Tenometre — tensometriske måletransducere

Strain gauge sensor — en parametrisk resistiv transducer, der konverterer deformationen af ​​et stivt legeme forårsaget af en mekanisk belastning påført det til et elektrisk signal.

En resistiv trykmåler er en base med et følsomt element påsat. Princippet for strain-måling ved hjælp af en strain gauge er, at modstanden i strain gauge ændres under straining. Virkningen af ​​modstandsændringen af ​​en metallisk leder under påvirkning af all-round kompression (hydrostatisk tryk) blev opdaget i 1856 af Lord Kelvin og i 1881 af OD Hvolson.

I sin moderne form repræsenterer en strain gauge strukturelt en belastningsmodstand, hvis følsomme element er lavet af et spændingsfølsomt materiale (tråd, folie osv.), fastgjort med et bindemiddel (lim, cement) på den del, der undersøges. (Figur 1). For at forbinde følerelementet til det elektriske kredsløb har strain gauge ledninger.Nogle strain gauges design for lettere installation, de har en pude placeret mellem det følsomme element og den del, der testes, samt et beskyttelseselement placeret over det følsomme element.

Figur 1 Skematisk strain gauge: 1- følsomt element; 2- bindemiddel; 3- substrat; 4- undersøgt detalje; 5- beskyttelseselement; 6- blok til lodning (svejsning); 7-leder ledninger

Med alle de mange forskellige opgaver løst ved hjælp af strain gauge transducere, kan to hovedområder af deres anvendelse skelnes:

— undersøgelse af materialers fysiske egenskaber, deformationer og spændinger i dele og strukturer;

— brugen af ​​strain gauges til at måle mekaniske værdier, der omdannes til deformation af et elastisk element.

Det første tilfælde er kendetegnet ved et betydeligt antal spændingsmålepunkter, brede vifte af ændringer i miljøparametre samt umuligheden af ​​at kalibrere målekanalerne. I dette tilfælde er målefejlen 2-10%.

I det andet tilfælde kalibreres sensorerne i henhold til den målte værdi, og målefejlene er i området 0,5-0,05%.

Det mest slående eksempel på brugen af ​​strain gauges er balancen. Vægtene fra de fleste russiske og udenlandske producenter er udstyret med strain gauges. Vejecellevægte bruges i forskellige industrier: ikke-jernholdige og jernholdige metallurgier, kemikalier, byggeri, fødevarer og andre industrier.

Funktionsprincippet for elektroniske vægte er reduceret til at måle tyngdekraften, der virker på vejecellen ved at konvertere de resulterende ændringer, såsom deformation, til et proportionalt elektrisk udgangssignal.

Den brede brug af tensormodstande forklares med en række af deres fordele:

— lille størrelse og vægt;

— lav inerti, som tillader brugen af ​​strain gauges til både statiske og dynamiske målinger;

— have en lineær karakteristik;

— gøre det muligt at foretage fjernmålinger og på mange punkter;

— metoden til installation på den undersøgte del kræver ikke komplekse anordninger og forvrænger ikke den undersøgte dels deformationsfelt.

Og deres ulempe, som er temperaturfølsomhed, kan i de fleste tilfælde kompenseres for.

Typer af omformere og deres designfunktioner

Driften af ​​strain gauges er baseret på fænomenet deformationseffekt, som består i en ændring i ledningernes aktive modstand under deres mekaniske deformation. Karakteristikken for materialets deformationseffekt er koefficienten for relativ deformationsfølsomhed K, defineret som forholdet mellem ændringen i modstand og ændringen i lederens længde:

k = er / el

hvor er = dr / r — den relative ændring i lederens modstand; el = dl / l — den relative ændring i længden af ​​ledningen.

Under deformationen af ​​faste legemer er ændringen i deres længde forbundet med en ændring i volumen, og deres egenskaber, især modstandsværdien, ændres også. Derfor bør værdien af ​​følsomhedskoefficienten i det generelle tilfælde udtrykkes som

K = (1 + 2μ) + m

Her karakteriserer størrelsen (1 + 2μ) ændringen i modstand forbundet med en ændring i de geometriske dimensioner (længde og tværsnit) af lederen, og — en ændring i materialets modstand i forbindelse med en ændring i dets fysiske ejendomme.

Hvis der anvendes halvledermaterialer til fremstilling af tensoren, bestemmes følsomheden hovedsageligt af ændringen i gittermaterialets egenskaber under dets deformation og K µm og kan variere for forskellige materialer fra 40 til 200.

Alle eksisterende konvertere kan opdeles i tre hovedtyper:

— wire;

— folie;

- en film.

Trådtelometre bruges i teknikken til måling af ikke-elektriske mængder i to retninger.

Den første retning er brugen af ​​deformationseffekten af ​​en leder i en tilstand af volumenkompression, når den naturlige inputværdi for transduceren er trykket af den omgivende gas eller væske. I dette tilfælde er transduceren en spole af tråd (normalt manganin) placeret i området for det målte tryk (væske eller gas). Udgangsværdien af ​​konverteren er ændringen i dens aktive modstand.

Den anden retning er at bruge spændingseffekten af ​​spændetråden lavet af et spændingsfølsomt materiale. I dette tilfælde bruges spændingssensorer i form af "gratis" omformere og i form af limede.

"Gratis" strain gauges er lavet i form af en eller en række ledninger, fastgjort i enderne mellem de bevægelige og ubevægelige dele og udfører som regel samtidigt rollen som et elastisk element. Den naturlige inputværdi af sådanne transducere er meget lille bevægelse af den bevægelige del.

Enheden af ​​den mest almindelige type strain gauge er vist i figur 2. En tynd tråd med en diameter på 0,02-0,05 mm, placeret i et zigzag-mønster, limes på en strimmel tyndt papir eller lakfolie. Blyholdige kobbertråde er forbundet til enderne af ledningen. Toppen af ​​konverteren er dækket med et lag lak og nogle gange forseglet med papir eller filt.

Transduceren er normalt installeret, så dens længste side er orienteret i retning af den målte kraft. En sådan transducer, limet til testprøven, opfatter deformationerne af dets overfladelag. Den naturlige inputværdi for den limede transducer er således deformationen af ​​overfladelaget på den del, den er limet til, og outputtet er ændringen i transducerens modstand proportional med denne deformation. Generelt bruges limede sensorer meget oftere end ikke-limede.

Figur 2 - strain gauge: 1 - strain gauge wire; 2- lim eller cement; 3- cellofan eller papirbagside; 4-leder ledninger

Transducerens målebase er længden af ​​den del, der er optaget af ledningen. De mest almindeligt anvendte transducere er 5-20 mm baser med en modstand på 30-500 ohm.

Ud over det mest almindelige kontur-strain gauge-design er der andre. Hvis det er nødvendigt at reducere transducerens målebase (til 3 - 1 mm), sker det ved viklingsmetoden, som består i at vikle en spiral af belastningsfølsom ledning på en dorn med cirkulært tværsnit på et rør med tyndt papir. Dette rør limes derefter, fjernes fra dornen, fladgøres, og ledningerne fastgøres til enderne af ledningen.

Når det er nødvendigt at opnå en stor strøm fra et kredsløb med en termokonverter, bruger de ofte "kraftige" strain gauges med en oprullet ledning... De består af et stort antal (op til 30 — 50) ledninger forbundet parallelt, er forskellige i store størrelser (længde af basen 150 — 200 mm) og muliggør en betydelig stigning i strømmen, der føres gennem konverteren (figur 3).

Tegning 3- Tenometer med lav modstand ("kraftfuld"): 1 — strain gauge wire; 2- lim eller cement; 3- cellofan eller papirbagside; 4 pin ledning

Trådprober har et lille kontaktareal til prøven (substratet), hvilket reducerer lækstrømme ved høje temperaturer og fører til en højere isolationsspænding mellem det følsomme element og prøven.

Folievejeceller er den mest populære version af klæbende vejeceller. Folietransducere er en strimmel folie på 4-12 mikron tyk, hvorpå en del af metallet er valgt ved ætsning på en sådan måde, at resten af ​​det danner blygitteret vist i figur 4.

Ved fremstillingen af ​​et sådant gitter kan et hvilket som helst mønster af gitteret forudses, hvilket er en væsentlig fordel ved foliestrain gauges. På billede 4 viser a udseendet af en folietransducer designet til at måle lineære spændingstilstande, i fig. 4, c — en folietransducer limet til akslen til måling af drejningsmomenter, og i fig. 4, b — limet til membranen.

Tegning 4- Foliekonvertere: 1- justeringsløkker; 2- bøjninger følsomme over for membrantrækkræfter; 3-drejninger følsomme over for membranens trykkræfter

En alvorlig fordel ved foliekonvertere er muligheden for at øge tværsnittet af konverterens ender; svejsning (eller lodning) af ledninger kan i dette tilfælde udføres meget mere pålideligt end med trådkonvertere.

Foliedeformere, sammenlignet med tråde, har et højere forhold mellem overfladen af ​​det følsomme element og tværsnitsarealet (følsomhed) og er mere stabile ved kritiske temperaturer og vedvarende belastninger. Det store overfladeareal og lille tværsnit sikrer også god temperaturkontakt mellem sensoren og prøven, hvilket reducerer selvopvarmning af sensoren.

Til fremstilling af folie-strain gauges anvendes de samme metaller som til telemetre (constantan, nichrom, nikkel-jernlegering mv.), og der anvendes også andre materialer, fx titanium-aluminium legering 48T-2, der måler belastninger op til 12 %, samt en række halvledermaterialer.

Film tensorer

I de senere år er der dukket en anden metode til masseproduktion af bundne modstandsstammer op, som består i vakuumsublimering af et belastningsfølsomt materiale og dets efterfølgende kondensering på et underlag, der sprøjtes direkte på emnet. Sådanne transducere kaldes filmtransducere. Den lille tykkelse af sådanne strain gauges (15-30 mikron) giver en væsentlig fordel ved måling af belastninger i dynamisk tilstand ved høje temperaturer, hvor strain-målinger er et specialiseret forskningsområde.

En række film-strain gauges baseret på bismuth, titanium, silicium eller germanium er blevet fremstillet i form af en enkelt ledende strimmel (figur 5).Sådanne transducere har ikke den ulempe, at de reducerer transducerens relative følsomhed sammenlignet med følsomheden af ​​det materiale, som transduceren er fremstillet af.

Figur 5- Film strain gauge: 1- strain gauge film; 2- lakfolie; 3-benet ledning

Strain gauge-koefficienten for en metalfilm-baseret transducer er 2-4, og dens modstand varierer fra 100 til 1000 ohm. Transducere lavet på basis af halvlederfilm har en koefficient i størrelsesordenen 50-200 og er derfor mere følsomme over for den påførte spænding. I dette tilfælde er der ikke behov for at bruge forstærkerkredsløb, da udgangsspændingen af ​​halvleder-belastningsmodstandsbroen er cirka 1 V.

Desværre varierer modstanden af ​​en halvlederkonverter med den påførte spænding og er i det væsentlige ikke-lineær over hele spændingsområdet og er også meget temperaturafhængig. Selvom der kræves en forstærker, når man arbejder med en metalfilmdeformer, er lineariteten meget høj, og temperatureffekten kan let kompenseres.