Тензометрические преобразователи

В основе работы тензорезисторов лежит тензоэффект,заклю­чающийся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности , определяемый как отношение изменения сопротив­ления к изменению длины проводника

где — относительное изменение сопротивления про-

водника; — относительное изменение длины проводника.

Основными требованиями, предъявляемыми к материалу тен­зорезисторов, являются:

высокий коэффициент тензочувствительности у, определяю­щий разрешающую способность преобразователя;

высокое удельное электрическое сопротивление для упроще­ния построения измерительных цепей;

низкий температурный коэффициент сопротивления (слабая зависимость сопротивления от температуры) в рабочем диапазо­не температур;

линейная зависимость сопротивления от деформации (стабиль­ность у) в возможно более широком диапазоне деформаций;

химическая стойкость к материалу, обеспечивающему крепеж датчика, стойкость к окислению и механическая прочность.

При изготовлении тензорезисторов чаще других материалов применяют константан для обычных и нихром для высоких тем­ператур. Конструктивно тензорезистор (рис. 12, а) состоит из лаковой или бумажной подложки 2, на которой при помощи свя­зующего (клея) укреплен чувствительный элемент 1, к нему при­соединены выводные проводники 3. Чувствительный элемент пред­ставляет собой обычно проволочную (толщина проволоки состав­ляет 0,02...0,05 мм) петлевую решетку или ленту из фольги тол­щиной 0,004...0,012 мм. Сверху чувствительный элемент защищен тонкой бумагой.

Существуют так называемые пленочные тензорезисторы, по­лучаемые вакуумной возгонкой тензочувствительного материала (например, титаноалюминиевого сплава или полупроводников гер­мания или кремния) и последующей конденсацией его на под­ложку.

Важнейшим параметром чувствительного элемента, определя­ющим разрешающую способность датчика, является его длина (база) , составляющая обычно 5... 30 мм. Номинальное сопротив­ление тензодатчиков составляет 50...400 Ом, коэффициент тен-зочувствительности к = 2 ±0,2, номинальный рабочий ток 30 мА, максимально допустимые деформации не превышают ±0,3 %, га­бариты от

Тензорезисторы применяются для определения относитель­ной деформации и механического напряжения (где — модуль упругости) в элементах конструкции. Для этого датчики наклеиваются на поверхность элемента, элемент под­вергается нагружению, возникающие деформации элемента пе­редаются тензорезистору. Контроль за изменением его сопро­тивления по времени и несложный пересчет его в деформа­ции, перемещения, напряжения и другие параметры позволя­ет сравнительно просто получать достоверную информацию о напряженно-деформированном состоянии локальных областей объекта.

Текущее сопротивление тензорезистора определяется как его де­формацией (естественной входной величиной) или , так и приращением, возникающим при изменении температуры:

где — температурный коэффициент сопротивления; — тем­пература, при которой проводилось уравновешивание измеритель­ного моста.

В случае, когда температурные коэффициенты линейного рас­ширения тензорезистора и материала испытываемого объекта не совпадают, происходит деформация чувствительного эле­мента за счет неодинакового температурного расширения датчика и поверхности объекта:

Во время эксперимента замеряется температура, по которой рассчитываются составляющие и систематической тем-

пературной погрешности, вычитаемые из полученного при заме­ре значения R. Можно также контролировать изменение сопро­тивления тензорезистора, наклеенного на участке конструкции, имеющем ту же температуру, но не испытывающем деформаций. Показания этого тензодатчика будут содержать только система­тическую температурную погрешность, которую нужно вычесть из показаний основного датчика.

Особенностью тензорезисторов является их разовое использо­вание. Поэтому перед испытаниями они подвергаются тарирова­нию — деформированию и нагреву конструкции с наклеенными

Рисунок 17.12 - Тензорезистор (а), схемы расположения тензорезисторов (б) и измерительной цепи (в)

датчиками на известную величину, замеру изменения сопротив­лений и точному расчету тензочувствительности и других пара­метров. В случае невозможности тарирования остается пользоваться паспортными данными на партию датчиков. Поэтому в последнее время все большие требования предъявляются к стабильности, воспроизводимости параметров датчиков внутри партии.

В качестве измерительных цепей для тензопреобразователей, как правило, используются неравновесные мосты, рассмотрен­ные ранее. Схема расположения тензорезисторов при измерении Деформаций изгиба пластины и схема измерительной цепи пред­ставлены на рис. 3.17, б, в.

При невозможности предварительного тарирования измеритель­ного прибора погрешность, обусловленная разбросом характери­стик датчиков и качества их монтажа, составляет 1... 5 %, а общая погрешность измерительного прибора (включая погрешность уси­лителя и указателя) может достигать 10... 15 %. Градуировкой дат­чиков, контролем коэффициента усиления усилителя и контролем нуля указателя можно снизить погрешность измерения до 0,1... 0,2 % при статических и до 1... 1,5 % при динамических испытаниях.

Достоинствами проволочных тензодатчиков являются:

простота конструкции;

безынерционность;

линейная и симметричная при растяжении-сжатии (без гисте­резиса) характеристика;

малая масса, небольшие габаритные размеры и невысокая стои-моств.

К недостаткам проволочив тензодатчиков относятся:

невысокая чувствителвность и необходимость применения уси­лителей;

чувствителвность показаний к температуре;

малый диапазон деформаций (до 0,3 %);

необходимость защита от воздействия агрессивной среды;

одноразовое использование;

значительная база (достигает — 5...30 мм).

Помимо тензодатчиков, использующих тензоэффект в спла­вах, существуют полупроводниковые тензодатчики, использую­щие изменение удельного сопротивления полупроводникового кристалла при деформации. Эти датчики обладают:

высокой тензо-чувствительностью (примерно в 100 раз выше, чем у проволочных);

большим выходным сигналом, что позволяет обходиться без усилителя.

К недостаткам этих датчиков следует отнести:

малую механическую прочность (хрупкость);

сильное влияние окружающей температуры;

большой разброс параметров датчиков внутри партии (до 20 %).

Дата добавления: 2015-04-29