Зміст

 

       Тензометричний вимірювальний перетворювач

     Тензометричний  вимірювальний перетворювач - параметричний  резистивний перетворювач, який перетворює деформацію твердого тіла, викликану  доданим до нього механічним напругою, в електричний сигнал. 
Резистивний тензодатчик представляє собою підставу із закріпленим на ньому чутливим елементом. Принцип вимірювання деформацій за допомогою тензометричного перетворювача полягає в тому, що при деформації змінюється активний опір тензорезистора. Ефект зміни питомого опору металевого провідника під дією всебічного стиснення (гідростатичного тиску) був виявлений в 1856 році лордом Кельвіном і в 1881 році О. Д. Хвольсона.

     У сучасному вигляді тензометричний вимірювальний перетворювач конструктивно  являє собою тензорезистори, чутливий елемент якого виконаний з  тензочувствітельності матеріалу (дроту, фольги тощо), закріплений за допомогою сполучного (клею, цементу) на досліджуваній деталі (Рисунок 1). Для приєднання чутливого елемента в електричний ланцюг в тензорезистори є вивідні провідники. Деякі конструкції тензорезисторів для зручності установки мають підкладку, розташовану між чутливим елементом і досліджуваної деталлю, а також захисний елемент, розташований поверх чутливого елемента.

     

     Рисунок 1 Схема тензопреобразователя: 1 - чутливий елемент, 2 - сполучна, 3 - підкладка, 4 - досліджувана деталь, 5 - захисний елемент, 6 - вузол пайки (зварювання), 7 - вивідні провідники

     При всьому різноманітті завдань, що вирішуються за допомогою тензометричних вимірювальних перетворювачів, можна виділити дві основні області їх використання:

     - Дослідження фізичних властивостей матеріалів, деформацій і напруг в деталях і конструкціях;

     - Застосування тензодатчиків для вимірювання механічних величин, що перетворюються в деформацію пружного елемента.

     Для першого випадку характерно значне число точок тензометрування, широкі діапазони зміни параметрів навколишнього середовища, а також неможливість градуювання вимірювальних каналів. В даному випадку похибка вимірювання складає 2-10%.

     У другому випадку датчики градуюються по вимірюваній величині і похибки вимірів лежать в діапазоні 0,5-0,05%.

     

     Найбільш  яскравим прикладом використання тензометрів  є ваги. Тензометричними датчиками  оснащені ваги більшості російських і зарубіжних виробників ваг. Ваги на тензодатчиках застосовуються в  різних галузях промисловості: кольорова  і чорна металургія, хімічна, будівельна, харчова та інші галузі.

     Принцип дії електронних ваг зводиться  до вимірювання сили ваги, що впливає  на тензодатчик, за допомогою перетворення виникаючих змін, наприклад деформації, в пропорційний вихідний електричний  сигнал.

     Широке поширення тензодатчиків пояснюється цілим рядом їх досчтоінств:

     - Малі габарити і вага;

     - Малоінерційних, що дозволяє застосовувати  тензодатчики як при статичних,  так і при динамічних вимірюваннях;

     - Володіють лінійною характеристикою;

     - Дозволяють дистанційно і в багатьох точках проводити вимірювання;

     - Спосіб встановлення їх на  досліджувану деталь не потребує  складних пристосувань і не  спотворює поле деформацій досліджуваної  деталі.

     А їх недолік, що полягає в температурній  чутливості, можна в більшості  випадків компенсувати.

     Типи  перетворювачів і їх конструктивні  особливості 
В основі роботи тензопреобразователей лежить явище тензоеффекта, що полягає у зміні активного опору провідників при їх механічної деформації. Характеристикою тензоеффекта матеріалу є коефіцієнт відносної тензочутливості К, який визначається як відношення зміни опору до зміни довжини провідника:

     k = er / el

     где er = dr / r - відносна зміна опору провідника; el = dl / l - відносна зміна довжини провідника.

     При деформації твердих тіл зміна їхньої довжини пов'язано зі зміною обсягу, крім того, змінюються і їх властивості, зокрема величина питомого опору. Тому значення коефіцієнта тензочутливості в загальному випадку має бути виражене якK = (1 + 2μ) + m

     Тут величина (1+2μ) характеризує зміну опору, пов'язане зі зміною геометричних розмірів (довжини і перетину) провідника, а - зміна питомої опору матеріалу, пов'язане зі зміною його фізичних властивостей.

     Якщо при виготовленні тензопреобразователя використані напівпровідникові матеріали, то чутливість визначається в основному зміною властивостей матеріалу решітки при її деформації, і K »m і може змінюватися для різних матеріалів від 40 до 200.

     Всі існуючі перетворювачі можна розділити на три основних типи:

     - Дротові;

     - Фольгові;

     - Плівкові.

     

     Дротяні тензодатчик в техніці вимірювань неелектричних величин використовуються за двома напрямками.

     Перший  напрямок - використання тензоеффекта провідника, що знаходиться в стані об'ємного стиснення, коли природною вхідний величиною перетворювача є тиск навколишнього його газу або рідини. У цьому випадку перетворювач являє собою котушку дроти (зазвичай манганінового), поміщену в область вимірюваного тиску (рідини чи газу). Вихідний величиною перетворювача є зміна його активного опору.

     Другий  напрямок - використання тензоефффекта  розтягуємо дроту з тензочувствітельності  матеріалу. При цьому тензопреобразоателі  застосовуються у вигляді "вільних" перетворювачів і у вигляді наклеюються.

     "Вільні" тензопреобразователі виконуються  у вигляді однієї або ряду  дротів, закріплених по кінцях  між рухомою і нерухомою деталями, і, як правило, виконують одночасно  роль пружного елемента. Природною  вхідний величиною таких перетворювачів є досить мале переміщення рухомий деталі.

     Пристрій  найбільш поширеного типу наклеюється  дротяного тензодатчика зображено  на малюнку 2. На смужку тонкого паперу або лакову плівку наклеюється укладена зигзагоподібно тонка дріт діаметром 0,02-0,05 мм. До кінців дроту приєднуються вивідні мідні провідники. Зверху перетворювач покривається шаром лаку, а іноді заклеюється папером або фетром.

     Датчик  зазвичай встановлюється так, щоб його найбільш довга сторона була орієнтована  в напрямку вимірюваної сили. Такий перетворювач, будучи приклеєним до випробуваної деталі, сприймає деформації її поверхневого шару. Таким чином, природною вхідний величиною наклеюється перетворювача є деформація поверхневого шару деталі, на яку він наклеєний, а вихідний-зміна опору перетворювача, пропорційне цієї деформації. Зазвичай наклеюються датчики використовуються багато частіше ненаклеіваемих.

     

     Малюнок 2 - наклеюється дротяний тензопреобразователь: 1 - тензочувствітельності дріт; 2 - клей або цемент; 3 - целофанова або паперова підкладка, 4 - вивідні провідники

     Вимірювальної базою перетворювача є довжина  деталі, займана дротом. Найбільш часто  використовуються перетворювачі з  базами 5 - 20 мм, що володіють опором 30 - 500 Ом.

     Крім  найпоширенішої петлевий конструкції  дротяних тензодатчиків, існують і інші. При необхідності зменшення вимірювальної бази перетворювача (до 3 - 1 мм) його виготовляють віткових способом, який полягає в тому, що на оправці круглого перерізу на трубку з тонкого паперу наматиается спіраль з тензочувствітельності дроту. Потім ця трубка проклеюється, знімається з оправки, розплющується і до кінців дроту прикріплюються висновки.

     Коли  треба отримати від ланцюга з  тезопреобразователем струм великої  величини, часто використовують "потужні" дротяні тензопреобразователі. Вони складаються з великого числа (до 30 - 50) паралельно з'єднаних дротів, відрізняються великими габаритами (довжина бази 150 - 200 мм) і дають можливість значно збільшити пропускається через перетворювач струм (малюнок 3).

     

     Малюнок 3 - низькоомний («потужний») дротяний тензопреобразователь: 1 - тензочувствітельності дріт; 2 - клей або цемент; 3 - целофанова або паперова підкладка, 4 - вивідний провідник

     Дротяні датчики мають малу поверхню зв'язку зі зразком (підставою), що зменшує струми витоку при високих температурах і дає більшу напругу ізоляції між чутливим елементом і взірцем.

     Фольгові  тензодатчики є найбільш популярною версією наклеюються тензодатчиків. Фольгові перетворювачі являють собою стрічку з фольги товщиною 4 -12 мкм, на якій частина металу обрана травленням таким чином, що залишилася його частина утворює показану на малюнку 4 грати з висновками. 
При виготовленні таких грат можна передбачити будь-який малюнок грати, що є істотною перевагою фольгових тензопреобразователей. На малюнку 4, а показаний зовнішній вигляд перетворювача з фольги, призначеного для вимірювання лінійних напружених станів, на рис. 4, в - фольговий перетворювач, наклеюється на вал, для виміру крутних моментів, а на рис.4, б - наклеюється на мембрану.

     

     Малюнок 4 - фольгові перетворювачі: 1 - підгінних петлі, 2 - витки, чутливі до розтягуючих мембрану зусиллям, 3 - витки, чутливі до стискає мембрану зусиллям

     Серйозною перевагою перетворювачів з фольги є можливість збільшувати перетин  решт перетворювача; приварювання (або  припаювання) висновків можна в цьому випадку здійснити значно надійніше, ніж в перетворювачах з дроту.

     Фольгові  тензодатчики в порівнянні з дротяними  мають більше відношення площі поверхні чутливого елемента до площі поперечного  перерізу (чутливість) і більш стабільні  при критичних температурах і тривалих навантаженнях. Велика площа поверхні і мале поперечний переріз також забезпечує хороший температурний контакт чутливого елемента із зразком, що зменшує саморозігрів датчика.

     Для виготовлення фольгових тензопреобразователей  використовуються ті ж метали, що і для дротяних датчиків (константан, ніхром, сплав нікелю з залізом і т.д.), а також застосовуються ще й інші матеріали, наприклад тітаноалюмініевий сплав 48Т-2, що забезпечує вимір деформацій до 12 %, а також цілий ряд напівпровідникових матеріалів.

      Плівкові  тензодатчики

     В останні роки з'явився ще один спосіб масового виготовлення приклеюються тензосопротівленій, що полягає у вакуумній сублімації тензочувствітельності матеріалу  та подальшої конденсації його на підкладку, напилюваних безпосередньо на деталь. Такі тензопреобразователі отримали назву плівкових. Мала товщина таких тензопреобразователей (15-30 мкм) дає істотну перевагу при вимірах деформацій у динамічному режимі в області високих температур, де вимірювання деформації представляють собою спеціалізовану область досліджень.

     Цілий ряд плівкових тензопреобразователей  на основі вісмуту, титану, кремнію  або германію виконується у вигляді  однієї провідної смужки (малюнок 5). Такі перетворювачі не мають недоліку, що полягає в зменшенні відносної чутливості перетворювача в порівнянні з чутливістю матеріалу, з якого виконаний перетворювач.

     

     Малюнок 5 - Плівковий тензопреобразовтель: 1 - тензочувствітельності плівка, 2 - плівка лаку, 3 - вивідний провідник

     Тензометричний коефіцієнт перетворювача, виконаного на основі металевої плівки, дорівнює 2-4, а його опір коливається в діапазоні від 100 до 1000 Ом. Перетворювачі, виконані на основі напівпровідникової плівки, мають коефіцієнт порядку 50-200, і тому вони більш чутливі до прикладається напруги. При цьому немає необхідності використовувати підсилювальні схеми, оскільки вихідна напруга напівпровідникового тензометричного моста становить приблизно 1 В.