Вивчення конструкції, принципу дії, застосування та тарування тензометричних датчиків

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА

Тема роботи: Вивчення конструкції, принципу дії, застосування та тарування тензометричних датчиків

Мета роботи: ознайомитись із конструкцією, принципом дії та особливостями використання тензометричних датчиків (тензорезисторів) для вимірювання неелектричних величин електричними методами.

Хід роботи:

Тензометричний метод являється одним із найбільш розповсюджених при дослідженнях і випробуваннях напружено-деформованого стану елементів машин, будівельних конструкцій, ґрунтів та різних будівельних сумішей в процесі їх навантаження. У відповідності до назви методу у якості датчиків-перетворювачів деформацій на зміну електричних імпульсів в інформаційно-вимірювальних ланцюгах (ІВЛ) використовуються тензометричні датчики (тензорезистори). Перевагою тензодатчиків є велика чутливість до мінімальних переміщень та незначні розміри, що дозволяє розміщувати їх безпосередньо на деталях або на віддалених елементах конструкцій, або в робочих середовищах.

Принцип дії тензорезисторів побудований на тензометричному ефекті - залежності електричного опору тензорезистору від ступеню його деформації.

Тензорезистри характеризуються:

Вимірювальною базою l - довжина чутливого елемента решітки тензодатчика в мм. Випускаються датчики з базою від 0,2 до 150 мм. (рис. 1.1)

Номінальним опором R - значення активного опору чутливого елемента (гратки) тензодатчика в Ом. Опір тензорезисторів промислового виробництва становить 10 ... 1000 Ом.

Робочим струмом живлення Iр - допустимий струм в мА, при якому не відбувається помітного нагрівання тензорезистора. Чим більше струм, що проходить через гратку тензорезистора, тим вище рівень електричних сигналів, в які перетворюється вимірювана деформація.

Межею вимірюваних деформації еmax - найбільше значення відносної деформації в мкм/м (або у відсотках), щодо якої завод-виробник гарантує надійну роботу тензорезисторів.

Основною характеристикою тензометричного ефекту являється коефіцієнт тензочутливості. Він визначається відношенням відносної зміни опору - R до відносної зміни довжини провідника - L:

Дротяний тензодатчик масового застосування (рис.1.1 а) являє собою плоску петлеподібну дротяну обмотку 2 прямокутної форми (гратку), до кінців 4 якої припаяні (або приварені) відносно товсті відводи з мідного дроту 5. Дротяна решітка за допомогою спеціального клею 3 закріплюється на тонкій прямокутної смужці 1 з паперу, клейової або лакової плівки, що служить для решітки підкладкою (основою).

Фольгові тензодатчики (рис. 1.1 б) виготовляються методом фотолітографії з дуже тонкої (близько 0,0036 мм) фольги.

Вони мають прямокутну форму поперечного перетину ниток чутливої решітки 1 при малій товщині, При цьому збільшується площа зчеплення решітки з поверхнею досліджуваної деталі 2, що робить більш міцним з'єднання тензодатчика з деталлю, покращує передачу деформації до чутливої решітки, підвищує стабільність і надійність вимірювань.

Рис. 1.1. Тензометричні датчики: а - дротяний, б - фольговий.

Рис. 1.1.а. Основні види тензометричних датчиків

Метод фотолітографії дозволяє отримувати тензодатчики самих різних конфігурацій з широкими поперечними перемичками 3. Фольгові тензодатчики мають широкі контактні площадки 4 для надійної припайки вивідних проводів 5. Наявність витравлених міток 6 на підкладці 7 дозволяє надійніше контролювати положення тензодатчика на деталі в процесі його установки. Між деталлю і підкладкою розташований тонкий клейовий шар 8. Зверху датчик має шар покриття 9.

Для проведення вимірювань деформацій тензорезистор наклеюють до поверхні зразка, деталі або конструкції. Гратку тензорезисторів виготовляють з дротяних або фольгових матеріалів, що мають великий питомий опір (константан, ніхром та інші таб.1.1). Діаметр дроту 0,02-0,05мм (рис. 1.1, а), а товщина фольгових тензорезисторів 0,004-0,012 мм (рис.1.1,б). Вимірювальною базою датчика є та довжина, на якій сприймається деформація. Коливається від 5 до 20 мм.

Датчики працюють під напругою 12В, робочий струм для дротяних тензорезисторів - 30мА, для фольгових - 2мА. Номінальний опір дротяних тензодатчиків - 50, 100, 200, 400, 500 Ом, фольгових - 50, 100, 200 Ом.

Для зручності монтажних робіт до кінців тензоелементів припаюють мідні провідники діаметром 0,1-0,2 мм, які з'єднують датчик із джерелом живлення. В таблиці 1.1 наведена інформація щодо сплавів, які використовуються для виготовлення тензодатчиків.

Таблиця 1.1 Сплави їх хімічний склад і коефіцієнт чутливості тензодатчиків

Схеми включення тензорезисторів у вимірювальний міст

Вимірювання деформації за допомогою тензоелементів - одне з найскладніших в техніці електричних вимірювань. Складність визначається малим діапазоном зміни опору тензорезистора під впливом деформації. Для перетворення настільки малих змін опору у вихідні сигнали напруги, які можуть реєструватися, найбільш часто застосовують мостову схему Уітстона (рис.1.2,а), яку разом із підсилювачем сигналів включають у загальну інформаційно-вимірювальну схему (рис. 1.2, б).

Рис. 1.2 а - схема моста Уітстона, б - схема інформаційно-вимірювальної системи:

М - вимірювальний міст із датчиками; П - підсилювач сигналу; І - індикатор (як правило осцилограф); ДЖ - джерело живлення.

Міст Уітстона з живленням від джерела постійної напруги складається з трьох функціональних частин (рис. 1.2а). Це джерело напруги U, чотири резистора (R1, R2, R3, R4), що утворюють міст, і схема що реєструє з резистором навантаження Rм. У наведених рівняннях (1.2 та 1.3) вважається Rм = ?, так, що струм, що протікає через міст, не відволікається в навантаження. Така ситуація спостерігається, коли сигнал з мостової схеми надходить на вхід електронного підсилювача або аналого-цифрового перетворювача (АЦП).

Залежно від кількості тензорезисторів, що включаються у вимірювальний міст, можливі три модифікації мостової схеми: «чверть моста» (рис.1.3, а),«напівміст» (рис. 1.3, б) і «повний міст» (рис. 1.3, в).

Рис. 1.3. Модифікація вимірювального моста

Вихідна напруга моста Уітстона (різниця напруги точок В і Д) визначається співвідношенням:

З рівняння (1.2) випливає, що ДU = 0, якщо виконується умова

або

При дотримання рівняння (1.3) міст називається збалансованим. Це означає, що мала напруга розбалансу, викликана зміною опору, вимірюється щодо нульового або майже нульового рівня. Цей малий сигнал легко може бути посилений до високого рівня для подальшої реєстрації. Вихідна напруга ДU виникає при зміні опору резисторів R1, R2, R3, R4, на величини ДR1, ДR2, ДR3, ДR4. Такі зміни опору виникають, наприклад, внаслідок деформації або зміни температури тензорезисторів.

Зміна опору в одному або протилежних плечах мосту в одну сторону (або у сусідніх плечах у різні сторони) викликає струм в діагоналі, у якій встановлено реєструючий прилад. Неточність вимірювання напруг таким способом складає 10-15%. Для встановлювання нуля в схемі передбачається установка реостату. Двоє з показаних у схемі датчиків R1 і R2 встановлюють на деталі, що випробується, а двоє інших R3 і R4 разом із реостатом і покажчиком струму у діагоналі мосту встановлюються у підсилювачі.

Вирази (1.3) свідчать, що одночасна і однакова зміна за величиною і напрямом опору датчиків , які розташовані у сусідніх плечах мостової схеми, (R1 і R2 або R3 і R4) силу струму в діагоналі мосту не змінює, тобто не впливає на показання датчиків. Цю властивість мостової схеми використовують для виключення впливу температури на результати вимірювань. Для цього датчики на досліджуємій деталі розташовують перпендикулярно один до одного - один в напрямку дії сили що вимірюється, інший у поперечному напрямку (рис. 1.4). Датчики з'єднують у сусідні плечі мостової схеми. При такому з'єднанні у випадку зміни температури деталі опори обох датчиків змінюються на однакову величину, але оскільки вони розташовані у сусідніх плечах, сила струму у діагоналі мосту не змінюється.

Рис. 1.4. Схема розташування тензодатчиків для забезпечення температурної компенсації при вимірюваннях

Тарування датчиків.

Тарування (градуювання) дозволяє встановити чутливість тензометричної системи до вимірюваної величини, перевірити роботу системи в усьому діапазоні зміни вхідної величини.

Тарування здійснюється наступним чином: на вхід вимірювальної системи подають заздалегідь відомі значення вимірюваної величини, наприклад, деформації, а на виході фіксують реакцію системи на ці дії.

Джерелом еталонної деформації найчастіше слугують тарувальні балки консольного типу (рис. 1.5) або балки на двох опорах. Їх виготовляють з високоміцних матеріалів, які відрізняються високими пружними властивостями і лінійністю характеристики деформування до деформацій не менше 0,3%. тензометричний датчик навантаження температурний

Вибрані тензорезистори наклеюють на ділянку деталі, де створюють відносну деформацію відомої величини. Балка, жорстко затиснена в підставі, навантажується в точці перетину бічних сторін через підвіску вантажами (рис.1.5). Вимірювану деформацію е балки можна виразити через навантаження Р, розміри перетину b і h, модуль пружності матеріалу балки Е.

Деформація за законом Гука дорівнює

де у - нормальна напруга при вигині,

де М - згинальний момент;

W - осьовий момент опору поперечного перерізу:

Якщо використовується балка постійного поперечного перерізу, то легко підрахувати рівень деформації в точці розташування центру чутливої решітки тензорезистора, підставивши вирази в формулу деформації і зробивши відповідні перетворення, отримаємо:

Е модуль пружності матеріалу балки.

Тензорезистори на балці і на досліджуваному об'єкті повинні бути з однієї партії, тобто мати однаковий коефіцієнт тензочутливості та інші характеристики.

Рис. 1.5. Схема тарування

Найбільш точні результати отримують при таруванні, якщо (перед проведенням вимірювань) досліджуєму деталь навантажують наперед відомим навантаженням Р такого ж характеру, який очікується при випробуваннях. Тарувальний графік будують таким чином.

При декількох навантаженнях (однієї і тієї ж величини) фіксують значення електричного сигналу у вимірювальному ланцюгу (відхилення променю осцилографу). В подальшому змінюючи величину навантаження будують графік залежності P - е (рис.1.6), що дозволяє судити про ступінь лінійності вимірювальної характеристики системи у всьому діапазоні зміни вимірюваної деформації.

У подальшому при проведенні випробувань величини електричних сигналів у вимірювальному ланцюгу переводять за допомогою тарувального графіку у значення механічної величини, що вимірюється.

Рис.1.6. Тарувальний графік

При таруванні перевіряють також наявність лінійної залежності між вимірюваної деформацією і показаннями апаратури. Для цього до балки ступенями прикладають навантаження Р, для кожного значення якої за формулою (1.7) підраховують величину відносної деформації е, а з блоку індикації І знімають відповідні показання Х.

Слід зазначити, що вимірювальний міст (кількість включених активних датчиків, їх місце в вимірювальному мосту), а також довжина сполучних проводів і їх перетин при таруванні повинні бути такими ж, як і в проведеному експерименті.

Для вимірювання статичного або динамічного тиску безпосередньо у середовищі використовують датчики тиску (мездози). Найбільш ефективними є мездози ЦНДІБК (Центрального науково-дослідного інституту будівельних конструкцій), які обладнані гідроперетворювачами (рис. 1.7).

В порівнянні зі звичайними мембранними мездозами, датчики тиску ЦНДІБК мають високу чутливість. Показання гістерезису при навантаженні та розвантаженні - не більше 2 %. Мездоза працює в діапазоні вимірюваних тисків від 0 до 50 кгс/см2. Сигнал, який був отриманий, підсилювався за допомогою блока підсилювачів.

Гідроперетворювачі являють собою порожнину, яка заповнюється робочою рідиною (ртуть або силікон).

Рис.1.7 Конструкція мездози із гідроперетворювачем: 1-приймальна поверхня, 2-корпус, 3- вимірювальна мембрана, 4-камера гідро перетворювача, 5-тензорезистори, 6-отвір для кабелю,7-отвір для нагнітання робочої рідини,8- кришка.

Мездози можуть бути використані як для визначення статичних так і для динамічних параметрів.

У конструкції датчика тиску ЦНДІБК використовується мембранний тензорезистор, за допомогою якого відбувається перетворення механічного сигналу в електричний. Мембранний тензорезистор виконаний по напівмостовій схемі.

При підключеннях тензорезисторів мездоз також використовується мостова схема (рис. 1.8,б). Половина моста знаходиться у мездози (R1, R3), а інша половина (додаткові компенсуючи тензорезистори R2, R4) - в екранованому та заземленому корпусі. Кабелі датчиків повинні мати подвійну ізоляцію, бути екранованими та заземленими. Тарування мездоз здійснюється у спеціальному тарувальному пристрої, схема якого показана на рис. 1.8,а). Для виконання процесу тарування у масляну систему заливається індустріальне масло И-20, И-40.

Тарування здійснюється наступним чином. Датчик розміщується у порожнині компресійного баку, після чого бак герметизується. Манометр та індикатор тензостанції виставляються у нульове положення . За допомогою насоса збільшують тиск і через кожний крок приросту 1 Н\см2 фіксують числове значення зміни показань ЕОМ. За отриманими даними будують графік , що відповідає навантаженню датчика. Аналогічно будують графік при розвантаженні.

Рис.1.8 Схема підключення мездози (а): 1 - масляний бак; 2 - манометр; 3 - масляний насос; 4 - мездоза; 5 - компресійний бак; 6 - комплект вимірювальної апаратури (б)- стенд для тарування мездоз: 1 - шестиканальний підсилювач; 2 - блок живлення

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з теоретичною частиною і заготовити бланк протоколу.

2. Занести в протокол вихідні дані таблиця 1.

3. Обчислити величину допустимого навантаження для тарувальної балки

де [у] - допустиме напруження для матеріалу балки.

Допустиме (граничне) напруження для матеріалу балки - вуглецева сталь, виду деформації - згин та типу навантаження - змінне пульсуюче постійне за знаком [у] = 0,6ув = 0,6*600 = 360 Н/мм2 (для сталі 45).

4 Зовнішнім оглядом переконатися в цілісності тензорезисторів, наклеєних на поверхню тарувальної балки.

5 З'єднати між собою балку і вимірювальну систему, підключити до неї тензорезістори відповідно до схеми.

6 Провести тарування (стежити, щоб ). Результати тарування занести в таблицю 2 протоколу.

7. Виконати обчислення згідно з формулою 1.7. Результати обчислень занести до таблиці 2.

8. Побудувати тарувальний графік і обчислити коефіцієнт тензочутливості за формулою (1.1).

ПРОТОКОЛ ЗВІТУ

Таблиця 1 Вихідні дані:

Таблиця 2 Результати вимірювань та розрахунків для датчиків переміщень

е - розрахункові відхилення тарувальної балки, мм

х - відхилення сигналу датчика переміщення, мм

Р - навантаження балки, Н.

Размещено на Allbest.ru