Тензометрические датчики

Глава 5

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

§ 5.1. Назначение. Типы тензодатчиков

Тензометрические датчики служат для измерения дефор­маций и механических напряжений в деталях машин и механиз­мов. Они могут также использоваться для измерения других меха­нических величин (давления, вибрации, ускорения и др.), которые предварительно преобразуются в деформацию.

Работа тензодатчиков основана на изменении активного сопротивления материала при его механической деформации. В качестве материала тензодатчиков используются проводники  (в виде про­волоки, фольги или пленки) и полупроводники.

В данной главе рассматриваются проволочные, фольговые, пле­ночные и полупроводниковые тензодатчики, относящиеся к пара­метрическим датчикам. В них выходной сигнал формируется за счет изменения активного сопротивления. Поэтому их называют еще тензорезисторами. Для измерения деформаций используются и тензометрические датчики, основанные на других принципах: магнитоупругие датчики (рассмотрены в § 6.5) и струнные датчики (рассмотрены в гл. 11).

§ 5.2. Принцип действия проволочных тензодатчиков

Принцип работы проволочного тензодатчика основан на изменении активного сопротивления проволоки при ее деформации. Изменение активного сопротивления проволоки происходит по двум причинам: во-первых, изменяются геометрические размеры про­волоки (длина l, сечение s); во-вторых, при деформации изменяет­ся удельное сопротивление р материала проволоки. А эти величины и определяют активное сопротивление проволоки:

                              (5.1)

Рекомендуемые материалы

Рассмотрим (рис. 5.1) провод длиной, радиусом , сечением  и объемом, который при деформации (растяжении)

под влиянием силыполучает удлинениеи уменьшение радиуса  . Следовательно, новый объем проволоки

                                       (5.2)

Пренебрегая бесконечно малыми высших порядков  [вида ,  , получим :

откуда приращение объема

                                                              (5.3)

Рис. 5.1. Деформация про­вода

Преобразуем уравнение (5.3), помножив и поделив вычитаемое аи  заменив  на:

где - коэффициент Пуассона, характеризующий   изменение   размеров проволоки при растяжении; для металлов Если бы материал не изменял объем при растяжении, то  и  . Таким образом, реальные металлы изменяют свой объем, а сле­довательно, они претерпевают и внутриструктурные изменения: очевидно, меняется плотность материала и его удельное сопротив­ление. Для определения изменения сопротивления проволоки при рас­тяжении продифференцируем уравнение (5.1), полагая, что все вхо­дящие в него члены зависят от усилия.

Напомним формулу для дифференцирования произведения фун­кций

Используя эти правила дифференцирования, записываем :

Продифференцируем также выражение для объема проволоки

                                                                                         (5.6)

 Сравнивая (5.6) и (5.4), получаем

                                                                          (5.7)

Подставляя (5.7) в (5.5), имеем

                                                 (5.8)

Выражение для относительного изменения сопротивления получим, поделив (5.8) на (5.1):

                    (5.9)

Чувствительность проволочного тензодатчика определяем как отношение величины относительного изменения сопротивления по (5.9) к относительному изменению линейного размера:

                                             (5.10)

Обозначим третье слагаемое в (5.10) через коэффициент, учиты­вающий изменение удельного сопротивления, связанное с измене­нием размеров:

Тогда чувствительность

                                                 (5.11)

Слагаемое для металлов может иметь максимальное значение 1,8 (при). Но чувствительность для некоторых сплавов превышает 2. Это как раз и означает, что , т. е. при деформации изменяется удельное сопротивление.

В табл. 5.1 приведены характеристики некоторых сплавов, ис­пользуемых для проволочных тензодатчиков. Следует иметь в виду, что деформация не является единственной причиной изменения со­противления тензодатчика. Сопротивление меняется и в зависимо­сти от температуры. Это явление используется в термосопротивле­ниях (см. гл. 9). Очевидно, для уменьшения температурной по­грешности тензодатчика его материал должен иметь высокую чув­ствительностьпри малом температурном коэффициенте расши­рения и малом значении термоЭДС при контакте с медными соеди­нительными проводами. В табл. 5.1 приведены пределы изменения характеристик   материалов  проволочных тензодатчиков, посколь­ку эти характеристики зависят не только от состава сплава, но и от технологии изготовления.

Тензочувствительность полу­проводников во много раз больше тензочувствительности металлов.

§ 5.3. Устройство и установка проволочных тензодатчиков

Устройство наиболее распространенного проволочного тензодатчика показано на рис. 5.2. На полосу тонкой прочной бу­маги наклеена уложенная зиг­загообразно   тонкая   проволока.

Рис.  5.2.  Проволочный  на­клеиваемый тензодатчик

К концам проволоки с помощью пайки или сварки присоединены выводы из медной фольги, с по­мощью которых датчик подклю­чен в измерительную цепь. Свер­ху проволока также защищена от внешних воздействий тонкой бу­магой. Тензодатчик приклеивают испытуемой детали, благодаря чему деформацию детали воспри­нимает проволочная решетка. Длина детали, занимаемая прово­локой, называется измерительной базой датчика.

Для того чтобы получить наибольшее изменение сопротивле­ния датчика, его надо расположить в направлении действия де­формирующего усилия (сжатия или растяжения), т. е. направле­ние измерительной базы должно совпадать с осью, по которой на­правлено усилие. Если же направления базы и усилия взаимно перпендикулярны, то деформация и изменение сопротивления очень малы. Если расположить несколько датчиков под углом друг к. другу, то можно определить не только величину деформации, но и направление приложенных к детали усилий.

Приклейка датчика к детали — очень важная технологическая операция. Качество ее выполнения сильно влияет на точность и надежность работы тензодатчика. Перед приклейкой производят тщательную очистку и обезжиривание поверхности детали. Наи­более часто для приклейки используются бакелито-фенольные клеи:  для температуры до 100°С и кислой среды;для температуры до 60°С и щелочной среды. Сушка проводится при повы­шенных температурах в течение часа. Для защиты от влаги ис­пользуют парафиновые и другие покрытия. Разработаны специаль­ные клеи (на кремнийорганической основе) и покрытия для исполь­зования тензодатчиков при температурах до 1000°С.

При выборе измерительной схемы для тензодатчиков необхо­димо учитывать два обстоятельства. Во-первых, проволочные тензодатчики имеют малое относительное   изменение  сопротивления (). Для увеличения чувствительности применяют мостовые схемы с двумя или четырьмя одинаковыми датчиками, накле­иваемыми на испытуемую деталь таким образом, что датчик, вклю­ченный в одно плечо моста, работает на сжатие, а датчик, вклю­ченный в смежное плечо моста, работает на растяжение. Во-вто­рых, необходимо принимать меры для компенсации температурной погрешности. Мостовая схема включения тензодатчиков с компен­сацией температурной погрешности показана на рис. 5.3, а.

Рабочий датчик с сопротивлениемнаклеивается в направле­нии действия усилия, а другой — компенсационный — датчик с со­противлениемнаклеивается в перпендикулярном направлении. Датчикиинаходятся в одинаковых тепловых условиях. При деформации детали изменяется сопротивление только датчика А при изменении температуры в одинаковой степени изменяются со­противленияи. Поэтому при деформации нарушается баланс моста () и появляется выходной сигнал, пропорциональный усилию или деформации. При изменении температуры баланс моста не нарушается.

На рис. 5.3, б показана мостовая схема включения тензодатчи­ков повышенной чувствительности, а на рис. 5.3, в показаны места крепления тензодатчиков. В противоположные плечи мостаи включены датчики, работающие на растяжение (приклеенные к верхней поверхности изгибающейся под действием силы пласти­ны). А в плечи мостаивключены датчики, работающие на сжатие (приклеенные к нижней поверхности пластины). Условие баланса моста () при деформации пластины нарушается

Рис. 5.3. Схемы включения и места крепления тензодатчиков

весьма сильно:иувеличиваются,иуменьшаются. По­этому выходной сигнал мостовой схемы значительно больше, чем при одном изменяющемся плече моста. Чувствительность при этом повышается примерно в четыре раза. Одновременно такая схе­ма обеспечивает и температурную компенсацию.

По конструктивным параметрам тензодатчики подразделяются на датчики с малой базой (L = 0,4…4 мм); со средней базой (L ==4-^25 мм); с большой базой  (). Активное сопротивление датчиков с малой базой 5—100 Ом, со средней базой 100— 400 Ом, с большой базой до 1000 Ом. Ширина датчиков от 3 до 60 мм. Длина выводов датчиков составляет 20—80 мм. Относи­тельная чувствительность проволочных тензодатчиков зависит от материала проволоки: для константана; для элинвара(см. табл. 5.1).

§ 5.4. Фольговые, пленочные, угольные и полупроводниковые тензодатчики

Фольговые тензодатчики изготовляют методом фотохи­мического травления. Решетка такого датчика выполняется из раз­ных сплавов (медь с никелем, серебро с золотом и др.), которые обеспечивают достаточную чувствительность и в то же время имеют надежное сцепление (адгезию) с изоляционной основой, на которой выполняется датчик. Пленочные тензодатчики изготовляют путем напыления слоя германия, теллура, висмута или сульфида свинца на эластичное изоляционное основание из слюды или кварца.

В отличие от проволочных фольговые и пленочные тензодатчики имеют решетку не круглого, а прямоугольного сечения с очень большим отношением ширины к высоте. По сравнению с проволоч­ными они имеют ряд преимуществ. Благодаря большой площади соприкосновения токопроводящих полосок датчика с деталью обес­печиваются хорошие условия теплоотдачи. Это позволяет в несколь-

a)          б)                         в)

Рис. 5.4. Фольговые тензодатчики

ко раз повысить плотность тока фольговых датчиков и в десятки раз — плотность тока пленочных датчиков (до 10³ А/мм²). Благо­даря большому отношению периметра сечения плоской полосы к площади ее сечения улучшается восприимчивость к деформации и точность ее измерения. Чувствительность пленочных датчиков дости­гает 50. Благодаря увеличенному сечению концов фольговой и пле­ночной решетки увеличивается надежность пайки (или приваривания) выводов датчика.

Фольговые датчики имеют толщину проводящего покрытия 3— 15 мкм. Сопротивление фольговых датчиков находится в пределах от 30 до 300 Ом. Фотохимический способ позволяет выполнить лю­бой рисунок решетки, что также является достоинством фольговых датчиков. На рис. 5.4 показаны различные типы фольговых тензодатчиков: а — предназначен для измерения линейных перемещений; б — розетка из двух датчиков, позволяющая измерять деформации в двух взаимно перпендикулярных направлениях; в — датчик, пред­назначенный для наклеивания на мембрану и измерения давления.

Для измерения механических усилий и напряжений используют­ся и угольные датчики. Их работа основана на зависимости актив­ного сопротивления угольных (или графитовых) контактов от силы контактного сжатия. Устройство угольного датчика показано на рис. 5.5, а. Угольные диски 3 зажимаются между прижимным вин­том 6 и упором 5, воспринимающим измеряемое усилие F. Давле­ние на угольные диски 3 передается через металлические диски /, изоляционные прокладки 4 и медные прокладки 2, имеющие выводы для включения датчика в измерительную схему.

Активное сопротивлениеугольного столбика складывается из внутреннего сопротивления шайбы и переходного контактно­го сопротивления между шайбами:

                                                                              (5.12)

Внутреннее сопротивление диска определяется электрическими свойствами материала дисков и не зависит от усилия F. Удельное сопротивление электродных углей составляет, например, 30— 150 Ом-мм²/м- Переходное контактное сопротивление зависит от усилия F следующим образом:

                                                             (5.13)

Рис. 5.5. Угольный датчик для изме-     Рис.  5.6. Тензолитовый  уголь-
рения усилия                                                                       ный датчик

где k — коэффициент, зависящий от свойств материала шайб. Под­ставляя (5.12) в (5.13), получим

                                                                   (5.14)

Зависимость сопротивления угольного датчика от усилия пока­зана на рис. 5.5, б. Характеристика имеет небольшую петлю гисте­резиса при прямом и обратном ходе из-за некоторого заливания угольных дисков. При небольших усилиях  () из-за   слабого контакта между дисками статическая характеристика угольного датчика имеет зону неопределенности. Для устранения этой зоны неопределенности и служит прижимный винт в, обеспечивающий начальное усилие сжатия F₀.

Для измерения упругих деформаций используются угольные датчики тензолитового типа. Изготовляются они из угольного (графитового) порошка или сажи, смешанной с изолирующим ла­ком (бакелит или шеллак). Такая масса называется тензолитом.

Выполняются угольные тензометрические датчики (рис. 5.6) в виде стержней / диаметром около 1 мм с медными выводами. На контролируемую деталь наклеивают полоску изоляционной бумаги 2,  а к бумаге приклеивают стержень. При деформации детали стержень также деформируется. Происходит изменение плотности контакта, между частицами угля, и, следовательно, сопротив­ление датчика изменяется: при сжатии — уменьшается, при растя­жении— увеличивается. Относительная чувствительность тензоли-тового датчика определяется, как и для проволочных тензодатчиков, по формуле•.   Она не является постоянной величиной из-за нелинейной зависимости (см. рис. 5.5, б) и может достигать больших величин (до 20).

В полупроводниковых тензодатчиках используются кристалличе­ские полупроводниковые материалы. Принцип действия их такой же, как и у проволочных тензодатчиков: изменение активного сопротивления из-за механической деформации самого проводника и изменения удельного сопротивления. Но если в металлических про­водниках главным является изменение размеров [коэффициент m. в уравнении (5.11)], то в металлических полупроводниках главным является изменение удельного сопротивления [коэффициент т в -уравнении (5.11)].

Наиболее заметен тензоэффект в таких полупроводниках, как германий Ge, кремний Si, соединения индия In, галлия Ga. Для них можно на практике считать, чтоЧувствительность полупроводникового тензодатчика зависит от ориентировки действия сил (кристаллографического направления). Влияют на чувствитель­ность также наличие примесей и температура.

Наибольшее распространение получили германиевые и крем­ниевые тензодатчики, причем последние способны работать при высоких температурах (до 540°С) и больших механических на­грузках.

§ 5.5. Методика расчета мостовой схемы с тензодатчиками

Расчет мостовой схемы с тензодатчиками выполняется на основе следующих исходных данных: максимальное усилие F; чувствительность ; сопротивление датчика ; сопротивление измерительного прибора, или входное сопротивление усилителя, • ; допустимый ток элементов схемы; размеры испытуемой де­тали и модуль упругости Е ее материала.

Эскиз крепления тензодатчика на консольной  балке  шириной  и толщиной h показан на рис. 5.7. Расчет выполняется в такой последовательности: 1. Прогиб балки под действием силы F, приложенной на рас­стоянии L от места закрепления,

                                                                          (5.15)

где —момент инерции;

2.           Относительное удлинение балки

 (5.16)

3.           Относительное изменение сопротивления датчика

 (5.17)

4.           Общая чувствительность измерения

 (5.18)

где —используемая шкала прибора. Желательно использовать
всю шкалу прибора, что позволит полностью реализовать точность
измерительного прибора.                                

5. Необходимая   чувствительность   моc-

товой схемы: для схемы с двумя датчиками

для схемы с четырьмя датчиками

                        

где— чувствительность измерительного

прибора.

6.           Затем по методике, изложенной в гл. 2, на основании (2.16)
находим функцию коэффициентов т, п, q, которые выражают соот­ношение сопротивлений плеч моста и измерительного прибора:

Вместе с этой лекцией читают "1 - Предмет и история развития биогеографии".

                                              (5.20)

7.           Определяем коэффициенты q и т:(для двух датчиков).

8.           Необходимое значение коэффициента п находим по номограм­ме, построенной для полученных значений q n m аналогично рис. 2.4.
Полученное значение чувствительности сопоставляется с формулой
(5.20), и решается вопрос об использовании всей шкалы прибора.

Значение коэффициента п не должно превышать определенного предела, при котором ток не превышает допустимого значения при напряжении питания мостовой схемы U.

9.           При измерении динамических деформаций частота питания
должна быть в 5—10 раз выше частоты измеряемой деформации.
При измерении деформаций частотой более 1 кГц мост обычно пи­
тают постоянным током.

10.          Если невозможно обеспечить требуемую точность измерения,
то применяют методы тарировки (градуировки) измерительного
прибора по образцовому прибору.