Диплом снаровкин (1231063), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

Рисунок 2.17 – Включение двух датчиков для компенсации температурной погрешности

Начальная балансировка моста может быть выполнена как аппаратно (с помощью резисторов), так программно. Однако эти методы имеют принципиальные различия.

Если мост не сбалансирован с помощью резисторов, то на его выходе присутствует напряжение дисбаланса , которое складывается с полезным сигналом , т. е. . Если верхняя граница диапазона измерения напряжения (напряжение насыщения усилителя) равна , то коэффициент усиления не может быть больше, чем , т.е. максимально возможный коэффициент усиления сигнала на выходе несбалансированного моста ограничивается напряжением дисбаланса: . Например, при типовом значении и мВ коэффициент усиления сигнала не может быть больше 100. Однако практически необходимое усиление достигает 2000 (см. описание прибора USB-6009 фирмы "National Instruments").

Таким образом, несмотря на возможность компенсации смещения программным способом, этот метод ограничивает возможность увеличения чувствительности измерительной системы. Им можно пользоваться для компенсации только небольших напряжений дисбаланса моста. [5]

2.2.3 Влияние сопротивления соединительных проводов

В предыдущих измерительных цепях не были учтены сопротивления подводящих проводов. Однако при использовании низкоомных датчиков они могут достигать единиц и десятков Ом, что вносит значительную погрешность в результат измерения.

Рисунок 2.18 – Шестипроводное подключение измерительного моста

Для решения этой проблемы весь измерительный мост обычно располагают рядом с датчиком, а сигналы с выхода моста измеряют модулями с высокоомным (потенциальным) входом. Для исключения погрешности, вызванной падением напряжения на проводах, передающих к мосту напряжение питания , используют шестипроводное подключение моста. В этой цепи напряжение питания моста не задается, а измеряется. Поэтому падение напряжения на проводах питания не вносит погрешность в величину , которая используется в расчетных формулах. [5]

Если сопротивления проводов невозможно сделать достаточно малыми, их измеряют и учитывают в дальнейших расчетах с целью исключения вносимой ими погрешности. На рисунке 2.19 и рисунке 2.20 приведены соответствующие формулы, которые могут быть реализованы программно в микропроцессоре модуля ввода сигналов тензодатчиков или в компьютере.

Рисунок 2.19 – Подсоединение тензодатчика с внутренним термокомпенсирующим элементом

. (2.24)

Рисунок 2.20 – Включение тензорезистивных элементов, один из которых (верхний) расположен вдоль направления силы, второй (нижний) - перпендикулярно ему

. (2.25)

2.2.4 Составляющие погрешности измерения

При использовании тензорезисторов большинство источников погрешностей аналогичны тем, что возникают при использовании терморезисторов. Основными компонентами погрешностей являются следующие:

- случайная погрешность, вызванная технологическим разбросом сопротивлений тензорезисторов;

- систематическая погрешность, вызванная термоэлектрическим эффектом;

- тепловой и фликкер-шум измеряемого сопротивления;

- температурная погрешность, вызванная разогревом датчика протекающим током;

- погрешность, связанная с разностью температурных коэффициентов расширения тензорезистора и материала объекта, на который наклеен тензорезистор; [5]

- погрешность метода (схемы измерения) сопротивления, зависящая от длины проводов и точности измерения их сопротивления;

- внешние наводки;

- сопротивление контактов;

- "ползучесть" сопротивления длительно нагруженного тензорезистора;

- погрешность измерительного модуля ввода.

2.2.5 Материалы, используемые для изготовления и наклейки тензорезисторов

2.2.5.1 Материалы для изготовления тензорешеток

Материалы для тензорешеток должны удовлетворять следующим требованиям:

- иметь высокое удельное сопротивление, позволяющее изготавливать малобазные тензорезисторы с достаточно большим сопротивлением;

- обладать высокой и стабильной чувствительностью к деформации;

- изменения сопротивления, вызванные деформацией, должны подчиняться линейному закону в достаточно широком диапазоне;

- быть нечувствительным к влиянию температуры, т.е. температурный коэффициент сопротивления должен быть близким к нулю;

- термоЭДС в паре с медью должна быть как можно меньше, что очень важно при питании тензорезисторов постоянным током;

- температурные коэффициенты линейного расширения материала проволоки и материала исследуемой детали, на которую наклеивается тензорезистор, должны быть равными или незначительно отличаться, в противном случае изменения температуры будут вызывать кажущуюся деформацию и, следовательно, создавать погрешности при измерениях;

- не иметь гистерезиса;

- обладать технологичностью, позволяющей изготавливать фольгу микронных размеров;

- иметь высокое отношение предела пропорциональности к модулю

упругости; [5]

- сплавы, применяемые для изготовления высокотемпературных тензорезисторов, должны хорошо противостоять окисляющему воздействию внешней среды.

Рассмотрим достоинства и недостатки сплавов:

• Константан. В настоящее время большинство тензорезисторов изготавливается из этого сплава в силу следующих его достоинств:

- постоянство коэффициента тензочувствительности в весьма широком диапазоне деформаций (до 8%);

- в отожженном состоянии константан может быть использован при измерении деформаций до 20%; однако в этом случае у константана обнаруживается изменение начального сопротивления, свидетельствующее о систематическом изменении сопротивления при каждом цикле нагружения;

- отсутствие существенных изменений при переходе от упругого деформирования к пластическому;

- константан обладает, кроме того, высоким удельным сопротивлением (ρ = 0,49 мкОм/м);

- обладает высокой температурной стабильностью;

- возможность создания температурно-компенсированных тензодатчиков путем согласования коэффициента температурного расширения датчика с аналогичным параметром технического материала (в диапазоне от 0 до 100· 1/ С).

Обычно тензорезисторы изготавливаются из мягкого отожженного константана. Основными его недостатками являются:

- низкий коэффициент тензочувствительности (около 2,1);

- большая термоЭДС в паре с медью (порядка 47 мкВ/^оC). Правда, последний недостаток сказывается только при питании тензомоста постоянным током при наличии разности температур между выводами.

Карма. Сплав карма также широко применяется, причем по сравнению с константаном он обладает тремя преимуществами:

- во-первых, он может быть температурно компенсирован в более широком диапазоне температур;

- во-вторых, никельхромовая основа сплава карма обеспечивает тензодатчикам более высокие усталостные характеристики;

- в-третьих, сплав проявляет высокую временную стабильность и поэтому предпочтителен при измерении статических деформаций на протяжении длительных периодов времени – от нескольких месяцев до нескольких лет.

Главный недостаток сплава карма – трудность пайки выводных проводников к контактным площадкам датчика.

Изоэластик. Этот сплав обладает высокой тензочувствительностью (S = 3,6) и наиболее высокими усталостными характеристиками среди сплавов, применяемых для изготовления датчиков.

Поскольку сплав исключительно чувствителен к температуре, он не может быть температурно компенсирован, и, таким образом, сфера его применения ограничена динамическими или статическими измерениями, при которых нестабильность, вызванная температурой, не имеет существенного значения.

Сплавы нихром V, платиновольфрам и армюр Д, применяют в узкоспециальных приложениях, связанных с высокими температурами, при которых приобретает существенное значение устойчивость к окислению.

2.2.5.2 Материалы подложек

При работе в условиях нормальной влажности и температуры до 80^oС удовлетворительными качествами обладает тонкая (толщиной не более 0,05 мм) бумага. В отечественных тензорезисторах используют чертежную прозрачную бумагу, чертежный пергамин, папиросную и сигаретную бумаги. [6]

Более высокими качествами (меньшей ползучестью, лучшей влагостойкостью и большим сопротивлением изоляции) обладают тензорезисторы на пленочной основе. Для изготовления пленочной основы используются полимеризующиеся клеи и лаки (например, клеи БФ-2 и ВС-10Т, электроизоляционный лак ВЛ-4 или ВЛ-931, циакрин и т. д.). "Ползучесть" пленочной основы в 2...3 раза меньше, чем бумажной, поэтому для длительных измерений статических деформаций более предпочтительны тензорезисторы на пленочной основе.

В тензорезисторах, предназначенных для использования при повышенных температурах (до 250 ^oС), в качестве основы применяют специальную жаростойкую бумагу (с добавлением асбестовых волокон) или папиросную бумагу, пропитанную термостойким клеем.

2.2.5.3 Клеи для установки тензорезисторов

Заводы–изготовители тензорезисторов по заказу потребителя вместе с партией датчиков поставляют клей для их установки с подробной инструкцией по нанесению клея и его сушке. Метрологические характеристики датчиков определяются на заводах с использованием эталонных метрологических установок. [6]

Для решения конкретных задач тензометрирования выпускаются датчики с различной комбинацией составляющих системы «тип решетки – тип подложки – тип клея».

Срок хранения клея обычно значительно меньше срока хранения тензорезисторов. Замена клея на другой тип требует проведения самых серьезных метрологических исследований. Многие клеи общего назначения могут не обладать достаточной стабильностью, гарантирующей точное измерение деформаций.

Рассмотрим основные характеристики клея для тензодатчиков:

Циакрин. Клеи на основе цианоакрилата не требуют ни нагревания, ни отвердителя для инициирования полимеризации. Отвердевание (полимеризация) цианоакрилатных клеящих веществ начинается от каталитического воздействия адсорбированной в воздухе воды с относительной влажностью между 40 и 70%. При относительной влажности воздуха ниже 30% реакция ощутимо замедляется, в предельных случаях она может не пойти. Влажность выше 80% вызывает мгновенное (ударное) затвердевание. Полимеризация протекает до конца только в тонких пленках. Толстые слои клеящего вещества затвердевают не полностью или вообще не затвердевают. По этой причине непригодны для склеивания сильно шероховатые соприкасающиеся поверхности. Схватывание ускоряется, если материалы обладают щелочными свойствами. Материалы с кислотными свойствами могут не только затягивать процесс отвердевания, но и препятствовать ему. В этом случае для ускорения полимеризации на одну из поверхностей может быть нанесен нейтрализатор.

Для начала полимеризации необходимо незначительное давление на датчик. Минутного нажатия большим пальцем и двухминутной паузы перед удалением фторопластовой прокладки оказывается достаточным для последующей полимеризации во время подключения сигнальных проводов. Окончательное отвердевание наступает спустя приблизительно 24 часа.

Поскольку прочность клея снижается с течением времени в результате поглощения влаги, необходимо защищать датчик от влаги при его длительной эксплуатации. [6]

Эпоксидный клей состоит из смолы и отвердителя, который вступает в реакцию со смолой, обеспечивая полимеризацию. При наклейке датчиков нашли применение эпоксидные клеи с очень низкой вязкостью, что позволяет наносить их очень тонким слоем. По этой причине эпоксидные клеи экономичны в использовании. Предпочтительны эпоксидно-фенольные смолы, таккак они образуют очень тонкие высокопрочные, однородные пленки со слабо выраженными ползучестью и гистерезисом. Чтобы гарантировать полную полимеризацию, эпоксидные клеи обычно полимеризуются при повышенных температурах в течение нескольких часов. Для приготовления эпоксидного клея, применяемого в конкретных практических задачах тензометрии, выпускаются дозированные наборы компонентов. Рабочий диапазон температур эпоксидных клеев определяется их составом. Полимид представляет собой однокомпонентный полимер, который может применяться в черезвычайно широком диапазоне температур от –269 до +399°С. Полиимид отверждается под давлением 275 кПа при температуре 260°С. Этот клей эффективен при измерении деформаций в условиях повышенных температур и обеспечивает при комнатной температуре измерение деформаций, превышающих 2%.

Таблица 2 – Клеи для установки тензорезисторов

Характеристики

Список файлов ВКР