Датчик силы на растяжение

Сопутствующая продукция

За последние годы датчики силы достигли высоких технических стандартов. Высокая точность датчиков также достигается благодаря улучшенным возможностям калибровки. В очень многих случаях датчик силы, в отличии, например, от тензодатчиков веса, нет возможности откалибровать в месте его установки. Поэтому для получения хороших и надежных результатов измерений важно максимально точно  провести калибровку при которой допускаются только отклонения в пределах действующих технических характеристик.

Точность измерения датчика силы в большой степени зависит от того как он установлен. Неблагоприятные условия установки ухудшают точность измерения, динамические свойства измерительной цепи, а также при воздействии электромагнитных полей ухудшается чувствительность.

1. Влияние направления силы

а) Приложение силы под углом

Руководства по эксплуатации датчиков силы, например датчик силы С2 HBM, требует, чтобы «… силы, действующие на датчик, действовали точно в направлении измерения, если это возможно».

Есть целый ряд причин почему необходимо соблюдать данное предписание. Во-первых, возникает систематическая ошибка измерения, поскольку датчик силы измеряет только силы в направлении измерения. Усилие приложенное под углом к направлению измерения, в значительной степени компенсируются, поскольку боковые силы, как правило, не являются объектом измерения.

В этом примере измеряемая сила, Fin, прикладывается к датчику под углом, обозначенным как α. Вектор силы приложенного усилия затем распределяется на две составляющие Fz и Fx. На датчике измеряется только сила в направлении Z, которая меньше приложенной силы.

При этом:

Fz = Fin ⋅ cos(α)

следовательно, результат измерения слишком мал из-за коэффициента cos (α).

Кроме того, в этих случаях может быть рассчитано боковое усилие,

Fx = Fin⋅ sin(α)

Ошибка измерения при приложении усилия под углом до пяти градусов описана в таблице ниже:

1° = 0.015 %

2° = 0.06 %

3° = 0.14 %

4° = 0.24 %

5° = 0.38 %

Для сравнения: самая большая индивидуальная ошибка в современных датчиках силы (S9M, S2M) составляет 0,02%.

2 Влияние поперечных усилий, изгибающих и крутящих моментов

а. Поперечное усилия

Поперечное усилия — это усилие, которые прикладываются перпендикулярно направлению измерения датчика. Эти боковые силы могут возникать, например, из-за собственного веса дополнительных компонентов или из-за того, что нагрузка прикладывается под углом.

В общем, поперечное усилие всегда включает в себя изгибающий момент, поскольку боковое усилие редко действует на высоте крепления тензорезистора. В зависимости от поперечной чувствительности датчика генерируется дополнительная ошибка. Для большинства датчиков эта ошибка значительно ниже 1% от силы в направлении измерения (Fz), когда поперечное усилие составляет 10% от Fz.

б. Изгибающий момент

Большая угловая погрешность может привести к разрушению датчика силы. На практике, изгибающий момент часто накладывается на фактически измеряемое усилие.

На эскизе выше приведен пример. В дополнение к приложенному усилию датчик также нагружается изгибающим моментом. Изгибающий момент может создаваться, например, поперечным усилием в точке, где прикладывается нагрузка, например, из-за собственного веса деталей, которые прикладывают усилие, когда датчик установлен вертикально. Приложение эксцентрической нагрузки также может генерировать изгибающий момент. В этом случае крутящий момент (который вращается по часовой стрелке в этом примере) ослабляет нагрузку на датчик с левой стороны и нагружает его с правой стороны. Вращательно-симметричные датчики силы такие как C2, U2B или U10M нечувствительны к изгибающим моментам, потому, что они компенсируют изгибающие моменты используя множество точек измерения, распределенных по окружности. Датчики силы U10M и U10S обеспечивают выравнивание изгибающего момента, которое уменьшает его влияние до 0,01%. Эта особенность характеризуется тем, что при объединении отдельных точек измерения получаемый результат всегда является средним значением.

Независимо от этого большой изгибающий момент может разрушить датчик силы. Важно отметить, как упоминалось выше, что изгибающий момент не отображается при измерении.

Имейте также ввиду, что во многих случаях изгибающие моменты также приводят к поперечному усилию, которое создает дополнительную нагрузку на датчик силы. Также обратите внимание на пример ниже.

Изгибающий момент создается с левой стороны, потому что нагрузка приложена эксцентрично. В этом случае поперечное усилие отсутствует.

Изгибающий момент генерируется на левой стороне, потому что собственный вес приложения нагрузки создает рычаг. Расстояние от центра тяжести до датчика силы равно длине рычага. В этом простом случае вес превращается в силу. Момент получается умножением силы на плечо рычага. Кроме того, сила тяжести действует на датчик как поперечное усилие. Оба паразитических влияния должны быть приняты во внимание.

в. Крутящий момент

Датчики силы, предназначенные для измерения сил сжатия/растяжения, поставляются с внутренней резьбой (S9М, S2М, U10М) или резьбовыми болтами (U15, Z4А, U2B). Во время установки датчика важно, чтобы эти резьбовые соединения были зафиксированы с соответствующим моментом затяжки. При монтаже часто превышается максимальный крутящий момент. Обратите внимание: зафиксируйте резьбовые соединения так, чтобы через датчик не передавался крутящий момент. Также необходимо учитывать максимальный крутящий момент, поскольку при превышении предельного значения датчик может быть разрушен без возможности его восстановления. Во время работы крутящий момент в значительной степени компенсируется геометрией корпуса датчика и местом установки тензорезисторов.

г. Взаимодействие всех моментов и поперечных усилий

Максимальный предел нагрузки всегда следует понимать как указание на то, что датчик при нагрузке номинальным усилием, также может быть нагружен одним из паразитных воздействий. Если на тензодатчик одновременно воздействует несколько паразитных воздействий, применяется следующее:

— Воздействие нескольких компонентов при максимально допустимых значениях могут разрушить тензодатчик силы.

— Если на датчик одновременно воздействует несколько паразитных воздействий,  то эти компоненты можно просуммировать. Их общая сумма не должна превышать 100%. Пример: Используется 50% допустимого крутящего момента, 40% допустимого изгибающего момента и 10% допустимого поперечного усилия. Таким образом, на тензодатчик силы воздействует максимальная нагрузка, поскольку сумма равна 100%.

3. Тензодатчики силы для измерения сил сжатия со сферической поверхностью приложения усилия

Данный тип тензодатчиков силы сконструирован таким образом, чтобы они могли регистрировать силы только в направлении сжатия, обычно они оснащены выпуклым сферическим фитингом для приложения нагрузки.

Приложение усилия к сферической поверхности датчика может быть реализовано с помощью вспомогательных элементов приложения нагрузки, которые доступны для многих моделей. К ним относятся, например, упорные детали, которые изображены на рисунке ниже.

Упорный элемент этого типа просто помещается в точку приложения нагрузки датчика. Необходимо только убедиться, что между опорным элементом и тензодатчиком силы нет никаких посторонних предметов. Упорный элемент может вращаться, а также возможно изменить угол его наклона относительно датчика, таким образом, изгибающие и крутящие моменты не воздействуют на тензодатчик силы.

Если тензодатчик силы установлен без такого упорного элемента, следующие требования должны быть выполнены для компонента, который входит в контакт со сферической поверхностью датчика к которой прилагается усилие:

— HBM рекомендует твердость не менее 43 HRC

— Заготовка должна быть отшлифована

— Монтаж должен быть выполнен таким образом, чтобы сопрягаемый элемент не отрывался от поверхности приложения нагрузки датчика, и на датчике не возникало ударной нагрузки.

— По возможности, сопрягаемый элемент должен вращаться и иметь опорно-поворотное устройство для предотвращения изгибающих и крутящих моментов.

Обычно датчики силы размещают в конструкции. Это означает, что создаваемое усилие направлено в конструкцию под датчиком силы. И конструктивный элемент, на котором установлен датчик силы, должен быть спроектирован таким образом, что бы создаваемое на нем усилие вызывало незначительную деформацию. Для этого необходимо что бы конструктивный элемент обладал  достаточной жесткостью.

Также важно, чтобы поверхность была ровной. Максимально допустимая неровность составляет 0,005 мм. Ровное основание гарантирует, что датчик силы деформируется так, как необходимо для достижения полной точности измерения заявленной производителем.

Основание, на котором устанавливается датчик силы должно быть устойчивым к деформации и  иметь больший диаметр чем датчик. Сильно деформирующееся основание, слишком маленькая или неравномерная поверхность при приложении усилия, приведет к деформации, которые не были приняты во внимание при проектировании датчика силы. В этом случае технические данные, относящиеся к чувствительности, линейности и гистерезису, могут измениться.

Существенное требование к основанию на который устанавливается датчик силы: соответствующий размер, ровная поверхность и достаточная жесткость.

4 Датчики силы на растяжение/сжатие с резьбовым креплением

Датчики силы которые применяются для измерения сил сжатия/растяжения используются вместе с шарнирными петлями которые прикручиваются к датчику и через которые передается усилие. Некоторые датчики силы, например Z4A или U2B, имеют внешнюю резьбу сверху и внутреннюю резьбу снизу. Датчики силы серии U10M и U10S оснащены внутренней резьбой на обеих сторонах. Датчики с внутренним резьбовым соединением более компактны. Датчики с наружной резьбой имеют большее расстояние между резьбовым соединением и местом установкой тензорезисторов, что положительно влияет на различные метрологические свойства (гистерезис!). Датчики силы на растяжение и сжатие которые имеют высокие требования к точности и повторяемости, как правило, имеют наружную резьбу.

Для внутренней резьбы: При использовании датчиков силы с болтовым соединением, необходимо что бы гайка, расположенная на соединительном элементе, оказывала достаточное поверхностное давление на датчик силы.

Для этого есть два разных метода:

 а. Установка с применением усилия привышающее номинальную нагрузку

— Ввинтите соединительные элементы в тензодатчик с обеих сторон.

— Нагрузите датчик силы усилием, превышающим номинальную нагрузку (не превышайте максимальные пределы нагрузки)

— Затяните контргайки вручную

— Теперь датчик получает корректные показания усилия. Он установлен правильно

Информацию по необходимой перегрузке датчика можно найти в руководстве по эксплуатации

б. Монтаж с соответствующим крутящим моментом 

— Ввинтите соединительные элементы

— Затяните контргайки в соответствии с моментами, указанными в инструкции по установке

Следует отметить, что крутящий момент, необходимый для установки, никогда не должен передаваться через датчик, поскольку в противном случае датчик может быть разрушен.

Для датчиков силы с наружной резьбой:

Присоединяемый элемент должен быть, как минимум, зафиксирован контргайкой.

Это требование исключается при измерении статических усилий. Моменты указаны в руководствах по эксплуатации для датчиков силы.

Z4A (справа) зафиксирован только на внутренней резьбе.  Для наружной резьбы U2B (слева) всегда требуется фиксация с помощью гайки. HBM предлагает поворотные проушины практически для всех датчиков силы, которые подходят для измерения сил сжатия и растяжения. Если датчики силы установлены с использованием, по крайней мере, одной шарнирной проушины, то в этом случае крутящие моменты не передаются на датчик. При использовании двух шарнирных проушин изгибающие моменты и усилие не должно прикладываться к датчику под углом.

Использование двух шарнирных проушин для калибровки U10M с номинальной нагрузкой 500 кН.

Обычно поворотные проушины не подходят для измерения динамических сил, так как люфт подшипника со временем увеличивается, что может привести к ошибкам при измерениях. Кроме того, частотный диапазон, в котором могут использоваться шарнирные проушины, ограничен примерно 10 Гц.

Поэтому для динамических задач рекомендуется использовать гибкие элементы приложения усилия.

Датчики силы компании НВМ