Tensometry to urządzenia, które przetwarzają zmierzone odkształcenia sprężyste ciała stałego na sygnał elektryczny. Dzieje się tak z powodu zmiany rezystancji przewodnika czujnika, gdy jego wymiary geometryczne zmieniają się w wyniku rozciągania lub ściskania.
Tensometr: zasada działania
Głównym elementem urządzenia jest tensometr zamontowany na elastycznej konstrukcji. Tensometry są kalibrowane poprzez stopniowe obciążanie z daną rosnącą siłą i pomiar wielkości oporu elektrycznego. Następnie, zmieniając go, będzie można określić wartości przyłożonego nieznanego obciążenia i proporcjonalnego do niego odkształcenia.
W zależności od typu czujników można mierzyć:
- siła;
- ciśnienie;
- przenieś;
- moment obrotowy;
- przyspieszenie.
Nawet przy najbardziej złożonym schemacie obciążenia konstrukcji, działanie natensometr sprowadza się do rozciągania lub ściskania swojej siatki wzdłuż długiego odcinka zwanego podstawą.
Które tensometry są używane
Najpopularniejsze typy tensometrów ze zmianą rezystancji czynnej pod wpływem działania mechanicznego - tensometry.
Drutowe czujniki tensometryczne
Najprostszym przykładem jest prosty kawałek cienkiego drutu, który jest przymocowany do badanej części. Jego rezystancja wynosi: r=pL/s, gdzie p to rezystywność, L to długość, s to pole przekroju.
Wraz z częścią klejony drut jest elastycznie odkształcany. Jednocześnie zmieniają się jego wymiary geometryczne. Po ściśnięciu przekrój przewodu zwiększa się, a po rozciągnięciu zmniejsza się. Dlatego zmiana rezystancji zmienia znak w zależności od kierunku odkształcenia. Charakterystyka jest liniowa.
Niska czułość tensometru spowodowała konieczność zwiększenia długości przewodu na małym obszarze pomiarowym. Aby to zrobić, jest on wykonany w postaci spirali (kraty) drutu, sklejonego obustronnie płytami izolacyjnymi z folii lakieru lub papieru. Do podłączenia do obwodu elektrycznego urządzenie wyposażone jest w dwa przewody miedziane. Są one przyspawane lub przylutowane do końców zwiniętego drutu i są wystarczająco mocne, aby połączyć się z obwodem elektrycznym. Tensometr jest mocowany do elastycznego elementu lub testowanej części za pomocą kleju.
Przewody obciążnikowe mają następujące zalety:
- prosta konstrukcja;
- liniowa zależność od odkształcenia;
- mały rozmiar;
- niska cena.
Wady to niska czułość, wpływ temperatury otoczenia, konieczność ochrony przed wilgocią, stosowanie tylko w obszarze odkształceń sprężystych.
Drut odkształci się, gdy siła przyczepności kleju do niego znacznie przekroczy siłę wymaganą do jego rozciągnięcia. Stosunek powierzchni klejenia do pola przekroju powinien wynosić 160 do 200, co odpowiada jego średnicy 0,02-0,025 mm. Można go zwiększyć do 0,05 mm. Wówczas podczas normalnej pracy tensometru warstwa kleju nie ulegnie zniszczeniu. Ponadto czujnik działa dobrze przy ściskaniu, ponieważ splotki drutu są zintegrowane z folią samoprzylepną i częścią.
Ogniwa obciążnikowe do folii
Parametry i zasada działania foliowego ogniwa obciążnikowego są takie same jak drucianych. Jedynym materiałem jest folia nichromowa, konstantanowa lub tytanowo-aluminiowa. Technologia wytwarzania fotolitografii pozwala na uzyskanie złożonej konfiguracji sieci i automatyzację procesu.
W porównaniu do tensometrów przewodowych, tensometry foliowe są bardziej czułe, przenoszą więcej prądu, lepiej przenoszą naprężenie, mają mocniejsze przewody i mają bardziej złożony wzór.
Ogniwa obciążnikowe półprzewodnikowe
Czułość czujników jest około 100 razy wyższa niż czujników przewodowych, co pozwala na częste ich stosowanie bez wzmacniaczy. Wadami są kruchość, duża zależność od temperatury otoczenia i znacznarozrzut parametrów.
Specyfikacje tensometrów
- Podstawa - długość przewodu sieciowego (0,2-150 mm).
- Rezystancja nominalna R - wartość rezystancji czynnej (10-1000 Ohm).
- Prąd pracy zasilania Ip - prąd, przy którym tensometr nie nagrzewa się zauważalnie. Po przegrzaniu właściwości materiałów elementu czujnikowego, podstawy i warstwy klejącej zmieniają się, zniekształcając odczyty.
- Współczynnik odkształcenia: s=(∆R/R)/(∆L/L), gdzie R i L to odpowiednio opór elektryczny i długość nieobciążonego czujnika; ∆R i ∆L - zmiana oporu i odkształcenia od siły zewnętrznej. Dla różnych materiałów może być dodatnia (R wzrasta wraz z rozciąganiem) i ujemna (R wzrasta wraz ze ściskaniem). Wartość s dla różnych metali waha się od -12,6 do +6.
Schematy włączania tensometrów
Do pomiaru małych sygnałów elektrycznych najlepszym rozwiązaniem jest połączenie mostkowe, w środku którego znajduje się woltomierz. Najprostszym przykładem może być tensometr, którego obwód zmontowany jest na zasadzie mostka elektrycznego, w jednym z ramion, z którym jest połączony. Jego rezystancja w stanie nieobciążonym będzie taka sama jak w przypadku pozostałych rezystorów. W takim przypadku urządzenie pokaże napięcie zerowe.
Zasadą działania tensometru jest zwiększanie lub zmniejszanie wartości jego wytrzymałości w zależności od tego, czy siły są ściskające czy rozciągające.
Temperatura czujnika tensometrycznego ma znaczący wpływ na dokładność odczytów. Jeżeli podobna odporność na odkształcenia zostanie uwzględniona w drugim ramieniu mostu, które nie będzie obciążone, będzie pełnić funkcję kompensacji efektów termicznych.
Obwód pomiarowy musi również uwzględniać wartości rezystancji elektrycznej przewodów podłączonych do rezystora. Ich wpływ jest redukowany poprzez dodanie kolejnego przewodu podłączonego do jednego z pinów tensometru i woltomierza.
Jeżeli oba czujniki są przyklejone do elastycznego elementu w taki sposób, że ich obciążenia różnią się znakiem, sygnał zostanie wzmocniony 2 razy. Jeżeli w obwodzie znajdują się cztery czujniki z obciążeniami wskazanymi strzałkami na powyższym schemacie, czułość znacznie wzrośnie. Przy takim połączeniu tensometrów drutowych lub foliowych, konwencjonalny mikroamperomierz daje odczyty bez wzmacniacza sygnału elektrycznego. Ważne jest, aby dokładnie dobrać wartości rezystancji za pomocą multimetru tak, aby były one sobie równe w każdym ramieniu mostka elektrycznego.
Zastosowanie tensometrów w inżynierii
- Część konstrukcji wagi: podczas ważenia korpus czujnika odkształca się sprężyście, a wraz z nim przyklejone do niego tensometry połączone w obwód. Sygnał elektryczny jest przesyłany do miernika.
- Monitorowanie stanu naprężeń-odkształceń konstrukcji budowlanych i inżynierskich w procesie ich budowy i eksploatacji.
- Tensometry do pomiaru sił odkształcających podczas obróbkidocisk metalu w walcowniach i prasach tłoczących.
- Czujniki wysokotemperaturowe dla przemysłu stalowego i innych.
- Czujniki pomiarowe z elastycznym elementem ze stali nierdzewnej do pracy w środowiskach agresywnych chemicznie.
Standardowe tensometry wykonywane są w postaci podkładek, kolumn, belek prostych lub dwustronnych, w kształcie litery S. W przypadku wszystkich konstrukcji ważne jest, aby siła była przyłożona w jednym kierunku: od góry do dołu lub odwrotnie. W ciężkich warunkach pracy specjalne konstrukcje umożliwiają wyeliminowanie działania sił pasożytniczych. Ich ceny w dużej mierze zależą od tego.
W przypadku tensometrów cena waha się od setek rubli do setek tysięcy. Wiele zależy od producenta, konstrukcji, materiałów, technologii wykonania, wartości mierzonych parametrów, dodatkowego wyposażenia elektronicznego. W większości są to składniki różnego rodzaju wag.
Wniosek
Zasada działania wszystkich tensometrów opiera się na przekształceniu odkształcenia elementu sprężystego na sygnał elektryczny. Do różnych celów istnieją różne konstrukcje czujników. Przy wyborze tensometrów ważne jest, aby określić, czy obwody mają kompensację zniekształceń odczytów temperatury i pasożytniczych wpływów mechanicznych.
