Tenometrar — tensometriska mätgivare

Töjningsmätare - en parametrisk resistiv givare som omvandlar deformationen av en stel kropp som orsakas av en mekanisk påkänning på den till en elektrisk signal.

En resistiv tryckmätare är en bas med ett känsligt element fäst. Principen för töjningsmätning med töjningsmätare är att töjningsmätarens motstånd ändras under töjningen. Effekten av förändringen av motståndet hos en metallisk ledare under inverkan av all-round kompression (hydrostatiskt tryck) upptäcktes 1856 av Lord Kelvin och 1881 av OD Hvolson.

I sin moderna form representerar en töjningsmätare strukturellt ett töjningsmotstånd, vars känsliga element är tillverkat av ett spänningskänsligt material (tråd, folie etc.), fäst med ett bindemedel (lim, cement) på den del som undersöks (Figur 1). För att ansluta avkänningselementet till den elektriska kretsen har töjningsmätaren ledningar.Vissa töjningsmätare är designade för enklare installation, de har en dyna placerad mellan det känsliga elementet och delen som testas, samt ett skyddselement ovanför det känsliga elementet.

Figur 1 Schematisk töjningsmätare: 1- känsligt element; 2- bindemedel; 3- substrat; 4- undersökt detalj; 5- skyddselement; 6- block för lödning (svetsning); 7-ledarkabel

Med alla de olika uppgifterna lösta med hjälp av töjningsgivare, kan två huvudområden av deras användning särskiljas:

— Studie av de fysikaliska egenskaperna hos material, deformationer och spänningar i delar och strukturer.

— användning av töjningsgivare för att mäta mekaniska värden som omvandlas till deformation av ett elastiskt element.

Det första fallet kännetecknas av ett betydande antal spänningsmätpunkter, breda intervall av förändringar i miljöparametrar, såväl som omöjligheten att kalibrera mätkanalerna. I detta fall är mätfelet 2-10%.

I det andra fallet är sensorerna kalibrerade enligt det uppmätta värdet och mätfelen ligger i intervallet 0,5-0,05 %.

Det mest slående exemplet på användningen av töjningsmätare är balansen. De flesta ryska och utländska tillverkares vågar är utrustade med töjningsmätare. Lastcellsvågar används i olika industrier: icke-järn- och järnmetallurgi, kemi-, bygg-, livsmedels- och andra industrier.

Funktionsprincipen för elektroniska vågar reduceras till att mäta tyngdkraften som verkar på lastcellen genom att omvandla de resulterande förändringarna, såsom deformation, till en proportionell elektrisk utsignal.

Den breda användningen av tensormotstånd förklaras av ett antal av deras fördelar:

— liten storlek och vikt.

— Låg tröghet, vilket möjliggör användning av töjningsmätare för både statiska och dynamiska mätningar.

— ha en linjär egenskap;

— Tillåta mätningar på distans och på många ställen.

— Metoden för installation på den undersökta delen kräver inte komplicerade anordningar och förvränger inte deformationsfältet för den undersökta delen.

Och deras nackdel, som är temperaturkänslighet, kan i de flesta fall kompenseras.

Typer av omvandlare och deras designfunktioner

Driften av töjningsmätare är baserad på deformationseffektfenomenet, som består i en förändring av trådarnas aktiva motstånd under deras mekaniska deformation. Karakteristiken för materialets deformationseffekt är koefficienten för relativ deformationskänslighet K, definierad som förhållandet mellan förändringen i motstånd och förändringen i ledarens längd:

k = er / el

där er = dr / r — den relativa förändringen i ledarens resistans; el = dl / l — den relativa förändringen i längden på tråden.

Under deformationen av fasta kroppar är förändringen i deras längd associerad med en förändring i volym, och deras egenskaper, särskilt motståndsvärdet, ändras också. Därför bör värdet av känslighetskoefficienten i det allmänna fallet uttryckas som

K = (1 + 2μ) + m

Här kännetecknar kvantiteten (1 + 2μ) förändringen i resistans som är förknippad med en förändring i de geometriska dimensionerna (längd och tvärsnitt) hos ledaren, och — en förändring i resistansen hos materialet som är förknippad med en förändring i dess fysiska egenskaper.

Om halvledarmaterial används vid framställningen av tensorn bestäms känsligheten främst av förändringen i gallermaterialets egenskaper under dess deformation och K »m och kan variera för olika material från 40 till 200.

Alla befintliga omvandlare kan delas in i tre huvudtyper:

— tråd;

- folie;

- en film.

Trådtelemetrar används i tekniken för att mäta icke-elektriska storheter i två riktningar.

Den första riktningen är användningen av deformationseffekten av en ledare i ett tillstånd av volymkompression, när det naturliga ingångsvärdet för givaren är trycket från den omgivande gasen eller vätskan. I det här fallet är givaren en trådspole (vanligtvis manganin) placerad i området för det uppmätta trycket (vätska eller gas). Utgångsvärdet för omvandlaren är förändringen i dess aktiva motstånd.

Den andra riktningen är att använda spänningseffekten av spänningstråden gjord av ett spänningskänsligt material. I detta fall används spänningssensorer i form av "fria" omvandlare och i form av limmade.

"Gratis" töjningsmätare är gjorda i form av en eller en rad trådar, fixerade i ändarna mellan de rörliga och orörliga delarna och utför som regel samtidigt rollen som ett elastiskt element. Det naturliga ingångsvärdet för sådana givare är mycket liten rörelse hos den rörliga delen.

Anordningen av den vanligaste typen av trådtöjningsmätare visas i figur 2. En tunn tråd med en diameter på 0,02-0,05 mm, placerad i ett sicksackmönster, limmas på en remsa av tunt papper eller lackfolie. Blyförsedda koppartrådar är anslutna till ändarna av tråden. Ovansidan av omvandlaren är täckt med ett lager lack och ibland förseglad med papper eller filt.

Givaren installeras vanligtvis så att dess längsta sida är orienterad i den uppmätta kraftens riktning. En sådan givare, limmad på provexemplaret, uppfattar deformationerna av dess ytskikt. Sålunda är det naturliga ingångsvärdet för den limmade givaren deformationen av ytskiktet på den del till vilken den är limmad, och utgången är förändringen i motståndet hos givaren proportionell mot denna deformation. I allmänhet används limmade sensorer mycket oftare än icke-limmade.

Figur 2 - trådtöjningsmätare: 1 - trådtöjningsmätare; 2- lim eller cement; 3- cellofan eller pappersbaksida; 4-tråds ledningar

Givarens mätbas är längden på den del som upptas av tråden. De vanligaste givarna är 5-20 mm baser med ett motstånd på 30-500 ohm.

Förutom den vanligaste konturtöjningsmätardesignen finns det andra. Om det är nödvändigt att minska givarens mätbas (till 3 - 1 mm), görs det med lindningsmetoden, som består i att linda en spiral av lastkänslig tråd på en dorn med cirkulärt tvärsnitt på ett rör av tunt papper. Detta rör limmas sedan, tas bort från dornen, plattas till och trådarna fästs vid ändarna av tråden.

När det är nödvändigt att få en stor ström från en krets med en termokonverterare använder de ofta "Kraftfulla" töjningsmätare med en lindad tråd... De består av ett stort antal (upp till 30 — 50) ledningar kopplade parallellt, skiljer sig åt i stora storlekar (längd på basen 150 — 200 mm) och möjliggör en betydande ökning av strömmen som passerar genom omvandlaren (Figur 3).

Ritning 3- Tenometer med lågt motstånd ("kraftfull"): 1 — töjningsmätartråd; 2- lim eller cement; 3- cellofan eller pappersbaksida; 4-polig tråd

Trådsonder har en liten kontaktyta till provet (substratet), vilket minskar läckströmmar vid höga temperaturer och leder till en högre isolationsspänning mellan det känsliga elementet och provet.

Folielastceller är den mest populära versionen av självhäftande lastceller. Folieomvandlare är en folieremsa 4-12 mikron tjock, på vilken en del av metallen väljs genom etsning på ett sådant sätt att resten av den bildar blygallret som visas i figur 4.

Vid tillverkningen av ett sådant galler kan vilket mönster som helst av gallret förutses, vilket är en betydande fördel med folietöjningsmätare. I bild 4 visar a utseendet på en foliegivare utformad för att mäta linjära spänningstillstånd, i fig. 4, c — en foliegivare limmad på axeln för att mäta vridmoment, och i fig. 4, b — limmad på membranet.

Ritning 4- Folieomvandlare: 1- justeringsöglor; 2- böjningar känsliga för membrandragkrafter; 3- rotationer känsliga för membranets tryckkrafter

En allvarlig fördel med folieomvandlare är möjligheten att öka tvärsnittet av omvandlarens ändar; svetsning (eller lödning) av trådar kan göras i detta fall mycket mer tillförlitligt än med trådomvandlare.

Foliedeformerare, jämfört med tråd, har ett högre förhållande mellan ytan på det känsliga elementet och tvärsnittsarean (känslighet) och är mer stabila vid kritiska temperaturer och ihållande belastningar. Den stora ytan och det lilla tvärsnittet säkerställer också god temperaturkontakt mellan sensorn och provet, vilket minskar självuppvärmningen av sensorn.

För tillverkning av töjningsmätare används samma metaller som för telemetrar (konstantan, nikrom, nickel-järnlegering etc.), och även andra material används, till exempel titan-aluminiumlegering 48T-2, som mäter töjningar upp till 12 %, samt ett antal halvledarmaterial.

Filmtensorer

Under de senaste åren har en annan metod för masstillverkning av bundna motståndsstammar dykt upp, vilken består i vakuumsublimering av ett töjningskänsligt material och dess efterföljande kondensation på ett substrat som sprutas direkt på arbetsstycket. Sådana givare kallas filmgivare. Den lilla tjockleken på sådana töjningsmätare (15-30 mikron) ger en betydande fördel vid mätning av töjningar i dynamiskt läge vid höga temperaturer, där töjningsmätningar är ett specialiserat forskningsområde.

Ett antal filmtöjningsmätare baserade på vismut, titan, kisel eller germanium har gjorts i form av en enda ledande remsa (Figur 5).Sådana omvandlare har inte nackdelen att reducera den relativa känsligheten hos omvandlaren jämfört med känsligheten hos materialet av vilket omvandlaren är gjord.

Figur 5- Filmtöjningsmätare: 1- töjningsmätare film; 2- lackfolie; 3-polig tråd

Töjningsmätarkoefficienten för en metallfilmbaserad givare är 2-4, och dess motstånd varierar från 100 till 1000 ohm. Givare gjorda på basis av halvledarfilm har en koefficient i storleksordningen 50-200 och är därför mer känsliga för den pålagda spänningen. I det här fallet finns det inget behov av att använda förstärkarkretsar, eftersom utspänningen från halvledarspänningsmotståndsbryggan är ungefär 1 V.

Tyvärr varierar resistansen hos en halvledaromvandlare med den applicerade spänningen och är väsentligen icke-linjär över hela spänningsområdet, och är också mycket temperaturberoende. Således, även om en förstärkare krävs när man arbetar med en metallfilmsdeformerare, är linjäriteten mycket hög och temperatureffekten kan lätt kompenseras.