Tenometri — tenzometriskie mērpārveidotāji

Deformācijas sensors — parametrisks pretestības devējs, kas stingra korpusa deformāciju, ko izraisa tam pielikts mehānisks spriegums, pārvērš elektriskā signālā.

Pretestības manometrs ir pamatne ar pievienotu jutīgu elementu. Deformācijas mērīšanas princips, izmantojot deformācijas mērītāju, ir tāds, ka deformācijas laikā deformācijas mērītāja pretestība mainās. Metāla vadītāja pretestības izmaiņu efektu vispusīgas kompresijas (hidrostatiskā spiediena) iedarbībā atklāja lords Kelvins 1856. gadā un OD Hvolsons 1881. gadā.

Mūsdienīgā formā deformācijas mērītājs strukturāli attēlo deformācijas rezistoru, kura jutīgais elements ir izgatavots no spriedzi jutīga materiāla (stieples, folijas utt.), kas piestiprināts ar saistvielu (līmi, cementu) uz pētāmās daļas. (1. attēls). Lai sensora elementu savienotu ar elektrisko ķēdi, tenzometram ir vadi.Daži deformācijas mērītāji ir izstrādāti vieglākai uzstādīšanai, tiem ir paliktnis, kas atrodas starp jutīgo elementu un pārbaudāmo daļu, kā arī aizsargelements, kas atrodas virs jutīgā elementa.

1. attēls. Deformometra shēma: 1- jutīgs elements; 2- saistviela; 3- substrāts; 4- izpētīta detaļa; 5- aizsargelements; 6- bloks lodēšanai (metināšanai); 7 vadu elektroinstalācija

Ņemot vērā daudzos uzdevumus, kas atrisināti, izmantojot deformācijas devējus, var izdalīt divas galvenās to izmantošanas jomas:

— materiālu fizikālo īpašību, deformāciju un spriegumu izpēte daļās un konstrukcijās;

- deformācijas mērītāju izmantošana, lai izmērītu mehāniskās vērtības, kas tiek pārvērstas elastīga elementa deformācijā.

Pirmajam gadījumam raksturīgs ievērojams sprieguma mērīšanas punktu skaits, plaši vides parametru izmaiņu diapazoni, kā arī mērīšanas kanālu kalibrēšanas neiespējamība. Šajā gadījumā mērījumu kļūda ir 2-10%.

Otrajā gadījumā sensori tiek kalibrēti pēc izmērītās vērtības un mērījumu kļūdas ir 0,5-0,05% robežās.

Visspilgtākais deformācijas mērītāju izmantošanas piemērs ir līdzsvars. Lielākajai daļai Krievijas un ārvalstu ražotāju svari ir aprīkoti ar tenzometriem. Slodzes šūnu svari tiek izmantoti dažādās nozarēs: krāsaino un melno metalurģijā, ķīmiskajā, celtniecības, pārtikas un citās nozarēs.

Elektronisko svaru darbības princips ir samazināts līdz gravitācijas spēka mērīšanai, kas iedarbojas uz slodzes devēju, pārveidojot iegūtās izmaiņas, piemēram, deformāciju, proporcionālā izejas elektriskajā signālā.

Tensoru rezistoru plašā izmantošana ir izskaidrojama ar vairākām to priekšrocībām:

— mazs izmērs un svars;

— zema inerce, kas ļauj izmantot deformācijas mērītājus gan statiskiem, gan dinamiskiem mērījumiem;

— ir lineārs raksturlielums;

— ļauj veikt mērījumus attālināti un daudzos punktos;

— to uzstādīšanas metode uz pārbaudāmās daļas neprasa sarežģītas ierīces un neizkropļo pārbaudāmās daļas deformācijas lauku.

Un to trūkums, kas ir temperatūras jutība, vairumā gadījumu var tikt kompensēts.

Pārveidotāju veidi un to konstrukcijas īpatnības

Tenzijas mērītāju darbības pamatā ir deformācijas efekta parādība, kas sastāv no vadu aktīvās pretestības izmaiņām to mehāniskās deformācijas laikā. Materiāla deformācijas efekta raksturlielums ir relatīvās deformācijas jutības koeficients K, kas definēts kā pretestības izmaiņu attiecība pret vadītāja garuma izmaiņām:

k = er / el

kur er = dr / r — vadītāja pretestības relatīvās izmaiņas; el = dl / l — stieples garuma relatīvās izmaiņas.

Cietu ķermeņu deformācijas laikā to garuma izmaiņas ir saistītas ar tilpuma izmaiņām, un mainās arī to īpašības, jo īpaši pretestības vērtība. Tāpēc jutīguma koeficienta vērtība vispārējā gadījumā ir jāizsaka kā

K = (1 + 2μ) + m

Šeit lielums (1 + 2μ) raksturo pretestības izmaiņas, kas saistītas ar vadītāja ģeometrisko izmēru (garuma un šķērsgriezuma) izmaiņām, un — materiāla pretestības izmaiņas, kas saistītas ar tā fizikālās izmaiņas. īpašības.

Ja tenzora ražošanā izmanto pusvadītāju materiālus, jutību galvenokārt nosaka režģa materiāla īpašību izmaiņas tā deformācijas laikā un K »m un dažādiem materiāliem var mainīties no 40 līdz 200.

Visus esošos pārveidotājus var iedalīt trīs galvenajos veidos:

— stieple;

— folija;

- filma.

Vadu telemetri tiek izmantoti neelektrisko lielumu mērīšanas tehnikā divos virzienos.

Pirmais virziens ir vadītāja deformācijas efekta izmantošana tilpuma saspiešanas stāvoklī, kad devēja dabiskā ieejas vērtība ir apkārtējās gāzes vai šķidruma spiediens. Šajā gadījumā devējs ir stieples (parasti manganīna) spole, kas novietota izmērītā spiediena zonā (šķidrums vai gāze). Pārveidotāja izejas vērtība ir tā aktīvās pretestības izmaiņas.

Otrs virziens ir izmantot spriegošanas stieples spriegošanas efektu, kas izgatavots no spriedzi jutīga materiāla. Šajā gadījumā sprieguma sensori tiek izmantoti "bezmaksas" pārveidotāju veidā un līmētu veidā.

"Brīvās" deformācijas mērierīces ir izgatavotas viena vai virknes vadu veidā, kas piestiprinātas galos starp kustīgo un nekustamo daļu un, kā likums, vienlaikus veic elastīga elementa lomu. Šādu devēju dabiskā ievades vērtība ir ļoti maza kustīgās daļas kustība.

Visizplatītākā savienoto stiepļu deformācijas mērītāja ierīce ir parādīta 2. attēlā. Plāna stieple ar diametru 0,02-0,05 mm, kas novietota zigzaga veidā, tiek pielīmēta uz plānas papīra vai lakas folijas sloksnes. Vada galiem ir pievienoti svina vara vadi. Pārveidotāja augšdaļa ir pārklāta ar lakas slāni un dažreiz aizzīmogota ar papīru vai filcu.

Pārveidotājs parasti tiek uzstādīts tā, lai tā garākā puse būtu vērsta mērītā spēka virzienā. Šāds devējs, pielīmēts pie testa parauga, uztver tā virsmas slāņa deformācijas. Tādējādi līmētā devēja dabiskā ievades vērtība ir tās daļas virsmas slāņa deformācija, kurai tas ir pielīmēts, un izvade ir devēja pretestības izmaiņas, kas ir proporcionālas šai deformācijai. Parasti līmētos sensorus izmanto daudz biežāk nekā nelīmētos.

2. attēls - savienota stieples sprieguma mērītājs: 1 - stiepes stiepes stieple; 2- līme vai cements; 3- celofāna vai papīra pamatne; 4 vadu vadi

Pārveidotāja mērīšanas bāze ir tās daļas garums, kuru aizņem vads. Visbiežāk izmantotie devēji ir 5-20 mm bāzes ar pretestību 30-500 omi.

Papildus visizplatītākajam kontūru deformācijas mērītāja dizainam ir arī citi. Ja nepieciešams samazināt devēja mērīšanas pamatni (līdz 3–1 mm), to veic ar tinuma metodi, kas sastāv no slodzes jutīgas stieples spirāles uztīšanas uz apļveida šķērsgriezuma serdeņa uz caurules plāns papīrs. Pēc tam šī caurule tiek pielīmēta, noņemta no serdeņa, saplacināta un stieples tiek piestiprinātas pie stieples galiem.

Kad nepieciešams iegūt lielu strāvu no ķēdes ar termopārveidotāju, bieži izmanto "Jaudīgus" deformācijas mērītājus ar uztītu vadu... Tie sastāv no liela skaita (līdz 30 — 50) paralēli savienotiem vadiem, atšķiras. lielos izmēros (pamatnes garums 150–200 mm) un ļauj ievērojami palielināt strāvu, kas iet caur pārveidotāju (3. attēls).

Zīmējums 3- Tenometrs ar zemu pretestību ("jaudīgs"): 1 — tenometra vads; 2- līme vai cements; 3- celofāna vai papīra pamatne; 4 kontaktu vads

Stiepļu zondēm ir mazs kontakta laukums ar paraugu (substrātu), kas samazina noplūdes strāvas augstās temperatūrās un rada lielāku izolācijas spriegumu starp jutīgo elementu un paraugu.

Folijas slodzes elementi ir vispopulārākā adhezīvo slodzes šūnu versija. Folijas devēji ir 4–12 mikronu bieza folijas sloksne, uz kuras daļa metāla tiek atlasīta ar kodināšanu tā, lai pārējā daļa veidotu svina režģi, kas parādīts 4. attēlā.

Ražojot šādu režģi, var paredzēt jebkuru režģa modeli, kas ir būtiska folijas deformācijas mērītāju priekšrocība. 4. attēlā a parāda folijas devēja izskatu, kas paredzēts lineāro sprieguma stāvokļu mērīšanai, attēlā. 4, c — uz vārpstas pielīmēts folijas devējs griezes momentu mērīšanai, un att. 4, b — pielīmēts pie membrānas.

Zīmējums 4- Folijas pārveidotāji: 1- regulēšanas cilpas; 2- līkumi, kas ir jutīgi pret membrānas stiepes spēkiem; 3- rotācijas, kas ir jutīgas pret diafragmas spiedes spēkiem

Nopietna folijas pārveidotāju priekšrocība ir iespēja palielināt pārveidotāja galu šķērsgriezumu; vadu metināšanu (vai lodēšanu) šajā gadījumā var veikt daudz uzticamāk nekā ar stiepļu pārveidotājiem.

Folijas deformatoriem, salīdzinot ar stiepļu deformatoriem, ir lielāka jutīgā elementa virsmas attiecība pret šķērsgriezuma laukumu (jutību), un tie ir stabilāki pie kritiskām temperatūrām un noturīgām slodzēm. Lielais virsmas laukums un mazais šķērsgriezums nodrošina arī labu temperatūras kontaktu starp sensoru un paraugu, kas samazina sensora pašsildīšanu.

Folijas deformācijas mērītāju ražošanai izmanto tos pašus metālus, ko telenometriem (konstantāns, nihroms, niķeļa-dzelzs sakausējums u.c.), kā arī citus materiālus, piemēram, titāna-alumīnija sakausējumu 48T-2, kas mēra. deformācijas līdz 12 %, kā arī vairāki pusvadītāju materiāli.

Filmu tenzori

Pēdējos gados ir parādījusies cita metode savienotu pretestības celmu masveida ražošanai, kas sastāv no deformācijas jutīga materiāla vakuuma sublimācijas un tā sekojošas kondensācijas uz substrāta, kas izsmidzināts tieši uz sagataves. Šādus devējus sauc par plēves devējiem. Šādu deformācijas mērītāju mazais biezums (15-30 mikroni) dod ievērojamu priekšrocību, mērot deformācijas dinamiskā režīmā augstās temperatūrās, kur deformācijas mērījumi ir specializēta pētniecības joma.

Vairāki plēves deformācijas mērītāji uz bismuta, titāna, silīcija vai germānija bāzes ir izgatavoti vienas vadošas lentes veidā (5. attēls).Šādiem devējiem nav tāda trūkuma, ka tas samazina devēja relatīvo jutību salīdzinājumā ar materiāla, no kura devējs ir izgatavots, jutību.

5. attēls. Plēves deformācijas mērītājs: 1. plēve; 2- lakas folija; 3 kontaktu vads

Metāla plēves devēja deformācijas koeficients ir 2-4, un tā pretestība svārstās no 100 līdz 1000 omiem. Pārveidotāju, kas izgatavoti uz pusvadītāju plēves bāzes, koeficients ir 50-200, un tāpēc tie ir jutīgāki pret pielietoto spriegumu. Šajā gadījumā nav nepieciešams izmantot pastiprinātāju ķēdes, jo pusvadītāju deformācijas un rezistora tilta izejas spriegums ir aptuveni 1 V.

Diemžēl pusvadītāju pārveidotāja pretestība mainās atkarībā no pielietotā sprieguma un būtībā ir nelineāra visā sprieguma diapazonā, kā arī ir ļoti atkarīga no temperatūras. Tādējādi, lai gan, strādājot ar metāla plēves deformatoru, ir nepieciešams pastiprinātājs, linearitāte ir ļoti augsta un temperatūras efektu var viegli kompensēt.