К достоинствам полупроводниковых тензорезисторов следует отнести высокую чувствительность, которая может превышать на два порядка аналогичный параметр металлических преобразователей.

 

 

 

                    

Примеры тензорезисторов (тензодатчиков)

 

В качестве измерительной цепи, преобразующей изменение сопротивления в напряжение, нашли применение преобразователи, использующие схему неуравновешенного моста (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Мостовая схема измерительного преобразователя сопротивления в напряжение: ЛС – линия связи; ПУ – предварительный усилитель; Ф – частотный фильтр; НУМ – нормирующий усилитель мощности.

Напряжение и пропорционально напряжению источника электропитания V (U ₀).

Перед передачей сигнала в линию связи (ЛС) целесообразно включить предварительный усилитель напряжения (ПУ), частотный фильтр (Ф) и нормирующий усилитель мощности (НУМ). Электропитание измерительного моста, как правило, осуществляется от источника постоянного или синусоидального напряжения. Применение источников постоянного напряжения связано с необходимостью использования сложного предварительного усилителя постоянного тока.

Мостовая схема находится в равновесии (и =0) пока выполняется соотношение

R ₁ / R ₂ = R ₃ / R ₄.

При изменении сопротивления R ₁ на величину ∆ R появляется напряжение и:

и = 1/4 U₀ ∙ ∆ R / R

 

  

 

Крутящий момент М дает ∆ R ₁ и (-∆ R ₂). В результате u ~ M

C ила F дает ∆ R ₁ и ∆ R ₂. В результате u = 0

 

Вопрос для самопроверки: как можно расположить тензодатчики, чтобы мерить F и не реагпровать на М?

 

 

Конструктивные реализации устройств на базе тензодатчиков

Тензометрические подшипники

Тензометрические подшипники применяются рядом станкостроительных фирм в качестве передней опоры шпинделя токарных, фрезерных и многоцелевых станков для измерения двух или трех составляющих силы резания. Такое измерительное устройство фирмы «Promess» или аналогичное, изготовленное в НПО «Измеритель», состоит из первичного преобразователя (датчика) и электронного модуля для обработки сигнала.

Принцип измерения сил состоит в следующем. При нагружении подшипника качения силой резания в шариках и кольцах возникают деформации пропорциональные нагрузке. Величина деформации может быть определена с помощью тензометров, которые наклеиваются на поверхность специально проточенной канавки наружного кольца подшипника (рис. 5.20). В тензометры подается постоянный ток от блока питания.

В позиции А, когда шарик оказывается против тензометра, последний находится в зоне деформации; в позиции В – он располагается между двумя зонами деформаций. Изменение электрического сопротивления тензометрических датчиков электрически преобразуется в изменение напряжений.

Рис. 5.20. Изменение сигнала в тензометрическом подшипнике

Для измерения составляющих силы резания  и  при токарной обработке (или осевой силы при сверлении) устанавливают в комплекте два радиально-упорных подшипника, на наружные кольца каждого из которых наклеивают по четыре тензорезистора, составляющих измерительный мост.

                     

Рис. 5.21. Передняя опора шпинделя станка с тензометрическими

 подшипниками

 

При измерении, например, составляющей , ее воздействие в направлении, указанном на рис. 5.22, приводит к приросту величины деформаций обоих подшипников, а вместе с этим к изменению электрических сопротивлений тензорезисторов. В результате изменяется напряжение в измерительных точках мостов.

                                   

Рис. 5.22. Точки измерения в тензометрических подшипниках

Для определения значения сил по электрическим сигналам система должна быть протарирована.

Существенный недостаток тензометрических подшипников - сложность их монтажа в шпиндельном узле станка, связанная с высокими требованиями к точности их базирования. Незначительные деформации наружного кольца при монтаже вызывают появление вредного сигнала датчиков и нарушают точность измерения силы резания.