26025

Тензометрия

Лекция

Производство и промышленные технологии

Тензометрия (от лат tensus — напряжённый и греч. metron — мера) — способ измерения напряжённо-деформированного состояния конструкции. Базируется на определении напряжений и деформаций в наружных слоях детали. Прибор для измерения этих параметров называется тензометром; обычно основным элементом такого прибора является тензодатчик

Русский

2014-10-16

246 KB

42 чел.

Лекция 17

Тензометрия.

1.1. Тензометр. 1.2. Электрические схемы. 1.3. Преобразователи перемещений и деформации. 1.4. Применение.

Тензометрия (от лат tensus — напряжённый и греч. metron — мера) — способ измерения напряжённо-деформированного состояния конструкции. Базируется на определении напряжений и деформаций в наружных слоях детали. Прибор для измерения этих параметров называется тензометром; обычно основным элементом такого прибора является тензодатчик, преобразующий измеряемые величины в электрический сигнал, который затем передаётся регистрирующей аппаратуре.

Распространённая конструкция тензодатчика представляет собой резистор, сопротивление которого изменяется при деформации. Его приклеивают к поверхности тестируемой детали, так, чтобы он деформировался вместе с ней. Используются одиночные тензорезисторы или блоки тензорезисторов, соединённые по схеме моста или полумоста.

Регистрирующая аппаратура называется тензостанцией. До 1980-х годов она представляла собой комплекс самописцев, регистрирующих значения сигналов датчиков на бумаге. Развитие компьютерной техники и АЦП изменило облик этой аппаратуры. Стала возможна не только регистрация сигналов тензодатчиков, но и их компьютерный анализ в реальном времени и автоматическая выдача управляющих сигналов для изменения режима работы тестируемой конструкции.

Тензометрия широко используется для измерения веса.

Принцип действия

Тензодатчик включается в измерительный мост в качестве одного из сопротивлений (например, R2 на рис. 1). Если все сопротивления, составляющие мост, равны между собой, то при любых значениях напряжения между точками А и D токи через все резисторы по закону Ома будут равны между собой. Следовательно, напряжение между точками С и B будет равно нулю. Но если какое-либо сопротивление будет отличаться от трёх других, то между точками C и B появится разность потенциалов (напряжение). Если же это сопротивление будет менять своё значение под воздействием какого-либо внешнего физического фактора (изменения температуры, светового потока извне и т. д.), то напряжение между точками C и B будет менять своё значение в соответствии с изменением параметров внешнего физического фактора. Таким образом, внешний физический фактор является входным сигналом, а напряжение между точками C и B — выходным сигналом. Далее выходной сигнал можно подавать на анализирующее устройство (например, на персональный компьютер), где специальные программы могут его обрабатывать.

В качестве резистора с переменным значением может использоваться тензодатчик — это такой «резистор», который может изменять своё сопротивление при изменении его длины или иной деформации. Если один конец тензодатчика закрепить на одной поверхности (назовём её Х), а другой конец тензодатчика закрепить на другой поверхности (назовём её Y), то с изменением расстояния между поверхностями Х и Y будет изменяться длина тензодатчика, а значит и его сопротивление, меняя напряжение между точками C и D. Таким образом, на анализирующем устройстве (например, на экране монитора компьютера) можно получить кривую, с большой точностью соответствующую колебаниям расстояния между поверхностями X и Y. Эту кривую и соответствующий ей сигнал можно анализировать. Такой способ измерения получил назваание тензометрии. Чувствительность тензометрических измерений расстояний между поверхностями Х и Y достигает долей микрометра.

Помимо тензодатчиков, для измерения колебаний расстояния между двумя поверхностями часто используют пьезоэлектрические датчики. Последние во многих сферах вытеснили тензодатчики благодаря лучшим техническим и эксплуатационным характеристикам.

Рис. 1. Измерительный мост с вольтметром

Тензодатчик (тензорезисторный датчик) - преобразователь силы, измеряющий массу методом преобразования измеряемой величины (массы) в другую измеряемую величину (выходной сигнал) с учетом влияния силы тяжести и выталкивающей силы воздуха, действующих на взвешиваемый объект.

Тензодатчик состоит из:

  1.  Упругий элемент - тело воспринимающее нагрузку, изготавливается преимущественно из легированных углеродистых сталей предварительно термообработанные, для получения стабильных характеристик. Конструктивно может быть изготовлен в виде стержня, кольца, тел вращения, консоли. Широкое распространение получили конструкции в виде стержня (или нескольких стержней);
  2.  Тензорезистор - фольговый или проволочный резистор, приклеенный к упругому элементу (стержень), изменяющий свое сопротивление пропорционально деформации упругого элемента, которая в свою очередь пропорциональна нагрузке;
  3.  Корпус датчика - предназначен для защиты упругого элемента и тензорезистора от механических повреждений и влияния окружающей среды. Имеет различное исполнение IP (Ingress Protection Rating) в соответствии с международным стандартом IEC 60529 (DIN 40050, ГОСТ 14254-96);
  4.  Герметичный ввод (кабельный разъем) - предназначен для подключения тензодатчика ко вторичному прибору (весовой индикатор, электронный усилитель, АЦП) при помощи кабеля. Возможны варианты подключения по 6-ти и 4-х проводной схеме. Тензодатчики комплектуются, кабелями различной длинны, существуют конструкции с возможностью замены кабеля;

На Рисунке 2 отображена конструкция тензодатчика с упругим элементом в виде кольца поз.1.

Для правильно функционирования весов, важно соблюдать характер приложения нагрузки. Вектор силы, воздействующий на датчик, должен быть строго в направлении оси датчика (упругий элемент тензодатчика стержень, кольцо). Для исключения бокового влияния нагрузки, применяют самоустанавливающиеся (самоцентрирующиеся) конструкции. Поверхность опор таких тензодатчиков имеет сферическую выпуклую форму.

Принцип действия тензодатчика основан на измерении изменения сопротивления тензорезисторов наклееных на упругое тело, которое под действием силы (вес груза), деформируется и деформирует размещенные на нем тензорезисторы.

Конструкция тензорезистора представляет собой (Рисунок 3):

  1.  Проволочная или фольговая решетка - изготавливается из металлической нити диаметром 20-25 мкм из константана, манганина;
  2.  Подложка - основание, на которое наносится решетка тензорезистора, выполнено из бумаги, пленки, синтетического материала стойкого к деформациям;


Электрическое соединение тензорезисторов:

Широкое применение получила мостовая схема включения тензорезисторов – мост Уитстона. Схема представляет собой 4 тензорезистора, соединенные в электрический мост - Рисунок 4.

рис4

Uпит – напряжение питания измерительного моста, как правило в интервалах 3-30В напряжения переменного или постоянного тока, Uсигн – напряжение измерительной диагонали моста, R1, R2, R3, R4 – сопротивления плеч измерительного моста, Rк – добавочное сопротивление, необходимое для компенсации изменения температуры окружающей среды и выравнивания чувствительности.

Чувствительность - это отношение выходного напряжение сигнала Uсигн [мВ (милиВольт)] к входному напряжению питания тензометрического моста Uпит [В (Вольт)]. Как правило, в паспортных данных к тензодатчику чувствительность (номинальная) обозначается Cn. К примеру, если указано Cn=2мВ/В и номинальная нагрузка Emax=10т (тонн), то следует понимать, что при Uпит=10В и воздействии груза массой 1 т., Uсигн=2мВ.

В настоящее время существует множество наработок в области тензометрии, технологиях изготовления тензорезисторов и тензодатчиков. Нормирующим документом для производителя тензодатчиков является Рекомендации МОЗМ (OIML) Р60 (R60). Производители весового оборудования применяют в конструкциях своих весов различные типы тензодатчиков, в зависимости от предназначения и условий эксплуатации весового оборудования.

От выбора типа тензодатчика, узла встройки, конструкции платформы, качества фундамента (основания) весов зависит надежность и качественная работа, которая невозможна без вторичных преобразователей сигнала или весовых индикаторов (терминалов).

Пьезоэлектри́ческий эффе́кт — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля.

Прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты наблюдаются в одних и тех же кристаллах — пьезоэлектриках. Прямой эффект открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 г. Обратный эффект был предугадан в 1881 г. Липпманом на основе термодинамических соображений и в том же году экспериментально подтверждён братьями Кюри.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84094. Федерация: понятие и признаки, виды 23.76 KB
  Существуют следующие формы государственного устройства: 1 Унитарное государство 2 Федеративное государство 3 Конфедеративное на данный момент не существует в природе 4 Региональное государство Федеративное государство представляет собой добровольное объединение ранее самостоятельных государственных образований в одно союзное государство государство состоящее из государств членов или государственных образований субъектов федерации. На данный момент в мире насчитывается 24ре федерации. Федерации бывают: а Договорные и...
84095. Форма государственного устройства: понятие и виды 21.73 KB
  Территория федерации состоит из территорий ее отдельных субъектов: штатов кантов земель республик и т. Субъекты федерации имеют право принятия собственной конституции имеют свои высшие исполнительные законодательные и судебные органы 4. В большинстве федерации существует союзное гражданство и гражданство федеральных единиц. При федеральном государственном устройстве в парламенте имеется палата представляющая интересы членов федерации.
84096. Демократический режим и его признакии 22.3 KB
  В демократическом государстве существует взаимная ответственность государства и личности.Предоставление широкой свободы личности предприятиям и организациям в сфере экономической деятельности которая при демократическом политическом режиме составляет основу материального благосостояния граждан.Реальная гарантированность прав и свобод личности и реальная возможность реализовать данные права и свободы.Наличие эффективной и квалифицированной судебной защиты прав и свобод личности от произвола и беззакония со стороны кого бы то ни было.
84097. Антидемократические государственно-правовые режимы 25.92 KB
  Основными чертами тоталитарного политического режима являются следующие: государство стремится к глобальному господству над всеми сферами общественной жизни к всеохватывающей власти; общество полностью отчуждено от политической власти но оно не осознает этого ибо в политическом сознании формируется представление о единстве слиянии власти и народа; господствует монопольный контроль над экономикой средствами массовой информации культурой религией и т. фактически устраняется плюрализм; происходит централизация государственной...
84098. Функции государства: понятие, признаки, содержание 20.68 KB
  Функции государства это основные направления внутренней и внешней деятельности государства в которых выражаются и конкретизируются его классовая и общечеловеческая сущность и социальное назначение. В этом определении выделены наиболее существенные признаки функций государства. Функции государства непосредственно выражают и предметно конкретизируют его классовую и общечеловеческую сущность.
84099. Внутренние функции государства современного государства и их содержание 22.02 KB
  Охранительная функция: Это функция государственной деятельности проявляется в обеспечении государством общественного и правового порядка защите и охране прав и интересов граждан и организаций защите конституционного строя и государства от противоправных посягательств. Обеспечение внутреннего мира и согласия в обществе урегулирования общественных отношений снятие социальных противоречий неизбежных в обществе состоящем из различных классов групп слоев это насущная необходимость одна из тех причин которые вызывали возникновение...
84100. Внешние функции государства современного государства и их содержание 23.61 KB
  Защита государства от вооруженных нападений других государств. Функция защиты из вне: Данная функция является важнейшим направлением деятельности государства ибо она нацелена на защиту мирного труда суверенитета и территориальной целостности государства. 30 Формы и методы осуществления функций государства Государство должно выполнять свои функции в присущих ему формах применять в своей деятельности различные методы.
84101. Механизм государства, государственный аппарат: понятие и их соотношение 21.97 KB
  Механизм государства есть та реальная организационная материальная сила располагая которой государство осуществляет власть. Механизм является структурным и предметным олицетворением государства представляет собой материальное вещество из которого оно состоит. Можно сказать что механизм суть деятельное постоянно функционирующее выражение государства.
84102. Понятие государственного органа. Классификация государственных органов 24.37 KB
  Классификация государственных органов Первичным и важнейшим структурным элементом механизма государства является орган государства. Государственный орган это звено элемент механизма государства участвующее в осуществлении функций государства и наделенное для этого властными полномочиями. Раскрытие понятия признаков данного органа позволяет глубже познать механизм государства в целом. Хотя орган государства и обладает определенной самостоятельностью автономией он служит частью единого механизма государства занимает в государственной...