Сборник авторских инженерно-технических идей и решений в области систем технической диагностики и мониторинга - страница 5

Чувствительность такой измерительной системы всегда зависит от механических свойств такой подложки.

Исходя из выше изложенного, предлагается непосредственный способ измерения крутящего момента приводных валов, основывающийся на классическом пьезоэфекте в полупроводниках.

В заявляемом способе предлагается полностью отказаться от каких-либо подложек между измерительным элементом и объектом измерения – стальным валом.

Сам измерительный элемент в виде плёнки из полупроводника предлагается химическим или гальваническим способом нанести непосредственно на сам шпиндель в виде кольца, спирали или полоски по всей длине шпинделя.

Рис. № 5. Пьезоэлектрический полупроводниковый непосредственный способ измерения крутящего момента приводных валов

Способов нанесения полупроводникового слоя химическим или гальваническим способом достаточно много.

Рассмотрим самый простой и технологичный (хорошо повторяемый) химический способ нанесения полупроводникового слоя, который был опубликован ещё во времена СССР в школьных факультативах старших классов по химии – изготовление солнечной батареи и термоэлемента. Например, тиомочевина из расчёта 114 грамм на 1 литр воды, ацетат свинца из расчёта 345 грамм на 1 литр воды и едкий натр из расчёта 40 грамм на 1 литр воды даже в любительских условиях позволяют получить достаточно прочную полупроводниковую плёнку толщиной 5 микрон на стальном основании.

Сверху полупроводникового слоя, но только с обоих концов вала, также, например, химическим способом необходимо нанести уже кольцевой слой проводника. Такие два кольца проводника поверх общего полупроводникового слоя с обоих сторон вала будут являться двумя электродами измерительной системы.

В такой химически нанесённой плёнке из полупроводника получаются одинаковые величин продольных и поперечных коэффициентов пьезосопротивления.

Этого вполне достаточно для непосредственной фиксации пьезоэффекта при малейшем сдвиге на кручение в шпинделе, передающем крутящий момент.

Таким образом, мы полностью избавляемся от промежуточных элементов в существующих датчиках, которые существенно влияют на чувствительность всей измерительной системы.

Практические работы подтверждают простоту конструктивного исполнения способа, см. рис. № 6.

Рис. № 6. Экспериментальные работы, подтверждающие способ.

Берётся медный стержень от паяльника. Зачищается. Нагревается на огне до красного каления. Таким образом на поверхности стержня сформируется формирует тонкая плёнка из полупроводника – оксида меди.

Сверху и снизу такого стержня прищепками крепятся к слою полупроводника два провода от милливольтметра.

Крутящий момент такого стержня фиксирует изменение напряжения от 100 мкВ до 1 мВ.

Результаты и наблюдения

В демонстрационном опытe сила кручения прикладывалась вручную (с контролируемым углом деформации до 10–15):

– Начальное напряжение на милливольтметре 0 мВ (фон ~±20 мкВ);

– При повороте появляется устойчивое напряжение в среднем 300–600 мкВ;

– Максимальный зафиксированный сигнал 1 мВ (при значительном изгибе остова).

Напряжение исчезает при восстановлении формы, что подтверждает обратимость эффекта.

Возможные приложения

– Простейший сенсор крутящего момента для учебных демонстраций;

– Эксперимент по практическому применению полупроводников и термо-ЭДС;

– Технологическая диагностика деформации токопроводящих компонентов;

– Простая модель датчика усилия или нагрузки (прототип);