Дополнительная информация. Программное обеспечение ZETLAB TENZO содержит программу Тензометр для всех тензостанций. При сбое программ подключают Ethernet. Для этого запускают панель ZETLAB, нажимают клавишу F1 и находят строку подключения к Ethernet.

Цифровой тензорезистор ZET

Тензометрические обследования помогают избегать просчётов в проектировании объектов, испытывающих деформации различного характера под воздействием разных внешних факторов. Своевременное выявление причин, вызывающих изменения характеристик объекта, позволяет сохранить его эксплуатационные качества и предотвратить возникновение аварийных ситуаций.

Видео

amperof.ru

принцип работы, схема, примеры и т.д.

Тензометр — прибор для электрического измерения силы, который преобразует действие силы на объект в электрический сигнал, отражающий величину приложенной силы, вызывая изменения тока в цепи, который может быть измерен и отображен в единицах измерения силы.

Обратите внимание на теорию автоматического регулирования и на приборы для регулирования.

Принцип действия тензометра

Для того, чтобы понять, как тензометры могут быть использованы как электрические приборы измерения силы, необходимо понять положения о давлении и растяжении.

Давление — это внутренняя реакция предмета или материала на силу. Растяжение — величина деформации, образованной в результате приложенной силы.

Если сила приложена, например, к стержню, то стержень испытывает давление и растяжением реагирует на приложенную силу путем изменения формы.

Чем больше сила, тем больше величина деформации. Это тот принцип, который позволяет использовать большинство тензометров, как электроизмерительные приборы для измерения силы.

Тензометр состоит из тонкого провода, обычно из никеля или платины, который заплетен вокруг штырей в виде сетки. Сетка встроена в бумажный или пластиковый несущий лист, который приклеивается или связывается с материалом, к которому будет приложена сила. Соединительные провода связывают сетку с цепью, которая предназначена для обеспечения показаний, приложенной силы. Таким образом, растяжение, образующееся в материале как результат приложенной силы, будет передан на тензометр, так как тензометр связан с материалом. Так как материал сдавлен, провод сетки будет растянут или сжат.

Так как сила приложена к материалу, к которому привязан тензометр, тензометр чувствует деформацию, образованную в результате давления, и изменяет свое сопротивление.

Например, если приложенная сила вызывает увеличение длины сетки, то ее поперечная область уменьшается, так как провод становится тоньше по мере его растяжения. Оба фактора в сочетании увеличивают сопротивление сетки. Изменение сопротивления тензометра вызывает изменение тока в цепи, измеряющей силу. Изменение тока в цепи измеряется и показывается прибором, шкала которого промаркирована в единицах измерения силы.

www.kipiavp.ru

принцип действия, описание, виды, схемы

Измерение напряжений и усилий в действующих узлах и конструкциях оборудования считается одной из наиболее сложных задач. Между тем в процессе эксплуатации техника подвергается разным видам нагрузок, которые определяют долговечность и надежность оборудования. Решение поставленных задач возможно с помощью тензометрических датчиков. Установка подобных устройств целесообразна тогда, когда в дополнение к производственным факторам добавляются остаточные напряжения, постепенно накапливаемые в ходе работы.

Описание и назначение

При измерении деформаций, напряжений и усилий при помощи тензометрических датчиков используют изменение значений омического сопротивления материала, которое вызывается упругими деформациями металлической проволоки или полупроводников стержневого исполнения. Изменение сопротивления датчика передаётся при помощи кабеля или бесконтактным путем на измерительный мост. Там оно преобразуется в усиленные электрические сигналы, которые и фиксируются прибором.

Все типы тензометрических датчиков (или, иначе – тензорезисторов) используют зависимость между напряжениями и деформациями – закон Гука – который справедлив в области упругих деформаций. Согласно закону Гука изменение электросопротивления, отнесённое к исходному значению данного параметра до деформации, пропорционально изменению удлинения, отнесённому к первоначальной длине измерительного элемента. Применяя коэффициент пропорциональности, который зависит от диапазона измеряемых параметров и материала устройства, устанавливают зависимость между нагрузкой на датчик и его удлинением:

ΔR/R = k×Δl/l,

где:

R – исходное значение электрического сопротивления;

ΔR – изменение значения электрического сопротивления в процессе деформации;

k – коэффициент пропорциональности;

Δl – изменение длины при деформировании;

l – исходная длина измерительного элемента до приложения к нему эксплуатационной нагрузки.

Указанный тип устройств используется в весоизмерительной технике, поскольку относится к тензорным, определяющим усилия и внешние нагрузки.

Виды

Применяемость рассматриваемых измерительных элементов определяется материалом, из которого выполнен датчик. Чаще всего исходным материалом служит сплав константан, состоящий из 40% никеля и 60% меди. Для константана k ≈ 2; таким же порядком значений (1.5…3,5) обладают и другие сплавы постоянного электросопротивления.

Датчики полупроводникового типа имеют более высокие значения коэффициента пропорциональности. В зависимости от материала полупроводника (кремний или германий), а также состава легирующих добавок значения коэффициента достигают 50…70. В связи с этим полупроводниковые тензометрические датчики более чувствительны, и их применяют для оценки малых удлинений. Вместе с тем полупроводниковые датчики характеризуются повышенными отклонениями своего удлинения в диапазонах 1,5…9 % относительного удлинения. Для проволочных датчиков этот показатель не превышает 0,5%.

Конструкции тензометрических датчиков проволочного типа разрабатываются с учетом следующих ограничений:

• С целью получения достаточной точности измерений величина сопротивления проволочного элемента должна находиться в пределах 100…1000 Ом;
• Диаметр проволоки целесообразно иметь в диапазоне 0,01…0,03 мм;
• Длина проволочного элемента не должна превышать 250…300 мм.

В некоторых случаях приведенные ограничения не позволяют устанавливать тензометрические датчики в виде проволок, поэтому измерительные устройства изготавливают из фольги или плоских измерительных решеток. Для предохранения от повреждений, которые могут возникнуть при транспортировке или сборке таких датчиков, для их крепления в напольном исполнении применяют подложку из бумаги или тонкого пластика.

Чтобы обеспечить электрический контакт с измерительной решеткой, на подложке размещают проволочные выводы, которые затем присоединяются к датчику при помощи пайки.

Виды тензодатчиков, включающих в себя активный измерительный элемент, контактные выводы и подложку:

1. Плоский проволочный.
2. Фольговый.
3. Полупроводниковый, с одним или двумя стержнями.
4. Трубчатый.

Краткая характеристика наиболее распространённых исполнений тензодатчиков приводится далее.

• Консольные. Предназначены для измерения крутящих и изгибающих моментов, устанавливаются в метах наибольшего прогиба конструкций.
• Цилиндрические. Наименее компактны, зато позволяют определять значительные напряжения, приближающиеся по своим значениям к пределу текучести лимитирующего материала.
• S-образные. Дают возможность оценивать трехмерные деформации при объемном напряженно-деформированном состоянии. Чаще других нуждаются в поверке.

Устройство и принцип работы

По типу воздействия на исполнительные элементы конструкции различают тактильные, резистивные, пьезорезонансные, пьезоэлектрические, магнитные и емкостные датчики.

Тактильные

Срабатывают в результате механического действия на чувствительную поверхность. Позволяют устанавливать минимальные деформации, но при неточных настойках могут подавать и ложный сигнал.

Резистивные

Наиболее распространенный тип датчиков. Требуют подключения к слаботочной управляющей цепи, поскольку включают в себя тензорезисторный контур. Надежны при любом состоянии окружающей среды.

Пьезорезонансные

Относятся к устройствам полупроводникового типа, нуждаются в надежном обслуживании и тонкой настройке. Работают по принципу сравнения эталонного сигнала с фактическим.

Пьезоэлектрические

По своему действию подобны измерителям предыдущего типа, но подают сигнал при изменении значений контактных деформаций, прикладываемых к чувствительному элементу.

Магнитные

Изготавливаются из сплавов с переменным значением коэрцитивной силы, используются при измерении усилий в узлах оборудования, работающих в сильных электромагнитных полях.

Емкостные

Предназначены для измерения малых механических напряжений в деталях со сложной конфигурацией, когда изменение длины токопроводящей проволоки изменяет ее электрическую емкость.

Характеристика

Для изготовления тензометрических датчиков необходимо использовать материалы проволок, относительное изменение сопротивления которых пропорционально удлинению в максимальном диапазоне деформаций. При этом коэффициент пропорциональности k должен иметь большие значения. Для компактных устройств со значительной чувствительностью приходится применять материалы, обладающие высоким удельным сопротивлением. При этом температурная зависимость удельного сопротивления при изменении внешних условий должна быть незначительной, а лучше и вовсе отсутствовать.

Условия оптимального использования тензорезисторов:

• Малое различие между коэффициентами теплового расширения материала конструкции (или узла) и измерительной проволоки устройства.
• Нечувствительность к термическим напряжениям, которые возникают при соединении измерительного элемента с контролируемой частью оборудования или конструкции (для такого присоединения чаще всего используют пайку).
• Хорошая обрабатываемость паяных соединений, которая не изменяет эксплуатационные параметры оборудования.
• Надежность соединения, учитывающая возможные динамические удары и перемещения.

На параметр пропорциональности k влияют коэффициент Пуассона ε (представляющий собой условную меру изменения поперечного сечения детали при приложении к ней растягивающих напряжений) и теплофизические параметры материала, из которого изготовлен тензометрический прибор.

Схемы подключения

Конструкции тензометрических датчиков, в частности, их малая жесткость, вынуждают применять особые способы подключения рассматриваемых элементов. Например, участки проволочной решетки в местах возможного изгиба при деформации часто располагаются поперечно к направлению измерений. Они воспринимают составляющие удлинения, действующие именно в этом направлении, и поэтому недостаточно точно реагируют на силы и деформации продольного направления. Отношение чувствительности измерения удлинений в продольном и поперечном направлениях для датчиков проволочного исполнения находятся в пределах от -0,01 до +0,04.

Влияние описанного фактора уменьшается, если для измерения напряжений, крутящих моментов или усилий использовать фольговые силоизмерительные датчики. По аналогии с печатными схемами, измерительная фольговая решетка, которая расположена на пластмассовой подложке, может быть получена в результате травления тонкой металлической фольги.  Кроме того, токовая нагрузка на тензометрические датчики фольгового типа больше, чем на проволочные, вследствие чего тепло от фольговых тензометров отводится лучше.

Тензорезисторы часто приклеиваются к исследуемому конструктивному элементу. Клеевое соединение обеспечивает постоянную передачу деформации через подложку на измерительную решетку. Поэтому к клеям предъявляется также и ряд особых требований:

• Высокое сопротивление ползучести.
• Отсутствие гистерезиса.
• Влагостойкость.
• Адгезионная способность.
• Температуростойкость.

Наибольшую эксплуатационную надежность проявляют эпоксидные смолы холодного твердения. Для экспериментального определения многосторонней деформации используют розеточную систему данных устройств, которые образуют измерительный мост. При этом образованная схема состоит из не менее, чем четырех закрепленных на подложке датчиков, которые размещаются крестообразно, треугольником, т-образно, в виде звезды. Благодаря многолучевому размещению тензорезисторов их удлинения измеряются в двух, трех или четырех направлениях.

Сферы применения

Кроме определения удлинений, которые вызываются действием внешних нагрузок на конструктивные части оборудования, тензометрические датчики могут применяться для измерения собственных (остаточных) напряжений в момент их релаксации, это явление происходит при высверливании или разрезке некоторых конструктивных деталей и узлов.

Тонкопленочные датчики давления, которые изготавливаются путем осаждения из паровой фазы или распыления, используются для определения усилий, напряжений, крутящих моментов и деформаций в изоляционных элементах, которые размещаются непосредственно на полированных мембранах. Для калибровки резистивных элементов используется лазерная подгонка, повышающая точность замеров. Диффузионные полупроводниковые датчики давления могут проникать в кремниевую чувствительную к давлению диафрагму, и не связаны со свойствами поверхности. Это позволяет использовать их в технологиях миниатюрного тензометрирования.

Основным преимуществом тонкопленочных преобразователей является устранение нестабильности, вызванной клеем.

Технология тонких пленок считается более современной и обеспечивает превосходную стабильность при нулевом температурном режиме и полной чувствительности, а также высокую долговечность.

Часто применяемые условия для использования тензодатчиков перечислены далее.

Измерение веса

Необходимо в системах напольного типа, при помощи которых определяют массу груза. Характеризуются минимальными требованиями к точности монтажа и наладки.

Измерение давления

Используется в технологических линиях обработки металлов давлением. Одновременно производится также измерение рабочих сил и упругих деформаций. Датчики снабжаются силоизмерительным устройством с цифровой    индикацией.

Измерение крутящего момента

Применяется для испытательного оборудования станций технического обслуживания автомобильного транспорта.

Определение ускорения

Иногда используется в экспериментальных лабораториях, где занимаются проектированием и испытаниями высокоскоростной рельсовой и безрельсовой техники.

Контроль перемещения

Самые распространенные отрасли применения – сейсмологические станции и фундаменты высокоточного массивного оборудования, преимущественно энергетического.

Плюсы и минусы

Тензорные датчики компактны, удобны при установке, практически не ограничивают работоспособность конструкции, где они установлены. Вместе с тем они часто подвержены эффекту старения, чувствительны к температурным напряжениям и иногда характеризуются повышенным разбросом получаемых данных. Тонкоплёночные тензорезисторы, кроме того, характеризуются низким уровнем выходного сигнала, ограниченными частотными характеристиками и влиянием высокого напряжения на точность получаемых результатов. Чаще других типов применяются в качестве весовых, а также для определения комплекса силовых факторов, постоянно изменяющихся в процессе работы оборудования или конструкции.

Преимущества тензометрических технологий:

• Быстрое время отклика;
• Простота компенсации температурных эффектов;
• Малая чувствительность к динамическим воздействиям.

Недостатки:

• Невозможность обеспечить более низкие диапазоны измерений;
• Снижение точности показаний при вибрациях;
• Необходимость точного совмещения с окружающей средой;
• Сложность первоначальной настройки.

Выпуск современных тензометрических датчиков регламентируется требованиями ГОСТ 21616-91.

prodatchik.ru

Тензометрия — это… Что такое Тензометрия?

Тензометрия (от лат. tensus — напряженный и греч. metron — мера) — способ измерения напряженно-деформированного состояния конструкции. Базируется на определении напряжений и деформаций в наружных слоях детали с помощью тензодатчиков и регистрирующей аппаратуры.

Тензодатчик представляет собой резистор, сопротивление которого изменяется при деформации. Его приклеивают к поверхности тестируемой детали, так, чтобы он деформировался вместе с ней. Используются одиночные тензорезисторы или блоки тензорезисторов, соединённые по схеме моста или полумоста.

Регистрирующая аппаратура называется тензостанция. До 1980-х годов она представляла собой комплекс самописцев, регистрирующих значения сигналов датчиков на бумаге. Развитие компьютерной техники и АЦП изменило облик этой аппаратуры. На настоящий момент стала возможна не только регистрация сигналов тензодатчиков, но и их компьютерный анализ в реальном времени и автоматическая выдача управляющих сигналов для изменения режима работы тестируемой конструкции.

Тензометрия широко используется для измерения веса.

Принцип действия

Тензодатчик включается в измерительный мост в качестве одного из сопротивлений (например, R2) (см. рис. 1). Если все сопротивления, составляющие мост, равны между собой, то при любых значениях напряжения между точками А и D токи через все резисторы по закону Ома будут равны между собой. Следовательно, напряжение между точками С и B будет равно нулю. Но если какое-либо сопротивление будет отличаться от трёх других, то между точками C и B появится разность потенциалов (напряжение). Если же это сопротивление будет менять своё значение под воздействием какого-либо внешнего физического фактора (изменения температуры, светового потока извне и т. д.), то напряжение между точками C и B будет менять своё значение в соответствии с изменением параметров внешнего физического фактора. Таким образом, внешний физический фактор является входным сигналом, а напряжение между точками C и B — выходным сигналом. Далее выходной сигнал можно подавать на анализирующее устройство (например, на персональный компьютер), где специальные программы могут его обрабатывать.

В качестве резистора с переменным значением может использоваться тензодатчик — это такой «резистор», который может изменять своё сопротивление при изменении его длины или иной деформации. Если один конец тензодатчика закрепить на одной поверхности (назовём её Х), а другой конец тензодатчика закрепить на другой поверхности (назовём её Y), то с изменением расстояния между поверхностями Х и Y будет изменяться длина тензодатчика, а значит и его сопротивление, меняя напряжение между точками C и D. Таким образом, на анализирующем устройстве (например, на экране монитора компьютера) можно получить кривую, с большой точностью соответствующую колебаниям расстояния между поверхностями X и Y. Эту кривую и соответствующий ей сигнал можно анализировать. Такой способ измерения получил назваание тензометрии. Чувствительность тензометрических измерений расстояний между поверхностями Х и Y достигает долей микрометра.

Помимо тензодатчиков, для измерения колебаний расстояния между двумя поверхностями часто используют пьезоэлектрические датчики. Последние во многих сферах вытеснили тензодатчики благодаря лучшим техническим и эксплуатационныи характеристикам.

Ссылки

1. Конструкция тензодатчика;

Литература

• Политехнический словарь / Ишлинский А. Ю. и др.. — 3 изд., перераб. и доп.. — М.: Советская энциклопедия, 1989. — С. 523. — ISBN 5-85270-003-7

dic.academic.ru

принцип действия механического, струнного и других видов тензометров

 О чем эта статья

Тензометры это приборы измеряющие напряжение и деформацию на локальном участке. Существует несколько видов тензометров. Среди них механический, резистивных, струнный и другие виды. О них и пойдет речь в данной статье.
Вы также можете посмотреть другие статьи. Например, «Проведение измерений нутромером» или «Поверка средств измерения».

Как надежны создаваемые детали, устройства, сооружения? Как действуют на них различные внешние нагрузки? Эти вопросы волнуют конструкторов, строителей, эксплуатационников. Ответы на них можно получить с помощью тензометра.

Тензометр — это прибор, позволяющий измерить величину деформации изделия на локальном (базовом) участке. Полученная информация позволяет определять напряжения в изделии, разрабатывать более совершенные конструкции, предупреждать аварийные ситуации. Что такое деформация и какая она бывает рекомендуем прочитать в нашей статье — виды деформации твердых тел.

Тензометры используются для оптимального натяжения полотен ленточных пил, растяжек, стержневой и проволочной арматуры. В строительстве – для определения напряжений внутри железобетонных конструкций зданий, мостов, плотин, наровне с измерителями прочности бетонна. В машиностроении – для контроля наиболее ответственных деталей агрегатов, например, лопаток турбин. В текстильной промышленности – для регулирования натяжения движущейся пряжи, нитей.

Широкий круг задач и условий проведения измерений обусловил наличие тензометров, отличающихся по своему назначению и принципу действия. В работе рассмотрены два типа тензометров: механические и электрические. Последние, по принципу действия (определяется типом чувствительного элемента) подразделяются на:

• Резистивные;
• Струнные;
• Емкостные;
• Индуктивные;

 «Старейшими» тензометрами, появившимися в связи с появлением математических методов в исследовании материалов, являются механические. Поэтому рассмотрение принципа действия тензометров начнем именно с них.

Механические тензометры

Принцип работы механического тензометра базируется на прямой зависимости линейного удлинения испытуемого образца от напряжений в его поперечном сечении при действии деформирующей нагрузки.

Рис. 1.Схема механического тензометра рычажного типа.

Механический тензометр  (рис. 1) закрепляется на поверхности образца 1, опираясь на нее двумя призмами 2 и 3. Призма 2 является подвижной и расположена на расстоянии L от неподвижный призмы 3. Расстояние L является базовым. Рычажная система 4 вместе с подвижной призмой 2 воспринимает изменение размера образца при действии деформирующих сил. Она выполняет роль преобразователя незначительного изменения размера L в существенное перемещение указателя 5 по шкале 6. Коэффициент усиления определяется соотношением длин плеч рычажной системы и обычно лежит в пределах от 1000 до 12000.

Резистивный тензометр

Резистивные тензометры представляют популярную группу универсальных приборов для контроля растяжения или сжатия контролируемого изделия. В качестве чувствительного элемента в тензометрах этого типа используются тензорезисторы. Принцип действия тензорезистора базируется на изменении электрического сопротивления при деформации его вместе с изделием. Он представляет собой отрезок тонкой проволоки, уложенный змейкой на изоляционной основе. Для увеличения чувствительности в тензометрах используют по несколько тензорезисторов, включаемых по мостовой схеме.

Как и в механическом тензометре, во всех электрических тензометрах измеряется изменение базового расстояния. Тензодатчики встраиваются  в конструкцию элементов тензометра воспринимающих воздействие деформирующих сил.  Одна из конструкций тензометра, широко применяемая в строительстве и горном деле при заливке бетона, приведена на рис. 2.

Рис.2. Тензометр в исходном состоянии (а) и при действии растягивающих усилий (б).

Конструктивно тензометр состоит из мостовой схемы с тензорезисторами в ее плечах. Элементы схемы расположены внутри полого стержня 1 с базой равной расстоянию между силовоспринимающими фланцами 2 и 3 (рис. 2а) Внешние растягивающие силы внутри бетонной конструкции, воздействуя на фланцы, удлиняют стержень. Удлинение равно расстоянию перемещения фланца из положения 2 в положение 4 (рис. 2б). При этом изменяется сопротивление плеч моста и информация по кабелю 5 передается на средства обработки данных.

Струнные тензометры

Чувствительным элементом струнного тензометра служит отрезок стальной проволоки, закрепленной внутри трубки к ограничивающим  торцы крепежными блоками. Принцип работы тензометра заключается в наличии зависимости частоты колебаний проволоки (струны) от ее натяжения.

Устанавливается датчик на поверхности контролируемого изделия путем приварки шаблона, с помощью болтовых соединений или клея. Датчик является изделием многоразового использования. Съем информации с помощью кабеля.

Емкостные тензометры

В емкостных тензометрах роль чувствительного элемента выполняет конденсатор переменной емкости. Принцип работы этого вида тензометров основан на зависимости емкости конденсатора от величины зазора между его пластинами.

На рис.3 представлен один из возможных вариантов емкостного тензометра.

Рис. 3. Схема устройства емкостного тензометра.

Тензометр крепится на объекте контроля 1 посредством точечной сварки 2. Измерительный конденсатор 3 закреплен на ветвях силоизмерительной рамки 4, воспринимающей растяжение или сжатие объекта. Таким образом величина зазора однозначно связана с величиной деформирующей силы. Следует отметить, что эта зависимость носит нелинейный характер.

Индуктивные тензометры

В настоящее время выпускаются индуктивные тензометры двух видов. Первый – это тензометры с опорными призмами и регулируемой базой. Второй – с ножевыми опорами для работы с изделиями стержневого вида. В обеих чувствительным элементом служит катушка индуктивности с подвижным сердечником.

Катушка индуктивности закрепляется неподвижно на объекте. Подвижный сердечник соединен с ним через подвижную призму или нож и изменяет свое положение под воздействием деформирующей силы. Это перемещение приводит к изменению индуктивности или взаимоиндуктивности катушки. Зависимость электрических параметров катушки индуктивности от положения ее подвижного элемента положено в основу работы тензометров этого типа.

Примеры использования тензометров

На рис.4 показаны примеры использования двух типов тензометров.

Рис. 4. Тензометры в работе.

На рис.4 слева показан вариант применения механического тензометра для контроля натяжения ленточного полотна. На рис.4 справа – использование электрического тензометра для контроля несущих конструкций. Появление трещин вызывает скачкообразное увеличение показаний тензометра, что обычно предшествует разрушению материала.

Опубликована 02-03-13.

www.devicesearch.ru.com

тензометр — это… Что такое тензометр?

dic.academic.ru

Тензометр Википедия

Тензометрия (от лат. tensus — напряжённый и греч. μετρέω — измеряю) — совокупность экспериментальных методов определения механического напряжения детали, конструкции. Основана на определении деформаций или других параметров материала, вызванных механическим напряжением (например, двойного лучепреломления или вращения плоскости поляризации света в нагруженных прозрачных деталях).

Приборы для измерения деформаций называются тензометрами. По принципу действия тензометры делятся на электрические, оптические, пневматические, акустические. В состав тензометра входит тензометрический датчик и показывающие устройства (индикаторы) и/или регистрирующие устройства.

Тензометры, предназначенные для измерения деформаций во многих точках исследуемого объекта и снабжённые средствами обработки данных, их регистрации и передачи в качестве сигналов управления, часто называют тензометрическими станциями или тензостанциями.

До 1980-х годов тензостанции представляли собой комплекс самописцев, регистрирующих сигналы многих датчиков на бумажной ленте. Развитие компьютерной техники и применение АЦП изменило облик этой аппаратуры. Стала возможной не только регистрация сигналов тензодатчиков, но и их цифровая обработка в реальном времени, визуализация деформаций на экранах мониторов и автоматическая выдача управляющих сигналов для изменения режима работы тестируемой конструкции, например, для компенсации деформации деталей манипуляторов в станках с ЧПУ, что позволяет повысить точность обработки заготовки.

Физические принципы тензометрии

Предложено много различных способов измерения деформаций, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, поэтому выбор того или иного метода зависит от конкретной задачи.

Оптические

Основаны на измерении малых смещений поверхностей, которые регистрируются, например, интерференционными методами, методами муаровых узоров и др.

Отдельную группу оптических методов составляют оптоволоконные датчики, основанные на измерении деформации приклеенной к исследуемому объекту оптоволоконной нити, в которой сформирована Брегговская решётка.

Для исследования деформаций оптически прозрачных деталей применяют методы, основанные на эффекте возникновения двойного лучепреломления или вращении плоскости поляризации в нагруженных деталях — явление фотоупругости. При этом деталь помещают между скрещённых поляризаторов и в проходящем свете наблюдают визуализированную картину напряжений. При этом обычно изучают деформации оптически прозрачных макетов деталей^[1].

Пневматические

Основаны на измерении давления сжатого воздуха в сопле, примыкающем к поверхности исследуемой детали. Изменение расстояния до сопла от поверхности вызывает регистрируемое изменение давления.

Акустические

При нагружении деталей изменяются акустические параметры материала, такие как скорость звука, акустическое сопротивление, затухание. Эти изменения могут быть измерены пьезоэлектрическими датчиками.

Также к акустическим методам относят датчики, при нагружении которых изменяется частота собственных колебаний чувствительного элемента — например, струнные.

Электрические

Используют изменение электрических параметров материала чувствительного элемента тензодатчика при нагружении, обычно изменения электрического сопротивления (тензорезистивные датчики) или генерирующие напряжения при деформациях (пьезоэлектрические). Недостаток последних — они непригодны для измерений статических деформаций, но имеют очень высокую чувствительность.

Условно к электрическим методам можно отнести различные электрические измерители малых смещений — ёмкостные, индукционные датчики и др.

Рентгеновские

При деформации материала изменяются межатомные расстояния в кристаллической решётке материала исследуемого объекта, что может быть измерено рентгеноструктурными методами.

Тензорезистивный метод

Сейчас это наиболее удобный и чаще других используемый метод. При деформации электропроводящих материалов (металлов, полупроводников) происходит изменение их удельного электрического сопротивления и, как следствие, — изменение сопротивления чувствительного элемента датчика. В качестве проводящих материалов обычно используются металлические плёнки, напылённые на гибкую диэлектрическую подложку. В последнее время находят применение полупроводниковые датчики. Сопротивление чувствительного элемента измеряется тем или иным способом.

Конструкция типичного металлического датчика

На диэлектрическую подложку (например, полимерную плёнку или слюду) в вакууме через маску^[en] напыляют плёнку металлического сплава, либо формируют проводящую конфигурацию на подложке фотолитографическими методами. В последнем случае на предварительно напылённую сплошную плёнку металла на подложке наносят слой фоторезиста и засвечивают его ультрафиолетовым излучением через фотошаблон. В зависимости от вида фоторезиста, либо засвеченные, либо незасвеченные участки фоторезиста смываются растворителем. Затем незащищённую фоторезистом металлическую плёнку растворяют (например, кислотой), формируя фигурный рисунок металлической плёнки.

В качестве материала плёнки обычно используются сплавы, имеющие низкий температурный коэффициент удельного сопротивления (например, манганин) — для снижения влияния температуры на показания тензометра.

При использовании тензорезистор подложкой приклеивают к поверхности исследуемого на деформации объекта или поверхности упруго-деформируемого элемента в случае применения в весах, динамометрах, торсиометрах, датчиках давления и др., так, чтобы тензорезистор деформировался вместе с деталью.

Чувствительность к деформации такого тензорезистора зависит от направления приложения деформирующей силы. Так, наибольшая чувствительность при растяжении и сжатии — по вертикальной по рисунку оси и практически нулевая при горизонтальной, так как полоски металла в зигзагообразной конфигурации сильнее изменяют своё сечение при вертикальной деформации.

Тензорезистор включается с помощью электрических проводников во внешнюю электрическую измерительную схему.

Измерительная схема

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного напряжения (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора R₂ производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствии приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

При выполнении соотношения R₁ / R₂ = R_x / R₃ напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление R_x (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов R_x и R₃ (B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления R_x может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора R₃ включают такой же тензорезистор, как и R_x, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления (вызванного изменением температуры) равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие сервисные функции.

Применение тензометрии

Используется при проектировании различных машин, деталей, сооружений. При этом, как правило, изучаются деформации не самих проектируемых объектов, а их макетов — например, макетов мостов, корпусов летательных аппаратов и др. Часто макеты выполняются в уменьшенном размере.

Также применяется в различных силоизмерительных устройствах, приборах — весах, манометрах, динамометрах, датчиках крутящего момента (торсиометрах). В этих устройствах тензодатчики измеряют деформации упругих элементов (балок, валов, мембран)^[2].

Примечания

Литература

• Политехнический словарь / Ишлинский А. Ю. и др.. — 3 изд., перераб. и доп.. — М.: Советская энциклопедия, 1989. — С. 523. — 656 с. — ISBN 5-85270-003-7.

wikiredia.ru