Многокомпонентный пьезооптический измерительный преобразователь сил и моментов

• Автор: Можаев, Виктор Александрович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 180 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. МНОГОКОМПОНЕНТНЫЙ ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРА

ЗОВАТЕЛЬ СИЛ И МОМЕНТОВ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Состояние вопроса

1.2. Функциональная схема шестикомнонентного преобразователя

1.3. Принцип действия пьезооптического преобразователя

1.3.1. Оптическая анизотропия прозрачных сред

1.3.2. Механические напряжения и показатели преломления чувствительного элемента.

1.3.3. Оценка напряженного состояния

1.4. Постановка задачи исследования

1.5. Выводы
2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ
МОДЕЛИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
2.1. Анализ напряженного состояния стержневого чувствительного
элемента
2.1.1. Напряжения от действия силы Рх.
2.1.2. Напряжения от действия силы Ру.
2.1.3. Напряжения от действия силы Р.
2.1.4. Напряжения от действия момента Мх
2.1.5. Напряжения от действия момента Му
2.1.6. апряжения от действия момента М2.
2.2. Математическая модель одностержневого чувствительного
элемента
2.3. Анализ напряженного состояния рамочного чувствительного
элемента.
2.3.1. Напряжения от действия силы Рх.
2.3.2. Напряжения от действия силы Ру.
2.3.3. Напряжения от действия силы .
2.3.4. Напряжения от действия момента Мх
2.3.5. Напряжения от действия момента Му
2.3.6. Напряжения от действия момента М
2.3.7. Напряжения в общем случае нагружения.
2.3.8. Квазиглавные напряжения в сложном напряженном состоянии
2.4. Выбор расположения полярископов.
2.5. Математическая модель рамочного чувствительного элемента
2.6. Структура решающего блока шестикомпонентного преобразователя
2.7. Структура блока стабилизации излучения.
2.8. Оценка чувствительности шестикомпонентного датчика.
2.9. Собственные частоты преобразователя
2 Выводы
3. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПЬЕЗООПТИЧЕСКОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УСИЛИЙ
3.1. Влияние концевых эффектов при растяжсн и исжатии стержней
3.2. Влияние концевых эффектов при изгибе стержня
3.3. Влияние поворота квазиглавных напряжений
3.4. Влияние угла просвечивания стержня
3.5. Влияние крутящего момента в стержнях
3.6. Выводы
4. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШЕСТИКОМПОНЕНТЮГО
ПЬЕЗООПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
4.1. Выбор материала чувствительного элемента
4.2. Определение геометрических размеров чувствительного элемента 6 4.2.1. Определение размеров сечения стержня
4.2.2. Определение активной длины стержней чувствительного элемента
4.2.3. Определение расстояния между стержнями чувствительного элемента
4.3. Определение разрядности аналогоцифрового преобразователя
4.4 Определение параметров блока стабилизации мощности излучения
4.5. Определение параметров блока линеаризации
4.6. Алгоритм обработки результатов измерения.
4.6.1. Алгоритм вычисления силы Рх
4.6.2. Алгоритм вычисления силы Ру
4.6.3. Алгоритм вычисления силы Ру
4.6.4. Алгоритм вычисления момента Мх.
4.6.5. Алгоритм вычисления момента Му.
4.6.6. Алгоритм вычисления момента М.
4.7. Разработка алгоритмов стабилизации и самоконтроля
преобразователя.
4.7.1. Модуль инициализации.
4.7.2. Модуль стабилизации мощности излучения.
4.7.3. Модуль коррекции коэффициентов усиления каналов
4.8 Экспериментальное исследование пьсзооптнчсского
преобразователя.
4.8.1. Выбор материала чувствительного элсмета
4.8.2. Определение геометрических размеров чувствительного элемента
4.8.3. Определение положения полярископов на стержне
4.8.4. Определение максимальных сдвигов фаз в полярископах
4.8.5. Проектирование блока стабилизации излучения .
4.8.5. Экспериментальное исследование измерительных каналов.
4.9. Выводы
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


В этом методе используется прецизионные механические трансмиссии и образцовые гири. Его используют в стационарных установках для измерения квазистатичсских сил. Метод сравнения измеряемого усилия с усилием, создаваемым электродинамическим силовозбуднтелем или метод с силовой компенсацией. Измеряемое усилие через силовводящий элемент воздействует на датчик перемещений. Сигнал с датчика перемещений используется для работы силовозбу-дитсля, возвращающего силовводящий элемент в нейтральное положение. Электрический сигнал, создаваемый для управления силовозбуднтелем при компенсации, служит мерой измеряемого усилия. Метод измерения упругой деформации тела под действием неизвестного усилия. Деформация измеряется датчиком деформации или перемещения. Самым распространенным из перечисленных методов измерения усилия является метод измерения упругой деформации. Преобразователи, реализующие этот метод, содержат упругий элемент, включенный в силовую цепь. Упругий элемент предназначен для преобразования измеряемой силы в эквивалентное напряженное состояние. В нем возникает реакция, противодействующая измеряемому усилию. Упругий элемент может быть активным или неактивным. Неактивный элемент выполняет только механические функции, и его деформация воспринимается чувствительным элементом- датчиком деформации или перемещения. Величины напряжений в упругом элемс]гтс под действием заданных усилий определяются геометрическими параметрами, упругими свойствами материала элемента и их зависимостью от окружающих условий. Обычно наибольшее напряжение атах в элементе не должно превышать предела пропорциональности а„„для материала: атах <, а,|Ц. Измерение поверхностных деформаций неактивного чувствительного элемента чаще всего выполняется с использованием тензорсзисторов /9, /. Пьезоэлектрические активные чувствительные элементы изготавливаются из кристаллического кварца или пьезокерамики. Под действием механических напряжений на поверхности этих материалов возникают электрические заряды (пьезоэлектрический эффект), которые снимаются внешними электродами. Активные элементы, использующие эффект магнитоупругосги, включаются в измерительную схему в качестве компонента с индуктивностью, величина которой зависит от механических напряжений. Сравнительно более новым типом активных чувствительных элементов являются элементы, использующие пьезооптический эффект (эффект фотоупругости) /,. Наиболее перспективным вариантом представляется второй вариант. Существующие многокомпонентные датчики являются преимущественно тен-зорезисторными и пьезоэлектрическими /8, , /. Наибольшие сложности возникают при разработках многокомпонентных датчиков большой размерности. Для достижения необходимой величины избирательности но отдельным каналам приходится проектировать чувствительные элементы весьма причудливой конфигурации и конструкция датчика в целом оказывается сложной. В качестве примера можно привести шестикомпонентный датчик для сборочного робота-манипулятора //. При разработке авторы стремились к возможно более простой конструкции. Датчик конструировали как промежуточное звено связи между ’’плечом” робота и “рукой”. В качестве чувствительных элементов использованы плоские пружины постоянного сечения из бсриллисвой бронзы, обладающей высокой линейностью и незначительным гистерезисом при периодических нагружениях в пределах пропорциональности. Измерение деформаций производится пленочными металлическими тензорезисторами с малыми размерами, массой и хорошей термостабил ьностъю. Разложение векторов сил и моментов на составляющие осуществлено с помощью системы цилиндрических стальных стержней. Датчик характеризуется следующими основными параметрами. Нелинейность - 0. Гистерезис - 0. Перекрестные помехи -3. Дрейф нуля - 0. Габариты - х 1 ООх 0 мм. К числу весьма перспективных преобразователей механических усилий можно отнести преобразователи, использующие фотоупругие чувствительные элементы /,. Шестикомпонентный датчик механических усилий (рис. Mx, My. Mz Nmx, Nviy. Рис. Рис. Рис.