Tenometrit - tensometriset mittausmuuntimet

Venymämittarin anturi — parametrinen resistiivinen anturi, joka muuntaa jäykän kappaleen mekaanisen rasituksen aiheuttaman muodonmuutoksen sähköiseksi signaaliksi.

Resistiivinen painemittari on alusta, johon on kiinnitetty herkkä elementti. Venymämittauksen periaate venymämittarilla on, että venymämittarin vastus muuttuu venymän aikana. Lord Kelvin havaitsi vuonna 1856 ja OD Hvolson vuonna 1881 metallisen johtimen vastuksen muutoksen vaikutuksen kokonaispuristuksen (hydrostaattisen paineen) vaikutuksesta.

Nykymuodossaan venymäanturi edustaa rakenteellisesti venymävastusta, jonka herkkä elementti on tehty jännitysherkästä materiaalista (langasta, kalvosta jne.), joka on kiinnitetty sideaineella (liima, sementti) tutkittavaan osaan. (Kuvio 1). Anturielementin kytkemiseksi sähköpiiriin venymämittarissa on johdot.Jotkut venymämittarit on suunniteltu helpottamaan asennusta, niissä on tyyny herkän elementin ja testattavan osan välissä sekä suojaelementti herkän elementin yläpuolella.

Kuva 1 Kaavio venymämittarista: 1- herkkä elementti; 2- sideaine; 3- substraatti; 4- tutkittu yksityiskohta; 5- suojaelementti; 6- lohko juottamiseen (hitsaukseen); 7-johtiminen johdotus

Kun kaikki erilaiset tehtävät on ratkaistu venymäantureiden avulla, voidaan erottaa kaksi pääasiallista käyttöaluetta:

— materiaalien fysikaalisten ominaisuuksien, muodonmuutosten ja jännitysten tutkiminen osissa ja rakenteissa;

— venymäanturien käyttö mekaanisten arvojen mittaamiseen, jotka muunnetaan elastisen elementin muodonmuutokseksi.

Ensimmäiselle tapaukselle on tunnusomaista merkittävä määrä jännitteen mittauspisteitä, laajat vaihteluvälit ympäristöparametreissa sekä mittauskanavien kalibroinnin mahdottomuus. Tässä tapauksessa mittausvirhe on 2-10 %.

Toisessa tapauksessa anturit kalibroidaan mitatun arvon mukaan ja mittausvirheet ovat välillä 0,5-0,05 %.

Silmiinpistävin esimerkki venymäanturien käytöstä on tasapaino. Useimpien venäläisten ja ulkomaisten valmistajien vaa'at on varustettu venymäantureilla. Kuormituskennovaakoja käytetään eri teollisuudenaloilla: ei-rautametalli- ja rautametalliteollisuudessa, kemianteollisuudessa, rakennusteollisuudessa, elintarviketeollisuudessa ja muilla aloilla.

Elektronisten vaakojen toimintaperiaate rajoittuu punnituskennoon vaikuttavan painovoiman mittaamiseen muuntamalla syntyneet muutokset, kuten muodonmuutokset, suhteelliseksi lähtösähkösignaaliksi.

Tensorivastusten laaja käyttö selittyy useilla niiden eduilla:

— pieni koko ja paino;

— alhainen inertia, joka mahdollistaa venymäanturien käytön sekä staattisissa että dynaamisissa mittauksissa;

— niillä on lineaarinen ominaisuus;

— mahdollistaa mittausten tekemisen etänä ja useissa kohdissa;

— niiden asennustapa tutkittavaan osaan ei vaadi monimutkaisia ​​laitteita eikä vääristä tutkitun osan muodonmuutoskenttää.

Ja niiden haittapuoli, joka on lämpötilaherkkyys, voidaan useimmissa tapauksissa kompensoida.

Muuntimien tyypit ja niiden suunnitteluominaisuudet

Venymäanturien toiminta perustuu muodonmuutosilmiöön, joka koostuu johtojen aktiivisen vastuksen muutoksesta niiden mekaanisen muodonmuutoksen aikana. Materiaalin muodonmuutosvaikutuksen ominaisuus on suhteellisen muodonmuutosherkkyyden kerroin K, joka määritellään vastuksen muutoksen suhteena johtimen pituuden muutokseen:

k = er / el

missä er = dr / r — johtimen resistanssin suhteellinen muutos; el = dl / l — langan pituuden suhteellinen muutos.

Kiinteiden kappaleiden muodonmuutoksen aikana niiden pituuden muutos liittyy tilavuuden muutokseen ja myös niiden ominaisuudet, erityisesti vastusarvo, muuttuvat. Siksi herkkyyskertoimen arvo tulisi yleisessä tapauksessa ilmaista muodossa

K = (1 + 2μ) + m

Tässä suure (1 + 2μ) kuvaa resistanssin muutosta, joka liittyy johtimen geometristen mittojen (pituuden ja poikkileikkauksen) muutokseen, ja — materiaalin resistanssin muutosta, joka liittyy sen fysikaalisen rakenteen muutokseen. ominaisuuksia.

Jos tensorin valmistuksessa käytetään puolijohdemateriaaleja, herkkyys määräytyy pääasiassa hilamateriaalin ominaisuuksien muutoksesta sen muodonmuutoksen aikana ja K »m:stä ja voi vaihdella eri materiaaleilla välillä 40-200.

Kaikki olemassa olevat muuntimet voidaan jakaa kolmeen päätyyppiin:

- lanka;

- folio;

- elokuva.

Lankatelemittareita käytetään ei-sähköisten suureiden mittaustekniikassa kahteen suuntaan.

Ensimmäinen suunta on johtimen muodonmuutosvaikutuksen käyttö tilavuuspuristustilassa, kun anturin luonnollinen syöttöarvo on ympäröivän kaasun tai nesteen paine. Tässä tapauksessa anturi on lankakela (yleensä manganiini), joka on sijoitettu mitatun paineen alueelle (neste tai kaasu). Muuntimen lähtöarvo on sen aktiivivastuksen muutos.

Toinen suunta on käyttää jännitysherkästä materiaalista valmistetun kiristyslangan jännitysvaikutusta. Tässä tapauksessa jänniteantureita käytetään "ilmaisten" muuntimien muodossa ja liimattujen muuntimien muodossa.

"Vapaat" venymämittarit valmistetaan yhden tai rivin johtojen muodossa, jotka on kiinnitetty päihin liikkuvien ja kiinteiden osien väliin ja pääsääntöisesti suorittavat samanaikaisesti elastisen elementin roolia. Tällaisten muuntimien luonnollinen syöttöarvo on liikkuvan osan hyvin vähäinen liike.

Yleisimmän sidoslangan venymämittarin laite on esitetty kuvassa 2. Ohut, halkaisijaltaan 0,02-0,05 mm:n lanka liimataan siksak-kuviolla ohuen paperi- tai lakkakalvoliuskaan. Lyijylliset kuparilangat on kytketty langan päihin. Muuntimen yläosa on peitetty lakkakerroksella ja joskus sinetöity paperilla tai huovalla.

Muunnin asennetaan yleensä siten, että sen pisin sivu on suunnattu mitatun voiman suuntaan. Tällainen koekappaleeseen liimattu anturi havaitsee pintakerroksen muodonmuutokset. Siten liimatun anturin luonnollinen syöttöarvo on sen osan pintakerroksen muodonmuutos, johon se on liimattu, ja lähtö on tähän muodonmuutokseen verrannollinen anturin resistanssin muutos. Yleensä liimattuja antureita käytetään paljon useammin kuin liimaamattomia.

Kuva 2 - sidottu langan venymämittari: 1 - jännitysmittarin lanka; 2- liima tai sementti; 3- sellofaani- tai paperitausta; 4-johtoiset johdot

Anturin mittauspohja on langan osan pituus. Yleisimmin käytetyt muuntimet ovat 5-20 mm kantavia, joiden resistanssi on 30-500 ohmia.

Yleisimmän ääriviivavenymämittarin suunnittelun lisäksi on muitakin. Jos anturin mittauspohjaa on tarpeen pienentää (3 - 1 mm:iin), se tehdään käämitysmenetelmällä, joka koostuu kuormitusherkän langan spiraalin käämittämisestä pyöreän poikkileikkauksen omaavalle tuurnalle. ohutta paperia. Sitten tämä putki liimataan, poistetaan tuurnasta, litistetään ja johdot kiinnitetään langan päihin.

Kun lämpömuuntimella varustetusta piiristä on saatava suuri virta, käytetään usein "tehokkaita" jännitysantureita, joissa on kierrejohto... Ne koostuvat suuresta määrästä (jopa 30 - 50) rinnakkain kytkettyjä johtoja, eroavat toisistaan suurikokoisina (jalustan pituus 150 - 200 mm) ja mahdollistavat muuntimen läpi kulkevan virran merkittävän lisäyksen (kuva 3).

Piirustus 3- Tenometri matalalla vastuksella ("tehokas"): 1 — venymämittarin johto; 2- liima tai sementti; 3- sellofaani- tai paperitausta; 4 pin johto

Lanka-antureilla on pieni kosketuspinta näytteeseen (substraattiin), mikä vähentää vuotovirtoja korkeissa lämpötiloissa ja johtaa korkeampaan eristysjännitteeseen herkän elementin ja näytteen välillä.

Foil-kuormituskennot ovat suosituin versio liimakuormituskennoista. Kalvoanturit ovat 4-12 mikronia paksua kalvoliuskaa, jolle osa metallista valitaan syövyttämällä siten, että loppuosa muodostaa kuvan 4 lyijyristikon.

Tällaisen ristikon valmistuksessa voidaan ennakoida mikä tahansa ristikon kuvio, mikä on foliovenymäantureiden merkittävä etu. Kuvassa 4 a esittää kalvoanturin ulkonäköä, joka on suunniteltu mittaamaan lineaarisia jännitystiloja, kuvassa 1. 4, c - akseliin liimattu folioanturi vääntömomenttien mittaamista varten, ja kuvassa 3 4, b - liimattu kalvoon.

Piirustus 4- Kalvomuuntimet: 1- säätösilmukat; 2- taivutukset, jotka ovat herkkiä kalvon vetovoimille; 3- kierrokset, jotka ovat herkkiä kalvon puristusvoimille

Kalvomuuntimien vakava etu on mahdollisuus lisätä muuntimen päiden poikkileikkausta; johtojen hitsaus (tai juottaminen) voidaan tehdä tässä tapauksessa paljon luotettavammin kuin lankamuuntimilla.

Kalvomuodonmuuttajien verrattuna lankoihin, herkän elementin pinnan suhde poikkileikkausalaan (herkkyys) on suurempi ja ne ovat vakaampia kriittisissä lämpötiloissa ja jatkuvassa kuormituksessa. Suuri pinta-ala ja pieni poikkileikkaus takaavat myös hyvän lämpötilakontaktin anturin ja näytteen välillä, mikä vähentää anturin itsekuumenemista.

Kalvovenymäanturien valmistukseen käytetään samoja metalleja kuin telenometreissä (konstantaani, nikromi, nikkeli-rautaseos jne.) ja myös muita materiaaleja, esimerkiksi titaani-alumiiniseos 48T-2, joka mittaa. jännitykset jopa 12 %, sekä useita puolijohdemateriaaleja.

Elokuvan tensorit

Viime vuosina on syntynyt toinen menetelmä sidottujen vastusjännikkeiden massatuotantoon, joka koostuu venymäherkän materiaalin tyhjiösublimaatiosta ja sen jälkeisestä kondensoinnista suoraan työkappaleelle ruiskutetulle alustalle. Tällaisia ​​antureita kutsutaan filmiantureiksi. Tällaisten venymäanturien pieni paksuus (15-30 mikronia) antaa merkittävän edun mitattaessa venymiä dynaamisessa tilassa korkeissa lämpötiloissa, joissa venymämittaukset ovat erikoistunut tutkimusalue.

Useita vismutti-, titaani-, pii- tai germaniumpohjaisia ​​kalvon venymäantureita on valmistettu yhden johtavan nauhan muodossa (kuva 5).Tällaisilla muuntimilla ei ole sitä haittaa, että se pienentää anturin suhteellista herkkyyttä verrattuna materiaalin herkkyyteen, josta muunnin on valmistettu.

Kuva 5 - Kalvon venymämittari: 1 - venymäanturikalvo; 2- lakkakalvo; 3-napainen johto

Metallikalvopohjaisen anturin venymämittauskerroin on 2-4 ja sen vastus vaihtelee 100 - 1000 ohmia. Puolijohdekalvoon perustuvien muuntimien kerroin on luokkaa 50-200 ja ne ovat siksi herkempiä käytetylle jännitteelle. Tässä tapauksessa ei ole tarvetta käyttää vahvistinpiirejä, koska puolijohdevenymä-vastussillan lähtöjännite on noin 1 V.

Valitettavasti puolijohdemuuntimen resistanssi vaihtelee käytetyn jännitteen mukaan ja on olennaisesti epälineaarinen koko jännitealueella ja on myös erittäin riippuvainen lämpötilasta. Näin ollen, vaikka vahvistinta tarvitaan työskennellessä metallikalvon deformaattorin kanssa, lineaarisuus on erittäin korkea ja lämpötilavaikutus voidaan helposti kompensoida.