Тензометрический измерительный преобразователь – параметрический резистивный преобразователь, который конвертирует деформацию твердого тела, вызванную приложенным к нему механическим напряжением, в электронный сигнал.

Резистивный тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем чувствительным элементом. Принцип измерения деформаций при помощи тензометрического преобразователя заключается в том, что при деформации меняется активное сопротивление тензорезистора. Эффект конфигурации удельного сопротивления железного проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был найден в 1856 году лордом Кельвином и в 1881 году О.Д.Хвольсоном.

В современном виде тензометрический измерительный преобразователь конструктивно представляет собой тензорезистор, чувствительный элемент которого выполнен из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный при помощи связывающего (клея, цемента) на исследуемой детали (Набросок 1). Для присоединения чувствительного элемента в электронную цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некие конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную меж чувствительным элементом и исследуемой деталью, также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента.

Набросок 1 Схема тензопреобразователя: 1- чувствительный элемент; 2- связывающее; 3- подложка; 4- исследуемая деталь; 5- защитный элемент; 6- узел пайки (сварки); 7- выводные проводники

При всем обилии задач, решаемых при помощи тензометрических измерительных преобразователей, можно выделить две главные области их использования:

— исследования физических параметров материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях;

— применение тензодатчиков для измерения механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента.

Для первого варианта типично существенное число точек тензометрирования, широкие спектры конфигурации характеристик среды, также невозможность градуировки измерительных каналов. В этом случае погрешность измерения составляет 2-10%.

Во 2-м случае датчики градуируются по измеряемой величине и погрешности измерений лежат в спектре 0,5-0,05%.

Более броским примером использования тензометров являются весы. Тензометрическими датчиками обустроены весы большинства русских и забугорных производителей весов. Весы на тензодатчиках используются в разных отраслях индустрии: цветная и темная металлургии, хим, строительная, пищевая и другие отрасли.

Принцип деяния электрических весов сводится к измерению силы веса, воздействующей на тензодатчик, средством преобразования возникающих конфигураций, к примеру деформации, в пропорциональный выходной электронный сигнал.

Обширное распространение тензодатчиков разъясняется целым рядом их досчтоинств:

— малые габариты и вес;

— малоинерционость, что позволяет использовать тензодатчики как при статических, так и при динамических измерениях;

— владеют линейной чертой;

— позволяют дистанционно и в почти всех точках проводить измерения;

— метод установки их на исследуемую деталь не просит сложных приспособлений и не искажает поле деформаций исследуемой детали.

А их недочет, заключающейся в температурной чувствительности, можно почти всегда скомпенсировать.

Типы преобразователей и их конструктивные особенности

В базе работы тензопреобразователей лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. Чертой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности К, определяемый как отношение конфигурации сопротивления к изменению длины проводника:

k = er / el

где er = dr / r — относительное изменение сопротивления проводника; el = dl / l — относительное изменение длины проводника.

При деформации жестких тел изменение их длины связано с конфигурацией объема, не считая того, меняются и их характеристики, а именно величина удельного сопротивления . Потому значение коэффициента тензочувствительности в общем случае должно быть выражено как

K = (1 + 2μ) + m

Тут величина (1+2μ) охарактеризовывает изменение сопротивления, связанное с конфигурацией геометрических размеров (длины и сечения) проводника, а — изменение удельного сопротивления материала, связанное с конфигурацией его физических параметров.

Если при изготовлении тензопреобразователя применены полупроводниковые материалы, то чувствительность определяется в главном конфигурацией параметров материала решетки при ее деформации, и K » m и может изменяться для разных материалов от 40 до 200.

Все имеющиеся преобразователи можно поделить на три главных типа:

— проволочные;

— фольговые;

— пленочные.

Проволочные тензодатчик в технике измерений неэлектрических величин употребляются по двум фронтам.

1-ое направление – внедрение тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии большого сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего его газа либо воды. В данном случае преобразователь представляет собой катушку провода (обычно манганинового), помещенную в область измеряемого давления (воды либо газа). Выходной величиной преобразователя является изменение его активного сопротивления.

2-ое направление – внедрение тензоэфффекта растягиваемой проволоки из тензочувствительного материала. При всем этом тензопреобразоатели используются в виде “свободных” преобразователей и в виде наклеиваемых.

“Свободные” тензопреобразователи производятся в виде одной либо ряда проволок, закрепленных по концам меж подвижной и недвижной деталями, и, обычно, выполняющих сразу роль упругого элемента. Естественной входной величиной таких преобразователей является очень маленькое перемещение подвижной детали.

Устройство более всераспространенного типа наклеиваемого проволочного тензодатчика изображено на рисунке 2. На полоску узкой бумаги либо лаковую пленку наклеивается уложенная извилисто узкая проволока поперечником 0,02-0,05 мм. К концам проволоки присоединяются выводные медные проводники. Сверху преобразователь покрывается слоем лака, а время от времени заклеивается бумагой либо фетром.

Датчик обычно устанавливается так, чтоб его более длинноватая сторона была нацелена в направлении измеряемой силы. Таковой преобразователь, будучи приклееным к испытуемой детали, принимает деформации ее поверхностного слоя. Таким макаром, естественной входной величиной наклеиваемого преобразователя является деформация поверхностного слоя детали, на которую он наклеен, а выходной- изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации. Обычно наклеиваемые датчики употребляются много почаще ненаклеиваемых.

Набросок 2- Наклеиваемый проволочный тензопреобразователь: 1- тензочувствительная проволока; 2- клей либо цемент; 3- целлофановая либо картонная подложка; 4- выводные проводники

Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Более нередко употребляются преобразователи с базами 5 – 20 мм, владеющие сопротивлением 30 – 500 ом.

Не считая более всераспространенной петлевой конструкции проволочных тензодатчиков, есть и другие. По мере надобности уменьшения измерительной базы преобразователя (до 3 – 1 мм) его изготовляют витковым методом, который состоит в том, что на оправке круглого сечения на трубку из узкой бумаги наматыается спираль из тензочувствительной проволоки. Потом эта трубка проклеивается, снимается с оправки, расплющивается и к концам проволоки прикрепляются выводы.

Когда нужно получить от цепи с тезопреобразователем ток большой величины, нередко употребляют “массивные” проволочные тензопреобразователи. Они состоят из огромного числа (до 30 – 50) параллельно соединенных проволок, отличаются большенными габаритами (длина базы 150 – 200 мм) и дают возможность существенно прирастить пропускаемый через преобразователь ток (набросок 3).

Набросок 3— Низкоомный («мощный») проволочный тензопреобразователь: 1- тензочувствительная проволока; 2- клей либо цемент; 3- целлофановая либо картонная подложка; 4- выводной проводник

Проволочные датчики имеют малую поверхность связи с прототипом (основанием), что уменьшает токи утечки при больших температурах и дает большее напряжение изоляции меж чувствительным элементом и прототипом.

Фольговые тензодатчики являются более пользующейся популярностью версией наклеиваемых тензодатчиков. Фольговые преобразователи представляют из себя ленту из фольги шириной 4 –12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким макаром, что оставшаяся его часть образует показанную на рисунке 4 решетку с выводами.

При изготовлении таковой решетки можно предугадать хоть какой набросок решетки, что является значимым достоинством фольговых тензопреобразователей. На рисунке 4,а показан внешний облик преобразователя из фольги, созданного для измерения линейных напряженных состояний, на рис. 4,в – фольговый преобразователь, наклеиваемый на вал, для измерения вращающих моментов, а на рис.4,б – наклеиваемый на мембрану.

Набросок 4— Фольговые преобразователи: 1- подгоночные петли; 2- витки, чувствительные к растягивающим мембрану усилиям; 3- витки, чувствительные к сжимающим мембрану усилиям

Суровым преимуществом преобразователей из фольги является возможность наращивать сечение концов преобразователя; приваривание (либо припаивание) выводов можно в данном случае выполнить существенно надежнее, чем в преобразователях из проволоки.

Фольговые тензодатчики по сопоставлению с проволочными имеют большее отношение площади поверхности чувствительного элемента к площади поперечного сечения (чувствительность) и поболее размеренны при критичных температурах и долгих нагрузках. Большая площадь поверхности и маленькое поперечное сечение также обеспечивает неплохой температурный контакт чувствительного элемента с прототипом, что уменьшает саморазогрев датчика.

Для производства фольговых тензопреобразователей употребляются те же металлы, что и для проволочных датчиков (константан, нихром, сплав никеля с железом и т.д.), также используются к тому же другие материалы, к примеру титаноалюминиевый сплав 48Т-2, обеспечивающий измерение деформаций до 12%, также целый ряд полупроводниковых материалов.

Пленочные тензодатчики

В последние годы появился очередной метод массового производства приклеиваемых тензосопротивлений, заключающийся в вакуумной возгонке тензочувствительного материала и следующей конденсации его на подложку, напыляемую конкретно на деталь. Такие тензопреобразователи получили заглавие пленочных. Малая толщина таких тензопреобразователей (15-30 мкм) дает существенное преимущество при измерениях деформаций в динамическом режиме в области больших температур, где измерения деформации представляют собой специализированную область исследовательских работ.

Целый ряд пленочных тензопреобразователей на базе висмута, титана, кремния либо германия производится в виде одной проводящей полосы (набросок 5). Такие преобразователи не имеют недочета, заключающегося в уменьшении относительной чувствительности преобразователя по сопоставлению с чувствительностью материала, из которого выполнен преобразователь.

Набросок 5- Пленочный тензопреобразовтель:1- тензочувствительная пленка; 2- пленка лака; 3- выводной проводник

Тензометрический коэффициент преобразователя, выполненного на базе железной пленки, равен 2—4, а его сопротивление колеблется в спектре от 100 до 1000 Ом. Преобразователи, выполненные на базе полупроводниковой пленки, имеют коэффициент порядка 50-200, и потому они более чувствительны к прикладываемому напряжению. При всем этом нет необходимости использовать усилительные схемы, так как выходное напряжение полупроводникового тензометрического моста составляет приблизительно 1 В.

К огорчению, сопротивление полупроводникового преобразователя меняется зависимо от прикладываемого напряжения и является значительно нелинейным во всем спектре напряжений, также очень находится в зависимости от температуры. Таким макаром, хотя при работе с тензометром на базе железной пленки требуется усилитель, его линейность очень высока, а температурный эффект можно просто скомпенсировать.