Принцип работы тензодатчиков

Тензодатчиками называют средства измерения, служащие для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, даль-нейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающиеся непо-средственному восприятию наблюдателем.

При воздействии внешних сил на твердое тело возникает его деформа- ция, измеряемая тензодатчиком. Принцип действия тензодатчика основан на изменении омического сопротивления под действием деформации.

Современный тензодатчик конструктивно представляет собой чувстви- тельный элемент из тензочувствительного материала (проволоки, фольги), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой де-тали.

Наиболее распространены тензодатчики из металла. Они разделяются на проволочные и фольговые. Проволочные тензодатчики выполняют из про-волоки диаметром (0,002 - 0,05) мм, которую укладывают петлями на тонкую бумагу или лаковую пленку и приклеивают к ней. К концам проволоки при-паивают или приваривают выводы.

Рисунок 2.1- Фольговые тензодатчики

Тензодатчик наклеивают на поверхность испытуемой детали таким о-разом, чтобы его продольная ось была расположена в направлении оси из-меряемой деформации детали, т.е. чтобы возможные деформации детали про-исходили вдоль петель датчика.

Зная относительное удлинение элемента, можно найти величину механи- ческого напряжения, возникающего на данном участке конструкции. Эта за-висимость для большинства металлов в области упругих деформаций опре-деляется соотношением.

, (2.1)

где Е – величина модуля упругости в кгс/ мм²; ε – относительная деформа- ция; σ – механические напряжения в кгс/ мм² .

У таких материалов, как медь и чугун, предел пропорциональности очень низкий и уже при малых напряжениях зависимость между деформацией и напряжением имеет сложный характер.

Экспериментальное определение НДС является необходимой частью ис-следований, проводимых при создании новых машин. Для обеспечения прочности и долговечности конструкций необходимо знать нагрузки и дейст- вующие напряжения. Определение НДС включает получение и обработку ин-формации о зависимостях между внешними быстроменяющимися силами и деформациями в узлах и деталях объекта при динамических периодических процессах.

К недостаткам тензодатчиков относятсятся: - возможность однократного использования (наклейки) на ОК; - низкая чувствительность; - небольшой уровень выходных сигналов; - значительный разброс сопротивлений.

Достоинства тензодатчиков:

- измерение деформаций при различных размерах базы; - дистанционные измерения в большом числе точек; - измерение в широком температурном диапазоне.

Тензодатчики изготавливают из константановой проволоки диаметром (0,02...0,03) мм на бумажной диэлектрической основе с базой 5, 10, 15, 25 мм.

Материал тензочувствительной решетки должен удовлетворять следую-щим требованиям:

- линейная зависимость изменения сопротивления от деформаций в широком диапазоне измерения; - возможно большее значение тензочувствительности и ее стабильность; - высокое удельное сопротивление; - малый температурный коэффициент сопротивления.

Тензоэффект характеризуется величиной тензочувствительности, уста-навливающей связь между относительным изменением сопротивления и относительной деформацией в направлении измерений.

Передача деформации на тензодатчик характеризуется функцией ε(х), под которой понимается функция распределения деформаций в чувствительном элементе по его длине (базе) в направлении главной оси тензодатчика при за-данной деформации образца

. (2.2)

Широкое распространение тензодатчиков как универсального средства объясняется возможностью измерения деформаций при различных размерах базы, начиная с десятых долей мм, дистанционные измерения в большом числе точек, измерения в широком температурном диапазоне при самотермо- компенсации или автоматической схемной компенсации. Электрическое со-противление тела тензодатчика изменяется при деформации за счет измене-ния его геометрических размеров и удельного сопротивления материала.

, (2.3)

где μ – коэффициент Пуассона; l – длина базы; ρ – удельное сопротивление материала тензодатчика.

Приращение сопротивления за счет изменения удельного сопротивления зависит от структуры и свойств материала и в ряде случаев может быть в десятки и сотни раз больше, чем изменение за счет геометрии.

Если на тензодатчик воздействует только неизвестная деформация, то ее значение находится по измеренному изменению сопротивления. В действи- тельности изменение сопротивления тензодатчика может быть вызвано не только измеряемой деформацией, но и другими причинами. К таким при-чинам относятся воздействия окружающей среды, несовершенство механи-ческих и электрических свойств элементов датчика.

Поскольку о значении деформации, измеряемой с помощью тензодатчи-ков, судят по вызываемому ею изменению сопротивления, постольку именно в связи со способностью изменять сопротивление под влиянием различных факторов и должны оцениваться их основные свойства.

Относительное изменение сопротивления тензодатчика ε_R в процессе из-мерения деформации и при наличии влияния окружающей среды можно за-писать в виде:

ε_R =F(ε_l, А₁, А₂,…,А_m), (2.4)

где ε_l – измеряемая деформация; А_j – факторы, отражающие влияние окру- жающей среды.

Предполагается, что каждый из факторов в процессе измерения дефор- мации должен контролироваться независимо, так как при этом условии из суммарного изменения сопротивления можно исключить ту его часть, кото-рая вызвана не деформацией. При этом необходимо учитывать, что предва-рительно установлена зависимость сопротивления от каждого из факторов в отдельности.

Определение зависимостей сопротивления от каждого из ожидаемых фак-торов является весьма сложной задачей и она тем сложнее, чем больше фак-торов необходимо обследовать и чем больше их взаимозависимость. К числу наиболее часто встречающихся факторов относятся: температура, влажность, давление, упругое последействие, изменение электропроводности основы и связующего. В связи с тем, что каждое воздействие имеет некоторую продол-жительность, к числу важных факторов следует отнести и время.

Одной из важных характеристик тензодатчика является электрическое со-противление изоляции (диэлектрической основы). Уменьшение сопротив- ления изоляции может привести к погрешностям в измерении деформаций (R_из= (200… 300) МОм. На величину сопротивления (кроме свойств свя- зующего) влияет количество датчиков, включенных в плечо моста, их база и число нитей тензорешетки. Тензодатчики для статических испытаний (в зависимости от рабочей температуры) можно разбить на две основные группы:

- тензодатчики, предназначенные для работы при нормальных температурах; - тензодатчики, работающие при повышенных температурах.

Необходимым требованием при наклейке тензодатчика на конструкции является обеспечение сцепления датчика по всей поверхности с конструк- цией. При этом в процессе деформирования тензорешетки происходит изме-нение ее геометрических размеров и удельного сопротивления тензодатчика. Принцип измерения деформаций с помощью тензодатчиков состоит в том, что при деформации изменяется его активное сопротивление. По изменению сопротивления тензодатчика судят об относительной деформации конструк-ции.

Деформация ε исследуемой конструкции, переданная с помощью связую-щего чувствительному элементу, приводит к изменению его сопротивления, функционально зависимого от деформации вдоль главной оси тензодатчика.

Для измерения деформаций в сложных условиях воздействия различных влияющих факторов необходимо использовать тензодатчики и схемы изме- рения, приводящие к малым значениям поправок. При получении расчетных зависимостей следует учитывать две основные функции, выполняемые тензо- датчиками:

- передачу деформации исследуемой конструкции через связующее чувстви-тельному элементу; - преобразование переданной деформации в приращение электрического соп- ротивления ΔR.

При измерении механических величин с применением тензодатчиков пер-вичными преобразователями являются упругие элементы, преобразующие измеряемую механическую величину в деформацию упругого элемента.