Основные технические характеристики тензодатчиков

Известно, что принцип действия тензодатчика основан на свойстве мате- риала изменять омическое сопротивление металлов и полупроводников в зависимости от напряженного состояния. Уменьшение или увеличение со-

противления проволоки при механическом воздействии на нее объясняется изменением ее геометрических размеров (длины, диаметра) и удельного со-противления материала.

Каждый датчик-преобразователь пытаются сконструировать так, чтобы он воспринимал по возможности один из всех действующих на него фак-торов, который называют естественной входной величиной. Но в какой-то мере датчик воспринимает и другие посторонние сигналы. Так как в основе работы металлических тензодатчиков лежит эффект изменения их электро-сопротивления при механической деформации. Однако оно зависит, в част-ности, и от температуры. Поэтому, если в процессе деформации меняется температура объекта или датчика, то на изменение сопротивления тензодат- чика оказывает влияние и температурный дрейф. Влияние температурного дрейфа приводит к появлению паразитных сигналов или шумов. Естественно, что тензодатчики изготавливают из металла или сплава с как можно мень-шим температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Наоборот, ме-таллический проводник с большим ТКС и малой тензочувствительностью можно применять как термометр сопротивления.

К основным техническим характеристикам тензодатчиков относятся:

- тензочувствительность при нормальной температуре; - связующее; - механический гистерезис; - ползучесть; - электрическое сопротивление изоляции; - номинальное сопротивление.

Чувствительностьтензодатчика к деформациям характеризуется отноше- нием изменения его сопротивления под действием деформации к величине относительной деформации.

Минимальная величина входного сигнала, которую можно уверенно за-регистрировать с помощью данного преобразователя, называется его порогом чувствительности.

Тензочувствительность зависит от материала, формы и конструкции дат-чиков. Так как тензочувствительность расчетным путем может быть опреде-лена только приближенно, перед экспериментом тензодатчики градуируют (тарируют) на специальном стенде. Исследование характеристик тензодат- чиков проводится после наклейки на данном стенде. Основу градуировочных устройств составляет упругий элемент, на поверхности которого с помощью системы нагружения воспроизводят деформацию заданной величины. В ка-честве упругих элементов используют стержни круглого или прямоуголь-ного сечения, подвергаемые продольному нагружению и балки постоянного или переменного сечения, но равного сопротивления изгибу.

Требования, предъявляемы к упругому элементу:

- упругий элемент должен иметь рабочий участок с поверхностью, доста-точной для размещения на нем выборки градуируемых тензодатчиков, при-чем, на всей поверхности деформация упругого элемента должна быть по-стоянной;

- он должен быть изготовлен из структурно однородного материала с высо-кими упругими свойствами.

При определении чувствительности тензодатчики наклеивают в пределах рабочего участка упругого элемента градуировочного устройства. После это-го упругий элемент нагружают для воспроизведения градуировочной дефор-мации ε_гр. При этом каким-либо способом измеряют деформацию поверхно-сти пластины, на которой наклеены тензодатчики, а тензочувствительность определяется при установившейся температуре. Величину тензочувстви-тельности К рассчитывают по формуле (2.5).

, (2.5)

где R_t – начальное значение сопротивления тензодатчика; ΔR_t -приращение сопротивления после нагружения градуировочного устройства.

Связующее – это материал, используемый для закрепления чувствитель- ного элемента и выводных проводников на подложке, а также тензодатчика на исследуемом объекте. Связующее, в качестве которого для приклеивае-мых тензодатчиков используются различные клеи, является конструктивным элементом, передающим деформацию от поверхности исследуемого объекта к чувствительному элементу и осуществляющим электрическую изоляцию последнего от объекта. Клей, с помощью которого приклеивают тензодатчик на образец, должен обладать прочностью, линейной упругостью и стабиль-ностью в течение длительного периода времени.

Несущая основа тензодатчика и клеи требуют самого серьезного внима-ния. Необходимо соблюдать процедуры нанесения и сушки клея. Циакрин для инициирования полимеризации не требует ни нагрева, ни отвердителей. Для ускорения полимеризации на одну из поверхностей может быть нанесён катализатор. Благодаря очень быстрой полимеризации этот клей является идеальным компонентом для тензодатчиков общего назначения. Он может использоваться в диапазоне температур от -32°С до +65°С и обеспечивает правильное измерение деформации не выше 6 %. Прочность клея снижается со временем из-за поглощения влаги, поэтому его необходимо защищать при длительной эксплуатации.

Ползучесть проявляется в виде изменения выходного сигнала от времени при заданном и неизмененном значении деформации. Причиной ползучести является упругое несовершенство основы и клея. В пределах упругого диапа- зона деформаций ползучесть большинства тензодатчиков не превышает (1-1,5) % за 6 часов.

При определении ползучести тензодатчиков используют те же средства, что и при определении тензочувствительности. Пластине с исследуемыми тензодатчиками задается неизменная во времени деформация. Затем измеряя-ется изменение во времени (начиная с момента задания деформации) относи- тельного приращения сопротивления тензодатчика. При этом упругому эле-менту задают постоянную во времени нагрузку. Начиная с некоторого фик-сированного момента после приложения нагрузки производят измерение со-противления тензодатчиков. Обычно первый отсчет снимается через (10-15) минут после нагружения, а последующие - через τ = 15 ; 30 ; 60 минут.

Расчет ползучести тензодатчика производится по формуле:

∙100 %, (2.6)

где относительное изменение сопротивления тензодатчика, измерен- ное непосредственно после нагружения образца; относительное изме- нение сопротивления тензодатчика, измеренное по истечении времени τ по-сле окончания нагружения образца.

Температурные условия при определении ползучести должны быть бли-зки к температурным условиям при измерении деформации, так как ползу-

честь тензодатчиков зависит от температуры. На измеряемую величину пол-зучести не должна оказывать влияние температура, а также изменения со-противления тензодатчика от снижения сопротивления изоляции и от влаги.

Как правило, ползучесть определяется на тех же установках, на которых определяется чувствительность тензодатчиков. Характеристика ползучести может быть определяющей при выборе типа тензодатчика для исследования длительной прочности и ползучести конструкции.

При первом нагружении тензодатчика ползучесть всегда больше, чем при последующих. Связано это с химическими изменениями в полимерном ма-териале. В связующем протекают необратимые процессы увеличения числа поперечных связей и разрывов связей, обусловленные дальнейшей полиме-ризацией, окислением и дефектами в молекулах.

Механический гистерезис, как и ползучесть, обусловлен упругим несовер- шенством основы и клея и численно определяется как приведенная ко входу разность значений выходного сопротивления для одного и того же значения деформации при условии, что данное значение деформации достигается при плавном ее возрастании и уменьшении. Для различных типов тензодатчиков механический гистерезис находится в пределах (0,5-5)%.

Из теории полимеров известно, что гистерезисные явления в них опреде- ляются различными причинами, важнейшими из которых являются релак- сационные процесссы, связанные с временными процессами упругости и те-кучести. Помимо этих явлений гистерезис в полимерных связующих может определяться также механическими процессами, связанными с разрушением молекул и молекулярных связей, а также тепловыми эффектами при дефор- мации. При определении величины гистерезиса нагружение и разгружение балки с тензодатчиками проводят с одинаковой скоростью.

Одна из основных характеристик тензодатчика – это электрическое со-противление изоляции. Основным требованием к связующему является тре-бование высоких электроизоляционных свойств. Непостоянство изоляцион-ных свойств связующего может привести к изменению сопротивления тензо-датчика. При повышении температуры и действии влаги все органические и неорганические диэлектрики снижают электрическое сопротивление. Допус-тимое значение сопротивления изоляции зависит от его начального сопро-тивления, сопротивления тензодатчика и допустимого изменения сопротив-ления за счет изменения сопротивления изоляции, которое определяется тре-бованиями эксперимента и применяемой аппаратурой. Оно также зависит от количества последовательно или параллельно включенных в плечо моста тензодатчиков.

Следующей основной характеристикой тензодатчиков является номи-нальное сопротивление. Номинальное сопротивление - это величина электри-ческого сопротивления, измеренного между выводными проводниками. При отсутствии деформации оно бывает двух типов:

- сопротивление свободного тензодатчика; - сопротивление наклеенного тензодатчика.

Сопротивление тензодатчика зависит от материала, диаметра и длины тензочувствительной проволоки, от степени совершенства сварки с вывод- ными проводниками и изоляционных свойств связующего. Партия тензодат- чиков, одновременно изготовленных, характеризуется номинальным сопро- тивлением, разбросом сопротивления в партии и разностью сопротивлений до и после наклейки.

Материалы, используемые в тензодатчиках, указаны в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Материалы, использемые в тензодатчиках

Константан - используется в большинстве тензодатчиков, благодаря неиз-менности тензочувствительности и отсутствию существенных изменений при переходе от упругих деформаций к пластическим. Он обладает высоким удельным сопротивлением и температурной стабильностью.
Сплав карма - по сравнению с константаном обладает рядом преиму- ществ:

- может быть скомпенсирован температурно в более широком диапазоне тем- ператур; - никеле-хромовая основа сплава обеспечивает тензодатчикам более высокие усталостные характеристики; - сплав проявляет более высокую временную стабильность, а, следовательно, предпочтителен при измерении статических деформаций на протяжении длительного времени (от нескольких месяцев до нескольких лет);

Недостаток: трудность пайки выводных проводников к контактным площад-кам.
Изоластик обладает высокой тензочувствительностью и наиболее высо-кими усталостными характеристиками. Однако он исключительно чувстви-телен к температуре, а, следовательно, его область применения ограничена или динамическими измерениями, или статическими, при которых неста-бильность, связанная с температурой, не имеет значения.

Нихром V, платиновольфрам и армюр Д применяют в узкоспециальных приложениях, связанных с высокими температурами, при которых приобре- тают существенное значение устойчивости к окислительным процессам.

Основные требования к материалу тензорешетки: - линейная зависимость сопротивления от деформации в широком диапазоне измерения; - возможно большее значение коэффициента тензочувствительности К и его стабильности; - высокое удельное сопротивление; - малый температурный коэффициент сопротивления.