Тензодатчики — тензометрические измерительные преобразователи

Тензометрический измерительный преобразователь – параметрический резистивный преобразователь, который преобразует деформацию твердого тела, вызванную приложенным к нему механическим напряжением, в электрический сигнал.

Резистивный тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем чувствительным элементом. Принцип измерения деформаций с помощью тензометрического преобразователя состоит в том, что при деформации изменяется активное сопротивление тензорезистора. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был обнаружен в 1856 году лордом Кельвином и в 1881 году О.Д.Хвольсоном.

В современном виде тензометрический измерительный преобразователь конструктивно представляет собой тензорезистор, чувствительный элемент которого выполнен из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали (Рисунок 1). Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента.

Рисунок 1 Схема тензопреобразователя: 1- чувствительный элемент; 2- связующее; 3- подложка; 4- исследуемая деталь; 5- защитный элемент; 6- узел пайки (сварки); 7- выводные проводники

При всем многообразии задач, решаемых с помощью тензометрических измерительных преобразователей, можно выделить две основные области их использования:

— исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях;

— применение тензодатчиков для измерения механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента.

Для первого случая характерно значительное число точек тензометрирования, широкие диапазоны изменения параметров окружающей среды, а также невозможность градуировки измерительных каналов. В данном случае погрешность измерения составляет 2-10%.

Во втором случае датчики градуируются по измеряемой величине и погрешности измерений лежат в диапазоне 0,5-0,05%.

Наиболее ярким примером использования тензометров являются весы. Тензометрическими датчиками оснащены весы большинства российских и зарубежных производителей весов. Весы на тензодатчиках применяются в различных отраслях промышленности: цветная и черная металлургии, химическая, строительная, пищевая и другие отрасли.

Принцип действия электронных весов сводится к измерению силы веса, воздействующей на тензодатчик, посредством преобразования возникающих изменений, например деформации, в пропорциональный выходной электрический сигнал.

Широкое распространение тензодатчиков объясняется целым рядом их досчтоинств:

— малоинерционость, что позволяет применять тензодатчики как при статических, так и при динамических измерениях;

— обладают линейной характеристикой;

— позволяют дистанционно и во многих точках проводить измерения;

— способ установки их на исследуемую деталь не требует сложных приспособлений и не искажает поле деформаций исследуемой детали.

А их недостаток, заключающейся в температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать.

Типы преобразователей и их конструктивные особенности

В основе работы тензопреобразователей лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности К, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:

где er = dr / r — относительное изменение сопротивления проводника; el = dl / l — относительное изменение длины проводника.

При деформации твердых тел изменение их длины связано с изменением объема, кроме того, изменяются и их свойства, в частности величина удельного сопротивления . Поэтому значение коэффициента тензочувствительности в общем случае должно быть выражено как

Здесь величина (1+2 μ ) характеризует изменение сопротивления, связанное с изменением геометрических размеров (длины и сечения) проводника, а — изменение удельного сопротивления материала, связанное с изменением его физических свойств.

Если при изготовлении тензопреобразователя использованы полупроводниковые материалы, то чувствительность определяется в основном изменением свойств материала решетки при ее деформации, и K » m и может меняться для различных материалов от 40 до 200.

Все существующие преобразователи можно разделить на три основных типа:

Проволочные тензодатчик в технике измерений неэлектрических величин используются по двум направлениям.

Первое направление – использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объемного сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего его газа или жидкости. В этом случае преобразователь представляет собой катушку провода (обычно манганинового), помещенную в область измеряемого давления (жидкости или газа). Выходной величиной преобразователя является изменение его активного сопротивления.

Второе направление – использование тензоэфффекта растягиваемой проволоки из тензочувствительного материала. При этом тензопреобразоатели применяются в виде “свободных” преобразователей и в виде наклеиваемых.

“Свободные” тензопреобразователи выполняются в виде одной или ряда проволок, закрепленных по концам между подвижной и неподвижной деталями, и, как правило, выполняющих одновременно роль упругого элемента. Естественной входной величиной таких преобразователей является весьма малое перемещение подвижной детали.

Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензодатчика изображено на рисунке 2. На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку наклеивается уложенная зигзагообразно тонкая проволока диаметром 0,02-0,05 мм. К концам проволоки присоединяются выводные медные проводники. Сверху преобразователь покрывается слоем лака, а иногда заклеивается бумагой или фетром.

Датчик обычно устанавливается так, чтобы его наиболее длинная сторона была ориентирована в направлении измеряемой силы. Такой преобразователь, будучи приклееным к испытуемой детали, воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Таким образом, естественной входной величиной наклеиваемого преобразователя является деформация поверхностного слоя детали, на которую он наклеен, а выходной- изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации. Обычно наклеиваемые датчики используются много чаще ненаклеиваемых.

Рисунок 2- Наклеиваемый проволочный тензопреобразователь: 1- тензочувствительная проволока; 2- клей или цемент; 3- целлофановая или бумажная подложка; 4- выводные проводники

Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются преобразователи с базами 5 – 20 мм, обладающие сопротивлением 30 – 500 ом.

Кроме наиболее распространенной петлевой конструкции проволочных тензодатчиков, существуют и другие. При необходимости уменьшения измерительной базы преобразователя (до 3 – 1 мм) его изготовляют витковым способом, который заключается в том, что на оправке круглого сечения на трубку из тонкой бумаги наматыается спираль из тензочувствительной проволоки. Затем эта трубка проклеивается, снимается с оправки, расплющивается и к концам проволоки прикрепляются выводы.

Когда надо получить от цепи с тезопреобразователем ток большой величины, часто используют “мощные” проволочные тензопреобразователи . Они состоят из большого числа (до 30 – 50) параллельно соединенных проволок, отличаются большими габаритами (длина базы 150 – 200 мм) и дают возможность значительно увеличить пропускаемый через преобразователь ток (рисунок 3 ).

Рисунок 3 — Низкоомный («мощный») проволочный тензопреобразователь: 1- тензочувствительная проволока; 2- клей или цемент; 3- целлофановая или бумажная подложка; 4- выводной проводник

Проволочные датчики имеют малую поверхность связи с образцом (основанием), что уменьшает токи утечки при высоких температурах и дает большее напряжение изоляции между чувствительным элементом и образцом.

Фольговые тензодатчики являются наиболее популярной версией наклеиваемых тензодатчиков. Фольговые преобразователи представляют из себя ленту из фольги толщиной 4 –12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует показанную на рисунке 4 решетку с выводами.

При изготовлении такой решетки можно предусмотреть любой рисунок решетки, что является существенным достоинством фольговых тензопреобразователей. На рисунке 4 ,а показан внешний вид преобразователя из фольги, предназначенного для измерения линейных напряженных состояний, на рис. 4 ,в – фольговый преобразователь, наклеиваемый на вал, для измерения крутящих моментов, а на рис.4,б – наклеиваемый на мембрану.

Рисунок 4 — Фольговые преобразователи: 1- подгоночные петли; 2- витки, чувствительные к растягивающим мембрану усилиям; 3- витки, чувствительные к сжимающим мембрану усилиям

Серьезным преимуществом преобразователей из фольги является возможность увеличивать сечение концов преобразователя; приваривание (или припаивание) выводов можно в этом случае осуществить значительно надежнее, чем в преобразователях из проволоки.

Фольговые тензодатчики по сравнению с проволочными имеют большее отношение площади поверхности чувствительного элемента к площади поперечного сечения (чувствительность) и более стабильны при критических температурах и длительных нагрузках. Большая площадь поверхности и малое поперечное сечение также обеспечивает хороший температурный контакт чувствительного элемента с образцом, что уменьшает саморазогрев датчика.

Для изготовления фольговых тензопреобразователей используются те же металлы, что и для проволочных датчиков (константан, нихром, сплав никеля с железом и т.д.), а также применяются еще и другие материалы, например титаноалюминиевый сплав 48Т-2, обеспечивающий измерение деформаций до 12%, а также целый ряд полупроводниковых материалов.

В последние годы появился еще один способ массового изготовления приклеиваемых тензосопротивлений, заключающийся в вакуумной возгонке тензочувствительного материала и последующей конденсации его на подложку, напыляемую непосредственно на деталь. Такие тензопреобразователи получили название пленочных. Малая толщина таких тензопреобразователей (15-30 мкм) дает существенное преимущество при измерениях деформаций в динамическом режиме в области высоких температур, где измерения деформации представляют собой специализированную область исследований.

Целый ряд пленочных тензопреобразователей на основе висмута, титана, кремния или германия выполняется в виде одной проводящей полоски (рисунок 5). Такие преобразователи не имеют недостатка, заключающегося в уменьшении относительной чувствительности преобразователя по сравнению с чувствительностью материала, из которого выполнен преобразователь.

Рисунок 5- Пленочный тензопреобразовтель:1- тензочувствительная пленка; 2- пленка лака; 3- выводной проводник

Тензометрический коэффициент преобразователя, выполненного на основе металлической пленки, равен 2 — 4, а его сопротивление колеблется в диапазоне от 100 до 1000 Ом. Преобразователи, выполненные на основе полупроводниковой пленки, имеют коэффициент порядка 50-200, и поэтому они более чувствительны к прикладываемому напряжению. При этом нет необходимости использовать усилительные схемы, поскольку выходное напряжение полупроводникового тензометрического моста составляет примерно 1 В.

К сожалению, сопротивление полупроводникового преобразователя изменяется в зависимости от прикладываемого напряжения и является существенно нелинейным во всем диапазоне напряжений, а также сильно зависит от температуры. Таким образом, хотя при работе с тензометром на основе металлической пленки требуется усилитель, его линейность весьма высока, а температурный эффект можно легко скомпенсировать.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Особенности и принцип действия тензометрических датчиков

Измерение напряжений и усилий в действующих узлах и конструкциях оборудования считается одной из наиболее сложных задач. Между тем в процессе эксплуатации техника подвергается разным видам нагрузок, которые определяют долговечность и надежность оборудования. Решение поставленных задач возможно с помощью тензометрических датчиков. Установка подобных устройств целесообразна тогда, когда в дополнение к производственным факторам добавляются остаточные напряжения, постепенно накапливаемые в ходе работы.

Описание и назначение

При измерении деформаций, напряжений и усилий при помощи тензометрических датчиков используют изменение значений омического сопротивления материала, которое вызывается упругими деформациями металлической проволоки или полупроводников стержневого исполнения. Изменение сопротивления датчика передаётся при помощи кабеля или бесконтактным путем на измерительный мост. Там оно преобразуется в усиленные электрические сигналы, которые и фиксируются прибором.

Все типы тензометрических датчиков (или, иначе – тензорезисторов) используют зависимость между напряжениями и деформациями – закон Гука – который справедлив в области упругих деформаций. Согласно закону Гука изменение электросопротивления, отнесённое к исходному значению данного параметра до деформации, пропорционально изменению удлинения, отнесённому к первоначальной длине измерительного элемента. Применяя коэффициент пропорциональности, который зависит от диапазона измеряемых параметров и материала устройства, устанавливают зависимость между нагрузкой на датчик и его удлинением:

R – исходное значение электрического сопротивления;

ΔR – изменение значения электрического сопротивления в процессе деформации;

k – коэффициент пропорциональности;

Δl – изменение длины при деформировании;

l – исходная длина измерительного элемента до приложения к нему эксплуатационной нагрузки.

Указанный тип устройств используется в весоизмерительной технике, поскольку относится к тензорным, определяющим усилия и внешние нагрузки.

Применяемость рассматриваемых измерительных элементов определяется материалом, из которого выполнен датчик. Чаще всего исходным материалом служит сплав константан, состоящий из 40% никеля и 60% меди. Для константана k ≈ 2; таким же порядком значений (1.5…3,5) обладают и другие сплавы постоянного электросопротивления.

Датчики полупроводникового типа имеют более высокие значения коэффициента пропорциональности. В зависимости от материала полупроводника (кремний или германий), а также состава легирующих добавок значения коэффициента достигают 50…70. В связи с этим полупроводниковые тензометрические датчики более чувствительны, и их применяют для оценки малых удлинений. Вместе с тем полупроводниковые датчики характеризуются повышенными отклонениями своего удлинения в диапазонах 1,5…9 % относительного удлинения. Для проволочных датчиков этот показатель не превышает 0,5%.

Конструкции тензометрических датчиков проволочного типа разрабатываются с учетом следующих ограничений:

• С целью получения достаточной точности измерений величина сопротивления проволочного элемента должна находиться в пределах 100…1000 Ом;
• Диаметр проволоки целесообразно иметь в диапазоне 0,01…0,03 мм;
• Длина проволочного элемента не должна превышать 250…300 мм.

В некоторых случаях приведенные ограничения не позволяют устанавливать тензометрические датчики в виде проволок, поэтому измерительные устройства изготавливают из фольги или плоских измерительных решеток. Для предохранения от повреждений, которые могут возникнуть при транспортировке или сборке таких датчиков, для их крепления в напольном исполнении применяют подложку из бумаги или тонкого пластика.

Чтобы обеспечить электрический контакт с измерительной решеткой, на подложке размещают проволочные выводы, которые затем присоединяются к датчику при помощи пайки.

Виды тензодатчиков, включающих в себя активный измерительный элемент, контактные выводы и подложку:

1. Плоский проволочный.
2. Фольговый.
3. Полупроводниковый, с одним или двумя стержнями.
4. Трубчатый.

Краткая характеристика наиболее распространённых исполнений тензодатчиков приводится далее.

• Консольные. Предназначены для измерения крутящих и изгибающих моментов, устанавливаются в метах наибольшего прогиба конструкций.
• Цилиндрические. Наименее компактны, зато позволяют определять значительные напряжения, приближающиеся по своим значениям к пределу текучести лимитирующего материала.
• S-образные. Дают возможность оценивать трехмерные деформации при объемном напряженно-деформированном состоянии. Чаще других нуждаются в поверке.

Устройство и принцип работы

По типу воздействия на исполнительные элементы конструкции различают тактильные, резистивные, пьезорезонансные, пьезоэлектрические, магнитные и емкостные датчики.

Тактильные

Срабатывают в результате механического действия на чувствительную поверхность. Позволяют устанавливать минимальные деформации, но при неточных настойках могут подавать и ложный сигнал.

Резистивные

Наиболее распространенный тип датчиков. Требуют подключения к слаботочной управляющей цепи, поскольку включают в себя тензорезисторный контур. Надежны при любом состоянии окружающей среды.

Пьезорезонансные

Относятся к устройствам полупроводникового типа, нуждаются в надежном обслуживании и тонкой настройке. Работают по принципу сравнения эталонного сигнала с фактическим.

Пьезоэлектрические

По своему действию подобны измерителям предыдущего типа, но подают сигнал при изменении значений контактных деформаций, прикладываемых к чувствительному элементу.

Магнитные

Изготавливаются из сплавов с переменным значением коэрцитивной силы, используются при измерении усилий в узлах оборудования, работающих в сильных электромагнитных полях.

Емкостные

Предназначены для измерения малых механических напряжений в деталях со сложной конфигурацией, когда изменение длины токопроводящей проволоки изменяет ее электрическую емкость.

Характеристика

Для изготовления тензометрических датчиков необходимо использовать материалы проволок, относительное изменение сопротивления которых пропорционально удлинению в максимальном диапазоне деформаций. При этом коэффициент пропорциональности k должен иметь большие значения. Для компактных устройств со значительной чувствительностью приходится применять материалы, обладающие высоким удельным сопротивлением. При этом температурная зависимость удельного сопротивления при изменении внешних условий должна быть незначительной, а лучше и вовсе отсутствовать.

Условия оптимального использования тензорезисторов:

• Малое различие между коэффициентами теплового расширения материала конструкции (или узла) и измерительной проволоки устройства.
• Нечувствительность к термическим напряжениям, которые возникают при соединении измерительного элемента с контролируемой частью оборудования или конструкции (для такого присоединения чаще всего используют пайку).
• Хорошая обрабатываемость паяных соединений, которая не изменяет эксплуатационные параметры оборудования.
• Надежность соединения, учитывающая возможные динамические удары и перемещения.

На параметр пропорциональности k влияют коэффициент Пуассона ε (представляющий собой условную меру изменения поперечного сечения детали при приложении к ней растягивающих напряжений) и теплофизические параметры материала, из которого изготовлен тензометрический прибор.

Схемы подключения

Конструкции тензометрических датчиков, в частности, их малая жесткость, вынуждают применять особые способы подключения рассматриваемых элементов. Например, участки проволочной решетки в местах возможного изгиба при деформации часто располагаются поперечно к направлению измерений. Они воспринимают составляющие удлинения, действующие именно в этом направлении, и поэтому недостаточно точно реагируют на силы и деформации продольного направления. Отношение чувствительности измерения удлинений в продольном и поперечном направлениях для датчиков проволочного исполнения находятся в пределах от -0,01 до +0,04.

Влияние описанного фактора уменьшается, если для измерения напряжений, крутящих моментов или усилий использовать фольговые силоизмерительные датчики. По аналогии с печатными схемами, измерительная фольговая решетка, которая расположена на пластмассовой подложке, может быть получена в результате травления тонкой металлической фольги. Кроме того, токовая нагрузка на тензометрические датчики фольгового типа больше, чем на проволочные, вследствие чего тепло от фольговых тензометров отводится лучше.

Тензорезисторы часто приклеиваются к исследуемому конструктивному элементу. Клеевое соединение обеспечивает постоянную передачу деформации через подложку на измерительную решетку. Поэтому к клеям предъявляется также и ряд особых требований:

• Высокое сопротивление ползучести.
• Отсутствие гистерезиса.
• Влагостойкость.
• Адгезионная способность.
• Температуростойкость.

Наибольшую эксплуатационную надежность проявляют эпоксидные смолы холодного твердения. Для экспериментального определения многосторонней деформации используют розеточную систему данных устройств, которые образуют измерительный мост. При этом образованная схема состоит из не менее, чем четырех закрепленных на подложке датчиков, которые размещаются крестообразно, треугольником, т-образно, в виде звезды. Благодаря многолучевому размещению тензорезисторов их удлинения измеряются в двух, трех или четырех направлениях.

Сферы применения

Кроме определения удлинений, которые вызываются действием внешних нагрузок на конструктивные части оборудования, тензометрические датчики могут применяться для измерения собственных (остаточных) напряжений в момент их релаксации, это явление происходит при высверливании или разрезке некоторых конструктивных деталей и узлов.

Тонкопленочные датчики давления, которые изготавливаются путем осаждения из паровой фазы или распыления, используются для определения усилий, напряжений, крутящих моментов и деформаций в изоляционных элементах, которые размещаются непосредственно на полированных мембранах. Для калибровки резистивных элементов используется лазерная подгонка, повышающая точность замеров. Диффузионные полупроводниковые датчики давления могут проникать в кремниевую чувствительную к давлению диафрагму, и не связаны со свойствами поверхности. Это позволяет использовать их в технологиях миниатюрного тензометрирования.

Основным преимуществом тонкопленочных преобразователей является устранение нестабильности, вызванной клеем.

Технология тонких пленок считается более современной и обеспечивает превосходную стабильность при нулевом температурном режиме и полной чувствительности, а также высокую долговечность.

Часто применяемые условия для использования тензодатчиков перечислены далее.

Измерение веса

Необходимо в системах напольного типа, при помощи которых определяют массу груза. Характеризуются минимальными требованиями к точности монтажа и наладки.

Измерение давления

Используется в технологических линиях обработки металлов давлением. Одновременно производится также измерение рабочих сил и упругих деформаций. Датчики снабжаются силоизмерительным устройством с цифровой индикацией.

Измерение крутящего момента

Применяется для испытательного оборудования станций технического обслуживания автомобильного транспорта.

Определение ускорения

Иногда используется в экспериментальных лабораториях, где занимаются проектированием и испытаниями высокоскоростной рельсовой и безрельсовой техники.

Контроль перемещения

Самые распространенные отрасли применения – сейсмологические станции и фундаменты высокоточного массивного оборудования, преимущественно энергетического.

Плюсы и минусы

Тензорные датчики компактны, удобны при установке, практически не ограничивают работоспособность конструкции, где они установлены. Вместе с тем они часто подвержены эффекту старения, чувствительны к температурным напряжениям и иногда характеризуются повышенным разбросом получаемых данных. Тонкоплёночные тензорезисторы, кроме того, характеризуются низким уровнем выходного сигнала, ограниченными частотными характеристиками и влиянием высокого напряжения на точность получаемых результатов. Чаще других типов применяются в качестве весовых, а также для определения комплекса силовых факторов, постоянно изменяющихся в процессе работы оборудования или конструкции.

Преимущества тензометрических технологий:

• Быстрое время отклика;
• Простота компенсации температурных эффектов;
• Малая чувствительность к динамическим воздействиям.

• Невозможность обеспечить более низкие диапазоны измерений;
• Снижение точности показаний при вибрациях;
• Необходимость точного совмещения с окружающей средой;
• Сложность первоначальной настройки.

Выпуск современных тензометрических датчиков регламентируется требованиями ГОСТ 21616-91.

Резистивный преобразователь, является главной составной частью высокоточных устройств и приборов. Изготавливают датчик из чувствительного тензорезистора, представляющего собой тонкую алюминиевую проволоку или фольгу. Резистор в результате деформации изменяет свое сопротивление, подает сигнал на индикатор.

Источник