СОДЕРЖАНИЕ (1231068), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Таблица 2 – Клеи для установки тензорезисторов
Керамическиесвязующие,используемыедлямонтажатензодатчиков, обычносостоятизсмесифосфатаалюминияикремния.Применениесвязующего,какправило,осуществляетсявдваэтапа.Напервомэтапенаноситсяна детальивысушиваетсятонкаяпленка,являющаясяизолятором.Надатчиксо съемнойнесущейподложкойзатемнаноситсявтороепокрытие.Керамикаотверждаетсябезповышениядавленияпритемпературеоколо315°С.Рабочий диапазонтемпературкерамическихсвязующихпростираетсяот–269до +650°С.
2.2.5.4Герметики
Еслииспытанияобъектовпроводятсяприповышеннойвлажностиивтечениедлительноговремени,тотензорезисторы,какправило,следуетзащищатьотвоздействиявлаги.Влагапроникаетвматериалыподложкииклеяи онинабухают.Ухудшаютсяихмеханическиехарактеристики:снижаетсяпрочность,уменьшаетсямодульупругости,из-заразмягчениясвязующихувеличиваетсяползучестьдатчиков.Крометого,изменяютсяпараметрыэлектрическойизоляциитензорезисторовотобъектаиспытаний. В
зависимостиоттемпературыивременидействиявлажнойсредыдля герметизациитензорезисторовиспользуютразличныевлагозащитныепокрытия.Вусловияхповышеннойвлажностипринормальнойтемпературезащиту тензорезисторовможнообеспечитьнанесениемнесколькихслоев(от2до15) влагостойкихклеев БФ-2,БФ-4,№88,ВК-32идр. [6]
Приоченьвысокойвлажностиприменяютпокрытиянаосновебитума,канифоли,воска,эпоксидныхсмол.Покрытиенедолжновызыватькоррозию объекта.ХорошуюизоляциюотвлагиобеспечиваетвыпускаемыйпромышленностьюкремнийорганическийкомпаундВиксинтК-68.
2.3 Усилитель сигнала тензодатчиков
Для снятия и усиления сигнала, получаемого с тензодатчика, была разработана схема, основными компонентами которой являются, параметрический стабилизатор напряжения типа 7805, инвертор типа МС34063, инструментальный усилитель типа AD623. Внешний вид данной схемы представлен на рисунке 2.21, а электрическая схема на рисунке 2.22.
Рисунок 2.21 – Внешний вид схемы усилителя сигналов тензодатчика
Рисунок 2.22 – Электрическая схема усилителя сигналов тензодатчика
3 ИЗМЕРЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ
Подтакимидеформациямибудемподразумеватьдеформации,возникающиеприрастяжении-сжатии иизгибеметаллической пластины.Такого видадеформациисоздаютсявупругихтелахтензометрическихдатчиковсилы, перемещения,моментов,ускорения,давленияидр.
3.1Основные характеристики тензорезисторов
База «l» –длиначувствительногоэлементарешеткитензорезисторавмм. Выпускаютсядатчикисбазойот0,2до150мм.
Номинальное сопротивление «R» – значениеактивногосопротивлениячувствительногоэлемента(решетки)тензорезисторавОм.Сопротивлениетензорезисторовпромышленногопроизводствасоставляет10...1000Ом.
Рабочий ток питания «Ip» – допустимыйтоквмА,прикоторомне происходитзаметногонагреватензорезистора,могущего повлиятьнасвойства тензочувствительногоэлемента(решетки),основыиклеевогосоединения.Чембольшеток,проходящийчерезрешеткутензорезистора,темвыше уровеньэлектрическихсигналов,вкоторыепреобразуетсяизмеряемаядеформация.Поэтомусточкизренияувеличениячувствительностиизмерительной схемыжелательнопропускатьчерезтензорезисторкакможнобольшийток.
Предел измеряемой деформации «ε_max» – наибольшеезначение относительнойдеформациивмкм/м(иливпроцентах),вотношениикоторой завод-изготовительгарантируетнадежнуюработутензорезисторовистрогую линейностьиххарактеристикипреобразования.Правильнонаклеенныйтензорезисторобладаетпрактическилинейнойхарактеристикойиобеспечивает достаточновысокуюточностьизмерений,еслидеформациянепревышает уровня±0,3%.
Рисунок 3.1 – Характеристика циклического деформирования тензорезистора (масштаб условный)
Темнеменееимеютместонебольшиеотклоненияотлинейностиприциклическомдеформировании,причемкриваяразгрузкирасполагаетсянижекривойнагружения,образуяпетлюгистерезиса(рисунок 3.1). [5]
Коэффициент тензочувствительности,иличувствительностьтензорезистора,определяетсякакотношениеотносительногоприращениясопротивлениянаклеенноготензорезисторакотносительнойдеформации образца,измереннойвнаправленииоситензорезистора:
Этотважнейшийпараметрдатчикаотражаетповедениесистемы«решетка –основа–клей»инесколькоотличаетсяотаналогичногопараметрадляматериаларешетки,которыйбылвведенранееиобозначалсябуквойS.
Нелинейность–поднелинейностьюпонимаетсямаксимальноеотклонениереальнойпередаточнойфункцииотаппроксимирующейпрямойлинии(рисунок 3.1).
Смещение нуля–отрицательныйвыходнойсигналдатчикапосле снятиянагрузки.
Гистерезиспредставляетсобойразностьзначенийвыходногосигнала тензорезистораприоднихитехжеуровняхвходногосигнала,полученныхпри нагружениииразгрузкеобъекта.
Наибольшийгистерезиснаблюдаетсявпервомцикленагружения.Впоследующихциклахпетлягистерезисасужается,стабилизируется.Еслипозволяетситуация,тонапрактикепроизводятпредварительную«тренировку»датчика,нагружаяегочетырьмя-пятьюцикламидеформацииуровнем125%от максимальнодопустимой.Такимобразом,удаетсяснизитьнелинейностьдатчикавнесколькораз.
Рабочий диапазон температур–диапазонтемператур,прикоторомгарантируетсяработоспособностьдатчика.
Температурная характеристика теплового расширения«α»,илитермочувствительностьнаклеенноготензорезистора–коэффициент,равныйотносительномуизменениюсопротивлениянаклеенноготензорезистораприизменениитемпературына1°С.
Наработка до усталостного разрушения–числоциклов нагружениянаклеенноготензорезисторазнакопеременнойдеформациейопределенногоуровня,прикоторомнаблюдаетсяразвитиеусталостныхразрушенийдатчик.
3.2Измерениедеформацийрастяжения-сжатия
Рассмотримнескольковариантовизмерениядеформациирастяжения сжатия.Вдальнейшемнасхемахивтекстедлякраткостибудемпоказывать толькорастяжение. [6]
Рисунок 3.2 – Растяжение образца. Схема «четверть моста». Датчик ориентирован вдоль оси образца
Вариант1.ИспользуетсяодинтензорезисторR1,наклеенныйвпродольномнаправлениирастягиваемогообразца(рисунок 3.2).
Схемаэкономичная.Требуетодногодатчикаиминимальногоколичества соединительныхпроводов.
Недостатки.Тензомостчувствителенкнагревуконструкцииисоединительныхпроводов.Впроцессеизмеренийколебаниятемпературынедопустимы.
Вариант2.«Полумост».ОдинтензорезисторR1установленвпродольном направленииобразца,другойR4–впоперечном.Датчикивключенывсмежные плечи моста (рисунок 3.3).
Анализтаблицыпозволяетсделатьвывод:измерительнаясхеманечувствительнакнагревуконструкцииисоединительныхпроводов.Чувствительность мостакмеханическойдеформации εвышев(1+μ)разпосравнениюспредыдущимслучаем.Здесь μ=0,3–коэффициентПуассона.
Рисунок 3.3 – Растяжение образца. Вариант 2. «Полумост». Один датчик наклеен вдоль оси, а другой – поперек образца.
Вариант3.«Полныймост»(рисунок 3.4).Двадатчиканаклеенынапротивоположныеповерхностиобразцавпродольномнаправлении.Соблюдаетсясимметриярасположениядатчиковотносительно оси поперечногосеченияобразца.
Рисунок 3.4 – Растяжение образца. Вариант 3. «Полный мост». Два датчика включены в противоположные схемы моста
Схеманаходитприменение,когдавэкспериментетруднообеспечитьсоосностьвнешнихнагрузокР,особенноприсжатии.Вэтомслучаедеформациирастяжения-сжатиясопровождаютсянежелательнымидеформациямиизгиба.Посравнениюспервымвариантомрассматриваемаясхемаобладаетдвумя преимуществами:
- вдваразаболеевысокойчувствительностьюкпродольнымдеформациям; [6]
- схеманечувствительнакизгибнымдеформациямобразца.
Ктакимвыводамможноприйти,еслиучесть,чтодеформациирастяжения-сжатияподтензорезисторамиравныповеличинеизнаку,адеформации изгиба–равныповеличине,нопознаку–противоположны.СтолбецдеформацийДвтаблицеанализазаменяемдвумястолбцамиДриДи,отражающими соответственноотносительныйуровеньизнакдеформацийрастяженияиизгибаподтензорезисторами.ПеремножаякомпонентыстолбцовМиДрсподсуммированиемпроизведенийполучаем2,чтосвидетельствуетобудвоенной чувствительноститензометрическойсхемыкдеформациямрастяжения.АналогичнаяпроцедурасостолбцамиМиДидаетноль.Схеманечувствительнак деформациямизгиба.
Вариант4.«Полныймост»(рисунок3.5).Используютсячетыредатчика. Дваизнихизмеряютпродольнуюдеформациюобразца,адвадругих–поперечную.Этонаилучшийвариантизмерениядеформацийрастяжения-сжатия.Как видноизтаблицы,чувствительностьсхемыдостигаетвеличины2,6приотсутствиичувствительностиктемпературнымизменениямвконструкцииисоединительныхпроводах.
Рисунок 3.5 – Растяжение образца. Вариант 4. «Полный мост». Вдоль оси образца наклеено по два датчика.
В разработанном стенде применился вариант 3 «Полный мост» из двух датчиков.
3.2.1Измерениедеформацийизгиба
Вариант1.Схема«Четвертьмоста» (рисунок 3.6).
Рисунок 3.6 – Изгиб. Схема «Четверть моста»
Наиболееэкономичнаясхемапоколичествуиспользуемыхдатчиковиколичествусоединительныхпроводов,однакочувствительнактемпературным изменениямвконструкцииисоединительныхпроводах.
Вариант2.Схема«полумост» (рисунок 3.7). Самаяраспространеннаясхемаизмеренияизгибныхдеформацийвсилу следующихдостоинств:
- схемаимеетудвоеннуючувствительностькдеформациям;
- схеманечувствительнактемпературнымизменениямвисследуемой конструкцииисоединительныхпроводах;
- схемаотличаетсявысокойлинейностьюизмерительногомоста,посколькусуммавоздействующихнатензорезисторыдеформацийравнанулю.
Рисунок 3.7 – Изгиб. Вариант 2. «Схема полумост»
Практическивсесводитсяктому,чтоподобныесхемыдопускают измерениебольшихдеформацийдо50%,аобычныесхемы–до2%беззаметныхнелинейныхискажений. [6]
Вариант3.Схема«полныймост» (рисунок 3.8).
Вэтомслучаекдостоинствампредыдущейсхемыдобавляетсяещѐболее высокаячувствительностькизмеряемымдеформациям,равная4.
Рисунок 3.8 – Изгиб. Схема «Полный мост»
3.2.2Модель измерения нагрузок при деформации пластины
Рисунок 3.8.1 – Статическое напряжение без нагрузки
Рисунок 3.8.2 – Статическое напряжение под нагрузкой
3.3Влияние температуры
Изменениеотносительногосопротивлениятензорезисторавэксперименте, какправило,зависитотдвухфакторов:уровняизмеряемойдеформацииивеличиныизменениятемпературывместеустановкидатчика.Изменениетемпературытензорезисторавместеегоустановкизависиткакотколебанийтемпературыокружающейсредывпроцессеизмерений,такиотсаморазогрева датчика,вызываемогопроходящимчерезнегоэлектрическимтоком.Чащевсеговлияниетемпературыявляетсянежелательнымфактором. [7]
3.3.1Ограничениесаморазогревадатчика
Разогревдатчикаопределяетсяколичествомтепла,выделяемогонарешеткетоком,иусловиямиохлаждения.Всвоюочередь,условияохлаждениязависятотразмеровдеталииеетеплопроводности,площадиповерхности,занимаемойнитямирешетки,отношенияповерхностирешѐткикееобъему, толщиныклеевогослояиеготеплопроводности,температурыокружающей средыискоростидвиженияпотоковвоздуха,"омывающего"детальвместе размещениятензорезистора,ирядадругихфакторов. [7]
Способностьдатчикарассеиватьтепловуюэнергиюоцениваетсятакимпоказателем,какудельнаямощностьрассеивания:
W/P=F, (3.1)
гдеP–электрическаямощность,рассеиваемаядатчиком;
F–площадьповерхностиеготензорешетки;
W– определяетвеличинудопустимоготока, проходящегочерезтензорезистор.Удельнаямощностьрассеиваниявпервуюочередьзависитоттолщиныдеталиитеплопроводностиеѐматериала.Детальвыступаетвролитепловогорезервуара(радиатора).
Втабл.3.1приведенызначениядопустимойудельноймощностирассеиваниявзависимостиотсвойствдетали.
Таблица 3.1 – Допустимые удельные мощности рассеивания
Приопределениирабочеготокапитаниядатчикаисходятизплотноститока45А/мм2дляпроволочныхтензорезисторови60А/мм2–дляфольговых, еслиметаллическаядетальмассивна. [7]
3.3.2Температурнаядеформациясистемы«датчик-деталь»
Приизменениитемпературыдатчикаидеталинаблюдаютсяследующие механизмы,способныевлиятьнарезультатыизмерений.
ИзменяетсякоэффициенттензочувствительностиSматериалатензорешетки.Длясплавовконстантаникармаэтазависимостьпредставляетсобой линейнуюфункцию,показаннуюнарисунке 3.9.
Рисунок 3.9 – Зависимость тензочувствительности сплавовконстан и карма от температуры
Каквидноизграфиков,изменениекоэффициентатензочувствительности наодинградусоченьмалóисоставляет+0,00735дляконстантанаи–0,00975 длясплавакарма.Этиизмененияприобычноманализенапряженийне учитываются(изменение менее 1 % для ∆Т=100℃).
Сизменениемтемпературыудлиняются(илисокращаются)решетка датчика ∆l_p=α∆Tl и деталь ∆l_d=β∆Tl,
где l – база тензорезистора; [7]
α,β – коэффициенты теплового расширения материалов решетки и детали соответственно.
Посколькуобычножесткостьдеталинамноговыше,чемжесткостьтензорешетки,товпоследнейвозникнетмеханическаядеформация:
(3.2)
ДатчикреагируетнадеформациюТточнотакже,какинадеформацию образца, обусловленную нагрузкой, что порождает дополнительную компонентувыходногосигнала,соответствующуютемпературе.
Температурноевоздействиеизменяетсопротивлениетензорешетки:
(3.3)
где γ – температурный коэффициент сопротивления материала решетки.
Наиболеесущественныэффекты,обозначенныеномерами2и3.Суммируя их,получимизменениесопротивлениянаклеенногонадетальдатчикаоттемпературы:
(3.4)
Дажеесликоэффициентытепловогорасширенияматериаловдатчикаиобразцаодинаковыα=β,кажущаясядеформациянеравнанулюиопределяется вторымчленомуравнения.Температурнаякомпенсациядатчикадостигается лишьприусловии,чтообачленавуравнении(3.4)либоравнынулю,либо взаимноуничтожаются.
Последнееусловиеудаетсяреализоватьвпроцессепроизводстватензорезисторов.Деловтом,чтовеличиныαиγвесьмачувствительныклегированиюсплаваикрежимуегохолоднойобработкивпроцессепрокаткифольги. [7]
Наличиевариацийввеличинахαиγотоднойплавкикдругойиотодного рулонакдругомупозволяетподбиратьдатчики,изготовленныенабазесплавов константаникарма,применительнокразличнымконструкционнымматериалам.Такиедатчикиназываюттемпературно-компенсированнымидатчиками. Температурно-компенсированныедатчикидляконкретногоконструкционного материалаподбираютпотакназываемомуS-T-Cкоду(self-temperature compensationcode),которыйчисленноравенкоэффициентутепловогорасширенияконструкционногоматериала,увеличенномувмиллионраз. [7]
S-T-Cкодыдлянекоторыхконструкционныхматериаловприведеныв табл.4.Тамжеуказанаихтемпературнаяхарактеристикатепловогорасширенияα.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
