.

Преобразование значения силы в деформацию выполняется специальными датчиками:

• ёмкостные (конденсаторные);
• пьезоэлектрические;
• индуктивные;
• вибрационно-частотные;
• имеющие датчики сопротивления проволочные.

Данные устройства позволяют замерить величину нагрузки при выполнении строительных или производственных процессов.

Электрический сигнал, возникающий от воздействия силы, трансформируется датчиками перемещений (упругой деформации), изменяя ток моста сопротивления.

Самые распространённые модели электронных датчиков – тензорезисторные. Объясняется это тем, что у них собственная высокая частота (до нескольких килогерц).

К тому же указанные датчики позволяют выполнять как статические, так и динамические измерения. Принципы работы тензометрических датчиков рассмотрены здесь.

В отличие от иных моделей, электронные весы позволяют измерять одновременно несколько параметров. Поэтому они подразделяются на одно, двух и трёхкомпонентные. В частности, такими динамометрами можно измерять крутящие моменты и величину силы осевой.

Классификация динамометров по назначению

По назначению динамометры принято подразделять на следующие группы:

• тяговые;
• ротационные;
• тормозные;
• образцовые;
• специальные.

Динамометры тяговые используются для измерения сил, которые затрачиваются на деформацию упругого элемента. Тяговые динамометры могут оснащаться всеми вышеперечисленными датчиками.

Кроме вышеупомянутых конструкций для измерения существенных нагрузок используются динамометры Резникова, в которых в качестве деформируемого элемента используются две пружины рессорные изогнутые с прицепными серьгами по краям.

Динамометры ротационные используют тогда, когда необходимо измерить крутящий момент, который затрачивается на вращение рабочего органа агрегата. Подобные динамометры включаются в механизм, передающий крутящий момент, на приводной вал от источника энергии.

Ротационные динамометры по принципу их действия делятся на:

1. валовые: пружинные и имеющие упругий стержень, у которого измеряется угол закручивания;
2. шестеренчатые. У этих изделий измеряется момент, пропорциональный моменту крутящему вала ведущего, который воздействует на корпус редуктора шестерёнчатого;
3. электрические. Измеряется действующий на статор мотора, вывешенный на шариковых подшипниках, момент силы;
4. гидравлические и т.п.

Динамометры тормозные. Иначе их именуют динамометрами поглощающими. Используется для того, чтобы определить эффективную мощность двигателя. Принцип действия, положенный в основу подобного изделия, заключается в поглощении различными способами мощности, которую развивает двигатель.

Осуществляется это путём создания противодействующего момента на валу, т.н. момента тормозного. Его величина измеряется при разных режимах функционирования двигателя. Тормозные динамометры делятся на механические, гидравлические, электрические, аэродинамические.

Динамометры образцовые выпускаются согласно требованиям ГОСТ за номером 9500-84 с соответствующими изменениями, внесёнными на дату использования стандарта. Эти изделия предназначены для проверки средств, которые используются как испытательные при измерении нагрузок статических.

Подобные динамометры работают по принципу определения силы за счёт измерения величины деформации скобы упругой. Отсчёт нагрузки выполняется согласно показаниям, выводимым на индикаторы динамометра.

Динамометры специальные изготавливаются для решения конкретных задач и являются продукцией штучной.

Электронные динамометры. Принципы работы используемых в них датчиках

В настоящее время известны датчики силы в следующих реализациях:

• тезометрические;
• резистивные;
• магнитные;
• тактильные;
• пьзорезонансные;
• ёмкостные;
• пьезоэлектрические.

 

Датчики резистивные относятся к наиболее применяемым. В настоящее время они составляют порядка 95% от общего количества используемых датчиков. Обусловлено это широким диапазоном усилий, которые они могут воспринять, (это 5Н – 5МН) и высокой точностью измерений.

Подобные датчики можно применять как при статических, так и при динамических нагрузках. Существенным их преимуществом является линейность формируемого выходного сигнала.

Роль чувствительного элемента в таких датчиках играет тензорезистор. Тонкая проволока (датчик) закрепляется жёстко на гибкой подложке. Концы проволоки имеют специальные выводы для внешнего подключения.

Проволока уложена зигзагообразно. И она и выводы закрыты специальной плёнкой защитной. Специальной подложкой тензорезисторы приклеивают к упругому элементу, который воспринимает нагрузку.

Этот элемент деформируется под действием силы, деформируя, тем самым, тензорезистор. Изменяющаяся длина проволоки меняет величину сопротивления последней.

Связи между значением силы, действующей на него, и величиной деформации описывается законом Гука.

Тензорезисторы включаются в разные плечи чувствительных мостовых схем. В таких случаях о величине действующей силы можно судить по напряжению, возникающему в диагонали моста.

Датчики магнитные работают с использованием явления магнитострикции. Если быть более точным, то на присущей указанному явлению обратимости.

Изменение геометрических размеров (магнитострикционный эффект) наблюдается тогда, когда тело располагается в магнитном поле. Обратимость, в данном случае, означает, что принудительно меняя геометрические параметры тела (деформируя его), тем самым меняют магнитные свойства последнего.

В физике это именуется магнитоупругим эффектом. Когда нагрузка снимается, тело принимает свои исходные свойства

Простейший вариант подобного датчика приведён на рисунке. На сердечнике ферромагнитном (1) находится катушка индуктивности (2). Когда на сердечник действует сила (3), тот деформируется, переходя в напряжённое состояние.
Изменения, происходящие в состоянии сердечника, меняют магнитную проницаемость последнего, что обуславливает пропорциональное изменение сопротивления сердечника (магнитное). Меняется индуктивность.

Чаще используют датчики с двумя обмотками. Первичная запитывается от генератора, а во вторичной наводится ЭДС.
В процессе деформации сердечника магнитная проницаемость меняется. Меняется и прямо завязанная на неё взаимоиндуктивность. В результате во вторичной обмотке меняется ЭДС.