Tenometrai – tenzometriniai matavimo keitikliai

Deformacijos matuoklio jutiklis – parametrinis varžinis keitiklis, kuris standaus kūno deformaciją, atsiradusią dėl mechaninio įtempimo, paverčia elektriniu signalu.

Varžinis manometras yra pagrindas su pritvirtintu jautriu elementu. Įtempių matavimo naudojant deformacijos matuoklį principas yra toks, kad deformacijos metu kinta deformacijos matuoklio varža. 1856 m. lordas Kelvinas ir OD Hvolsonas atrado metalinio laidininko varžos kitimo poveikį, veikiant visapusiškam suspaudimui (hidrostatiniam slėgiui).

Šiuolaikinėje formoje įtempio matuoklis struktūriškai atstoja deformacijos rezistorių, kurio jautrus elementas pagamintas iš įtempimui jautrios medžiagos (vielos, folijos ir kt.), tvirtinama rišikliu (klijais, cementu) ant tiriamos dalies. (Figūra 1). Norėdami prijungti jutiklį prie elektros grandinės, įtempio matuoklis turi laidus.Kai kurie įtempio matuokliai sukurti taip, kad būtų lengviau montuoti, tarp jautraus elemento ir bandomos dalies yra tarpiklis, taip pat apsauginis elementas, esantis virš jautraus elemento.

1 pav. Įtempimo matuoklio schema: 1- jautrus elementas; 2- rišiklis; 3- substratas; 4- ištirta detalė; 5- apsauginis elementas; 6- blokas litavimui (suvirinimui); 7 laidų laidai

Išspręsus įvairias užduotis naudojant deformacijos matuoklio keitiklius, galima išskirti dvi pagrindines jų naudojimo sritis:

— medžiagų fizikinių savybių, dalių ir konstrukcijų deformacijų ir įtempių tyrimas;

— deformacijų matuoklių naudojimas mechaninėms vertėms, kurios paverčiamos elastingo elemento deformacija, matuoti.

Pirmajam atvejui būdingas didelis įtampos matavimo taškų skaičius, platūs aplinkos parametrų kitimo diapazonai, taip pat matavimo kanalų kalibravimo neįmanoma. Šiuo atveju matavimo paklaida yra 2-10%.

Antruoju atveju jutikliai kalibruojami pagal išmatuotą vertę ir matavimo paklaidos yra 0,5-0,05% ribose.

Ryškiausias deformacijų matuoklių naudojimo pavyzdys yra balansas. Daugumos Rusijos ir užsienio gamintojų svarstyklėse yra įtempimo matuokliai. Apkrovos elementų svarstyklės naudojamos įvairiose pramonės šakose: spalvotosios ir juodosios metalurgijos, chemijos, statybos, maisto ir kitose pramonės šakose.

Elektroninių svarstyklių veikimo principas yra sumažintas iki gravitacijos jėgos, veikiančios apkrovos elementą, matavimo, paverčiant atsiradusius pokyčius, tokius kaip deformacija, į proporcingą išėjimo elektrinį signalą.

Platus tenzorinių rezistorių naudojimas paaiškinamas keliais jų pranašumais:

- mažas dydis ir svoris;

— maža inercija, leidžianti naudoti deformacijos matuoklius tiek statiniams, tiek dinaminiams matavimams;

— turi linijinę charakteristiką;

— leisti matavimus atlikti nuotoliniu būdu ir daugelyje taškų;

— jų montavimo ant tiriamos dalies būdas nereikalauja sudėtingų įrenginių ir neiškreipia tiriamos dalies deformacijos lauko.

O jų trūkumas – jautrumas temperatūrai – daugeliu atvejų gali būti kompensuojamas.

Konverterių tipai ir jų konstrukcijos ypatumai

Įtempimo matuoklių veikimas pagrįstas deformacijos efekto reiškiniu, kuris susideda iš laidų aktyviosios varžos pasikeitimo jų mechaninės deformacijos metu. Medžiagos deformacinio poveikio charakteristika yra santykinio deformacijos jautrumo koeficientas K, apibrėžiamas kaip atsparumo pokyčio ir laidininko ilgio pokyčio santykis:

k = er / el

čia er = dr / r — santykinis laidininko varžos pokytis; el = dl / l — santykinis laido ilgio pokytis.

Kietųjų kūnų deformacijos metu jų ilgio kitimas yra susijęs su tūrio pasikeitimu, taip pat keičiasi ir jų savybės, ypač atsparumo reikšmė. Todėl jautrumo koeficiento reikšmė bendruoju atveju turėtų būti išreikšta kaip

K = (1 + 2μ) + m

Čia dydis (1 + 2μ) apibūdina varžos pokytį, susijusį su laidininko geometrinių matmenų (ilgio ir skerspjūvio) pasikeitimu, ir — medžiagos varžos pokytį, susijusį su jo fizinio pokyčio. savybių.

Jei tenzoriaus gamyboje naudojamos puslaidininkinės medžiagos, jautrumą daugiausia lemia gardelės medžiagos savybių pasikeitimas jos deformacijos metu ir K »m ir skirtingoms medžiagoms gali skirtis nuo 40 iki 200.

Visus esamus keitiklius galima suskirstyti į tris pagrindinius tipus:

- viela;

- folija;

- filmas.

Vieliniai telemetrai naudojami neelektrinių dydžių matavimo dviem kryptimis technikoje.

Pirmoji kryptis yra laidininko deformacijos efekto panaudojimas tūrio suspaudimo būsenoje, kai natūrali keitiklio įvesties vertė yra aplinkinių dujų ar skysčio slėgis. Šiuo atveju keitiklis yra vielos (dažniausiai manganino) ritė, dedama išmatuoto slėgio (skysčio ar dujų) srityje. Keitiklio išėjimo vertė yra jo aktyviosios varžos pokytis.

Antroji kryptis – panaudoti įtempimo vielos, pagamintos iš įtempimui jautrios medžiagos, įtempimo efektą. Šiuo atveju įtampos jutikliai naudojami „nemokamų“ keitiklių ir klijuotų keitiklių pavidalu.

„Laisvieji“ tempimo matuokliai yra pagaminti iš vieno arba eilės laidų, pritvirtintų galuose tarp kilnojamųjų ir nejudamųjų dalių ir, kaip taisyklė, vienu metu atlieka elastingo elemento vaidmenį. Natūrali tokių keitiklių įvesties vertė yra labai mažas judančios dalies judėjimas.

Labiausiai paplitusio tipo surištos vielos įtempio matuoklio įtaisas parodytas 2 paveiksle. Plona 0,02–0,05 mm skersmens viela, išdėstyta zigzago būdu, klijuojama ant plonos popieriaus arba lako folijos juostelės. Švinu variniai laidai yra prijungti prie laido galų. Konverterio viršus padengtas lako sluoksniu ir kartais užsandarinamas popieriumi ar veltiniu.

Keitiklis paprastai montuojamas taip, kad ilgiausia jo pusė būtų nukreipta išmatuotos jėgos kryptimi. Toks keitiklis, priklijuotas prie bandinio, suvokia jo paviršinio sluoksnio deformacijas. Taigi, priklijuoto keitiklio natūrali įėjimo vertė yra detalės, prie kurios jis yra priklijuotas, paviršiaus sluoksnio deformacija, o išėjimas yra keitiklio varžos pokytis, proporcingas šiai deformacijai. Paprastai klijuoti jutikliai naudojami daug dažniau nei neklijuoti.

2 pav. – surištos vielos įtempio matuoklis: 1 – įtempio matuoklio viela; 2- klijai arba cementas; 3- celofaninis arba popierinis pagrindas; 4 laidų laidai

Keitiklio matavimo pagrindas yra vielos užimamos dalies ilgis. Dažniausiai naudojami 5-20 mm keitikliai, kurių varža 30-500 omų.

Be labiausiai paplitusio kontūrinio įtempio matuoklio konstrukcijos, yra ir kitų. Jei reikia sumažinti keitiklio matavimo pagrindą (iki 3–1 mm), tai daroma apvijos metodu, kuris susideda iš apkrovai jautrios vielos spiralės apvyniojimo ant apskrito skerspjūvio šerdies ant vamzdžio plonas popierius. Tada šis vamzdis yra klijuojamas, išimamas iš įtvaro, išlyginamas ir laidai pritvirtinami prie vielos galų.

Kai reikia gauti didelę srovę iš grandinės su termokonverteriu, jie dažnai naudoja "Galingus" įtempimo matuoklius su ritine viela... Jie susideda iš daugybės (iki 30 — 50) lygiagrečiai sujungtų laidų, skiriasi. dideliais dydžiais (pagrindo ilgis 150–200 mm) ir leidžia žymiai padidinti per keitiklį praeinančią srovę (3 pav.).

Brėžinys 3- Tenometras su maža varža ("galingas"): 1 - tenometro viela; 2- klijai arba cementas; 3- celofaninis arba popierinis pagrindas; 4 kontaktų laidas

Vieliniai zondai turi nedidelį kontaktinį plotą su mėginiu (substratu), o tai sumažina nuotėkio sroves esant aukštai temperatūrai ir lemia didesnę izoliacijos įtampą tarp jautraus elemento ir mėginio.

Folijos apkrovos elementai yra populiariausia lipniųjų apkrovos elementų versija. Folijos keitikliai yra 4–12 mikronų storio folijos juostelė, ant kurios dalis metalo parenkama ėsdinant taip, kad likusi dalis sudarytų švino tinklelį, parodytą 4 paveiksle.

Gaminant tokį tinklelį, galima numatyti bet kokį tinklelio raštą, o tai yra reikšmingas folijos deformacijų matuoklių pranašumas. 4 paveiksle a rodo folijos keitiklio, skirto linijinėms įtempių būsenoms matuoti, išvaizdą, fig. 4, c - folijos keitiklis, priklijuotas prie veleno sukimo momentams matuoti, o fig. 4, b — priklijuota prie membranos.

Brėžinys 4- Folijos keitikliai: 1- reguliavimo kilpos; 2- lenkimai, jautrūs membranos tempimo jėgoms; 3- sukimai, jautrūs diafragmos gniuždymo jėgoms

Rimtas folijos keitiklių pranašumas yra galimybė padidinti keitiklio galų skerspjūvį; laidų suvirinimas (arba litavimas) šiuo atveju gali būti atliktas daug patikimiau nei su vieliniais keitikliais.

Folijos deformatoriai, lyginant su vieliniais, turi didesnį jautraus elemento paviršiaus ir skerspjūvio ploto santykį (jautrumą), yra stabilesni esant kritinėms temperatūroms ir nuolatinėms apkrovoms. Didelis paviršiaus plotas ir mažas skerspjūvis taip pat užtikrina gerą temperatūros kontaktą tarp jutiklio ir mėginio, o tai sumažina jutiklio savaiminį įkaitimą.

Folijinių deformacijų matuoklių gamybai naudojami tie patys metalai kaip ir telenometrams (konstantanas, nichromas, nikelio ir geležies lydinys ir kt.), taip pat naudojamos kitos medžiagos, pavyzdžiui, titano-aliuminio lydinys 48T-2, kuris matuoja. deformacijos iki 12 %, taip pat nemažai puslaidininkinių medžiagų.

Filmų tenzoriai

Pastaraisiais metais atsirado kitas masinės surištų atsparumo deformacijų gamybos būdas, kurį sudaro deformacijai jautrios medžiagos vakuuminis sublimavimas ir vėlesnis jos kondensavimas ant pagrindo, purškiamo tiesiai ant ruošinio. Tokie keitikliai vadinami plėveliniais keitikliais, kurių mažas storis (15-30 mikronų) suteikia didelį pranašumą matuojant deformacijas dinaminiu režimu aukštoje temperatūroje, kur deformacijų matavimai yra specializuota tyrimų sritis.

Daugybė bismuto, titano, silicio arba germanio plėvelės deformacijos matuoklių buvo pagaminti vienos laidžios juostelės pavidalu (5 pav.).Tokie keitikliai neturi tokio trūkumo, kad sumažėja santykinis keitiklio jautrumas, palyginti su medžiagos, iš kurios keitiklis pagamintas, jautrumu.

5 pav. Plėvelės įtempio matuoklis: 1 – deformacijos matuoklio plėvelė; 2- lako folija; 3 kontaktų laidas

Metalinės plėvelės keitiklio deformacijos matuoklio koeficientas yra 2-4, o jo varža svyruoja nuo 100 iki 1000 omų. Puslaidininkinės plėvelės pagrindu pagamintų keitiklių koeficientas yra 50-200, todėl yra jautresni taikomai įtampai. Šiuo atveju nereikia naudoti stiprintuvų grandinių, nes puslaidininkinio deformacijos rezistoriaus tiltelio išėjimo įtampa yra maždaug 1 V.

Deja, puslaidininkinio keitiklio varža kinta priklausomai nuo naudojamos įtampos ir iš esmės yra netiesinė visame įtampos diapazone, taip pat labai priklauso nuo temperatūros. Taigi, nors dirbant su metalinės plėvelės deformatoriumi reikalingas stiprintuvas, tiesiškumas yra labai didelis ir temperatūros efektą galima nesunkiai kompensuoti.