77931

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Лекция

Производство и промышленные технологии

Физически измеряются: деформации под действием силы и напряжения емкостными индуктивными пьезо и тензодатчиками. Основным недостатком ненаклеиваемых датчиков является разный теплоотвод от его элементов следовательно сильное влияние нагрева от измерительного тока что заставляет снижать токснижая чувствительность датчика. Удлинение датчика до 5 на бумажной или полиамидной основе и 0. Применяемый для крепления датчика клей существенно влияет на характеристики измерения за счет: деформации сдвига передающей деформация на резистор ...

Русский

2015-02-05

18 KB

1 чел.

Л.12 ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Измерение механических усилий в технике и технологии позволяют установить внешние давления на объекты и внутренние напряжения в них. Диапазон измерений соответствует напряжениям в материалах (до 200кГ/см2), силам в элементах конструкций (до 100 тс). Быстродействие датчиков должно обеспечивать измерение сигналов до 100 кГц и колебаний до 10 мГц.

Физически измеряются:

деформации под действием силы и напряжения (емкостными, индуктивными, пьезо- и тензодатчиками).

параметры и свойства преобразователей, меняющиеся под действием нагрузок.(электрическое и магнитное сопротив ление, резонансные частоты и т.д.)

изменение свойств самого объекта под действием нагрузок (скорость распространения колебаний, теплопроводность, показатель преломления и двойного лучепреломления, температуры и проводимости)

значение внешней нагрузки, уравновешивающей измеряемые напряжения

Измерение деформаций, выражающихся в изменении внешних размеров, достаточно подробно изложено предыдущих лекциях. Дополнительно рассмотрим применение тензорезисторов.

Принцип работы тензорезистора основан на том, что под действием нагрузок изменяется его длина, сечение и кристаллическая структура, что приводит к изменению электрического сопротивления, весьма эффективно измеряемого электрическими методами.

Эффективность тензорезистора измеряется коэффициентом тензочувствительности, как частной производной сопротивления по линейной деформации, нормированной по параметрам:

К = (dR / R) / (dL / L)

Исходя из изменений линейных размеров, для металлов следовало ожидать К в диапазоне 1.5...1.7, однако за счет деформации кристаллической решетки тензорезисторы имеют коэффициент не хуже 2...5, а полупроводниковые даже 50...200.

Основные характеристики металлов для тензодатчиков сведены в таблицу:

металл

Коэффициент К

удельное сопротивлен. Ом*мм2

температурный коэффициент 1/гр.

максимальная температура град.

максимальное напряжение кГс*мм2.

константан

2.0

0.44...0.52

5*10-9

400

45

манганин

1.9

0.43...0.45

25*10-9

400

50

нихром

2.2

1... 1.1

130*10-9

1000

80

платина

4.7

0.2

2.5*10-6

1300

20

Тензорезисторы могут быть трех разных типов:

- проволочные

- фольговые

- полупроводниковые

Проволочные тензодатчики обычно изготавливаются из проволоки диаметром до 0.02 мм. Они принципиально различаются на наклеиваемые и ненаклеиванмые. Наклеиваемые крепятся на листке бумаги, вместе с которым его клеят к поверхности. Они изготовляются индустриальными методами,имеют меньшую толщину и размеры что увеличивает чувствительность и выравнивает их температуру.

Ненаклеиваемые тензодатчики образуют пространственную конструкцию на перемещаемых рамках, обычно полный мост, содержащий,кроме измерительных,и компенсационные резисторы. Основным недостатком ненаклеиваемых датчиков является разный теплоотвод от его элементов, следовательно, сильное влияние нагрева от измерительного тока, что заставляет снижать ток,снижая чувствительность датчика.

Фольговые датчики изготавливают путем фотохимического травления отожженных (для снятия внутренних напряжений) или осажденных на промежуточный носитель фольг толщиной до 0.005мм.

Увеличением ширины на выводах и на поперечных участках существенно снижается поперечная чувствительность.

Удлинение датчика до 5% на бумажной или полиамидной основе и 0.5% на термостойкой металлокерамической.

Полупроводниковые тензодатчики изготавливаются из монокристалла кремния и имеют гораздо большую чувствительность за счет влияния деформации решетки. Эти же эффекты создают температурную зависимость, нелинейность и гистерезис. Для снижеия двух последних применяют диффузную модификацию кремниевой подложки.

Применяемый для крепления датчика клей существенно влияет на характеристики измерения за счет:

- деформации сдвига, передающей деформация на резистор

- термостойкости

- влагостойкости

- электрической изоляции датчика

Теплопроводность,теплоемкость,вносимая масса и упругость, как правило, значения не имеют ввиду малой толщины слоя.

Кроме крепления контактной сваркой датчиков на металлической основе (0.05 мм из металла с одинаковым температурным коэффициентом) применяются следующие клеи:

- нитроцеллюлозный клей - раствор нитроцеллюлозной пласт массы в кетонах (например ацетон).Застывает за 2...48

часов, работает при температуре от -70 до+80 градусов.

Без покрытия не влагостоек. Растворяется кетонами.

- циано-акриловые клеи (циакрин) имеет хорошую адгезию

и время затвердевания до 10 мин. Термостойкость от -70

до +620 градусов. Без покрытия не водостоек.

- эпоксидные смолы. Время твердения до 1 часа. Темпера турный диапазон - 250 +300 градусов. Химически и водо стоек.

- керамический цемент. Спекается при 320 градусах и работает в диапазоне от -273 до +600 градусов. Химостоек.

В результате различные типы измерение деформаций имеют следующие параметры:

тип датчика

размер датчика мм

полоса частот кГц

точн. %

стаб. %/год

возбуждение -

цена относ

ненаклеенный тензорезистор

10

0...10

0.25

0.5

пост/пер до 10 В

4

фольговый тензорезистор

1

0...10

0.25

0.5

пост/пер до 10 В

3

напыленный тензорезистор

0.5

0...10

0.25

0.25

пост/пер до 10 В

4

диффузный полупроводн. тензорезистор

0.2

0...10

0.25

0.25

постоянн. 10...30В

2

наклеиваемый полупроводн. тензорезистор

1

0...10

0.25

0.5

пост/пер до 10 В

1

потенциометрический

10

0...0.1

1

0.5

пост/пер

3

емкостной

5

0...1

0.5

0.05

переменн.

5

линейный дифференц. трансформ.

20

0...0.1

0.5

0.25

переменн

2

пьезоэлектр.

5

1...100

1

1

постоянн.

4

Сигнал тензодатчика получается при изменении сопротивления резистора. Для этого по резистору пропускают ток,который вместе с номиналом резистора образует выходное напряжение, часть которого изменяется при изменении деформации. Ток выделяет в резисторе мощность, которая греет резистор. От этого его сопротивление,а следовательно,и сигнал,меняется.Кроме того,сигнал зависит от величины тока, который зависит от балластного резистора и напряжения питания датчика. Сигнал весьма слаб, поэтому любые колебания напряжения питания после усиления опасны.

Наиболее радикальным методом борьбы с этим будет компенсация помех путем вычитания сигнала из сигнала с другого делителя от того же источника напряжения.Если значения резисторов в

каждом из делителей равны R1, R2 и R3, R4,то при питании Uп сигнал в диагонали моста (между выходами делителей) равен:

U = Uп * (R2/(R1+R2) - R4/(R3+R4))

Обычно R1 / R2 = R3 / R4, тогда при изменении R2 на dR

U = Uп * dR / (R1 + R2)

Для того, чтобы это условие, называемое балансом моста, выполнялось, делают так, чтобы изменение сопротивлений от мешающих факторов не приводило к разбалансу моста. Для этого сопротивления одного из делителей (одной диагонали) делают в виде таких же тензорезисторов, но один из них либо не зависит от измеряемых деформаций,либо имеет противоположную зависимость.

Аналогичные зависимости получаются при изменении любого из сопротивлений в сбалансированном мосте, причем при dR = 0 напряжение с выхода моста равно нулю и не зависит от напряжения питания моста. В ручном режиме оно меряется микроамперметром, в прочих случаях усиливается операционным усилителем. Чтобы исключить влияние его дрейфа,применяют питание моста переменным током с последующим детектированием синхронным детектором.

ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ:

Для всех четырех приемов измерения нагрузок предложите схемы измерения сварочных напряжений в остывающем шве.

Выберите тип тензодатчика для той же цели, поясните, какие параметры датчика существенны при выборе.

Сравните возможные схемы включения тензорезистора, обоснуйте выбор наилучшей для той же цели.

Для каждого типа тензорезистора укажите область его предпочтительного применения.

На основе расчета возможных деформаций при сварке и параметров тензодатчика оцените величину его сигнала и величину коэффициента усиления для получения стандартного сигнала амплитудой 10В.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Спектор С.А.Электрические измерения физических величин Методы измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1987.- с 189...213.

2. Мейздра Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ.- М.: Мир, 1990,- с 55...85.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1673. Правила проведения сертификации и декларирования 1.24 MB
  Обязательная сертификация. Добровольная сертификация. Порядок проведения декларирования соответствия.
1674. Контроль качества продукции и услуг 2.98 MB
  Основные понятия в области контроля. Значение контроля качества, его место в оценке соответствия. Государственный и муниципальный контроль качества: сфера применения, правовая база, органы государственного контроля и их полномочия – практическая работа.
1675. Значение и структурные элементы метрологии 360.06 KB
  Основные понятия в области метрологии. Структурные элементы метрологии. Цели, задачи и принципы. Разделы метрологии.
1676. Объекты и субъекты метрологии 2.36 MB
  Объекты метрологии. Величины, их классификация и характеристика. Классификация физических величин и единиц их измерения. Субъекты метрологии, их классификация и краткая характеристика.
1677. Средства и методы измерений 2.54 MB
  Средства измерения. Средства измерительной техники. Нормируемые метрологические характеристики. Методы измерений.
1678. Основы теории измерений физических величин 403.75 KB
  Шкалы и уравнения измерений. Факторы, влияющие на результаты измерений и погрешности. Шкала интервалов (разностей) физических величин с применением и пропорциональности интервалов.
1679. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ) 787.13 KB
  Понятие, назначение и структура государственной системы обеспечения единства измерений. Права и обязанности государственных инспекторов по обеспечению единства измерений.
1680. Гидравлические вяжущие вещества. Гидравлическая известь. Портландцемент 943.53 KB
  Гидравлическая известь. Сырье, особенности и применение. Портландцемент. Начальная характеристика. Плавление сырьевой смеси. Схема производства цемента сухим способом. Химический и минеральный состав клинкера.
1681. Специальные виды цементов 44.64 KB
  Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ). Сверхбыстротвердеющий портландцемент (СБТЦ). Пластифицированный портландцемент. Белый и цветные цементы. Глиноземистый цемент. Расширяющийся портландцемент (РПЦ).