Методи та засоби вимірювання електричних та неелектричних величин 5 страница

За фізичними закономірностями, покладеними в основу принципу дії, ВП можуть бути поділені на такі групи:

7. Механічні пружні перетворювачі. В основу принципу дії таких

перетво­рювачів покладені залежності між вхідними механічними зусиллями і ви­кликаними ними переміщеннями чи механічними напруженнями в матеріалі чутливого елемента, що визначаються його пружними властивостями.

8. Резистивні перетворювачі (механічних величин). Носієм вимірювальної

інформації у резистивних перетворювачах механічних величин є електрич­ний опір, зміна якого може бути наслідком переміщення повзунка реостата чи реохорда в реостатних та реохордних перетворювачах або ж внаслідок тензоефекту в тензорезистивних перетворювачах. Резистивні перетворювачі теплових величин (терморезистивні перетворювачі) та резистивні перетво­рювачі хемічних величин (електрохемічні резистивні перетворювачі) зараховують відповідно до теплових та електрохемічних, оскільки їх прин­цип дії вигідно розглядати саме з погляду теплових чи електрохемічних явищ.

9. Ємнісні перетворювачі. В основу принципу дії ємнісних перетворювачів

покладена залежність ємності конденсатора від відстані між його електро­дами, площі їх перекриття чи діелектричної проникності середовища між електродами, коли відстань, площа перекриття (кут повороту) чи діелек­трична проникність є мірою вимірюваної величини.

10. П'єзоелектричні перетворювачі. До п'єзоелектричних належать перетво­

рювачі, принцип дії яких оснований на використанні явища поляризації п'єзоелектрику внаслідок дії на нього механічних зусиль. Різновидом п'єзо­електричних є п'єзорезонансні перетворювачі, принцип дії яких оснований на використанні залежності резонансної частоти п'єзоелемента від значення вимірюваної величини, наприклад, температури довкілля.

11. Індуктивні перетворювачі. Це перетворювачі, в яких використовується за­

лежність повного електричного опору намагнічувальної обмотки від зна­чення комплексного магнітного опору магнітного кола перетворювача, який може бути результатом зміни повітряного проміжку в магнітному колі пе­ретворювача або результатом зміни магнітних властивостей феромагнетику внаслідок дії на нього механічних зусиль, як в індуктивних магнітопружних перетворювачах.

12. Взаємоіндуктивні {трансформаторні) перетворювачі. Принцип їх дії осно­

ваний на використанні залежності магнітного потоку і відповідно наведеної у вторинній обмотці ЕРС (при незмінних намагнічувальних ампервитках)

від значення комплексного магнітного опору магнітопроводу, який, як і в індуктивних перетворювачах, може змінюватись зі зміною повітряного про­міжку чи магнітних властивостей феромагнетику, спричинених його ме­ханічною деформацією.

10. Індукційні перетворювачі. їх принцип дії оснований на використанні явища

електромагнітної індукції. Вхідними (вимірюваними) величинами таких перетворювачів можуть бути швидкість зміни магнітного потоку або швид­кість лінійного чи кутового переміщення вимірювальної котушки.

11. Гальваномагнітні перетворювачі. їх принцип дії базується на використанні

гальваномагнітних ефектів Гаусса або Холла. Суть ефекту Гаусса полягає у зміні електричного опору провідника чи напівпровідника при проходженні через нього електричного струму та одночасної дії на нього магнітного поля, а ефекту Холла - в появі за названих умов поперечної різниці потен­ціалів (ЕРС Холла). Основними різновидами гальваномагнітних перетво­рювачів є відповідно магніторезистивні перетворювачі та перетворювачі Холла.

12. Теплові перетворювачі. Тепловими називають перетворювачі, в основу

принципу роботи яких покладені фізичні ефекти, що визначаються теплови­ми процесами. Теплові перетворювачі - це, переважно, перетворювачі тем­ператури. Правда, непрямо вони можуть використовуватись для перетво­рень інших величин, що проявляються через теплові процеси, наприклад, хемічного складу, концентрацій, швидкості руху газів чи рідин тощо. Є дві основні групи теплових перетворювачів, які широко застосовуються у ви­мірювальній техніці. Це - терморезистивні, що використовують залежність опору матеріалу від температури та термоелектричні, в основу принципу дії яких покладена залежність термо-ЕРС термопари від різниці температур (якщо відома температура вільних кінців термопари - від перетворюваної температури, якою є температура гарячого спаю термопари).

10. Електрохімічні перетворювачі. Принцип дії електрохемічних перетворю­

вачів оснований на залежності електропровідності електролітичної комірки від складу, концентрації, температури чи інших параметрів досліджуваного розчину (електрохемічні резистивні перетворювачі); залежності електродних потенціалів від активності водневих іонів (гальванічні перетворювачі рН-мет-рів); а також залежності різниці електричних потенціалів на межі розділу

твердої та рідкої фаз від швидкості переміщення розчину (електрокінетичні перетворювачі).

13. Оптичні перетворювачі. В основу принципу дії оптичних перетворювачів

покладена залежність параметрів оптичного (світлового чи теплового) випромінювання від значення вимірюваної (перетворюваної) величини. Остання може діяти безпосередньо на джерело випромінювання, змінюючи інтенсивність його випромінювання, як в оптичних пірометрах, або ж на оп­тичний канал, впливаючи на параметри оптичного потоку, як, наприклад, у вимірювача оптичної щільності.

14. Перетворювачі іонізаційного випромінювання. Принцип дії таких

перетво­рювачів оснований на перетворенні інтенсивності іонізаційного чи рентге­нівського випромінювання. У перетворювачах іонізаційного випромінюван­ня вихідна електрична величина функціонально зв'язана з інтенсивністю іонізаційного чи рентгенівського випромінювання, яка є мірою досліджу­ваної величини.

Вимірювання геометричних розмірів

У класифікації фізичних величин за їх фізичними властивостями (прийнятій,зокрема, в Міжнародній системі одиниць) одну із груп величин становлять величини простору та часу, до якої належать геометричні розміри час та параметри руху. Гео­метричні розміри - це широка група понять лінійних та кутових розмірів, площі та об'єму. Своєю чергою, до лінійних розмірів належить довжина, товщина (грубизна) покрить, відстань між об'єктами, рівень, шорсткуватість (нерівність) поверхні тощо. Головними кутовими розмірами є плоский та тілесний кути. Час є однією із семи основних одиниць SI. Час, як і простір, - це одна із форм існування матерії. Вони не­розривно пов'язані між собою, характеризуючи, зокрема, параметри руху матерії, тобто динаміку матерії в просторі та в часі. Лінійні та кутові переміщення, швидкос­ті та прискорення характеризують просторово-часовий стан об'єктів (матерії) одного щодо іншого, прийнятого за нерухомий. Одним із різновидів параметрів руху є витрати рідких чи газоподібних речовин.

Вимірювання лінійних та кутових розмірів

Вимірювання лінійних та кутових розмірів займають значне місце в різних галу­зях науки та техніки, зокрема, в машино - та приладобудуванні, де вимірювання цих величин займають до 80 % від всіх вимірювань в цих галузях. Завдання вимірювань лі­нійних та кутових розмірів можна розділити на такі групи:

- вимірювання лінійних розмірів в діапазоні від часток мкм до декількох десятків метрів та кутових розмірів, від 0,1" до 360°. Найпоширенішими в цій групі є вимірювання розмірів деталей, відхилення розміру деталі від заданого значення, вимірювання параметрів шорсткуватості поверхні, товщини покрить;

- вимірювання розмірів від часток метра до сотень метрів при визначенні рівня рідких та сипучих речовин у різних резервуарах та свердловинах, рівня пального в баках різних транспортних засобів;

- визначення координат об’єктів та відстаней між об’єктами, зокрема і космічними, що знаходяться в межах від одиниць міліметра до мільйонів кілометрів.

Останнім часом під впливом інтенсивного розвитку інтегральних схем, мікропроцесорних пристроїв відбулось корінне оновлення та значне урізноманітнення техніки, що застосовується при вимірюваннях лінійних та кутових розмірів. Сьогодні, завдяки прогресу в конструюванні приладів, можуть бути реалізовані такі методи вимірювань, які ще декілька років тому здавалися неймовірними. Нові апаратні рішення приводять до появи нових різновидностей методів вимірювань. Донедавна для вимірювань геомет­ричних розмірів застосовували здебільшого прилади, що працюють за аналоговим прин­ципом. Сьогодні у зв'язку зі значним прогресом в галузі первинних вимірювальних перетворювачів та винятковими можливостями цифрової вимірювальної техніки на пер­ший план виходять цифрові засоби вимірювань цих величин. їх основні переваги: можливість автоматизації вимірювального процесу та автоматичної обробки результатів вимірювань, неперервний запис результатів вимірювань тощо. Тому, розглядаючи засоби та методи вимірювань геометричних розмірів, зупинимось тільки на електричних засобах, зокрема з цифровим виходом, не забуваючи про те, що основною ланкою засобів вимірювань геометричних розмірів є первинний вимірювальний перетворювач.

Основні електричні методи та відповідні засоби вимірювань лінійних та кутових розмірів залежно від наявності чи відсутності механічного контакту між досліджуваним об'єктом та засобом вимірювань поділяють на контактні та безконтактні, а залежно від принципу вимірювального перетворення методи поділяють на електромеханічні, елек­трофізичні та спектрометричні (хвильові).

Електромеханічні методи залежно від виду первинного перетворювача поділяють на резистивні, індуктивні, ємнісні, оптоелектронні, обкочування тощо.

Електрофізичні методи вимірювань основані на використанні відмінності в фізич­них властивостях речовин, що знаходяться на різних сторонах межах вимірюваного розміру. Для вимірювань лінійних та кутових розмірів використовують методи та при­лади, основані на відмінностях електричних, магнітних, теплових та інших властивос­тей. Відповідно електрофізичні методи поділяються на електромагнітні, ємнісні, кондуктометричні тощо. Найпоширенішими з електромагнітних є вихрострумові та резонансні методи.

Спектрометричні методи та відповідні засоби вимірювань залежно від довжини хвилі випромінювання, що використовується при вимірюванні, поділяють на звукові, ультразвукові, радіохвильові, надвисокочастотні, оптичні (лазерні). Залежно від фізич­них явищ, які використовуються при вимірюванні, спектрометричні методи класифі­кують на локаційні, Інтерферометричні, рефрактометричні тощо.

Електромеханічні методи широко застосовуються для вимірювань розмірів деталей та шорсткуватості поверхні (контактні штангенциркулі, мікрометри, профілометри), ця вимірювань рівня (поплавкові та буйкові рівнеміри). Для вимірювань відстаней, пройдених транспортними засобами, широко використовують спосіб обкочування.

Індуктивні мікрометри-профілеметри, в яких вимірювальний щуп у своїй верхній частині має закріп­лений феритовий стержень, який при переміщенні штока змінює індуктивність вимірю­вальної котушки. Котушка, індуктивність L_x якої є функцією вимірюваного переміщення х, становить частотно-залежний елемент LC-генератора. Якщо частота опорного гене­ратора

а частота вимірювального генератора

Мікрометри - профілометри з індуктивним первинним перетворювачем дають змо­гу вимірювати мікронерівності від ОД мкм, а верхня границя вимірювань становить звичайно декілька мм.

Здебільшого в приладо - та машинобудуванні необхідно вимірювати не все зна­чення розміру, яке може досягати десятків см і більше, а лише його відхилення від дея­кого заданого значення, оскільки під час виготовлення деталі контролюється її розмір. Ці відхилення звичайно не перевищують часток мм, а отже, названі мікрометри можуть бути застосовані для цих потреб.

Для вимірювань розмірів у діапазоні часток міліметра до декількох сантимет­рів застосовують штангенциркуль (рис. 1,а) з довгоходовим щупом 1 та ємнісним перетворювачем переміщень. Останній складається з циліндричних зовнішнього 2 та внутрішнього 3 електродів і екрана 4 з електропровідного матеріалу, з'єднаного механічно з вимірювальним щупом. При переміщенні екрана ємність вимірюваль­ного конденсатора буде змінюватись пропорційно вимірюваному переміщенню. Для виключення впливу довкілля на результат вимірювань передбачений компенсуючий конденсатор, ємність С_к якого дорівнює ємності вимірювального конденсатора при х = 0. Приклади електричних вимірювальних кіл такого штангенциркуля наведені на рис. 1,б, в.

Електрофізичні метода застосовують покрить та тонких листових виробів.

Рис. 1. Ємнісний штангельциркуль та приклади його вимірювальних кіл

Вимірювання товщини шару покриття

Залежно від характеру покриття, фізичних властивостей матеріалу деталі та її покриття, необхідної точності, умов роботи тощо використовують найрізноманітніші методи вимірювань. Всі ці методи можуть бути розділені на дві великі групи: з руйну­ванням покриття та без його руйнування. Найбільшу групу серед методів так званого неруйнівного контролю становлять електрофізичні методи, а також методи, основані на використанні відмінностей у фізичних властивостях деталі та п покриття. Серед них: вихрострумові, індуктивні, магнітометричні, радіаційні, індукційні, ємнісні методи.

Вимірювання товщини шару покриття вихрострумовим способом може бути застосоване для вимірювань товщини нанесених на неферомагнітні (кольорові) метали ізоляційних покрить. За способом перетворення товщини у вихідний сигнал розрізняють генераторні (взаємоіндуктивні) та параметричні (індуктивні) вихрострумові перетворю­вачі. В індуктивних вихрострумових перетворювачах змінне електромагнітне поле, створюване вимірювальною котушкою, В_х наводить у поверхневому шарі деталі із елек­тропровідного матеріалу вихрові струми. Поле вихрових струмів, взаємодіючи з полем котушки, приводить до зміни її індуктивності L (та відповідно повного електричного опору), які є мірою вимірюваної товщини. Цей спосіб при його надзвичайній простоті є недосконалим і не застосовується.

У реальних засобах вимірювань товщини вихрострумовим методом використо­вують звичайно частотний спосіб отримання вимірювальної інформації. Вимірювальна котушка вмикається в LC-контур генератора високої частоти. Залежно від товщини по­криття, а також від інтенсивності взаємодії поля вихрових струмів з вимірювальною котушкою більшою або меншою мірою змінюється індуктивність вимірювальної котуш­ки і тим самим вихідна частота f_x вимірювального автогенератора, значення якої набли­жено може бути розраховано як

де C₀ - ємність резонансного контуру; L₀ та R₀ - відповідно індуктивність та активний опір вихрострумового перетворювача за відсутності досліджуваного об'єкта; L_вн та R_вн - внесені індуктивність та активний опір, зумовлені впливом вихрових струмів у дослід­жуваному об'єкті.

Найдосконалішою є двогенераторна схема (з вимірювальним та опорним генера­торами) з формуванням вихідного сигналу у вигляді різниці частот. За такою структурою побудований вихрострумовий вимірювач товщини покрить типу "Радон", призначений для вимірювань товщини діелектричних покрить, нанесених на струмопровідну основу плоскої, випуклої та увігнутої форм і товщини виробів із діелектрику, які під час їх дослідження ставлять на струмопровідну основу. Прилад має діапазон вимірювань 0...10 мм та граничну похибку, яка не перевищує 1 %.

Для вимірювань товщини покрить на феромагнітних деталях можна застосовувати індуктивний метод. Первинним перетворювачем такого засобу буде індуктивний перетворювач, схема якого приведена на рис.2.

Рис. 2. Схема індуктивного товщиноміра

Враховуючи, що магнітний опір магнітопроводу значно менший від

магнітного опору покриття, еквівалентна Індуктивність може бути записана як

де w - кількість витків вимірювальної обмотки; S_M - площа перерізу магнітопроводу; δ-товщина шару покриття.

Вимірювальні кола індуктивних вимірювачів товщини покрить можуть бути найрізноманітнішими. Здебільшого застосовують мостові методи вимірювань з використанням робочого індуктивного перетворювача, що розміщений на деталі з покриттям, та ідентичного ро­бочому компенсаційного перетворювача, розміщеного на аналогічній деталі без покриття. Використання компенсаційного перетворювача, увімкненого у сусіднє плече моста, дає змогу усунути вплив зовнішніх чинників, зокрема температури, на результат вимірювань.

Рис. 3. Мостова схема індуктивного товщиноміра

У мостовій схемі (рис. 3) індикатором вимірюваної величини є магнітоелек­тричний мілівольтметр, увімкнений до виходу фазочутливої кільцевої схеми випрям­лення. Резистор R_p змінногоопорупризначений для встановлення нульового показу мілі­вольтметра при нульовому чи заданому значенні вимірюваної товщини.

Похибка вимірювання товщини покриття з використанням індуктивних них перетворювачів лежить у межах 10 %.

Із неруйнівних методів зупи­нимось ще на методі, основаному на використанні взаємоіндуктивних пе­ретворювачів, вихідним інформативним параметром яких є ЕРС, наведена у вимірювальній обмотці (рис. 4).

Рис. 4. Вимірювач товщини гальванічного покриття

де Z_М = RМ++ jX_M -комплексний маг­нітний опір магнітопроводу (тут Х_М та R_М — реактивна та активна складові комплексного магнітного опору магнітопроводу, що значно менші від магнітного опору покриття

На базі такого методу побудовані прилади для вимірювань товщини покриття в межах до 3 мм з похибкою 10... 15 %.

Серед методів руйнівного контролю найпоширенішим є хімічний метод, - основа­ний на усуненні покриття за допомогою спеціальних хімічних реактивів. За цим мето­дом мірою товщини покриття може бути час усунення покриття або його маса чи різни­ця між масою покритої деталі та масою деталі після усунення покриття.

Вимірювання відстаней між об'єктами

Найточнішими методами вимірювань відстаней між об'єктами є спектрометричні методи, зокрема локаційний метод, оснований на вимірюванні часу проходження вимі­рюваної відстані променем, швидкість якого відома і залишається незмінною під час вимірювання. Практично для реалізації локаційного методу можна використати всі види випромінювань, але найпоширенішими є методи та засоби радіолокації, оптичної та акустичної локації. Локаційний метод, що базується на використанні звукових та уль­тразвукових хвиль, називають ехо-звуковим.У локаційних засобах джерело випромінювання та приймач знаходяться на одній границі вимірюваного розміру, а на іншій границі - спеціальний відбивач або замість останнього використовується границя об'єкта, відстань до якого визначається.Радіолокаційний та оптичний локаційний методи застосовуються для вимірювань великих відстаней - від десятків та сотень метрів до багатьох мільйонів кілометрів.Акустична локація використовується в твердих, рідких та газоподібних,середови­щах для вимірювань розмірів та відстаней від одиниць міліметрів до декількох кіло­метрів, тобто в діапазоні, в якому застосування радіо- та оптичної локації ускладнено через необхідність вимірювати дуже малі часові інтервали(10^-9…10^-11с), що зумовлено великою швидкістю розповсюдження електромагнітних хвиль, або внаслідок швидкого загасання електромагнітних коливань у рідких та твердих середовищах.Швидкість розповсюдження звукових та ультразвукових коливань в повітрі до­рівнює близько 333 м/с, в морській воді 1500 м/с, а в металах 3000... 10 000 м/с, тобто на 4...6 порядків менше від швидкості розповсюдження електромагнітних коливань, що дає змогу використовувати акустичну локацію для вимірювань малих відстаней.Є два основні способи реалізації локаційного методу: імпульсний та мо­дуляційний (фазовий). В першому способі використовується випромінювання у вигляді коротких імпульсів, а в другому - безперервне модульоване випроміню­вання, фаза якого містить інформацію про вимірювану відстань. В імпульсних локаторах випромінювання у вигляді ко­роткого імпульсу від джерела випромінювання - лазера спрямовується до об'єкта, відстань до якого вимірюють. Відбитий від об'єкта імпульс приймається оптоелектроішим чутливим елементом. Інтер­вал часу t, протягом якого ім­пульс проходить подвійну вимірювану відстань, визначається вимірювачем інтервалів часу. Якщо відома швидкість розповсюдження променя v, вимірювана відстань l_х об­числюється за допомогою обчислювального пристрою відповідно до формули l_x= (v/2)·t i безпосередньо відраховується відліковим пристроєм. видкість розповсюдження електромагнітного випромінювання, зокрема оптич­ного, в повітряному середовищі визначається за формулою υ=с/n, де с=299 792 458 м/с - швидкість світла у вакуумі; n - показник заломлення світла в середовищі, який залежить від його температури, тиску та вологості.У сучасних високочастотних світловіддалемірах одночасно з вимірюванням від­станей здійснюються допоміжні вимірювання метеорологічних параметрів середовища (температури Т, тиску Р та вологості W) в декількох точках вздовж вимірюваної відста­ні, результати яких вводяться в мікропроцесор для уточнення значення швидкості світ­ла в даному середовищі в момент вимірювання відстані. Цей спосіб надзвичайно трудо­місткий і використовується лише при дуже точних метрологічних вимірюваннях відста­ней до декількох кілометрів, наприклад, в установках для відтворення одиниці довжини наділянці 50...1000м.

Інший спосіб уточнення швидкості світла у цьому середовищі полягає у вико­ристанні двохвильового дисперсійного методу, при якому показник заломлення п визна­чають, вимірюючи відстані при двох різних довжинах хвиль із застосуванням двочастотного лазера. Цей спосіб використовується в світловіддалемірах для точних вимі­рювань великих відстаней (до сотень км).

У фазових (модуляційних) локаційних віддалемірах використову­ється неперервне випромінювання лазера, модульоване за інтенсивністю синусоїдним сигналом з частотою f_M від генератора. Як інформативний параметр для визначення ча­су проходження променем подвійної вимірюваної відстані l_х приймається кут фазового зсуву між напругою на виході приймача випромінювання та модулювальною напру­гою, який вимірюється за допомогою фазометра і здійснюється на частоті модуляції:

де ω_Mt₁ та ω_Mt₂ - фази коливань відповідно в моменти часу t₁ та t₂; N- повна кількість фазових циклів; ∆φ - кут фазового зсуву в границях неповного фазового циклу.

Вимірювана відстань визначається в обчислювальному пристрої за формулою:

Отже, при вимірюваннях фазовими локаційними віддалемірами відстаней, біль­ших від половини довжини хвилі модуляційного сигналу, необхідно визначити повну кількість фазових циклів і кут фазового зсуву в границях неповного (останнього) циклу. Частота модуляції" лежить, звичайно, в межах 10...100 МГц. За допомогою оптичної локації та лазерів відстань від Землі до відбивачів, установлених на Місяці,була визначена з точністю до 2...6 см, тобто з похибкою меншою за 2 ∙ 10^-8 %.

Вимірювання механічних напружень

Із механічних величин, які вимірюються найчастіше, основними є механічні зу­силля, які поділяються на зосереджені, зокрема спрямовані лінійно (механічні сили) та обертові (крутні моменти), а також розподілені зовнішні зусилля (тиск) та внутрішні розподілені зусилля, що виникають в тілі досліджуваного об'єкта (механічні напружен­ня).

Діапазон вимірюваних механічних зусиль дуже великий. Так, під час наукових до­сліджень доводиться вимірювати сили, починаючи від 10^-5... 10^-6 Н(і навіть менші), а під час промислових вимірювань - до 10⁹ Н. Внутрішні напруження в деталях різних конструкцій лежать в межах до 2000 МПа. Оскільки вимірювання внутрішніх напружень необхідне насамперед для дослідження міцнісних властивостей, то вимірювання ме­ханічних напружень, менших від 10 МПа, трапляються рідко. Діапазон вимірювань тис­ку знаходиться в границях від 0 до майже 10¹⁰…10¹¹ Па, а поріг чутливості сучасних манометрів досягає 10^-2Па. Верхня границя вимірювань крутних моментів сягає 10⁹ Н∙м.

Методи вимірювань різних видів механічних зусиль мають багато спільного. їх можна поділити на чотири групи, що базуються на вимірюванні;

- деформацій досліджуваного об'єкта або деформацій пружного елемента, які виникають під дією вимірюваного зусилля;

- параметрів або властивостей перетворювачів (електричний чи магнітний опір, частота власних коливань, виникнення електричного заряду тощо), що змінюються під дією досліджуваних зусиль.

- безпосередньо властивостей досліджуваного об'єкта чи середовища (наприклад, швидкості розповсюдження звуку, теплопровідності газу, електричної провідності, магнітної проникності тощо), які залежать від зусиль, що діють на них;

- зусиль методом зрівноважувального перетворення, при якому вимірюване зусилля зрівноважується компенсуючим зусиллям.

Перша група методів найширше застосовується для визначення механічних напружень вимірюванням деформації поверхні досліджуваного об'єкта, а також у приладах для вимірювання сил, крутних моментів та тиску, що попередньо перетворюються в деформацію первинного пружного перетворювального елемента.

Друга група методів використовується у засобах вимірювань, основаних на засто­суванні п'єзоелектричних та магнітопружних перетворювачів, безпосередньою вхідною величиною яких є досліджуване зусилля. На залежності властивостей чи параметрів досліджуваного об'єкта від зусиль, що діють на них, основані, наприклад, ультразвуковий, магнітопружних, термопружний та інші методи вимірювань механічних напружень. Метод зрівноважувального перетворення використовується для побудови точних засобів вимірювань сил, крутних моментів, тиску.

Найпоширенішим способом визначення механічних напружень є вимірювання де­формації поверхні досліджуваного об'єкта. Діапазон вимірюваних деформацій дуже широкий - від часток мікрометра в металах та твердих пластмасах до десятків санти­метрів у зразках еластичних матеріалів з великим видовженням.

Найпростішим та найпоширенішим методом вимірювань деформацій є так званий тензометричний метод, в якому як первинні перетворювачі деформації використовують тензорезистори. Металеві тензорезистори застосовують під час вимірювань відносних деформацій від 0,002 до 1...2 %, напівпровідникові - до 0,1...0,2 %, навісні металеві -до 10 %, а еластичні (гнучкі кавчукові трубки, заповнені електролітом) - до 30...50 %. Тензорезистори практично безінерційні і використовуються для вимірювань, зокрема, змінних деформацій в діапазоні частот до 100 кГц.

Для вимірювання деформацій чи величин, попередньо перетворених у дефор­мацію пружного перетворювального елемента, тензорезистор наклеюють на досліджу­вану деталь. Для температур до 200°С застосовують бакеліто - фенольні клеї (БФ), баке­літовий лак, а для вищих температур - жаростійкі кремнійорганічні цементи та цементи на основі рідкого скла.

Особливістю приклеюваних тензорезисторів є те, що вони не можуть бути пере­клеєні з об'єкта на об'єкт. Тому дійсна функція перетворення робочого тензорезистора не може бути визначена, а для її оцінки знаходять функцію перетворення аналогічного, так званого градуювального тензорезистора з цієї партії. А оскільки властивості окре­мих тензорезисторів із певної їх партії, а також умови їх приклеювання загалом дещо різні, то відзначається деяка неоднозначність дійсної та номінальної функцій перетво­рення. Досвід свідчить, що похибка від неідентичності функцій перетворення при куратному приклеюванні тензорезисторів з достатньо однорідної парти не перевищує 1,5 %. Вихідним інформативним параметром тензорезисторів є зміна їх опору і тому здебільшого вимірювальними колами тензорезистивних перетворювачів є мостові вимі­рювальні кола. Тензорезистор може бути увімкненим в одне з плеч моста, в два плеча або мостове коло може бути складене повністю із тензорезисторів.

Оскільки відносна зміна опору тензорезисторів дуже мала (<1%), то суттєвий вплив на результат вимірювань може мати температура довкілля. Отже, необхідно пе­редбачити температурну компенсацію. Зокрема, якщо використовують мостове коло з одним робочим тензорезистором (рис.5,а), то для температурної компенсації необхідний інший неробочий тензорезистор R_TK = R_O, аналогічний робочому R_т, який був би в однакових температурних умовах з робочим. Тоді зміна опорів двох ідентичних (робочого та компенсаційного) тензорезисторів, зумовлена зміною температури довкіл­ля при незмінному значенні вимірюваної деформації, не викликає зміни вихідної на­пруги. Дійсно, якщо, наприклад ε_R= 0 та R₂ = R₃ = R

Дата добавления: 2014-01-05