19116

Тензорезисторные методы измерения деформаций

Практическая работа

Физика

Лекция №12. Тензорезисторные методы измерения деформаций Измерение деформаций в объектах контроля осуществляют тензометрами приборами для измерения деформаций. Часто в тензометрах в качестве первичного измерительного преобразователя используют тензорезисторы. ...

Русский

2013-07-11

234.5 KB

64 чел.

Лекция №12.

Тензорезисторные методы измерения деформаций

Измерение деформаций в объектах контроля осуществляют тензометрами – приборами для измерения деформаций. Часто в тензометрах в качестве первичного измерительного преобразователя используют тензорезисторы. В основе их работы лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления проводников или полупроводников при их механической деформации.

Основной характеристикой тензорезистора служит коэффициент относительной тензочувствительности, определяемый как

,                                                                                   (12.1)

где  – относительное изменение сопротивления резистора в результате его относительной деформации . Для оценки коэффициента тензочувствительности рассмотрим соединенный с деформируемой деталью круглый проводник длиной , радиусом   и площадью поперечного сечения  из материала с удельным электрическим сопротивлением . Поскольку ,  где ,  то относительное изменение  запишется в виде:

.                                   (12.2)

Учитывая, что , т.к. продольные и поперечные деформации связаны между собой значением коэффициента Пуассона , окончательно получим:

                                       (12.3)

Первый член в соотношении (12.3) характеризует так называемую «физическую тензочувствительность», а второй член – геометрическую. Отсюда коэффициент тензочувствительности  равен:

.                                                                               (12.4)

Анализ вклада в суммарный тензоэффект составляющих физической и геометрической тензочувствительности показывает следующее.

В металлических проводниках удельное сопротивление зависит только от напряжения растяжения или сжатия: , где  –  компоненты нормальных напряжений в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а  и  – тензорезистивные коэффициенты, называемые соответственно продольным и поперечным.  При линейно напряженном состоянии  и

,                                                           (12.5)

где  – модуль Юнга материала тензорезистора. Тогда величина коэффициента тензочувствительности в зоне упругих деформаций равна:

.                                                                             (12.6)

Для металлов  вклад первого члена невелик, т.к. значения коэффициента сравнительно низки ( для константана, из которого чаще всего делают тензорезисторы,  ).  Поэтому для константана, нихрома, меди и серебра имеем  соответственно следующие значения коэффициента : 2,2; 2.4; 2,6; 2,9.  В пластической области, как показали эксперименты, для всех материалов .

В полупроводниковых тензорезисторах основной вклад в тензочувствительность дает ее физическая часть. Так, для кремния – проводимости () значение коэффициента . Именно этим объясняется высокая тензочувствительность полупроводниковых датчиков, достигающая значений 60 –150. Отметим, что значения тензорезистивных коэффициентов в полупроводниках зависят от концентрации примесей, определяющих тип проводимости и величину удельного сопротивления.

Конструкции тензорезисторов. Для преобразования деформации объекта контроля в изменение сопротивления тензорезисторы приклеиваются  к поверхности этого объекта и испытывают одинаковые с ними деформации.  Конструктивно тензорезистор состоит из двух основных элементов – тензочувствительного элемента и подложки, выполняющей роль сравнительно жесткой основы и электрической изоляции. Различают проволочные, фольговые, полупроводниковые и высокотемпературные тензорезисторы.  

Проволочные тензорезисторы изготавливают из константановой, нихромовой или элинваровой проволоки диаметром 10 – 30 мкм. Материалом подложки для проволочных тензорезисторов служат пленки типа БФ, стеклоткань. База тензорезистора (длина решетки) составляет 3-20 мм. Номинальное сопротивление 50 – 400 Ом. Диапазон измерений –  ЕОД (одна единица  относительной деформации равна ).  Зная  длину решетки  и число витков  тензорезистора,  несложно оценить его чувствительность , исходя из функции преобразования :

  .                                (12.7)

Фольговые тензорезисторы изготавливают из константановой фольги толщиной 4-12 мкм фотолитографическим способом. Фольговые тензорезисторы нечувствительны к поперечной деформации вследствие малого сопротивления перемычек, соединяющих тензочувствительные элементы. Они более технологичны по сравнению с проволочными, им можно придать любую форму. Фольговые тензорезисторы могут иметь меньшие габариты, чем проволочные. Можно нанести на одну подложку 3 или 4 тензорезистора. Так, тензорезисторный элемент, состоящий из четырех тензорезисторов, может быть наклеен на поверхность мембраны таким образом, чтобы находящиеся в центре тензорезисторы испытывали растяжение, а находящиеся на периферии – сжатие. В результате фольговые тензорезисторы имеют лучшие метрологические свойства.

Полупроводниковые тензорезисторы дискретного типа изготавливают из кремния или германия  или типа. Они представляют собой пластинки длиной 2-15 мм, шириной до 0.5 мм и толщиной 20-50 мкм. Номинальное сопротивление лежит в пределах от 50 до 800 Ом. При использовании полупроводниковых тензорезисторов наряду с высокой чувствительностью следует иметь в виду нелинейную зависимость относительного изменения сопротивления  от деформации , а также существенную зависимость сопротивления и чувствительности от температуры. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС),  определяемый как , где  – относительное изменение сопротивления тензорезистора в диапазоне температур , для полупроводниковых тензорезисторов  в 50-60 раз больше, чем для константановых.

Конструкции высокотемпературных тензорезисторов позволяют поднять температурный диапазон  их применения до температур . Это достигается использованием подложки из стальной фольги и укреплением решетки на фольге с помощью специальных неорганических цементов и жаростойких окислов алюминия. Применение стальной подложки допускает монтаж на объекте исследования контактной сваркой. Перспективным методом установки высокотемпературных тензорезисторов является плазменное напыление на объект исследований окиси алюминия.

Температурные погрешности тензорезисторных преобразователей. При изменении температуры меняется начальное сопротивление тензорезистора (температурная погрешность нуля)  и коэффициент тензочувствительности (температурная погрешность чувствительности). Изменение начального сопротивления наклеенного тензорезистора определяется двумя факторами: изменением удельного сопротивления  материала как непосредственно под действием , так и под действием дополнительного механического напряжения, появляющегося в тензорезисторе, если коэффициенты линейного расширения (КЛР) объекта контроля и тензорезистора не равны. При этом полное относительное изменение сопротивления тензорезистора составит:                ,                                               (12.8)

где  – температурный коэффициент сопротивления (ТКС);  температурные коэффициенты линейного расширения (КЛР) материала объекта контроля и материала тензорезистора соответственно; изменение температуры.

Изменение эквивалентно появлению некоторой фиктивной деформации, сигнал от которой невозможно отличить от сигнала действительной, активной деформации. Для устранения этого эффекта имеются две возможности. Первая состоит в разработке специальных термокомпенсированных тензорезисторов. Например, медь и константан имеют ТКС разных знаков, поэтому, изготавливая решетку тензорезистора из двух материалов и подбирая сопротивление  их частей соответствующим образом, можно получить нулевое приращение  в некотором диапазоне .

Схемы включения тензорезисторов. Другая возможность устранения температурных погрешностей заключается в применении схемной  термокомпенсации. Для этого используют мостовые измерительные цепи с использованием дифференциальных схем первого или второго типа. Если используется дифференциальная схема первого типа с двумя одинаковыми тензорезисторами, то активный тензорезистор  наклеивают на исследуемую деталь вдоль  ожидаемой деформации, а компенсационный  – поперек ее. Тензорезисторы включают в смежные плечи моста. Поскольку в условиях равновесия моста ,  а  вследствие равенства температурных условий терморезисторов, то пропорциональное изменение  и  не приведет к изменению равновесия моста и аддитивные температурные погрешности будут компенсированы.

При использовании дифференциальной схемы второго типа, например для измерения силы, на силоизмерительную пружину с разных сторон наклеивают  два тензорезистора, так что при изгибе пружины под действием силы один из тензорезисторов растягивается, а другой сжимается. Включение тензорезисторов в смежные плечи моста, во-первых, компенсирует температурную погрешность (при условии, что температурные режимы преобразователей одинаковы), а во-вторых, увеличивает вдвое напряжение на выходе моста и чувствительность схемы включения в режиме холостого хода. Чувствительность схемы включения может быть увеличена еще вдвое, если на силоизмерительную пружину наклеить четыре тензорезистора. При этом преобразователи, воспринимающие деформации одного знака, должны включаться в противоположные плечи моста.

Допустимое значение тока  через тензорезистор определяется из соотношения для тепловой мощности , рассеиваемой в тензорезисторе :

,                                                                                 (12.9)

где – площадь поверхности теплоотдачи тензорезистора, ; – удельная тепловая нагрузка, . Для проволочных тензорезисторов с базой , числом витков  в решетке и диаметром провода  из материала с удельным сопротивлением , допустимое значение тока определяется соотношением:

.                                                         (12.10)

При наклейке на сталь большинства используемых проволочных, фольговых и полупроводниковых тензорезисторов значения  колеблются в очень узких пределах: = . Для константановой проволоки с  и  допустимое значение тока .

Предельная частота измерений с тензорезисторами. Тензорезистор является измерительным преобразователем деформации поверхности твердого тела в изменение электрического сопротивления датчика. С другой стороны, многие механические величины (сила, давление, крутящий момент, ускорение) могут быть определены путем измерений деформаций специально сконструированного упругого элемента. Этот упругий элемент с наклеенными на него тензорезисторами можно рассматривать как специальный тензометрический преобразователь приборов для измерения механических величин. В качестве упругих элементов тензорезисторных силоизмерителей  применяют стержни, балки, рамы, тензорезисторных манометров – мембраны, трубчатые элементы, датчиков крутящего момента – торсионы и т.п. Малые размеры, масса и способ установки делают тензорезисторы идеальными датчиками для измерений динамических деформаций.

Для оценки предельной частоты измерений предположим, что по поверхности объекта контроля распространяется волна деформаций. Ее изменение во времени опишется соотношением:

,                                          (12.11)

где амплитуда деформации; круговая частота; скорость распространения волны; длина волны; координата точки поверхности в направлении распространения волны.  Чтобы не было искажения результата измерений из-за усреднения деформации, необходимо выполнение условия – размер базы тензорезистора должен быть много меньше длины волны: . Отсюда получаем, что , откуда вытекает:.   В частности, для измерения в стальных деталях динамических деформаций с частотой до 50 кГц  должны применяться тензорезисторы с базой, не большей 10 мм, т.к. скорость волны в стали равна  и длина волны соответственно .                                                                            

  

5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34131. Международное разделение труда: сущность, факторы, формы и эффективность 18.6 KB
  Международное разделение труда: сущность факторы формы и эффективность Международное разделение труда специализация отдельных стран на производстве определенных видов продукции. Международное разделение труда базируется на различиях между странами в природных и климатических условиях географическом положении сырьевых ресурсов и источниках энергии. Экономические системы основаны на разделении труда т. В той или иной мере разделение труда существует на всех уровнях: от мирового хозяйства до рабочего места.
34132. Рыночный механизм в мировой экономике 15.64 KB
  Рыночный механизм и его элементы Рынок можно рассматривать по географическому положению местный региональный национальный мировой по характеру и объему продажи розничная оптовая торговля по товарному ассортименту рыбный мясной рынок одежды обуви жилья и по ряду других признаков. Рынок средств производства Торговля средствами производства это грандиозный рынок на котором взаимодействуют между собой непосредственные производители продукции. По этой схеме рынок средств производства развивался извечно и объективно вел к...
34133. Экономическая интеграция и регулирование мирохозяйственных связей 19.2 KB
  Экономическая интеграция и регулирование мирохозяйственных связей. Международная экономическая интеграция характерная особенность современного этапа развития мировой экономики. Слово интеграция происходит от латинского integrtio восполнение или integer целый. Международная экономическая интеграция это процесс срастания экономик соседних стран в единый хозяйственный комплекс на основе устойчивых экономических связей между их компаниями.
34134. Структура мировой экономики 18.17 KB
  Структура мировой экономики. Структура мировой экономики Мировая экономика это не просто совокупность взаимосвязанных взаимодействующих национальных хозяйств. Национальные хозяйства это исходный структурообразующий элемент мировой экономики и ее своеобразной несущей конструкции. Международные экономические отношения это системообразующий элемент мировой экономики как особой системы.
34135. Международная торговля. Внешнеторговый мультипликатор 18.45 KB
  При этом мировой совокупный спрос понимается как объем производства товаров которые потребители готовы коллективно приобрести при существующем уровне цен внутри и вне страны а совокупное предложение как объем производства товаров которые производители готовы предложить на рынке при существующем уровне цен. По этому признаку различают малые страны те которые не могут оказать влияние на изменение цены на МР если изменят свой спрос на какойлибо товар и наоборот большие страны. Малые страны чтобы восполнить эту свою слабость на...
34136. Международная валютная система 15.63 KB
  Валюта это денежная единица лежащая в основе денежной системы того или иного государства например рубль валюта РФ доллар валюта США и т. Различают такие виды валюты как: 1 базисная валюта служащая в данной стране основой для определения курсов других валют; 2 замкнутая неконвертируемая валюта используемая в пределах одной страны; 3 конвертируемая обратимая валюта свободно обмениваемая на другую валюту; 4 мягкая валюта неустойчивая по отношению к собственному номиналу и к курсам валют других стран; 5 национальная валюта...
34137. Международный рынок капитала 16.73 KB
  В современных условиях благодаря своим масштабам мировой рынок капитала превратился в мощный фактор развития процесса интернационализации мирового хозяйства стал источником ресурсов для всех стран мирового сообщества. Практика привлечения иностранных инвестиций имеет вековые традиции. В конце XIX века ее использовали США и другие индустриально развитие страны что позволило им создать передовую по тем временам экономику. Благодаря возможности сочетания этих форм в мировом распределении капиталов могут участвовать все страны деловые структуры...
34138. Россия в системе международных кредитно-финансовых отношений 22.88 KB
  В настоящее время в России перспективы для инвесторов слишком многообещающие чтобы их игнорировать и это несмотря на внутренний и внешний дефолт. В суммарном ВВП всех новых рынков доля России свыше 25. По самым скромным расчетам у России больше природных ресурсов 102 трлн.
34139. Россия в СНГ: новые формы экономического сотрудничества 18.98 KB
  Россия в СНГ: новые формы экономического сотрудничества. Россия является крупнейшим государствомучастником СНГ. Составляя более половины населения и свыше 60 совокупного дохода Содружества она занимает лидирующее положение в реформировании экономики обладая наиболее емким рынком оказывает наиболее существенное влияние на развитие ситуации в СНГ. не определяла тип политического развития других стран СНГ направленность движения конституционные параметры политические институты во многих постсоветских государствах формировались не без...