Тензометрический метод основан на измерении деформаций с последующим их преобразованием в удобные для наблюдений и измерений величины. Применяются различные тензометры: механические, оптические, пневматические и др. Весьма широко распространены электрические тензометры, которые преобразуют происходящие деформации в исследуемой зоне в электрические сигналы.
Основным чувствительным к деформациям элементом при этом методе является тензорезистор (тензодатчик). Наиболее распространены тензорезисторы проволочные, фольговые и полупроводниковые (рис. 1.1).
О каком бы типе тензорезистора ни шла речь, его материал во всех случаях должен удовлетворять таким условиям:
1.Чувствительность тепзорезисторов, выраженная относительным изменением сопротивления, должна быть как можно большей.
2. Общее сопротивление тензорезистора должно быть как можно большим, с тем чтобы нежелательное влияние сопротивлений в измерительном контуре и их изменений имело возможно меньшее значение (провода от аппаратуры, контакты и т. п.).
3. Температурный коэффициент сопротивления должен быть небольшим, с тем, чтобы ошибка, вызванная колебанием температуры, сводилась к минимуму.
4. В местах припайки проволоки тензорезистора к соединительным проводам должен отсутствовать термоэлектрический эффект (это относится к мостам постоянного тока).
5. Проволока тензорезистора должна быть хорошо обработана, с тем, чтобы она не была хрупкой и паялась.
6. Проволока тензорезистора должна обладать в возможно более широком диапазоне линейной зависимостью между относительной деформацией и изменением сопротивления.
Некоторые из указанных свойств противоречат друг другу, поэтому невозможно найти материал, который удовлетворял бы всем требованиям. Одним из лучших материалов, который в настоящее время применяют для изготовления проволочных и фольговых тензорезисторов, является константан, представляющий собою сплав меди и никеля. Хотя его удельное сопротивление по сравнению с другими известными материалами и невелико, однако этот недостаток компенсируется его незначительным температурным коэффициентом. Кроме того, константан является единственным материалом, в широком диапазоне удовлетворяющим условию линейной зависимости между относительной деформацией и изменением сопротивления.
Рассмотрим устройство некоторых типов тензорезисторов.
Проволочный тензорезистор представляет собой плоскую петлеобразную спираль 2 (рис. 1.1а), наклеенную на бумажную подложку 1. Диаметр проволоки 10...20 микрон. К концам проволочной спирали припаиваются или привариваются микросваркой медные токоподводы 3 (кусочки медного провода), служащие для подключения в измерительную схему. Бумажная подложка должна быть упругой и как можно тоньше (лучшая подложка из рисовой бумаги).
 |
а б в
а – проволочные на бумажной основе; б – фольговые на пленочной основе; в – полупроводниковые
Рисунок 1.1 – Типы тензорезисторов
Фольговые тензорезисторы отличаются от проволочных лишь тем, что вместо проволоки к бумажной или пленочной основе приклеивают тонкую (1…10 микрон) фольгу, которой путем травления придают требуемую форму в виде решетки (рис. 1.1б). Как явствует из рисунка, благодаря расширенным концам в узлах решетки можно достигнуть нечувствительности к поперечным деформациям тензорезистора, что невозможно в случае обычных проволочных тензорезисторов. Большим преимуществом этих тензорезисторов является значительная токовая нагрузка, которую они выдерживают благодаря большой поверхности охлаждения.
Полупроводниковые тензорезисторы изготавливаются из какого-либо полупроводника (чаще всего кремния) в виде небольшой, тонкой пластинки 2 (рис. 1.1в), приклеиваемой к пластмассовой подложке 1. Соединение между внешними выводными проводниками 4 и тензорезистором выполнено в виде петли 3 из благородного металла (золото).
Производство этих тензорезисторов весьма трудоемко и требует больших издержек. При этом необходимо иметь опыт и прецизионные приспособления для шлифования. Основой тензорезистора является кристалл кремния или германия, содержащий примеси типа р или п, благодаря чему он становится электропроводящим. Проводимость можно регулировать, изменяя количество примесей, при этом сопротивление пластинок тензорезисторов изменяется от 100 Ом до 10 кОм. Таким образом, в случае полупроводникового тензорезистора величина сопротивления зависит не от размеров, а, главным образом, от концентрации примесей в кристалле. Благодаря этому указанным способом можно изготавливать миниатюрные тензорезисторы, сопротивление которых больше, чем у крупных проволочных тензорезисторов. Их достоинство – высокий коэффициент тензочувствительности (см. ниже).
Тензорезисторы крепят на исследуемую деталь с помощью клея. При деформировании детали под действием сил датчик деформируется (удлиняется или сжимается) вместе с деталью, что вызовет изменение длины и сечения проволочки (фольги, пластинки) и, следовательно, изменится и сопротивление току, протекающему через датчик.
Измерение с помощью тензорезисторов основано на том факте, что тело, на которое действует сила, деформируется как в направлении действия силы, так и в перпендикулярном направлении. Деформация в направлении действия силы подчинена закону Гука, который действителен для области упругой деформации:
; (1.1)
, (1.2)
где 
– напряжение в материале, МПа (кгс/см2);
Е – модуль упругости материала, МПа (кгс/см2);
– относительная продольная деформация;
– база измерения деформации;
– изменение длины в результате деформации.
Деформация в направлении, перпендикулярном действию силы, определяется соотношением
, (1.3)
где 
– относительная деформация в направлении, перпендикулярном действию силы;
– коэффициент Пуассона (для стали = 0,25).
Между изменением сопротивления и относительной деформацией, которая вызвала его, существует простая зависимость
, (1.4)
где 
– относительное изменение сопротивления;
К – чувствительность тензорезистора к деформации.
Из уравнений (1.1) и (1.4) имеем:
. (1.5)
Для того чтобы можно было измерить изменение сопротивления тензорезистора с помощью электронных приборов, необходимо преобразовать его в изменение напряжения или тока в зависимости от того, каким прибором мы намерены пользоваться. Светолучевой осциллограф измеряет и регистрирует ток, электронный осциллограф показывает на экране отклонение, пропорциональное напряжению.
С учетом того, что деформации детали имеют малую величину, соответственно будет и весьма малое изменение сопротивления датчика 
. Поэтому для измерения используют специальную аппаратуру (тензометрическая аппаратура). Кроме этого, при измерении весьма важно избежать ошибки измерения за счет изменения температуры детали. Изменение температуры детали вызывает изменение линейного размера ее (за счет теплового расширения или сужения), что приведет к изменению сопротивления наклеенного на нее тензорезистора. В результате возникает ошибка в определении действительной величины механической деформации детали от внешних сил.
 |
Для измерения деформаций с помощью тензорезисторов чаще всего используется мостовая схема (рис. 1.2), обладающая высокой чувствительностью и простотой компенсации температурной ошибки.
Рисунок 1.2 – Мостовая схема
Мостовая схема на рис. 1.2 является основной схемой для тензометрических измерений. В этом случае тензорезисторы выполняют роль сопротивлений 
. Они включены последовательно, образуя квадрат с двумя диагоналями. Примем одну из диагоналей в качестве питающей и подведем напряжение 
. При этом на второй диагонали появится напряжение 
, определяемое соотношением, в котором в качестве переменных будут фигурировать сопротивления тензорезисторов 
и напряжение . Эту диагональ назовем измерительной. Известно, что в случае равенства всех сопротивлений на измерительной диагонали будет нулевое напряжение.
Если величина сопротивлений моста будет неодинаковой, то через измерительный прибор (гальванометр) «И» будет протекать ток, величина которого определяется по закону Кирхгофа
. (1.6)
В сбалансированном мосте выдержано соотношение
, (1.7)
что приведет к отсутствию тока в измерительной диагонали, т.е. 
. Сопротивления 
и 
берут одинаковыми и называют балластными ( 
), сопротивление 
- активное ( 
- наклеиваемый на деталь тензорезистор), а 
используется для температурной компенсации ( 
) и представляет собой такой же тензорезистор, как и активный ( 
), но наклеенный на ненагруженную деталь из такого же материала, как и нагружаемая деталь (см. рис. 1.3).
Такая схема позволяет исключить температурную погрешность из-за неодинакового нагрева одного из датчиков как протекающим током, так и от внешней среды.
При деформации детали с активным датчиком его сопротивление изменится на величину 
, т.е. 
.
Вследствие разбаланса моста через его измерительную диагональ пройдет ток 
, (1.8)
где 
– ток, протекающий через активный датчик.
Из выражения (1.8) видно, что ток, протекающий через гальванометр, пропорционален изменению сопротивления датчика, а значит, и относительной деформации (см. формулу (1.4).
Рисунок 1.3 – Включение тензорезисторов нулевым методом
Метод определения изменения сопротивления датчиков, основанный на измерении величины тока , носит название метода непосредственного отсчета.
Если мост после изменения сопротивления активного датчика на снова сбалансировать путем ввода в соответствующее плечо дополнительного сопротивления, то ток в измерительной диагонали моста снова будет равен нулю. Основанный на этом метод измерения при равновесном режиме работы моста называется нулевым методом и представлен на рис. 1.3.
Балансировка моста, разбаланс которого вызван изменением сопротивления активного датчика на величину , производится с помощью балансировочного сопротивления-реохорда 
. Реохорд выполняется из тонкой константановой проволоки, которой часто придают форму окружности (рис. 1.3). Тогда поворот скользящего по реохорду контакта (СК) на угол a в ту или другую сторону до достижения полной балансировки моста может быть зафиксирован по специальной шкале. Угол поворота a будет пропорционален изменению сопротивления , активного датчика и, следовательно, пропорционален относительной деформации исследуемой детали.
Таким образом, имея предварительную градуировку реохорда, можно довольно просто определять относительные деформации детали, на которой наклеен активный датчик, которые затем пересчитываются в напряжения по закону Гука.
В целях ускорения и упрощения измерения деформаций в нескольких точках исследуемых деталей и элементов конструкций применяют специальные автоматизированные устройства (приборы), в которых балансировка моста осуществляется автоматически благодаря тому, что подвижная система реохорда кинематически связана с реверсивным двигателем.
На рис. 1.4 приводится упрощенная схема автоматического измерителя деформаций типа АИД – 4, который используется в лаборатории сварных конструкций.
 |
Рисунок 1.4 – Схема автоматизированного измерителя деформаций
Прибор включает в себя биполярный электронный усилитель "У", предназначенный для усиления сигнала рассогласования в измерительной диагонали моста до величины, достаточной для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Ротор двигателя, в зависимости от фазы сигнала (определяется видом деформации: растяжения или сжатия), вращается в ту или иную сторону, поворачивая кинематически связанный с ним скользящий контакт (токосъемник) реохорда до положения, при котором уравновешивается изменение сопротивления 
активного тензорезистора. С токосъемником реохорда через зубчатую передачу связаны указательные стрелки шкалы прибора. Шкала прибора разбита на 100 делений. При одном обороте большой стрелкой (БС) малая стрелка (МС) перемещается на 1/10 шкалы (аналогия со стрелками часов). Для измерения в большом числе точек, прибор комплектуется специальным переключающим коммутатором П, позволяющим осуществлять поочередное подключение активных датчиков 
и т.д. (до 100 шт.) к измерительному мосту (рис. 1.5).
В зависимости от типа тензорезистора (проволочный, фольговый и полупроводниковый) меняется их тензочувствительноеть, см. формулу (1.1). Поэтому прежде чем приступать к исследованию напряжений в каких-либо элементах, на которые наклеены тензодатчики, необходимо провести тарировку датчиков и прибора, т.е. определить цену деления прибора.
Дата: 2018-11-18, просмотров: 563.
