Tenometre — tensometriske måletransdusere

Strain gauge sensor - en parametrisk resistiv transduser som konverterer deformasjonen av en stiv kropp forårsaket av en mekanisk påkjenning på den til et elektrisk signal.

En resistiv trykkmåler er en base med et følsomt element festet. Prinsippet for tøyningsmåling ved bruk av strain gauge er at motstanden til strain gauge endres under tøyningen. Effekten av endringen i motstanden til en metallisk leder under påvirkning av all-round kompresjon (hydrostatisk trykk) ble oppdaget i 1856 av Lord Kelvin og i 1881 av OD Hvolson.

I sin moderne form representerer en strekkmåler strukturelt en strekkmotstand, hvis følsomme element er laget av et spenningsfølsomt materiale (tråd, folie, etc.), festet med et bindemiddel (lim, sement) på delen som undersøkes (Figur 1). For å koble sensorelementet til den elektriske kretsen har strekkmåleren ledninger.Noen strain gauges design for enklere installasjon, de har en pute plassert mellom det følsomme elementet og delen som testes, samt et beskyttelseselement plassert over det følsomme elementet.

Figur 1 Skjematisk av strekningsmåleren: 1- følsomt element; 2- bindemiddel; 3- substrat; 4- undersøkt detalj; 5- beskyttelseselement; 6- blokk for lodding (sveising); 7-leder ledning

Med all mangfoldet av oppgaver løst ved hjelp av strain gauge-transdusere, kan to hovedområder for deres bruk skilles:

— studie av de fysiske egenskapene til materialer, deformasjoner og spenninger i deler og strukturer;

— bruk av strekkmålere for å måle mekaniske verdier som konverteres til deformasjon av et elastisk element.

Det første tilfellet er preget av et betydelig antall spenningsmålepunkter, brede spekter av endringer i miljøparametere, samt umuligheten av å kalibrere målekanalene. I dette tilfellet er målefeilen 2-10 %.

I det andre tilfellet kalibreres sensorene i henhold til den målte verdien og målefeilene er i området 0,5-0,05 %.

Det mest slående eksemplet på bruk av strekkmålere er balansen. Vektene til de fleste russiske og utenlandske produsenter er utstyrt med strekkmålere. Vektcellevekter brukes i ulike industrier: ikke-jernholdig og jernholdig metallurgi, kjemisk industri, konstruksjon, mat og andre industrier.

Prinsippet for drift av elektroniske vekter er redusert til å måle tyngdekraften som virker på lastcellen ved å konvertere de resulterende endringene, for eksempel deformasjon, til et proporsjonalt elektrisk utgangssignal.

Den brede bruken av tensormotstander forklares av en rekke fordeler:

— liten størrelse og vekt;

— lav treghet, som tillater bruk av strekkmålere for både statiske og dynamiske målinger;

— ha en lineær karakteristikk;

— tillate fjernmålinger og på mange punkter;

– metoden for installasjon på den undersøkte delen krever ikke kompliserte enheter og forvrider ikke deformasjonsfeltet til den undersøkte delen.

Og deres ulempe, som er temperaturfølsomhet, kan i de fleste tilfeller kompenseres for.

Typer omformere og deres designfunksjoner

Driften av strekkmålere er basert på deformasjonseffektfenomenet, som består i en endring i den aktive motstanden til ledningene under deres mekaniske deformasjon. Karakteristikken for deformasjonseffekten til materialet er koeffisienten for relativ deformasjonsfølsomhet K, definert som forholdet mellom endringen i motstand og endringen i lengden på lederen:

k = er / el

hvor er = dr / r — den relative endringen i motstanden til lederen; el = dl / l — den relative endringen i lengden på ledningen.

Under deformasjonen av faste legemer er endringen i deres lengde forbundet med en endring i volum, og deres egenskaper, spesielt motstandsverdien, endres også. Derfor bør verdien av sensitivitetskoeffisienten i det generelle tilfellet uttrykkes som

K = (1 + 2μ) + m

Her karakteriserer mengden (1 + 2μ) endringen i motstand knyttet til en endring i de geometriske dimensjonene (lengde og tverrsnitt) til lederen, og — en endring i motstanden til materialet forbundet med en endring i dens fysiske egenskaper.

Hvis halvledermaterialer brukes i produksjonen av tensoren, bestemmes følsomheten hovedsakelig av endringen i egenskapene til gittermaterialet under dets deformasjon og K »m og kan variere for forskjellige materialer fra 40 til 200.

Alle eksisterende omformere kan deles inn i tre hovedtyper:

— wire;

- folie;

- en film.

Trådtelometre brukes i teknikken for å måle ikke-elektriske mengder i to retninger.

Den første retningen er bruken av deformasjonseffekten til en leder i en tilstand av volumkompresjon, når den naturlige inngangsverdien til transduseren er trykket til den omgivende gassen eller væsken. I dette tilfellet er transduseren en trådspole (vanligvis manganin) plassert i området for det målte trykket (væske eller gass). Utgangsverdien til omformeren er endringen i dens aktive motstand.

Den andre retningen er å bruke spenningseffekten til spenningstråden laget av et spenningsfølsomt materiale. I dette tilfellet brukes spenningssensorer i form av "gratis" omformere og i form av limte.

"Gratis" strekkmålere er laget i form av en eller en rad med ledninger, festet i endene mellom de bevegelige og ubevegelige delene og utfører som regel samtidig rollen som et elastisk element. Den naturlige inngangsverdien til slike transdusere er svært liten bevegelse av den bevegelige delen.

Enheten til den vanligste typen strekkmåler er vist i figur 2. En tynn tråd med en diameter på 0,02-0,05 mm, plassert i et sikksakkmønster, limes på en stripe av tynt papir eller lakkfolie. Blyholdige kobbertråder er koblet til endene av ledningen. Toppen av omformeren er dekket med et lag lakk og noen ganger forseglet med papir eller filt.

Svingeren er vanligvis installert slik at dens lengste side er orientert i retning av den målte kraften. En slik transduser, limt til testprøven, oppfatter deformasjonene av overflatelaget. Dermed er den naturlige inngangsverdien til den limte transduseren deformasjonen av overflatelaget til delen som den er limt til, og utgangen er endringen i motstanden til transduseren proporsjonal med denne deformasjonen. Generelt brukes limte sensorer mye oftere enn ikke-limte.

Figur 2 - strekkmåler med limt ledning: 1 - strekkmåler ledning; 2- lim eller sement; 3- cellofan eller papirbakside; 4-leder ledninger

Målebasen til transduseren er lengden på delen som er okkupert av ledningen. De mest brukte svingerne er 5-20 mm baser med en motstand på 30-500 ohm.

I tillegg til den vanligste utformingen av konturstrekkmåler, er det andre. Hvis det er nødvendig å redusere målebasen til transduseren (til 3 - 1 mm), gjøres det ved viklingsmetoden, som består i å vikle en spiral av lastfølsom ledning på en dor med sirkulært tverrsnitt på et rør med tynt papir. Dette røret limes deretter, fjernes fra doren, flates ut, og ledningene festes til endene av ledningen.

Når det er nødvendig å få en stor strøm fra en krets med en termokonverter, bruker de ofte "Kraftige" strekkmålere med en opprullet ledning... De består av et stort antall (opptil 30 — 50) ledninger koblet parallelt, er forskjellige i store størrelser (lengde på basen 150 - 200 mm) og muliggjør en betydelig økning i strømmen som går gjennom omformeren (figur 3).

Tegning 3- Tenometer med lav motstand ("kraftig"): 1 — strain gauge wire; 2- lim eller sement; 3- cellofan eller papirbakside; 4 pins ledning

Trådprober har et lite kontaktareal til prøven (substratet), noe som reduserer lekkasjestrømmer ved høye temperaturer og fører til høyere isolasjonsspenning mellom det følsomme elementet og prøven.

Foliebelastningsceller er den mest populære versjonen av selvklebende belastningsceller. Folietransdusere er en stripe av folie med en tykkelse på 4-12 mikron, hvor en del av metallet velges ved etsing på en slik måte at resten av det danner blygitteret vist i figur 4.

Ved produksjon av et slikt gitter kan et hvilket som helst mønster av gitteret forutses, noe som er en betydelig fordel med strekkmålere. På bilde 4 viser a utseendet til en folietransduser designet for å måle lineære spenningstilstander, i fig. 4, c — en folietransduser limt til akselen for måling av dreiemomenter, og i fig. 4, b — limt til membranen.

Tegning 4- Folieomformere: 1- justeringsløkker; 2- bøyninger følsomme for membranstrekkkrefter; 3-rotasjoner følsomme for trykkkreftene til membranen

En alvorlig fordel med folieomformere er muligheten for å øke tverrsnittet av endene av omformeren; sveising (eller lodding) av ledninger kan gjøres i dette tilfellet mye mer pålitelig enn med ledningsomformere.

Foliedeformere, sammenlignet med wire, har et høyere forhold mellom overflaten av det følsomme elementet og tverrsnittsarealet (følsomhet) og er mer stabile ved kritiske temperaturer og vedvarende belastninger. Det store overflatearealet og det lille tverrsnittet sikrer også god temperaturkontakt mellom sensoren og prøven, noe som reduserer selvoppvarming av sensoren.

For produksjon av strekkmålere brukes de samme metallene som til telemetre (konstantan, nikrom, nikkel-jernlegering, etc.), og andre materialer brukes også, for eksempel titan-aluminiumslegering 48T-2, som måler tøyninger opp til 12 %, samt en rekke halvledermaterialer.

Filmtensorer

I de senere årene har det dukket opp en annen metode for masseproduksjon av bundne motstandstøyninger, som består i vakuumsublimering av et tøyningsfølsomt materiale og dets påfølgende kondensering på et underlag sprayet direkte på arbeidsstykket. Slike transdusere kalles filmtransdusere.Den lille tykkelsen på slike strain gauges (15-30 mikron) gir en betydelig fordel ved måling av tøyninger i dynamisk modus ved høye temperaturer, hvor tøyningsmålinger er et spesialisert forskningsområde.

En rekke filmstrekkmålere basert på vismut, titan, silisium eller germanium er laget i form av en enkelt ledende stripe (Figur 5).Slike transdusere har ikke den ulempen at de reduserer den relative følsomheten til transduseren sammenlignet med følsomheten til materialet som transduseren er laget av.

Figur 5- Film strain gauge: 1- strain gauge film; 2- lakkfolie; 3-pin ledning

Strain gauge-koeffisienten til en metallfilmbasert transduser er 2-4, og motstanden varierer fra 100 til 1000 ohm. Transdusere laget på basis av halvlederfilm har en koeffisient i størrelsesorden 50-200 og er derfor mer følsomme for den påførte spenningen. I dette tilfellet er det ikke nødvendig å bruke forsterkerkretser, siden utgangsspenningen til halvlederens tøyningsmotstandsbro er omtrent 1 V.

Dessverre varierer motstanden til en halvlederomformer med den påførte spenningen og er i hovedsak ikke-lineær over hele spenningsområdet, og er også svært temperaturavhengig. Selv om det kreves en forsterker når man arbeider med en metallfilmdeformer, er lineariteten meget høy og temperatureffekten kan lett kompenseres.