СОДЕРЖАНИЕ (1231068), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

Таким образом, зная напряжение на выходе моста, из формулы (2.20) мы можем найти относительное удлинение тензодатчика и из (2.15) - силу .

Поскольку относительное удлинение зависит также от температуры, для компенсации температурной составляющей используют два тензочувствительных элемента, расположенных на общей подложке перпендикулярно друг другу. При этом температурные удлинения обоих элементов одинаковы, а удлинения вследствие воздействия деформирующей силы будут разные. Используя эти элементы в разных плечах измерительного моста (рисунок 2.16), можно частично скомпенсировать температурную погрешность.[5]

Компенсация температурной погрешности, выполняемая изготовителем тензодатчиков, обычно не позволяет получить ошибку менее 10 микрострейн на градус. Однако, используя полиномиальную аппроксимацию температурной зависимости сопротивления для ее программной компенсации, можно снизить температурную погрешность до 1 микрострейна на градус.[5]

В полумостовой схеме (рисунок 2.16) можно использовать также два тензодатчика с нескомпенсированной температурной погрешностью, если один из них работает на растяжение, второй - на сжатие, например, если измеряется механическое напряжение изгибаемой балки. Таким образом можно повысить чувствительность схемы измерения в 2 раза и одновременно скомпенсировать температурную погрешность (рисунок 2.17).

В схеме на рисунке 2.17 относительное выходное напряжение моста равно:

, (2.21)

а с учетом начального смещения напряжения вследствие дисбаланса моста получим:

. (2.22)

Если ввести обозначение , то для измерительной цепи, показанной на рисунке 2.17, относительное растяжение тензодатчика в зависимости от относительного приращения напряжения на выходе моста будет равно:

. (2.23)

Зная и пользуясьзаконом Гукав форме (2.15), можно найти искомую силу .

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 "NationalInstruments").

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,используемыедля изготовленияи наклейкитензорезисторов

2.2.5.1Материалыдляизготовлениятензорешеток

Материалыдлятензорешетокдолжныудовлетворятьследующимтребованиям:

-иметьвысокоеудельноесопротивление,позволяющееизготавливать малобазныетензорезисторысдостаточнобольшимсопротивлением;

- обладатьвысокойистабильнойчувствительностьюкдеформации;

- изменениясопротивления,вызванныедеформацией,должныподчинятьсялинейномузаконувдостаточноширокомдиапазоне;

- бытьнечувствительнымквлияниютемпературы,т.е.температурный коэффициентсопротивлениядолженбытьблизкимкнулю;

- термоЭДСвпаресмедьюдолжнабытькакможноменьше,чтоочень важноприпитаниитензорезисторовпостояннымтоком;

- температурныекоэффициентылинейногорасширенияматериалапроволокииматериалаисследуемойдетали,накоторуюнаклеиваетсятензорезистор,должныбытьравнымиилинезначительноотличаться,впротивном случаеизменениятемпературыбудутвызыватькажущуюсядеформациюи, следовательно,создаватьпогрешностиприизмерениях;

- неиметьгистерезиса;

- обладатьтехнологичностью,позволяющейизготавливатьфольгумикронныхразмеров;

- иметьвысокоеотношениепределапропорциональностикмодулю

упругости; [5]

-сплавы,применяемыедляизготовлениявысокотемпературныхтензорезисторов,должныхорошопротивостоять окисляющемувоздействию внешнейсреды.

Рассмотрим достоинства и недостатки сплавов:

• Константан.Внастоящеевремябольшинствотензорезисторовизготавливаетсяизэтогосплававсилуследующихегодостоинств:

- постоянствокоэффициентатензочувствительностиввесьмашироком диапазонедеформаций(до8%);

- вотожженномсостоянииконстантанможетбытьиспользованпри измерениидеформацийдо20%;однаковэтомслучаеуконстантана обнаруживаетсяизменениеначальногосопротивления,свидетельствующее о систематическом изменении сопротивления при каждом цикле нагружения;

- отсутствиесущественныхизмененийприпереходеотупругого деформированиякпластическому;

- константанобладает,крометого,высокимудельнымсопротивлением (ρ=0,49мкОм/м);

- обладаетвысокойтемпературнойстабильностью;

- возможностьсозданиятемпературно-компенсированныхтензодатчиков путемсогласованиякоэффициентатемпературногорасширениядатчикас аналогичнымпараметромтехническогоматериала(вдиапазонеот0до 100•〖10〗^(-6)1/С).

Обычно тензорезисторы изготавливаются из мягкого отожженного константана.Основнымиегонедостаткамиявляются:

- низкийкоэффициенттензочувствительности(около2,1);

- большаятермоЭДСвпаресмедью(порядка47мкВ/оC).Правда, последнийнедостатоксказываетсятолькоприпитаниитензомоста постояннымтокомприналичииразноститемпературмеждувыводами.

Карма.Сплавкарматакжеширокоприменяется,причемпосравнениюс константаномонобладаеттремяпреимуществами:

- во-первых,онможетбытьтемпературно компенсированв более широкомдиапазонетемператур;

- во-вторых,никельхромоваяосновасплавакармаобеспечивает тензодатчикамболеевысокиеусталостныехарактеристики;

- в-третьих,сплавпроявляетвысокуювременнуюстабильность и поэтомупредпочтителенприизмерениистатическихдеформацийна протяжениидлительныхпериодоввремени–отнесколькихмесяцевдо несколькихлет.

Главныйнедостатоксплавакарма–трудностьпайкивыводныхпроводниковкконтактнымплощадкамдатчика.

Изоэластик.Этотсплавобладаетвысокойтензочувствительностью (S=3,6)инаиболеевысокимиусталостнымихарактеристикамисредисплавов, применяемыхдляизготовлениядатчиков.

Посколькусплависключительночувствителенктемпературе,оннеможет бытьтемпературнокомпенсирован,и,такимобразом,сфераегоприменения ограниченадинамическимиилистатическимиизмерениями,прикоторыхнестабильность,вызваннаятемпературой,неимеетсущественногозначения.

СплавынихромV,платиновольфрамиармюрД,применяютвузкоспециальныхприложениях,связанныхсвысокимитемпературами,прикоторых приобретаетсущественноезначениеустойчивостькокислению.

2.2.5.2Материалыподложек

Приработевусловияхнормальнойвлажностиитемпературыдо80oС удовлетворительнымикачествамиобладаеттонкая(толщинойнеболее 0,05мм)бумага.Вотечественныхтензорезисторахиспользуютчертежную прозрачнуюбумагу,чертежныйпергамин,папироснуюисигаретнуюбумаги.[6]

Болеевысокимикачествами(меньшейползучестью,лучшейвлагостойкостьюибольшимсопротивлениемизоляции)обладаюттензорезисторынапленочнойоснове.Дляизготовленияпленочнойосновыиспользуютсяполимеризующиесяклеиилаки(например,клеиБФ-2иВС-10Т,электроизоляционный лакВЛ-4илиВЛ-931,циакринит.д.)."Ползучесть"пленочнойосновыв2...3 разаменьше,чембумажной,поэтомудлядлительныхизмеренийстатических деформацийболеепредпочтительнытензорезисторынапленочнойоснове.

Втензорезисторах,предназначенныхдляиспользованияприповышенных температурах(до250 oС),вкачествеосновыприменяютспециальнуюжаростойкуюбумагу(сдобавлениемасбестовыхволокон)илипапироснуюбумагу, пропитаннуютермостойкимклеем.

2.2.5.3Клеидляустановкитензорезисторов

Заводы–изготовителитензорезисторовпозаказупотребителявместес партиейдатчиковпоставляютклейдляихустановкисподробнойинструкцией понанесениюклеяиегосушке.Метрологическиехарактеристикидатчиков определяютсяназаводахсиспользованиемэталонныхметрологическихустановок.[6]

Длярешенияконкретныхзадачтензометрированиявыпускаютсядатчикис различнойкомбинациейсоставляющихсистемы«типрешетки–типподложки –типклея».

Срокхраненияклеяобычнозначительноменьшесрокахранениятензорезисторов.Заменаклеянадругойтиптребуетпроведениясамыхсерьезных метрологическихисследований.Многиеклеиобщегоназначениямогутнеобладатьдостаточнойстабильностью,гарантирующейточноеизмерениедеформаций.

Рассмотримосновныехарактеристики клея для тензодатчиков:

Циакрин.Клеинаосновецианоакрилатанетребуютнинагревания,ниотвердителядляинициированияполимеризации.Отвердевание(полимеризация) цианоакрилатныхклеящихвеществначинаетсяоткаталитическоговоздействияадсорбированнойввоздухе водысотносительнойвлажностьюмежду40и 70%.Приотносительнойвлажностивоздуханиже30%реакцияощутимозамедляется,впредельныхслучаяхонаможетнепойти.Влажностьвыше80% вызываетмгновенное(ударное)затвердевание.Полимеризацияпротекаетдо концатольковтонкихпленках.Толстыеслоиклеящеговеществазатвердевают неполностьюиливообщенезатвердевают.Поэтойпричиненепригодныдля склеиваниясильношероховатыесоприкасающиесяповерхности.Схватывание ускоряется,еслиматериалыобладаютщелочнымисвойствами.Материалыс кислотнымисвойствамимогутнетолькозатягиватьпроцессотвердевания,но ипрепятствоватьему.Вэтомслучаедляускоренияполимеризациинаоднуиз поверхностейможетбытьнанесеннейтрализатор.

Дляначалаполимеризациинеобходимонезначительноедавлениенадатчик.Минутногонажатиябольшимпальцемидвухминутнойпаузыпередудалениемфторопластовойпрокладкиоказываетсядостаточнымдляпоследующейполимеризациивовремяподключениясигнальныхпроводов. Окончательноеотвердеваниенаступаетспустяприблизительно24часа.

Посколькупрочностьклеяснижаетсястечениемвремениврезультатепоглощениявлаги,необходимозащищатьдатчикотвлагиприегодлительной эксплуатации.[6]

Эпоксидныйклейсостоитизсмолыиотвердителя,которыйвступаетв реакциюсосмолой,обеспечиваяполимеризацию.Принаклейкедатчиковнашлиприменениеэпоксидныеклеисоченьнизкойвязкостью,чтопозволяет наноситьихоченьтонкимслоем.Поэтойпричинеэпоксидныеклеиэкономичнывиспользовании.Предпочтительныэпоксидно-фенольныесмолы,таккакониобразуюточеньтонкиевысокопрочные,однородныепленкисослабо выраженнымиползучестьюигистерезисом.Чтобыгарантироватьполнуюполимеризацию,эпоксидныеклеиобычнополимеризуютсяприповышенных температурахвтечениенесколькихчасов.Дляприготовленияэпоксидного клея,применяемоговконкретныхпрактическихзадачахтензометрии,выпускаютсядозированныенаборыкомпонентов.Рабочийдиапазонтемператур эпоксидныхклеевопределяетсяихсоставом. Полимид представляет собой однокомпонентный полимер, который может применяться в черезвычайно широком диапазоне температур от–269до +399°С.Полиимидотверждаетсяподдавлением275кПапритемпературе 260°С.Этотклейэффективенприизмерениидеформацийвусловияхповышенныхтемпературиобеспечиваетприкомнатнойтемпературеизмерение деформаций,превышающих2%.

Характеристики

Список файлов ВКР