Разработка крановых весов для измерения веса в диапазоне от 100 до 10000 кг в статическом режиме, страница 4

3.2. Обоснование выбора тензорезистора

В данной работе используются фольговые тензорезисторы, которые включены в мостовую схему, так как по сравнению с проволочными тензорезисторами они обладают рядом преимуществ:

·  нити чувствительной решетки фольгового тензорезистора имеют прямоугольные сечения, с шириной, во много раз превышающей толщину. Отношение периметра сечения нити к площади сечения у тензорезисторов из фольги значительно выше, чем из проволоки. Благодаря этому тензорезисторы из фольги лучше воспринимают деформацию и характеристики их, особенно такие, как ползучесть и гистерезис, улучшаются;

·  фольговые тензорезисторы обладают способностью рассеивать значительно большую мощность, что позволяет увеличивать рабочий ток;

·  конфигурация чувствительной решетки такова, что их чувствительность мало зависит от базы, а поперечная чувствительность фольговых тензорезисторов меньше, чем у проволочных.

  Кроме того, имеется ряд технологических преимуществ, основным из которых является возможность изготовления фольгового тензорезистора практически любой конфигурации.

Тензорезистор выбирался по температурному рабочему диапазону (от -40 до +60) и статической силы, которая будет действовать на упругий элемент. В результате был выбран тензорезистор 3ФКТК рис.. – термокомпенсированный тензорезистор.

                   Рис. 4 Внешний вид фольгового тензорезистора

Для измерения деформаций и усилий на поверхности элементов в основном используют тензорезисторы, основаные на изменении геометрических размеров.

Принцип действия тензорезисторов основано на  изменении сопротивления металла из которого изготавливаются тензорезисторы под действием деформации.Металл должен иметь следующие свойства:

1)  Высокую тензочувствительность, т. е. высокое отношение изменения омического сопротивления к изменению геометрических размеров;

2)  Высокое удельное электрическое сопротивление;

3)  Низкий температурный коэфициент сопротивления в заданном интервале температур;

4)  Высокую структурную стабильность;

5)  Высокую стойкость к окисленю;

6)  Обладать достаточной механической прочностью.

Тензорезисторам свойственны некоторые недостатки:

-  невозможность индивидуальной градуировки;

-  относительно невысокая чувствительность и относительно низкий абсолютный уровень выходных сигналов.

Тензорезистор выбирался по температурному рабочему диапазону (от -40 до +60) и статической силы, которая будет действовать на упругий элемент. В результате был выбран тензорезистор 3ФКТК – термокомпенсированный тензорезистор.

  Выбранный тип тензорезистора имеет следующие параметры:

= 6 мм;              R= 200 Ом;

= 19 мм;                = 1-2%;

= 10 мм;                  ;

U_{пит моста}=2

где: R-сопротивление тензорезистора;

S-площадь тензорезистора (L b);

Р_д-мощность, рассеиваемая с единицы площади тензорезистора, т.е. удельная мощность рассеяния зависит от требуемой точности измерения и условий рассеяния тепла в материале .

Р=0,2 *10^-2 (ватт/мм²);                   S=10мм 6мм=60(мм²).

Следовательно:

.

3.3. Расчет мостовой схемы включения и обоснования ее выбора

Температурные приращения сопротивления тензорезисторов в некоторых случаях столь значительны, что в несколько раз превышают изменения их сопротивления от измеряемого веса [6].

Способ схемной компенсации основан на том, что тензодатчики, наклеенные на одну подложку и находящиеся в одинаковых температурных условиях, изменяют свое сопротивление практически одинаково. Если активный тензорезистор R_а наклеить на упругий элемент (исследуемую конструкцию), включив его в одно плечо измерительного моста, а компенсационный тензорезистор R_к наклеить на пластинку из того же материала, что и конструкция, включив его в смежное с первым тензорезистором плечо моста, то практически можно исключить влияние температуры на активный тензорезистор.

Мостовая схема является основным, наиболее совершенным принципом измерения параметров электрических цепей и составляет реализацию одинго из вариантов метода уравновешивающего преобразования. Измерительные мосты постоянного тока предназначены для измерений активных сопротивлений.

В данной работе схемой преобразования первичного сигнала является полумост – 2 активные тензорезистора сопротивления, т. е. рабочие, а 2 – компенсационные. Т.к. колебания температуры окружающей среды вызывают изменения линейных размеров модуля упругости материала УЭ и это вызывает дополнительную погрешность от температуры, то благодаря такой схеме включения температурная погрешность полностью компенсируется.

                                      U_{вых.моста}=U_пит

 причем, R_4д=R_1д и  R_2к=R_3к

Резисторы с индексом а – тензорезисторы, работающие на сжатие, с индексом к – термокомпенсационные тензорезисторы. Они одинаковые по величине, а, так как мостовая цепь является дифференциальной, следовательно, в ней компенсируются аддитивные погрешности, те, которые вызваны изменением температуры, следовательно, так будет скомпенсирована температурная погрешность.

После упрощения и преобразования формулы  для U_{вых.моста}, получим следующую зависимость:

                                          U_{вых.моста}=U_пит 

Уравнение преобразования тензорезистора:

                                             = 

 где  k=2,1  коэффициент тензочувствительности

 Е= 192 ГПа

       -напряжение, возникающее в материале УЭ

==0,0024

подставим результат

U_{вых моста}=9,8*0,5*0,0024=0,0118 В=11,8 (мВ)

Т. е. напряжение выхода моста составляет 12 мВ, а для работы АЦП с сигналом необходимо напряжение в вольтах, значит, напряжение выхода моста необходимо усилить до величины 2В с помощью нормирующего преобразователя.