Метрология: средства и способы измерения (теория и практика)

Кварцевые нагрузочные кольца.

Кварцевые нагрузочные кольца. Пьезоэлектрические датчике силы, чувствительные только к осевым силам сжатия, выполняются в форме кварцевых колец, называемых нагрузочными Площадь поверхности датчика, подверженная сжатию, определяет верхнюю границу измерений — от нескольких килоньютонов (при диаметре порядка сантиметра) до 103 кН (при диаметре порядка 10 см).

Значительное предварительное сжатие, которое обеспечивается двумя гайками, сжимающими кольцо, позволяет расширить диапазон измерений сил сжатия и растяжения (всякая сила растяжения измеряется как уменьшение силы предварительного сжатия). Чувствительность датчика снижается на 5-10% из-за механического шунта, представляющего собой ось сборки предварительного сжатия.

Диапазон измерений кварцевых нагрузочных датчиков силы составляет от ±2,5 до ±120 кН в зависимости от размера кольца.

Кварцевые датчики нескольких составляющих силы. Кварцевое кольцо можно вырезать так, что в специфических условиях их применения оно будет чувствительно только к силам одного совершенно определенного направления. Известно, что у кварца имеется только пять пьезоэлектрических коэффициентов: б/и, с12, б14 б25

Чувствительность круглого кольца Х-среза к сжатию (или растяжению - сжатию при предварительном сжатии) проявляется через коэффициент 11 (если нет паразитных боковых сил, приводящих к возникновению овальности и механических напряжений, эффект которых связан с коэффициентами д,2 и с1). Аналогично, кольцо У-среза чувствительно только к сдвигу по толщине через коэффициент 2в. Ввели только вследствие механической сборки не возникает усилия, относящегося к D25 (торцевому сдвигу). В частности, эти два среза используются для создания кварцевых датчиков нескольких составляющих, таких, как:

5) датчик трех составляющих, в котором используются три пары колец, из которых одна, чувствительная к сжатию, измеряет Рх, тогда как две другие, чувствительные к сдвигу и развернутые одна относительно другой на 90°, измеряют Ру И /V,

2) датчик трех составляющих, построенный по тому же принципу, но каждое его кольцо несет на себе несколько одинаковых колец, электрически соединенных параллельно

3) датчик двух составляющих: силы сжатия Р и момента М. Для измерения момента кольца, чувствительные к сдвигу, смонтированы так, что их оси чувствительности направлены по касательной к окружности. В датчиках этого типа необходимо значительное предварительное сжатие набора колец, так как сдвиговые силы передаются через трение,

Высокочувствительные датчики. Гораздо реже используются гибкие пьезоэлектрические датчики, предназначенные для измерения очень малых сил, в виде:

1) консолей и балок-под действием силы одна из кварцевых пластинок удлиняется, другая-сжимается; 2) пластинок, в которых под действием силы происходит двухосный сдвиг (в этих случаях используют двухкомпонентный датчик); в) кварцевой пластинки с использованием поперечного эффекта