Пьезорезистивные приборы и датчики механических величин

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 4

Пьезорезистивные приборы и датчики основе контактных чувствительных элемент

 применяются для контроля размеров деталей, а также установления максимального значения того или иного параметра. Принцип действия контактного чувствительного элемента рассмотрим на примере контроля размеров деталей (рис. 6.1, а). Если контакты 1, 3 неподвижны, а контакт 2 перемещается по шероховатой поверхности детали, то в зависимости от выступов и впадин этой поверхности будут замыкаться или размыкаться контактные пары 1–2 или 2–3, а следовательно, включаться или выключаться соответствующая электрическая цепь.

Аналогично функционирует чувствительный элемент при определении максимального значения какого-либо параметра, вызывающего замыкание контактов.

Основной частью контактного чувствительного элемента является контактная пара, состоящая из двух контактов. В отличие от рассмотренной скользящей пары (проволока–щетка) в реостатных чувствительных элементах, а также пары коллектор–кольцо в электрических машинах, здесь используют подвижные разрывные контактные пары.

Рис. 6.1. Контактный чувствительный элемент: а – конструктивная схема; б – точечная контактная пара; в – плоскостная контактная пара; г – линейная контактная пара

Подвижные разрывные контактные пары бывают нормально-замкнутые, нормально-разомкнутые и переключающие. Наиболее распространенные формы разрывных контактных пар показаны на рис. 6.1, б, в, г. Для малых токов (не более 2–3 А) применяют точечные (рис. 6.1, б), а для

более сильных токов – плоскостные или линейные формы (рис. 6.1, в, г). Чувствительность контактной пары зависит от величины тока, протекающего через контакты, I_к и напряжения на контакте U_к, а порог чувствительности при постоянном U_к определяется контактным усилием Q_K, а следовательно, минимальным расстоянием (раствором) d между контактами. Уменьшение расстояния d ограничивается опасностью возникновения пробоя или дуги. Для исключения этого необходимо выдерживать допустимые для данной контактной пары значения тока и напряжения. Пробой (искра) обычно возникает при индуктивной нагрузке при U > 270¸300 В, когда напряжение на контактах меньше, чем напряжение зажигания U_з. Напряжение зажигания существенно зависит от раствора d контактов и давления среды Р (рис. 6.2).

Рас. 6.2. Зависимость напряжения зажигания от давления среды и расстояния

между контактами

Под влиянием дуги и искры происходит эрозия, т. е. износ контактов. Наибольший износ контактов возникает при размыкании, причем в зависимости от величин тока и напряжения возможны жидкий мостик, искровой и дуговой разряды. Жидкий мостик создается в цепи постоянного тока, при U_к > 0,5 В и I_к > 0,06 А. Вследствие этого облегчается перенос металла с положительного контакта на отрицательный. Этот перенос металла возможен и при меньших напряжениях, если расстояния между, контактами меньше длины свободного пробега электронов. Тогда создается поле высокого градиента, под действием которого электроны, вырываемые с катода, бомбардируют анод, разрыхляют его, а ионы переносятся на катод, образуя выступ. Поэтому в цепях переменного тока применяют обычно контакты, выполненные из одноименного материала (например, платины, вольфрама, молибдена, металлокерамики и др.), а в цепях постоянного тока – различные материалы контактной пары, причем анод изготовляют из платины, серебра, палладия, платиноиридия, а катод – из вольфрама и молибдена. Весьма важным фактором при выборе материалов контактов является также обеспечение малой термо-э. д. с. в паре с медью.

Нарушение нормальной работы контактов вызывается коррозией, т. е. появлением оксидных, сульфидных и других пленок на поверхностях контактов. Устранить пленки можно путем механического притирания контактов и выбора надлежащего контактного усилия Q_к, величина которого зависит от требований, предъявляемых к контактам прибора. Диапазон контактных усилий велик – от десятитысячных долей ньютона до 1 Н.

Для повышения надежности работы контакты помещают в вакуум, инертный газ или применяют искрогасительные цепи (обычно в виде сопротивлений, шунтирующих контакты или нагрузку).

Важным параметром контактной пары является переходное сопротивление r_к. Поскольку контактирующие поверхности всегда шероховаты, то r_к определяется элементарными поверхностями соприкосновения, число и размеры которых постоянно изменяются. Переходное сопротивление контактов значительно превышает сопротивление целого проводника, так как при уменьшении контактирующей поверхности происходит искривление и сужение линий тока. Наибольшее влияние на величину r_к оказывает контактное усилие Q_к, увеличение которого приводит к смятию отдельных элементарных выступов и увеличению контактирующей поверхности. Зависимость переходного сопротивления от контактного усилия нелинейна и для точечных контактных пар, выполненных из одноименных материалов, модули упругости которых одинаковы, определяется следующим выражением:

                                                    (6.1)

где r – удельное сопротивление материала контактов, Ом×м; НВ – твердость материала по Бринелю, Па; Q_к – контактное усилие, Н.

Эта формула справедлива для предположения, что радиусы сферических поверхностей одинаковы и коэффициент Пуассона m=0,3. Если материалы контактной пары различны, то

где НВ'– твердость по Бринелю более мягкого материала.

Переходное сопротивление контактов получают согласно выражению

                                                               (6.2)

где  – размерный коэффициент, зависящий от материала, способа обработки, состояния поверхности контактов, а также формы и размеров контактов, равный 6,12 Ом/Н для точечных серебряных; 14,34 – 17,85 Ом/Н для точечных медных и 9,18–28,56 Ом/Н для плоскостных медных контактов; т – коэффициент, зависящий от формы контактов, равный 0,5 для точечных и 1,0 для плоскостных контактов.

Зависимость коммутируемого тока I_к от изменения измеряемого усилия, перемещения или другой физической величины х имеет релейный характер.

Контактный чувствительный элемент включается обычно в цепь сигнальной лампы тлеющего разряда или в цепь сетки электронной лампы.

Ориентировочный расчет контактов, работающих в режиме длительного включения и нормальной коммутации, производят в следующей последовательности. Исходя из заданных напряжения цепи и условий работы выбирают материал и форму контактов. На основании характеристик материалов и параметров дугообразования определяют максимальный ток I_к и допустимое напряжение на контактах U_к. Тогда переходное сопротивление контактов

Зная r_к, находят контактное усилие Q_к из выражений (6.1) или (6.2). По величине контактного усилия рассчитывают контактную пружину. Размеры точечной контактной пары выбирают такими, чтобы наибольшее напряжение в материале контакта s_max не превышало допустимого напряжения на смятие [s]_см.

Для контактной пары сфера–сфера

и для контактной пары сфера–плоскость, конус–плоскость

,

где Е – модуль упругости материала контакта, Па; R_к – радиус сферы контакта, м.

Размеры контактов и их соответствие заданным температурным условиям определяют путем совместного решения уравнения для переходного сопротивления и уравнения теплового баланса

где  – эффективное значение максимального тока, протекающего через контакт, А; k – обобщенный коэффициент теплоотдачи, определяемый экспериментально, Вт/(м²×°С); q – величина перегрева, °С; S – площадь поверхности контакта, м².

Затем находят величину зазора и выясняют целесооб­разность применения искрогасительного контура. Расчет контактов всегда приближенный и нуждается в обязательной экспериментальной проверке.

Динамическая характеристика контактного чувствительного элемента определяется временем срабатывания t_ср и временем отпускания t_отп контактов.

Познавательные статьи:



Психологические особенности спортивного соревнования

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Занятость населения и рынок труда

Социальный статус семьи и её типология