Электрического принципа действия3.3.1. Общие понятия. В настоящее время для измерения деформаций широкое распространение получили электротензометрические методы. Измерение деформаций этими методами возможно благодаря тому, что деформация датчика вызывает изменение его некоторых параметров – сопротивления участка электрической цепи, емкости конденсатора или индуктивности электромагнитной катушки. В измерительных приборах всегда присутствуют три части – датчик, усилитель и регистрирующее устройство (преобразователь). Элемент, прикрепленный к образцу, к конструкции, к детали машины или механизма и воспринимающий деформацию, называется датчиком. Сам датчик только вырабатывает сигнал, который поступает на усиливающее устройство. Так как носителем сигнала может быть сила тока, изменение емкости или индуктивности, что не может быть непосредственно воспринято и зарегистрировано человеком, то после усиления сигнала он подается на преобразующее устройство. Преобразованный сигнал размещается на доступном для восприятия человеком носителе – индикация чисел, график, звуковой или световой сигнал и др. В зависимости от того, какой электрический параметр датчика изменяется, различают датчики сопротивления, емкостные и индуктивные датчики. Благодаря возможности дистанционного измерения, особенно широкое распространение получили проволочные датчики. Их удобно применять для измерения деформаций не только при статических нагрузках и на неподвижных деталях, но и при динамических нагрузках, на быстро перемещающихся деталях, в трудно доступных местах, а также на конструкциях, испытывающих предельное состояние и даже при разрушении сооружений. Небольшие размеры проволочных датчиков позволяют размещать их на небольшой площади конструкции, что дает возможность для более детального изучения напряженно-деформированного состояния исследуемой конструкции. Кроме того, проволочные датчики дешевые. Поэтому экономические затраты от их потери при испытаниях с доведением конструкций, машин или механизмов до разрушения малы. По величине измеренных деформаций, используя закон Гука, вычисляют напряжения в соответствующих точках конструкции. Определение напряжений по измеренной деформации называют тензометрированием. Главным недостатком электротензометрического метода является малая точность измерения, что во многом зависит от материала, из которого изготовлена испытываемая конструкция, качества поверхности, качества наклейки датчика и др. Поэтому этот метод может применяться только в тех случаях, когда высокая точность измерений не требуется. Проволочный датчик сопротивления представляет собой тонкую проволоку, изогнутую в виде плоских петель, наклеенную на полоску специальной бумаги или пленки. Специальным клеем (раствор целлулоида в ацетоне или БФ-4) датчик наклеивается на поверхность испытываемого объекта, что обеспечивает его совместную деформацию с деформацией поверхности детали или элемента конструкции. Проволока изготовлена из константанового сплава или из другого сплава (например, нихрома), имеющего большое омическое сопротивление. Диаметр проволоки составляет 0, 02-0, 03 мм. При деформации датчика длина проволоки изменяется. Поэтому изменяется и омическое сопротивление датчика. По величине изменения сопротивления датчика определяется величина деформации. Чем длиннее проволока, тем больше изменяется ее сопротивление при одной и той же деформации. Поэтому для более точных измерений следует применять датчики из длинной проволоки. Однако, при увеличении длины проволоки будет увеличиваться и база измерения. Это не всегда приемлемо, особенно если деформации распределены неравномерно. Для уменьшения базы измерения и сохранения болдщой длины проволоки ее укладывают в виде петель. Все петли проволоки в электрической цепи будут являться последовательно соединенными проводниками. Поэтому их сопротивления в электрической цепи складываются. Вследствие зигзагообразной укладки проволоки датчик будет реагировать на деформацию только по направлению длинных ветвей проволоки. Это направление называется рабочим направлением датчика. Длина петли l o является базой датчика. Для измерений деформаций обычно применяют датчики с базой 5, 10 и 20 мм. Для удобства припайки датчика к электропроводам выводные концы проволоки утолщены. Опытным путем установлено, что закон изменения сопротивления D R прямо пропорционален относительной деформации e
где R – начальное сопротивление датчика, которое может быть от 100 до 250 Ом; g – коэффициент чувствительности, зависящий от материала и базы датчика, может принимать значения от 1, 8 до 2, 1. Из формулы (1) выражается линейная деформация e
Величины g и R для датчика постоянные, а величина D R измеряется прибором. Изменения D R очень мало и для его измерения должны применяться очень чувствительные регистрирующие устройства. Для измерения деформаций, возникающих при действии статических нагрузок, применяют регистрирующие устройства с использованием электрических мостовых схем – с отсчетом по гальванометру (рис. 3) и с отсчетом по шкале балансировочного устройства (метод установки нуля) (рис. 5).
3.3.2. Мостовая схема с отсчетом по гальванометру. В процессе деформации конструкции, детали машины или образца изменяется сопротивление рабочего датчика Rр. Для определения этого изменения применяют равноплечный электрический мост. Рабочий датчик с сопротивлением Rр, наклеенный на поверхность конструкции, включается в одно плечо моста. Три другие плеча образуются сопротивлениями R 1, R 2 и компенсирующим датчиком Rк, должны иметь равное с ним сопротивление. Все четыре сопротивления образуют уравновешенный мост, если разность потенциалов между узлами 1 и 3 будет равна нулю. Известно, что на электрическое сопротивление проводника оказывает влияние температура. Чем выше температура, тем больше “раскачиваются” атомы проводника (металлов) около своих штатных положений в кристаллической решетке и тем самым затрудняют направленное движение электронов. Вместе с тем, дальнейшее повышение температуры приводит к уменьшению электрического сопротивления проводника. Это происходит потому, что тепловые колебания атомов становятся настолько большими, что их внешние электроны покидают свои орбиты. Это насыщает проводник электронным газом, являющимся хорошим носителем заряда. Поэтому для переноса одного и того же заряда через сечение проводника электронам потребуется переместиться на гораздо меньшее расстояние по длине проводника. Сопротивление такому малому перемещению электронам кристаллическая решетка проводника оказывает гораздо меньшее. Для компенсации влияния температуры на результаты измерения используется компенсирующий датчик. Рабочий и компенсирующий датчики должны быть в одинаковых температурных условиях. Поэтому компенсирующий датчик следует располагать вблизи рабочего датчика, но не наклеивать на поверхность конструкции, так как изменение его сопротивления должно вызываться только изменением температуры, а не деформацией конструкции. В этом случае изменение температуры одинаково сказывается на сопротивлении обоих датчиков, которые принадлежат разным ветвям электрического моста. Поэтому изменение температуры не нарушает его равновесия, то есть компенсируется датчиком Rк.
Рис. 3 – Проволочный датчик сопротивления и мостовая схема с отсчетом по гальванометру: K–ключ, Б – питание, Г – гальванометр, R р – рабочий датчик, R к – компенсирующий датчик, R 1 и R 2 – сопротивления, r – переменное сопротивление К узлам моста 1 и 3 подключается источник постоянного тока Б (батарея), а к ветви между узлами 2 и 4 – чувствительный электроизмерительный прибор Г (гальванометр), предназначенный для измерения силы тока, и переменное сопротивление r (потенциометр). Напряжение источника тока не должно превышать 8 В, чтобы исключить значительный нагрев датчиков. Перед нагружением конструкции или детали следует произвести балансировку моста за счет изменения сопротивлений R 1 и R 2, а также переменным сопротивлением r. Иногда сопротивлениями R 1 и R 2 служат датчики, наклеенные на поверхность с двух сторон консольной балки (рис. 4). Такая балка называется балансировочной. В этом случае регулировку их сопротивлений производят деформацией балки. Если балка искривляется выпуклостью вверх, то ее верхние волокна удлиняются, а нижние укорачиваются. Поэтому датчик R 1, наклеенный к верхней поверхности балки, также удлиняется и его сопротивление увеличивается. Датчик R 2 наклеен на нижнюю поверхность балки. Поэтому он вместе с нижними волокнами балки укорачивается и его сопротивление уменьшается. И, напротив, если балка искривляется выпуклостью вниз, то сопротивление верхнего датчика R 1 уменьшается, а нижнего R 2 увеличивается. Если за счет деформации элемента конструкции или детали машины рабочий датчик изменит свое сопротивление, то баланс электрического моста нарушится из-за того, что сопротивления его ветвей не будут равными. Тогда между узлами 2 и 4 возникнет разность потенциалов и в ветви 2-4 появится электрический ток, о чем будет свидетельствовать отклонение гальванометра от нулевого отсчета. Сила тока пропорциональна изменению сопротивления датчика Rр, а значит и величине произошедшей деформации. По отсчету на гальванометре и с учетом цены деления можно установить значение этой деформации. Для выполнения измерений предварительно требуется установить цену деления гальванометра, выраженную через деформацию. Цену деления прибора определяют тарировкой. Основное уравнение проволочного тензоэффекта имеет вид
где R – электрическое сопротивление недеформированной проволоки; D R – приращение сопротивления деформированной проволоки; K – чувствительность проволоки к деформации (коэффициент тензочувствительности); e – относительная линейная деформация проволоки. Изменение сопротивления датчика равно
где D R – изменение электрического сопротивления датчика; a0 – цена деления гальванометра; D n – изменение показания гальванометра. Тогда зависимость деформации датчика от изменения показания гальванометра имеет вид
или
Отсюда следует, что датчики сопротивления характеризуются следующими параметрами: базой l 0 (l 0 = 5 – 100 мм); номинальным сопротивлением (R = 10 – 800 Ом); наибольшим значением относительной линейной деформации, которую можно измерить датчиком (emax = 0, 3 %); коэффициентом тензочувствительности (K = 1, 9 – 2, 1). Цена деления прибора также может быть найдена опытным способом при помощи тарировочной балки (рис. 4), которая за счет своей формы имеет ту особенность, что при нагружении в любой точке ее поверхности появляются одинаковые деформации. На верхнюю и на нижнюю поверхность тарировочной балки наклеивают несколько датчиков и нагружают ее. Зная величину силы F и размеры балки, вычисляют относительные линейные деформации верхних и нижних волокон балки и снимают отсчеты по прибору. Цену деления прибора определяют делением приращения деформаций волокон балки De на приращение показаний гальванометра D n
Рис. 4 – Схема тарировочной балки
При тарировке обычно используется несколько датчиков из партии, чтобы исключить случайные погрешности и учесть статистический разброс. 3.3.3. Мостовая схема с отсчетом по нулевому методу (метод установки нуля). Принципиальная электрическая схема измерения деформаций с установкой нуля (рис. 5) существенно не отличается от схемы измерения деформаций с отсчетом по гальванометру (рис. 3). Отличие заключается лишь в способе балансировки моста. После нагружения испытываемой конструкции за счет изменения сопротивления датчика произойдет разбалансировка электрического моста, и стрелка гальванометра отклонится от нулевой отметки. Возврат к равновесному состоянию моста может быть достигнут поворотом рукоятки реохорда и тем самым изменением сопротивления Rp. О величине деформации датчика судят по числу делений, на которое потребовалось повернуть ручку реохорда. То есть в этом случае отсчет снимают не с показаний гальванометра, а со шкалы реохорда. Нулевой метод измерения точнее, чем метод отсчета по гальванометру, так как в момент снятия отсчета мост сбалансирован и через гальванометр ток не проходит. Поэтому показания не будут зависеть от колебания напряжений источника тока и сопротивления гальванометра.
Рис. 5 – Мостовая схема с отсчетом по нулевому методу: Rrb – рабочий датчик; RK – компенсирующий датчик; RP – реохорда; R 1– сопротивление; R 2 – переменное сопротивление; Г – гальванометр; K – переключатель; Б – источник питания
Вопросы по разделу 3
1. Какие инструменты используются для измерения линейных размеров твердых тел? 2. Измерение каких размеров деталей могут быть выполнены штангенциркулем? 3. Какие действия и в какой последовательности следует выполнять при измерении штангенциркулем наружных и внутренних размеров детали? 4. На какие два вида делятся деформации тел? 5. Какие деформации тела называются линейными? 6. Какие деформации тела называются угловыми? 7. Что называется базой измерения прибора и из каких соображений она выбирается? 8. На какие три вида делятся тензометры по принципу своего действия? 9. К какому виду по своему принципу действия относится стрелочный индикатор? 10. Какую цену деления и базу измерения могут иметь стрелочные индикаторы? 11. Опишите принцип работы механизма стрелочного индикатора. 12. Что обозначает по своему смыслу цена деления прибора? 13. Изменение каких параметров проводника электрического тока используется в электротензометрических методах? 14. Какой элемент измерительного прибора называется датчиком и какую функцию он выполняет при измерении деформаций? 15. Для чего предназначено преобразующее устройство в измерительном приборе? 16. Какие преимущества и недостатки имеет измерение деформаций электротензометрический методом по сравнению с измерениями механическими тензометрами? 17. Что следует понимать под тензометрированием? 18. Как устроен проволочный датчик сопротивления и как он прикрепляется к детали (конструкции)? 19. На каком принципе основана работа проволочного датчика? 20. Какое направление датчика является рабочим и почему? 21. Какие электрические мостовые схемы используются для измерения деформаций? 22. Как устроен электрический мост при измерении с отсчетом по гальванометру? 23. Как влияет изменение температуры на электрическое сопротивление проводника? 24. Для чего предназначен и где должен располагаться компенсирующий датчик при измерении деформаций? 25. Как компенсируется влияние температуры на электрическое сопротивление рабочего датчика? 26. Почему напряжение источника питания ограничено и не должно превышать 8 В? 27. Как выполняется балансировка электрического моста с помощью балансировочной балки? 28. На каком принципе основано измерение деформации методом отсчета по гальванометру? 29. Как определяется цена деления прибора? 30. Какие основные параметры характеризуют проволочный датчик? 31. Как определяется цена деления прибора с помощью тарировочной балки? 32. Какую особенность имеет тарировочная балка? 33. Какую форму и почему именно такую имеет тарировочная балка? 34. Чем отличается измерение деформаций методом установки нуля от метода отсчета по гальванометру? 35. В чем преимущество измерения деформаций методом установки нуля? 36. Как устроена мостовая схема для измерения деформаций методом установки нуля? 37. Принцип работы мостовой схемы для измерения деформаций методом установки нуля?
|
, (1)
. (2)
, (3)
, (4)
(5)
. (6)
. (7)
