Проекты

Определение нагрузочной характеристики контактного датчика силы

Работа победителя конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 2009
Предметы: Физика
Классы: 11 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Программа работ инженерно-физической метрологической лаборатории (далее – ИФМЛ) при ГБОУ Школа № 2009 включает изучение физического эффекта. Этот эффект заключается в способности магнитомягких ферромагнетиков при их динамической деформации генерировать вихревое электрическое поле.

Обнаружение этого эффекта позволяет создать новый тип датчиков динамических нагрузок – контактный датчик силы (далее – КДС).

Цель

Оценка возможности использования эффекта, получаемого при динамической деформации магнитомягких ферромагнетиков, для регистрации ударных контактных сил и создания на основе этого эффекта датчиков нового типа, не разрушающихся в процессе воздействия на них интенсивных ударных сил.

Задача работы – предварительная тарировка нового датчика и построение его нагрузочной характеристики.

 

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Копёр вертикального сброса
  • Регистратор в составе ноутбука
  • Двухканальный цифровой запоминающий осциллограф-приставка АКМП-2204А
  • Экспериментальный образец трёхобмоточного ортонормированного КДС

Описание

Обнаружение эффекта, который заключается в способности магнитомягких ферромагнетиков при их динамической деформации генерировать вихревое электрическое поле, позволяет создать новый тип датчиков динамических нагрузок – контактный датчик силы (далее – КДС). В силу конструктивных особенностей эти датчики могут регистрировать ударные контактные силы с пиковой величиной свыше 1000 МПа и длительностью переднего фронта до единиц МКС.

Новые датчики имеют конструктивное сходство с магнитоупругими преобразователями. Их чувствительным элементом (далее – ЧЭ) является монолитный стальной корпус, выполненный из магнитомягкого ферромагнетика. Сигнал, снимаемый с датчика, функционально связан с величиной упругой деформации его ЧЭ. Опытным путём было доказано, что предел текучести для вязкоупругих сталей может возрастать в 6–8 раз по мере увеличения их скорости деформации. Это теоретически позволяет существенно расширить диапазон измеряемых нагрузок.

Были получены зависимости U(t) для разных высот сброса груза, после чего применили косвенный метод расчётов, используя законы сохранения и допуская, что пластические деформации при незначительной массе и высоте сброса грузика пренебрежимо малы, и в рассматриваемой системе КДС происходят только упругие деформации, падающий груз (шарик) несжимаем. Была построена нагрузочная характеристика КДС: зависимость пиковой величины силы от высоты сброса шарика.

Полученная зависимость не противоречит физическому смыслу: с увеличением высоты сброса и, соответственно, предконтактной скорости падающего груза увеличивается пиковая величина контактной силы.

Результаты работы/выводы

Работа позволяет в первом приближении утверждать, что новый тип КДС можно использовать для измерения ударных контактных сил. Применяемая методика позволяет также оценить чувствительность КДС для выбранного рабочего режима.

Перспективы использования результатов работы

В целом была доказана возможность использования для измерения ударных сил датчика, конструктивно сходного с магнитоупругим преобразователем (МУП). Перспективы связаны как с изучением физики нового эффекта, так и с разработкой и исследованием новых конструкций КДС и методик их применения.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГТУ им. Баумана

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Проект даёт уникальную возможность попробовать себя в технической сфере. Также победителям будет легче поступить в МГТУ им. Н.Э. Баумана и другие технические институты, что не может не радовать. Нам всё понравилось, огромное спасибо организаторам и школе за предоставление такой возможности!»