L - относительная деформация

Рис. 14.2

Сжатие можно рассматривать как отрицательное растяжение. Деформация называется упругой, если она исчезает после прекращения действия силы. Неупругая деформация называется пластической.

Механическое напряжение – это мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле под влиянием внешних воздействий.

Механическое напряжение в точке тела измеряется отношением упругой силы, возникающей в теле при деформации, к площади малого элемента сечения, перпендикулярного к этой силе.

В пределах действия закона Гука наблюдается пропорциональная зависимость между силой F и деформацией ε_l или Δ L: F ~ ε_l ~ Δ L.

Относительное продольное растяжение образца сопровождается его относительным поперечным сужением образца. Отношение относительного поперечного сужения к относительному продольному удлинению называется коэффициентом Пуассона:

Для стали коэффициент Пуассона имеет величину от 0,25 до 0,3.

Пределом упругости называется максимальное напряжение, при котором еще не получается остаточной деформации (после снятия приложенной силы).

Пределом текучести называется состояние деформируемого тела, при котором его удлинение происходит без увеличения приложенной сипы.

Пределом прочности называется напряжение, непосредственно предшествующее разрушению образца.

Относительное удлинение тензодатчика является безразмерной величиной и поскольку относительное удлинение измеряется тысячными и миллионными долями, то для удобства оперирования числами используются безразмерные единицы измерения, такие как мм/м, мкм/м, а в зарубежной литературе – микрос, равный 10 ^-6.

Таким образом, естественной входной величиной таких преобразователей должна быть принята относительная деформация, естественной выходной – электрическое сопротивление проводника (с относительно малой величиной диаметра).

При воздействии на проводник длиной L и сопротивлением R механической нагрузкой F (растяжение или сжатие) происходит изменение его сопротивления на величину ±Δ R. Изменение сопротивления проводника объясняется двумя факторами: изменением геометрических размеров – длины и сечения и изменением удельного сопротивления (проводимости) материала проводника при его деформации.

Механические напряжения как в материале детали, так и в проволоке тензорезистора не должны превышать предела упругих деформаций, ибо, в противном случае, в материале произойдут необратимые деформации, которые могут привести к резкому изменению характеристик преобразователя. В связи с этим допустимую величину напряжений в материале деталей ограничивают 20 –30% предела упругости.

Подобный эффект наблюдается и при деформации элемента, выполненного из полупроводникового материала.

14.3 Виды тензопреобразователей

В зависимости от того, какой материал используется для изготовления тензопреобразователя, различают тензопреобразователи проводниковые (ТП)и полупроводниковые (ППТП).

Группу проводниковых ТП составляют проволочные (ПТП) и фольговые (ФТП) тензопреобразователи (рис. 14.3, 14.4).

Рис. 14.3

Рис. 14.4

А – база ТП. Длина петли 5 – 25 мм, ширина 0,8 − 10 мм, диаметр проволоки 0,05 –0,025 мм.

На испытуемой детали (или деталях) установлены диэлектрические стойки, между которыми натягиваются и закрепляются петли из металлической проволоки с высоким удельным сопротивлением (константан, нихром, манганин и др.). В другом варианте (на рис. не показано) проволока, выполненная зигзагообразно в виде решетки, наклеивается на полоску тонкой бумаги. К концам проволоки пайкой или сваркой присоединяются выводные медные проводники. Такой преобразователь, будучи равномерно наклеенным на испытуемую деталь, воспринимает деформацию ее поверхностного слоя.

Очевидно, что так называемые наклеиваемые ТП относятся классу одноразовых ТП и повторное их использование нежелательно.

Для целевого измерения сосредоточенных усилий (силы), механических моментов (крутящий момент, вращающий момент и др.) и давлений ТП наклеивают на вспомогательный упругий элемент, воспринимающий измеряемую механическую величину. При этом деформация упругого элемента, вызываемая воздействующей нагрузкой (силой, моментом, давлением), приводит к деформации тензопреобразователя (рис. 14.5).

Рис. 14.5

14.3.1. Проволочные тензорезисторы изготавливаются из тонкой проволоки толщиной 10 – 20 мкм. К объекту тензорезистор на подложке приклеивается высококачественным неэластичным клеем с тем, чтобы деформация объекта передавалась на тензорезистор полностью. Ориентируется тензорезистор строго по тому направлению, в котором необходимо измерить деформацию.

База тензорезистора может иметь размеры от 5 мм до 20 мм. Сопротивление недеформированного тензорезистора от 40 Ом до 800 Ом. Свойства материалов, из которых делаются проволочные тензорезисторы, представлены в таблице 14.1.

Таблица 14.1

Относительные изменения сопротивления тензопреобразователей не превышают 1 %, что может оказаться сравнимым с температурными изменениями сопротивления этих датчиков. Отсюда требования к материалу тензодатчиков – иметь малый температурный коэффициент, большое удельное сопротивление (для уменьшения габарита датчика при заданном его сопротивлении) и большую механическую прочность. Наибольшей тензочувствительностью (среди приведенных материалов) обладают платина и вольфрам. Несмотря на это, платиновые и вольфрамовые тензодатчики используются сравнительно редко из-за большого температурного коэффициента сопротивления (ТКС).

14.3.2. Фольговые тензорезисторы изготавливаются из фольги, прокатанной из тех же материалов и обладают такими же характеристиками. Они изготавливаются фотоспособом. На фольгу наносится фоточувствительный слой, на этот слой проектируется изображение тензорезистора, затем незасвеченные участки вытравляются. В результате конфигурация фольговых тензорезисторов может быть достаточно сложной, а их база – довольно мелкой: до 0.8 мм.

Так же, как и проволочные тензорезисторы, фольговые устанавливаются на объект с помощью клея. В тех случаях, когда необходимо измерять деформацию объектов при высоких температурах, тензорезисторы к ним привариваются.

Основные преимущества фольговых ТП перед проволочными ТП: прямоугольное сечение фольговых проводников обеспечивает лучшие условия для теплоотдачи, что позволяет увеличивать ток через ТП и тем самым увеличивать чувствительность измерительной цепи.

На рис. 14.6 показан пример фольгового ТП, например, для измерения механических моментов. ТП наклеиваются на поверхность скручиваемого упругого вала. При этом два ТП, находящиеся на общей подложке, ориентированные между собой взаимно перпендикулярно, реагируют на соответствующие составляющие деформаций ε1, ε2.

Рис. 14.6

14.3.3. Полупроводниковые тензопреобразователи (ППТП) обладают значительно большей чувствительностью к деформациям. Они дороже проводниковых ТП, значительно сильнее подвержены действиям температуры и внешнего магнитного поля.

Из сказанного ясно, что наиболее массовыми для практического применения являются фольговые тензопреобразователи.

Полупроводниковые тензодатчики представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия (чаще кремния) длиной 5 – 10 мм и шириной 0,2 – 0,8 мм. Известны «малобазовые» тензодатчики (металлические и полупроводниковые), имеющие длину от 1 до 3 мм.

Полупроводниковые тензорезисторы по сравнению с проволочными дают высокой относительной чувствительностью, которая находится в пределах от 100 до 200. Сопротивление тензорезистора 50 Ом – 5 кОм. Высокое значение относительной чувствительности позволяет снизить требования к усилителям и использовать их для измерения в расширенном диапазоне деформации при наличии больших электромагнитных помех.

Разработаны тензодатчики давления модульного типа в виде гибридной интегральной схемы, в которой на общем керамическом основании размещены датчик и операционный усилитель. Тензорезисторы соединены по мостовой схеме, элементы которой нанесены на поверхность кремниевой пластинки диффузионным способом. Коэффициент чувствительности такого тензодатчика составляет 90, погрешность – 2 %.

14.4 Схемы включения тензодатчиков

Как правило, одного тензорезистора явно недостаточно для измерения деформации объекта. Так, при начальном сопротивлении недеформированного тензорезистора, равном 100 Ом пределы изменения сопротивления при полной деформации составит всего 1 Ом, и при относительной погрешностью (1 – 2)%, в абсолютном выражении погрешность составит величины (0.02 – 0.04) Ом.

В зависимости от доступности поверхностей объекта схемы включения тензорезисторов именуются "четверть моста", "половина моста" и "целый мост". (рис. 14.7).

Рис. 14.7

По отношению к полному сопротивлению тензорезистора в относительных единицах точность измерения сопротивления окажется уже (0,02 – 0,04)%.

Уравнения для выходного напряжения моста получены в предположении, что в исходном состоянии ненапряженных датчиков выходное напряжение моста равно нулю, т.е. мост сбалансирован.

На схемах (рис. 14.8) принято, что сопротивления всех плеч моста, в том числе, сопротивления недеформированных тензорезисторов равны R. Напряжение питания моста Е ₀. Выходное напряжение, вызванное деформацией тензорезисторов. возникает в измерительной диагонали и обозначено через U д.

Рис. 14.8

Четверть-мостовые схемы с одним тензорезистивным датчиком применяются в тех случаях, когда можно пренебречь влиянием внешних факторов, прежде всего – влиянием температуры (рис. 14.9).

Рис. 14.9

Полумостовые схемы обеспечивают существенную компенсацию температурных погрешностей. Применяется две основные конфигурации:

§ если объект подвергается изгибу, и обе его поверхности доступны, то тензорезпсторы приклеивают на обе противоположные поверхности так, чтобы тензорезисторы испытывали деформации, равные по величине, но противоположные по направлению (рис. 14.10);

Рис. 14.10

§ с одним активным тензорезистором 1, расположенным на деформируемом объекте и вторым – пассивным 2, расположенным вблизи первого, но не подвергающегося деформации (рис. 14.11).

Рис. 14.11

Схема полного моста, по аналогии с полумостовой схемой, может работать с двумя активными и двумя пассивными тензорезисторами или с четырьмя активными тензорезисторами, из которых два воспринимают деформацию растяжения, а два – деформацию сжатия (рис. 14.12).

Рис. 14.12

При подключении тензорезисторов необходимо:

■ принимать все известные меры по защите измерительных цепей от действия помех;

■ использовать соответствующее многопроводное подключение датчиков для исключения влияния соединительных проводников;

■ помнить, что тензорезистивные мостовые схемы необходимо первоначально балансировать, так как разброс номинальных значений тензорезисторов, даже из одной партии, может достигать единиц процентов;

■ для лучшей компенсации температурной погрешности, учитывая, что разброс сопротивлений тензорезисторов может достигать ±20%, необходимо, чтобы все четыре плеча имели близкие по значению номинальные сопротивления.

■ одним из методов температурной коррекции при измерениях служит применение наклеивания на испытуемую деталь двух преобразователей, подвергающихся равной деформации разного знака.

14.5 Температурный фактор и тензометрия

Каждый датчик-преобразователь стараются сконструировать так, чтобы он воспринимал по возможности один из всех действующих на него факторов, который называют естественной входной величиной. Но в какой-то мере датчик воспринимает и другие посторонние сигналы. Например, в основе работы металлических тензодатчиков лежит эффект изменения их электросопротивления при механической деформации.

Однако электросопротивление металла зависит, в частности, и от температуры. Поэтому если в процессе измерения деформации меняется температура объекта или датчика, то в изменение сопротивления тензодатчика дает вклад и температурный дрейф. Вклад этого эффекта в данном случае будет вредным (паразитным сигналом или шумом). Естественно, что тензодатчики изготавливают из металла или сплава с как можно меньшим температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Наоборот, металлический проводник с большим ТКС и малой тензочувствительностью можно применить как термометр сопротивления. В данном случае паразитным "шумом" будет сигнал, связанный с деформацией проводника, если таковая имеется.

Чтобы исключить их влияние на показания измерительного прибора, в цепь его последовательно с датчиком включают дополнительное сопротивление, подобранное так, что в условиях данных конкретных материалов оно компенсирует изменение сопротивления датчика при колебаниях температуры.

Однако на практике распространен более надежный и удобный метод компенсации, основанный на применении двух идентичных тензосопротивлений, из которых одно наклеивается на испытуемую деталь, а второе – на ненагруженную пластину из того же материала, находящуюся в одинаковых с первой температурных условиях.

Датчики подключают в соседние плечи измерительного моста, благодаря чему автоматически исключают температурные влияния на показания прибора. Еще эффективнее влияние температуры корректируется, когда представляется возможность на испытуемую деталь наклеивать оба преобразователя, подвергающиеся равной деформации, но разного знака. В этом случае одновременно с температурной коррекцией вдвое повышается также чувствительность измерительной цепи прибора.

Как и в случае резистивных датчиков, проблему влияния сопротивления соединительных проводов решают за счет применения трехпроводного включения тензодатчика (рис. 14.13).

Рис. 14.13

Сопротивления подводящих проводов R_L взаимно компенсируются, поскольку находятся в разных плечах моста.

14.6 Обработка сигналов тензодатчиков

Напряжение питания моста выбирают ЗВ и 10В. Ток, проходящий через тензодатчик составляет от 2 мА до 28 мА (для датчиков с сопротивлением от 1 кОм до 120 Ом). Большие напряжения вызывают больший саморазогрев тензодатчика, что увеличивает температурную компоненту погрешности. Напряжение питания моста должно иметь очень высокую стабильность и точность.

Мостовые схемы с типовыми тензодатчиками имеют выходное напряжение величиной менее 100 мВ при напряжении питания моста 10 В. Поэтому для использования полной шкалы системы аналогового ввода нужно иметь усилитель с коэффициентом усиления порядка 100 -1000.

Для проверки правильности калибровки измерительной схемы используют резистор с известным (калиброванным) значением сопротивления, которым шунтируют тензодатчик. Показания измерительной системы должны соответствовать расчетному значению, соответствующему этому сопротивлению. В связи с малостью сигнала от тензодатчика во многих случаях целесообразно применять фильтра третьего порядка RL-4F3. ослабляющий помехи с частотой 50 Гц.

14.7 Погрешности тензометрии

Погрешности тензорезисторов могут быть вызваны изменениями температуры, недостаточным сопротивлением изоляции и влагостойкостью, качеством наклеивания, наличием поперечной деформации (для наклеиваемых преобразователей). Особенно большее погрешности могут внести изменения температуры и не только из-за ухода параметров материала, но и из-за появления добавочных механических напряжений, вызванных разностью температурных расширений материалов тензорезистора и детали. Тем не менее, применяя дополнительные меры (дополнительную установку нуля перед каждым измерением, калибрование и т. д.), погрешность измерений можно довести до 0,2...0,5 % при статических и до 1...1,5 % при динамических измерениях.

Чтобы повысить точность измерения с помощью тензодатчиков целесообразно увеличивать до возможного максимума силу тока в преобразователе, учитывая, однако, теплопроводность и размеры испытуемой детали. Чем лучше эти показатели, тем благоприятнее условия охлаждения преобразователя и выше бывает допускаемая для него сила тока.

14.8 Область применения проволочных тензодатчиков

Проволочные тензорезисторы преимущественно изготовляют из:

§ медноникелевых сплавов типа константана

§ железоникельхромовых типа элинвара.

Первые из них, имеющие небольшой коэффициент линейного расширения и приемлемую тензочувствительность, применяют в установках для статических испытаний.

Вторые, имеющие в 50 раз больший температурный коэффициент линейного расширения, но и большую в 1,5 раза чувствительность к механическим воздействиям, – для динамических испытаний, в том числе для электрических динамометров.

Простота конструкции и малые габариты позволяют использовать тензорезисторы в труднодоступных местах различных машин и механизмов без изменения конструкций последних.

Тензорезисторы широко применяются для измерения быстропеременных величин (порядка десятков килогерц).

Дата добавления: 2015-04-30