9.7: Тензодатчики

Що таке тензодатчик?

Такий пристрій називається тензометром. Тензодатчики часто використовуються в машинобудівних дослідженнях і розробках для вимірювання напружень, що генеруються машинами. Тестування компонентів літака - це одна область застосування, крихітні тензометричні смуги, приклеєні до конструктивних елементів, зв'язків та будь-якого іншого критичного компонента планера для вимірювання напруги. Більшість тензодатчиків менше, ніж поштова марка, і виглядають вони приблизно так:

Провідники тензодатчика дуже тонкі: якщо виготовлені з круглого дроту, діаметром близько 1/1000 дюйма. Крім того, тензометричні провідники можуть являти собою тонкі смужки металевої плівки, нанесені на непровідний матеріал підкладки, званий носієм. Остання форма тензодатчика представлена на попередній ілюстрації. Назва «скріплений калібр» дається тензодатчикам, які приклеюються до більшої структури під напругою (звані тестовим зразком). Завдання приклеювання тензодатчиків до випробувальних зразків може здатися дуже простим, але це не так. «Вимірювання» - це ремесло в своєму власному праві, абсолютно необхідне для отримання точних, стабільних вимірювань деформації. Також можна використовувати немонтований калібрувальний дріт, натягнутий між двома механічними точками для вимірювання натягу, але ця техніка має свої обмеження.

Опір тензодатчика

Типові опори тензодатчика коливаються від 30 Ом до 3 кОм (ненаголошений). Цей опір може змінюватися лише на частку відсотка для повного діапазону сили калібру, враховуючи обмеження, накладені еластичними межами матеріалу калібру та досліджуваного зразка. Сили, достатньо великі, щоб викликати більші зміни опору, постійно деформують випробуваний зразок та/або самі провідники калібру, тим самим руйнуючи датчик як вимірювальний прилад. Таким чином, щоб використовувати тензодатчик як практичний інструмент, ми повинні вимірювати вкрай малі зміни опору з високою точністю.

Така вимоглива точність вимагає схеми вимірювання моста.

Мостовий ланцюг вимірювання

На відміну від мосту Уітстоуна, показаного в останньому розділі, використовуючи детектор нульового балансу та оператора людини для підтримки стану рівноваги, ланцюг моста тензометричного датчика вказує виміряну деформацію за ступенем дисбалансу та використовує точний вольтметр у центрі моста, щоб забезпечити точне вимірювання цього дисбалансу:

Зазвичай плече реостата моста (R ₂ на схемі) встановлюють на величину, рівну опору тензодатчика без прикладеного зусилля. Два співвідношення плечей моста (R ₁ і R ₃) встановлені рівними один одному. Таким чином, при відсутності зусилля, прикладеного до тензодатчика, міст буде симетрично врівноважений і вольтметр вкаже нуль вольт, представляючи нульову силу на тензометрі. Оскільки тензодатчик або стискається, або напружується, його опір буде зменшуватися або збільшуватися відповідно, тим самим розбалансуючи міст і виробляючи індикацію на вольтметрі. Таке розташування, з одним елементом моста, що змінює опір у відповідь на вимірювану змінну (механічну силу), відоме як четвертьмостова схема.

Оскільки відстань між тензометричним датчиком та трьома іншими опорами в мостовій ланцюзі може бути значним, опір дроту має значний вплив на роботу ланцюга. Щоб проілюструвати наслідки опору проводів, я покажу ту ж принципову схему, але додаю два символу резистора послідовно з тензодатчиком для представлення проводів:

Опір дроту

Опір тензодатчика (R _калібр) - це не єдиний опір, який вимірюється: опори дроту R _wire1 і R _wire2, будучи послідовно з R _{калібром}, також сприяють опору нижньої половини плеча реостата моста, і, отже, сприяють індикації вольтметра. Це, звичайно, буде помилково інтерпретовано лічильником як фізичне навантаження на манометр.

Хоча цей ефект не може бути повністю виключений в даній конфігурації, його можна мінімізувати за допомогою додавання третього проводу, підключивши праву сторону вольтметра безпосередньо до верхнього проводу тензодатчика:

Оскільки третій провід практично не несе струму (завдяки надзвичайно високому внутрішньому опору вольтметра), його опір не знизиться жодної істотної кількості напруги. Зверніть увагу, як опір верхнього дроту (R _wire1) був «обійдений» тепер, коли вольтметр підключається безпосередньо до верхньої клеми тензодатчика, залишаючи лише опір нижнього дроту (R _wire2), щоб сприяти будь-якому бродячому опору послідовно з датчиком. Не ідеальне рішення, звичайно, але вдвічі краще останнього контуру!

Однак існує спосіб зменшити похибку опору дроту далеко за межі щойно описаного методу, а також допомогти пом'якшити інший вид похибки вимірювання через температуру.

Зміна опору та температури

Невдалою характеристикою тензодатчиків є зміна опору зі змінами температури. Це властивість, загальне для всіх провідників, у деяких більше, ніж інших. Таким чином, наша четвертьмостова схема, як показано (або з двома, або з трьома проводами, що з'єднують датчик з мостом) працює як термометр так само добре, як і індикатор деформації. Якщо все, що ми хочемо зробити, це виміряти напругу, це не добре. Однак ми можемо подолати цю проблему, використовуючи «фіктивний» тензодатчик замість R ₂, так що обидва елементи плеча реостата змінюють опір в однаковій пропорції при зміні температури, тим самим скасовуючи наслідки зміни температури:

Резистори R ₁ і R ₃ мають однакове значення опору, а тензодатчики ідентичні один одному. При відсутності прикладеного зусилля міст повинен знаходитися в ідеально збалансованому стані, а вольтметр повинен реєструвати 0 вольт. Обидва датчики з'єднані з одним і тим же випробувальним зразком, але тільки один розміщується в положенні та орієнтації таким чином, щоб піддаватися фізичному навантаженню (активний датчик). Інший датчик ізольований від усіх механічних навантажень і діє лише як пристрій температурної компенсації («манекен» манометр). Якщо температура зміниться, обидва опори манометра зміняться на однаковий відсоток, і стан балансу моста залишиться незмінним. Тільки диференціальний опір (різниця опору між двома тензодатчиками), що створюється фізичною силою на випробуваному зразку, може змінити баланс моста.

Опір дроту не впливає на точність ланцюга так сильно, як раніше, тому що дроти, що з'єднують обидва тензодатчики до мосту, мають приблизно однакову довжину. Тому верхня і нижня секції плеча реостата моста містять приблизно однакову кількість бродячого опору, і їх вплив має тенденцію до скасування:

Чверть міст і половина мостових ланцюгів

Незважаючи на те, що зараз в мостовій схемі є два тензодатчики, тільки один реагує на механічні деформації, і, таким чином, ми все одно називаємо це розташування четвертьмостом. Однак, якщо ми взяли верхній тензодатчик і розташувати його так, щоб він піддавався протилежній силі, як нижній датчик (тобто коли верхній датчик стискається, нижній датчик буде розтягнутий, і навпаки), у нас будуть обидва датчики, що реагують на деформацію, і міст буде більше чуйний на прикладену силу. Це використання відоме як напівміст. Оскільки обидва тензодатчика будуть або збільшувати, або зменшувати опір на однакову частку у відповідь на зміни температури, наслідки зміни температури залишаються скасованими, і ланцюг зазнає мінімальної похибки вимірювання температури:

Приклад того, як пара тензодатчиків може бути приєднана до тестового зразка, щоб отримати цей ефект, ілюструється тут:

Без сили, прикладеної до випробуваного зразка, обидва тензодатчики мають однаковий опір, а схема моста збалансована. Однак, коли до вільного кінця зразка прикладається сила вниз, вона одночасно згинається вниз, розтягуючи манометр #1 і стискаючи датчик #2 одночасно:

Повномостові схеми

У додатках, де такі додаткові пари тензодатчиків можуть бути прикріплені до досліджуваного зразка, може бути вигідно зробити всі чотири елементи моста «активними» для ще більшої чутливості. Це називається повно-мостової схемою:

Як напівмостові, так і повномостові конфігурації забезпечують більшу чутливість по ланцюгу чверті моста, але часто неможливо зв'язати додаткові пари тензодатчиків з випробуваним зразком. Таким чином, четвертьмостовая схема часто використовується в системах вимірювання деформації.

Коли це можливо, найкраще використовувати конфігурацію повного моста. Це вірно не тільки тому, що він більш чутливий, ніж інші, але тому, що він лінійний, а інші - ні. Чвертьмостові та напівмостові схеми забезпечують вихідний (дисбаланс) сигнал, який лише приблизно пропорційний прикладеній силі тензодатчика. Лінійність, або пропорційність, цих мостових ланцюгів найкраще, коли величина зміни опору через прикладену силу дуже мала порівняно з номінальним опором датчика (ів). Однак при повному мосту вихідна напруга прямо пропорційна прикладеної сили, без наближення (за умови, що зміна опору, викликане прикладеною силою, дорівнює для всіх чотирьох тензодатчиків!).

На відміну від мостів Уїтстона та Кельвіна, які забезпечують вимірювання за умови ідеального балансу і, отже, функціонують незалежно від напруги джерела, кількість напруги джерела (або «збудження») має значення в незбалансованому мосту, подібному до цього. Тому тензометричні мости оцінюються в мілівольтах дисбалансу, виробленого на вольт збудження, на одиницю виміру сили. Типовим прикладом для тензодатчика типу, використовуваного для вимірювання сили в промислових умовах, є 15 мВ/В при 1000 фунтів. Тобто при рівно 1000 фунтів прикладеної сили (або стискає, або розтягує) міст буде розбалансований на 15 мілівольт на кожен вольт напруги збудження. Знову ж таки, така цифра є точною, якщо мостова схема є повноактивною (чотири активних тензодатчика, по одному в кожній руці моста), але лише приблизна для напівмостових і чвертьмостових механізмів.

Тензодатчики можуть купуватися як комплектні блоки, з як тензометричними елементами, так і мостовими резисторами в одному корпусі, герметичними і герметичними для захисту від елементів, а також оснащеними механічними точками кріплення для кріплення до машини або конструкції. Такий пакет зазвичай називають тензодатчиком.

Як і багато інших тем, розглянутих у цьому розділі, тензометричні системи можуть стати досить складними, і повна дисертація з тензодатчиків буде виходити за рамки цієї книги.

Рецензія

• Тензодатчик - це тонка смужка металу, призначена для вимірювання механічного навантаження шляхом зміни опору при напрузі (розтягуванні або стисненні в межах своєї межі пружності).
• Зміни опору тензодатчика зазвичай вимірюються в мостовій схемі, щоб забезпечити точне вимірювання малих змін опору та забезпечити компенсацію змін опору через температуру.