ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

«ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ С ТЕНЗОРЕЗИСТОРАМИ»

1. ВВЕДЕНИЕ.

Техническому прогрессу в общем и специальном машино­строении способствовало широкое использование современных методов и средств тензометрии, которые позволили на высоком уровне решать задачи, связанные с созданием новых машин. Сложность конструктивных форм узлов и деталей современных машин, многообразие действующих на них нагрузок в подавляю­щем большинстве случаев не позволяет определять напряженное состояние расчетным путем или моделированием.

Для экспериментального определения напряженно деформи­рованного состояния узлов машин применяются методы и сред­ства, использующие различные измерительные преобразователи, среди которых важное место занимают тензопреобразователи.

Тензопреобразователи относятся к разряду преобразовате­лей, в которых наблюдается изменение сопротивления при изме­нении механической деформаций или температуры. Одной из главных трудностей в их применении является перекрестное влияние этих двух эффектов, т.е. тензопреобразователи оказы­ваются чувствительными не только к механической деформации, но и к температуре.

Для того, чтобы обеспечить высокую точность измерений, необходимо скомпенсировать влияние температуры на выходной сигнал.

2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕН3ОРЕЗИСТОРОВ.

Начнем рассмотрение тензопреобразователей с проволочных тензорезисторов.

Он состоит из тонкой проволоки (константан) диаметром 20 ÷ 30 мкм, уложенной в форме решетки, что необходимо для получения более высокого сопротивления.

Решетка наклеивается на исследуемую деталь с изолирую­щим слоем между ними. Слой клея передает поверхностную дефор­мацию детали проволоке, тем самым вызывая изменение сопротив­ления проволоки, которое пропорционально деформации.

Решетка проволочного тензорезистора имеет определен­ную ширину B, что приводит к поперечной чувствительности, т.е. к изменению сопротивления тензорезистора на закруглениях решетки под действием поверхностных деформаций, направление которых перпендикулярно к главным рабочим деформациям. Боль­шое отношение длины к ширине (l/B) и тесное расположение проводников обеспечивает малое значение поперечной чувстви­тельности.

3. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ЛИНЕЙНОСТЬ.

Сопротивление проволоки тензорезистора в исходном состоянии равно.

,

где: ρ – удельное сопротивление;

l – длина проволоки;

S – площадь поперечного сечения проволоки;

Если по всей длине проволоки к ней приложено равномерное напряжение σ; то изменение сопротивления составит:

.

Разделив оба части уравнения на исходное сопротивле­ние R, получим:

,

что свидетельствует о том, что при конечном изменении напряжения σ изменение сопротивления вызывается изменением длины , изменением площади сечения (или диаметра проволоки ), изменением удельного сопротивления .

При коэффициенте Пуассона μ изменение площади сече­ния составит:

,

а изменение сопротивления,

.

Тензочувствйтельностъ (или чувствительность к деформации):

.

Так как для большинства металлов μ = 0,3, то К = 1,6 + .

4. КОНСТРУКЦИИ И НАКЛЕЙКА

Рассматривая конструкции проволочных тензорезисторов, (Рисунок.2) выделим следующие моменты:

а) материал проволоки;

б) форма преобразователей;

в) подложка;

г) клей;

д) токоподводы;

е) защита преобразователей.

Материал должен обладать высокой прочностью на растя­жение.

Распространение формы показаны на Рисунке 2. Плоская кон­струкция (Рисунке 2,а) находит преимущественное применение, т.к. решетка 2 ближе к поверхности деформируемой детали.

Намотанный на сплюснутую трубку 7 тензорезистор (Рисунок 2,б) проще в производстве при l < 10мм.

Тканый тип (Рисунок 2,в) применяется при измерении дефор­маций в тканях (в пряже 10).

Преобразователь из травленной фольги (Рисунок 2,г) имеет по сравнению с проволочными тензорезисторами: меньшую попе­речную чувствительность, более высокую допустимую плотность тока, более сложный профиль рисунка, массовость производст­ва.

Подложка 6 не должна нарушать прочной связи между иссле­дуемой деталью и решеткой. Ее выбор зависит, в основном, от клея 4, который в свою очередь должен подходит к материалу детали и материалу преобразователя.

Токопроводящие провода 3 могут быть причиной нестабиль­ности преобразователя. Точка соединения между решеткой из тонкой проволоки и более толстыми проводами является наибо­лее вероятным местом усталостного излома.

Главной проблемой защиты проволочных преобразователей при нормальной температуре является влажность. Защитным сло­ем служит клей.

5. МАРКИРОВКА ТЕНЗОПРЕ0БРА30ВАТЕДЕЙ.

Маркировка тензопреобразователей осуществляется многоэлементным шифром. Расшифровка каждого из элементов будет по­нятна из следующих примеров:

I – цифра "2" - означает, что основа бумажная, пропитанная клеем БФ2;

II – буква – характеризует тип тензопреобразователя (п – проволочный, ф – фольговый);

III – буква – характеризует материал проволоки (к – константан);

IV – буква – характеризует форму тензопреобразователя (П – прямоугольная, Р- розеточная, М – мембранная).

Буквы А,Д,В,Г характеризуют подтип фольговых тензопреобразовате­лей.

Для проволочных тензопреобразователей буквы: Б – бумажная основа, П – пленочная основа);

V – число – характеризует длину базы в мм;

VI – число – характеризует номинальное сопротивление решет­ки в Ом;

VII –буквы – характеризуют температуру наклейки тензопреобра­зователя (X - температура = 30°С; Г - температура = 180°С)

6. ИЗМЕРТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ С ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ.

Проволочные тензопреобразователи почти всегда использу­ются в мостовых цепях. Общая схема тензометрического моста показана на Рисунке 2а, где А, В, С, Д – плечи моста с сопротив­лениями R₁, R₂, R₃ и R₄. На вход подается напряжение пита­ния моcта Е, а к выходу подключается отсчетно - регистрирую­щее устройство (нагрузка). В тензомост может быть включен один, два или четыре тензопреобразователя.

Возможные схемы расположения тензопреобразователей на испытуемой детали, показаны на Рисунке 3

На Рисунке 3,б – единственный активный преобразователь. Это простое устройство пригодно только для динамических измерений вследствие значительного влияния температуры окружающей среды на равновесие моста, согласно которому выходной ток обращается в нуль только при R₁ * R₄ = R₂ * R₃.

Однако сопротивление R₁ тензопреобразователя A подвержено влиянию температуры, которая вызовет разбаланс моста. Если сопротивление плеч равны, т.е.

R₂ = R₃ = R₄ = R₁ = R, внутреннее сопротивление источника питания пренебрежимо мало, а сопротивление: нагрузки велико, то выходной сигнал:

,

где κ - тензочувствительность;

ε₁ - относительное изменение сопротивления R₁.

На Рисунке 3,в – один активный преобразователь А и компенсирующий (холостой) преобразователь B. Холостой преобразователь монтируется так, чтобы на него не влияли главнее деформации. Когда передача деформации совершенно недо­пустима, холостые преобразователи монтируются на неплотно прикрепленных планках, но необходимо чтобы температуры активного и холостого преобразователей были одинаковыми. В это случае изменение температуры приведет к одинаковому изменению сопротивлений, R₁ и R₂ и равенство: R₁ * R₄ = R₂ * R₃ не нарушится до тех пор, пока не будут действовать главные деформации. Выходной сигнал равен:

На Рисунке 3,г – два активных тензопреобразователя с со­противлениями R_1*R₄ и два холостых, обеспечивающих тем­пературную стабилизацию. Выходной сигнал равен:

,

где ε₁ = ε₄; ε₄ – относительное изменение сопротивле­ния R₄.

На Рисунке3,д – два активных тензопреобразователя с со­противлениями R₁*R₂, образующих дифференциальную пару. Температурная компенсация имеется, т.к. активные тензопреобразователи находятся в смежных плечах моста. Выходной сигнал равен:

.

На Рисунке3.е – два активных тензопреобразователя толь­ко для продольных напряжений. Температурная компенсация от­сутствует. Выходной сигнал равен:

.