Тензодатчики тензометричні вимірювальні перетворювачі

Тензометрический вимірювальний перетворювач - параметричний резистивний перетворювач, який конвертує деформацію твердого тіла, викликану доданим до нього механічним напругою, в електронний сигнал.

Резистивний тензодатчик представляє собою підставу із закріпленим на ньому чутливим елементом. Принцип вимірювання деформацій за допомогою тензометричного перетворювача полягає в тому, що при деформації змінюється активний опір тензорезистора. Ефект конфігурації питомої опору залізного провідника під дією всебічного стиснення (гідростатичного тиску) був знайдений в 1856 році лордом Кельвіном і в 1881 році О.Д.Хвольсоном.

У сучасному вигляді тензометричний вимірювальний перетворювач конструктивно являє собою тензорезистор, чутливий елемент якого виконаний з тензочувствітельності матеріалу (дроту, фольги і ін.), Закріплений за допомогою зв`язуючого (клею, цементу) на досліджуваній деталі (Малюнок 1). Для приєднання чутливого елемента в електронну ланцюг в тензорезисторами є вивідні провідники. Деякі конструкції тензорезисторів для зручності установки мають підкладку, розташовану між чутливим елементом і досліджуваної деталлю, також захисний елемент, розташований поверх чутливого елемента.

Малюнок 1 Схема тензопреобразователя: 1 чутливий елемент-2 связивающее- 3 подложка- 4 досліджувана деталь 5 захисний елемент-6 вузол пайки (зварювання) - 7 вивідні провідники

При всьому різноманітті завдань, що вирішуються за допомогою тензометричних вимірювальних перетворювачів, можна виділити дві головні області їх використання:

- дослідження фізичних параметрів матеріалів, деформацій і напружень в деталях і конструкціях-

- застосування тензодатчиков для вимірювання механічних величин, перетворених в деформацію пружного елемента.

Для першого варіанту характерно значне число точок тензометрирования, широкі спектри зміни параметрів середовища, також неможливість градуювання вимірювальних каналів. В цьому випадку похибка вимірювання складає 2-10%.

У 2-му випадку датчики градуюються по вимірюваній величині і похибки вимірювань лежать в діапазоні 0,5-0,05%.

Найбільш яскравим прикладом використання тензометрів є ваги. Тензометричними датчиками облаштовані ваги більшості російських і зарубіжних виробників ваг. Ваги на тензодатчиках використовуються в різних галузях промисловості: кольорова і чорна металургії, хімічної, будівельна, харчова та інші галузі.

Принцип дії електричних ваг зводиться до вимірювання сили ваги, що впливає на тензодатчик, засобом перетворення виникають конфігурацій, наприклад деформації, в пропорційний вихідний електронний сигнал.

Широке поширення тензодатчиков пояснюється цілою низкою їх досчтоінств:

- малі габарити і вага-

- малоінерційний, що дозволяє використовувати тензодатчики як при статичних, так і при динамічних ізмереніях-

- володіють лінійною чертой-

- дозволяють дистанційно і в майже всіх точках проводити ізмеренія-

- метод установки їх на досліджувану деталь не просить складних пристосувань і не спотворює поле деформацій досліджуваної деталі.

А їх недолік, що полягає в температурної чутливості, можна майже завжди компенсувати.

Типи перетворювачів і їх конструктивні особливості

В основі роботи тензопреобразователь лежить явище тензоеффекта, що полягає в зміні активного опору провідників при їх механічній деформації. Рисою тензоеффекта матеріалу є коефіцієнт відносної тензочутливості К, який визначається як відношення зміни опору до зміни довжини провідника:

k = er / el

де er = dr / r - відносна зміна опору проводніка- el = dl / l - відносна зміна довжини провідника.

При деформації твердих тіл зміна їх довжини пов`язана зі зміною обсягу, не рахуючи того, змінюються і їх характеристики, а саме величина питомого опору. Тому значення коефіцієнта тензочутливості в загальному випадку має бути виражене як

K = (1 + 2μ) + m

Тут величина (1 + 2μ) характеризує зміну опору, пов`язане зі зміною геометричних розмірів (довжини і перетину) провідника, а - зміна питомого опору матеріалу, пов`язане зі зміною його фізичних параметрів.

Якщо при виготовленні тензопреобразователя застосовані напівпровідникові матеріали, то чутливість визначається в головному зміною властивостей матеріалу решітки при її деформації, і K »m і може змінюватися для різних матеріалів від 40 до 200.

Всі наявні перетворювачі можна поділити на три основних типи:

- проволочние-

- фольговие-

- плівкові.

Дротові тензодатчик в техніці вимірювань неелектричних величин вживаються в двох напрямах.

1-е напрямок - впровадження тензоеффекта провідника, що знаходиться в стані великого стиснення, коли природної вхідний величиною перетворювача є тиск навколишнього його газу або води. В даному випадку перетворювач являє собою котушку дроти (зазвичай манганінового), вміщену в область вимірюваного тиску (води або газу). Вихідний величиною перетворювача є зміна його активного опору.

2-е напрямок - впровадження тензоефффекта розтягується дроту з тензочувствітельності матеріалу. При цьому тензопреобразоателі використовуються у вигляді "вільних" перетворювачів і у вигляді наклеюються.

"Вільні" тензопреобразователь виробляються у вигляді однієї чи низки дротів, закріплених на кінцях між рухомою і нерухомою деталями, і, звичайно, виконують відразу роль пружного елемента. Природною вхідний величиною таких перетворювачів є дуже маленьке переміщення рухомий деталі.

Пристрій більш поширеного типу наклеюється дротяного тензодатчика зображено на малюнку 2. На смужку вузької паперу або лакову плівку наклеюється укладена извилисто вузька дріт діаметром 0,02-0,05 мм. До кінців дроту приєднуються вивідні мідні провідники. Зверху перетворювач покривається шаром лаку, а час від часу заклеюється папером або фетром.

Датчик зазвичай встановлюється так, щоб його більш довга сторона була націлена в напрямку вимірюваної сили. Такий перетворювач, будучи приклеєним до випробуваної деталі, приймає деформації її поверхневого шару. Таким чином, природною вхідний величиною наклеюється перетворювача є деформація поверхневого шару деталі, на яку він наклеєний, а вихідний- зміна опору перетворювача, пропорційне цієї деформації. Зазвичай наклеюються датчики вживаються багато частіше ненаклеіваемих.

Малюнок 2 наклеюють дротяний тензопреобразователь: 1 тензочувствітельності проволока- 2 клей або цемент- 3 целлофановая або картонна подложка- 4 вивідні провідники

Вимірювальної базою перетворювача є довжина деталі, яку займає дротом. Найбільш часто вживаються перетворювачі з базами 5 - 20 мм, що володіють опором 30 - 500 ом.

Крім найбільш поширеною петлевий конструкції дротяних тензодатчиків, є й інші. При необхідності зменшення вимірювальної бази перетворювача (до 3 - 1 мм) його виготовляють виткового методом, який полягає в тому, що на оправці круглого перетину на трубку з вузькою паперу наматиается спіраль з тензочувствітельності дроту. Потім ця трубка проклеюється, знімається з оправлення, розплющується і до кінців дроту прикріплюються висновки.

Коли потрібно отримати від ланцюга з тезопреобразователем струм великої величини, нерідко вживають "масивні" дротові тензопреобразователь. Вони складаються з величезного числа (до 30 - 50) паралельно з`єднаних дротів, відрізняються великими габаритами (довжина бази 150 - 200 мм) і дають можливість істотно збільшити пропускається через перетворювач струм (малюнок 3).

Малюнок 3 низькоомними ( «потужний») дротяний тензопреобразователь: 1 тензочувствітельності проволока- 2 клей або цемент- 3 целлофановая або картонна подложка- 4 вивідний провідник

Дротові датчики мають малу поверхню зв`язку з прототипом (підставою), що зменшує струми витоку при високих температурах і дає більшу напругу ізоляції між чутливим елементом і прототипом.

Фольгові тензодатчики є найбільш популярною версією наклеюються тензодатчиков. Фольгові перетворювачі являють собою стрічку з фольги шириною 4 -12 мкм, на якій частина металу обрана травленням таким чином, що залишилася його частина утворює показану на малюнку 4 грати з висновками.

При виготовленні такої решітки можна передбачити будь-який малюнок решітки, що є значущим гідністю фольгових тензопреобразователь. На малюнку 4, а показаний зовнішній вигляд перетворювача з фольги, створеного для вимірювання лінійних напружених станів, на рис. 4, в - фольговий перетворювач, що наклеюється на вал, для вимірювання обертаючих моментів, а на рис.4, б - наклеюється на мембрану.

Малюнок 4 Фольгові перетворювачі: 1 підганяльні петли- 2 витки, чутливі до розтягуючих мембрану усіліям- 3 витки, чутливі до стискає мембрану зусиллям

Суворим перевагою перетворювачів з фольги є можливість нарощувати перетин решт преобразователя- приварювання (або припаювання) висновків можна в даному випадку виконати істотно надійніше, ніж в перетворювачах з дроту.

Фольгові тензодатчики в порівнянні з дротяними мають більше відношення площі поверхні чутливого елемента до площі поперечного перерізу (чутливість) і більше стабільні при критичних температурах і довгих навантаженнях. Велика площа поверхні і маленьке поперечний переріз також забезпечує непоганий температурний контакт чутливого елемента з прототипом, що зменшує саморозігрів датчика.

Для виробництва фольгових тензопреобразователь вживаються ті ж метали, що і для дротяних датчиків (константан, ніхром, сплав нікелю з залізом і т.д.), також застосовуються до того ж інші матеріали, наприклад тітаноалюмініевий сплав 48Т-2, що забезпечує вимір деформацій до 12%, також цілий ряд напівпровідникових матеріалів.

плівкові тензодатчики

В останні роки з`явився ще один спосіб масового виробництва приклеюються тензосопротівленій, що полягає у вакуумній сублімації тензочувствітельності матеріалу і наступного конденсації його на підкладку, Напилювана конкретно на деталь. Такі тензопреобразователь отримали назву плівкових. Мала товщина таких тензопреобразователь (15-30 мкм) дає суттєву перевагу при вимірах деформацій в динамічному режимі в області високих температур, де вимірювання деформації є спеціалізовану область дослідних робіт.

Цілий ряд плівкових тензопреобразователь на базі вісмуту, титану, кремнію або германію здійснюється у вигляді однієї провідної смуги (малюнок 5). Такі перетворювачі не мають недоліку, що полягає в зменшенні відносної чутливості перетворювача в порівнянні з чутливістю матеріалу, з якого виконаний перетворювач.

Малюнок 5 Плівковий тензопреобразовтель: 1 тензочувствітельності плівка-2 плівка лака- 3 вивідний провідник

Тензометрический коефіцієнт перетворювача, виконаного на базі залізної плівки, дорівнює 2-4, а його опір коливається в діапазоні від 100 до 1000 Ом. Перетворювачі, виконані на базі напівпровідникової плівки, мають коефіцієнт порядку 50-200, і тому вони більш чутливі до прикладається напруга. При цьому немає необхідності використовувати підсилювальні схеми, так як вихідна напруга напівпровідникового тензометричного моста становить приблизно 1 В.

На жаль, опір напівпровідникового перетворювача змінюється залежно від прикладається напруги і є значно нелінійним у всьому спектрі напруг, також сильно залежить від температури. Таким чином, хоча при роботі з тензометром на базі залізної плівки потрібно підсилювач, його лінійність дуже висока, а температурний ефект можна просто компенсувати.