Измерение сил

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.