Конструкции и основные характеристики тензорезисторов

Измерение линейных деформаций при растяжениив настоящей работе осуществляют с помощью резистивных тензодатчиков (тензорезисторов). Принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления проводника от длины.

Для измерения деформаций в деталях машин и конструкций в широком диапазоне температур применяют тензорезисторы с чувствительным элементом из микропровода (проволочные) или из металлической фольги (фольговые). Одной из основных характеристик тензорезистора является его база S, определяемая как длина активной части чувствительного элемента между внутренними краями поперечных участков в направлении главной оси (рис. 4.2). Минимальная база, установленная ГОСТ 21616-76,равна 0,25 мм, максимальная - 200 мм. Наиболее употребительны базы от 5 до 30 мм. Тот же ГОСТ устанавливает ряд номинальных сопротивлений 50, 100, 200, 400 и 800 Ом.

В исходном состоянии электрическое сопротивление проволоки

,

где ρ; - удельное сопротивление материала проволоки; l - начальная длина деформируемого участка проволоки; А - площадь сечения проволоки. При растяжении проволоки на ∆l ее сопротивление изменится на величину ∆R.

Из метрологических характеристик важнейшей является функция преобразования, устанавливающая зависимость информативной составляющей выходного сигнала тензорезистора (отношение приращения сопротивления тензорезистора к его начальному значению ∆R/R) от информативной составляющей входного сигнала (деформации ∆; l / l ). В диапазонеупругих деформаций функция преобразования для всех типов тензорезисторов практически линейна. Поэтому она может быть заменена однимчислом - чувствительностью К: .

Выходной сигнал является безразмерным. В документации его выражают в миллионных долях (млн^-1) и ЕОД - единицах относительной деформации (ЕОД = ).

Конструкции и материал тензорезисторов зависят от их назначения и условий работы. Наиболее употребительным материалом для изготовления проволочных тензорезисторов является константановая проволока диаметром 20 - 30 мкм. Решетка фольговых тензорезисторов – полоски прямоугольного сечения толщиной 4 - 13 мкм. Преимущество таких тензорезисторов - возможность изготовления решеток любого рисунка, наиболее полно удовлетворяющих условиям измерений. Так прямоугольные наиболее подходят для измерения линейных деформаций, розеточные -для измерения крутящих моментов на круглых валах, мембранные – для наклейки на мембраны. Приклеиваемые фольговые (см. рис. 4.2) - из константановой фольги на полиамидной пленке КФ4 или термостойкой бумаге КФ5. Для измерения деформаций при высоких температурах применяют тензорезисторы высокотемпературные НМТ- 450 привариваемые. Материал решетки - проволока из никель-молибденового сплава.

Чувствительные элементы тензорезисторов изготавливают в виде одиночной решетки (см. рис. 4.2),цепочки одиночных тензорезисторов, равноугольной розетки (главные оси ориентированы под углом 120°), моста для установки на мембрану и др. форм.

Схемы включения тенэорезисторов. Выходной сигнал тензорезистора представляет собой сумму деформационной, температурной и временной ("дрейф") составляющих. Поэтому для выделения информативной (деформационной) составляющей сигнала рабочего тензорезистора применяют мостовую схему включения резисторов.

На рис. 4.3 показан мост при небалансном (в отличие от нулевого) методе измерения и включении тензорезисторов по трёхпроводной (применяют еще четырёх- и пятипроводные) схеме. В одно плечо включен рабочий тензорезистор R₁. В другое плечо включен компенсационный тензорезистор R_к, наклеенный на материал с таким же температурным коэффициентом линейного расширения (КЛТР), что и деталь, в которой измеряют деформации. Рабочий и компенсационный тензорезисторы устанавливают в зонах с одинаковой температурой и соединяют с измерительным прибором кабелем со штепсельным разъёмом X1. В третье и четвёртое плечи включены балластные резисторы R_б, расположенные в измерительном приборе. К диагонали АВ подключён источник питания ИП, а в диагонали CD измеряют сигнал разбаланса цифровым измерителем ИД. Коммутатор SA вручную или автоматически, выборочно или по заданной программе (зависит от конструкции прибора) подключает различные рабочие тензорезисторы.

Приборы. Измеритель деформации цифровой ИДЦ-1. Число измерительных точек – 10. Для снижения потребления энергии от источника питания индикаторы подключаются на короткое время (3-5 с). Время одного измерения 2с. Прибор не рассчитан на вывод информации в виде кода для дальнейшей автоматизированной обработки результатов измерений.

Тензометрический цифровой мост ЦТМ-5 укомплектован блоком коммутации на 100 точек. Время одного измерения l,2 c. Результаты измерений отображаются на цифровом табло, выводятся на цифропечать, возможен ввод в ЭВМ для обработки информации.

3.2. Измерение деформации сдвига при кручении в данной лабораторной работе производится механическим тензометром - торсиометром (от англ., фр. torsion - кручение, скручивание). Принципиальная схема прибора приведена на рис. 4.4. Торсиометр состоит из двух разъёмных частей 1 и 2, выполняющих роль опор. Каждая из опор прибора закрепляется на образце 3 четырьмя подвижными центрами 4 (на рис. 4.4 показан один). Расстояния между центрами 4 опор 1 и 2образуют базу прибора l ₀, т.е. длину, на которой определяется угол закручивания образца. Угол закручивания определяют с помощью индикатора часового типа 5, корпус которого связан с опорой 2. Измерительный стержень индикатора через упругий поводок 6 связан с круговым сектором 7. Круговой сектор жёстко закреплен на опоре 1. Таким образом, при приложении к образцу крутящего момента и, как следствие, взаимном повороте опор 1 и 2, происходит изменение показаний индикатора. Круговой сектор 7обеспечивает пропорциональность показаний индикатора углу закручивания образца. Индикатором замеряется длина дуги S = aΔn, где a= 0,01 мм – цена деления индикатора, Δn - изменение показаний индикатора в делениях. Угол закручивания φ; можно определить по формуле:

,

где r – радиус кругового сектора 7 торсиометра, r = 50 мм; с - цена одного деленияприбора в радианах, с = 0,0002 радиана.

Для используемого в работе торсиометра база прибора l ₀ = 0,1 м.