Tenometre — traductoare tensometrice de măsurare

Senzor de extensometru – un traductor rezistiv parametric care transformă deformarea unui corp rigid cauzată de o solicitare mecanică aplicată acestuia într-un semnal electric.

Un manometru rezistiv este o bază cu un element sensibil atașat. Principiul măsurării deformației folosind un extensometru este că rezistența extensometrului se modifică în timpul deformarii. Efectul schimbării rezistenței unui conductor metalic sub acțiunea compresiei integrale (presiune hidrostatică) a fost descoperit în 1856 de Lord Kelvin și în 1881 de OD Hvolson.

În forma sa modernă, un extensometru reprezintă structural un rezistor de deformare, al cărui element sensibil este realizat dintr-un material sensibil la tensiune (sârmă, folie etc.), fixat cu un liant (clei, ciment) pe piesa investigată. (Figura 1). Pentru a conecta elementul senzor la circuitul electric, extensometrul are fire.Unele extensometre sunt proiectate pentru o instalare mai ușoară, au un tampon situat între elementul sensibil și piesa supusă încercării, precum și un element de protecție situat deasupra elementului sensibil.

Figura 1 Schema extensometrului: 1- element sensibil; 2- liant; 3- substrat; 4- detaliu investigat; 5- element de protectie; 6- bloc pentru lipire (sudura); Cablaj cu 7 fire

Cu toată varietatea de sarcini rezolvate cu ajutorul traductoarelor de extensometru, se pot distinge două domenii principale de utilizare a acestora:

— studiul proprietăților fizice ale materialelor, deformațiilor și solicitărilor în părți și structuri;

— utilizarea extensometrelor pentru măsurarea valorilor mecanice care sunt transformate în deformarea unui element elastic.

Primul caz se caracterizează printr-un număr semnificativ de puncte de măsurare a tensiunii, game largi de modificări ale parametrilor de mediu, precum și imposibilitatea calibrării canalelor de măsurare. În acest caz, eroarea de măsurare este de 2-10%.

În al doilea caz, senzorii sunt calibrați în funcție de valoarea măsurată, iar erorile de măsurare sunt în intervalul 0,5-0,05%.

Cel mai izbitor exemplu de utilizare a extensometrelor este balanța. Cântarele majorității producătorilor ruși și străini sunt echipate cu tensiometre. Cântarele cu celule de sarcină sunt utilizate în diverse industrii: metalurgie neferoasă și feroasă, chimică, construcții, alimentară și alte industrii.

Principiul de funcționare al cântarelor electronice se reduce la măsurarea forței gravitaționale care acționează asupra celulei de sarcină prin conversia modificărilor rezultate, cum ar fi deformarea, într-un semnal electric de ieșire proporțional.

Utilizarea pe scară largă a rezistențelor tensoare este explicată de o serie de avantaje:

- dimensiuni și greutate reduse;

— inerție redusă, care permite utilizarea de extensometre atât pentru măsurători statice, cât și dinamice;

— au o caracteristică liniară;

— permite efectuarea măsurătorilor de la distanță și în mai multe puncte;

— metoda de instalare a acestora pe piesa examinată nu necesită dispozitive complexe și nu distorsionează câmpul de deformare al piesei examinate.

Iar dezavantajul lor, care este sensibilitatea la temperatură, poate fi compensat în majoritatea cazurilor.

Tipuri de convertoare și caracteristicile lor de proiectare

Funcționarea extensometrelor se bazează pe fenomenul efectului de deformare, care constă într-o modificare a rezistenței active a firelor în timpul deformării lor mecanice. Caracteristica efectului de deformare al materialului este coeficientul sensibilității relative la deformare K, definit ca raportul dintre modificarea rezistenței și modificarea lungimii conductorului:

k = er / el

unde er = dr / r — modificarea relativă a rezistenței conductorului; el = dl / l — modificarea relativă a lungimii firului.

În timpul deformării corpurilor solide, modificarea lungimii lor este asociată cu o modificare a volumului, iar proprietățile lor, în special, valoarea rezistenței, se modifică și ele. Prin urmare, valoarea coeficientului de sensibilitate în cazul general ar trebui exprimată ca

K = (1 + 2μ) + m

Aici, mărimea (1 + 2μ) caracterizează modificarea rezistenței asociată cu o modificare a dimensiunilor geometrice (lungimea și secțiunea transversală) a conductorului și — o modificare a rezistenței materialului asociată cu o modificare a fizicii acestuia. proprietăți.

Dacă la producerea tensorului se folosesc materiale semiconductoare, sensibilitatea este determinată în principal de modificarea proprietăților materialului rețelei în timpul deformării sale și K »m și poate varia pentru diferite materiale de la 40 la 200.

Toate convertoarele existente pot fi împărțite în trei tipuri principale:

— sârmă;

- folie;

— un film.

Telemetrele cu fir sunt utilizate în tehnica de măsurare a cantităților neelectrice în două direcții.

Prima direcție este utilizarea efectului de deformare al unui conductor în stare de compresie de volum, atunci când valoarea naturală de intrare a traductorului este presiunea gazului sau lichidului din jur. În acest caz, traductorul este o bobină de sârmă (de obicei manganina) plasată în zona presiunii măsurate (lichid sau gaz). Valoarea de ieșire a convertorului este modificarea rezistenței sale active.

A doua direcție este de a utiliza efectul de tensiune al firului de tensiune realizat dintr-un material sensibil la tensiune. În acest caz, senzorii de tensiune sunt utilizați sub formă de convertoare „libere” și sub formă de lipiți.

Extensometrele „libere” sunt realizate sub forma unuia sau a unui rând de fire, fixate la capete între părțile mobile și imobile și, de regulă, îndeplinesc simultan rolul de element elastic. Valoarea naturală de intrare a unor astfel de traductoare este o mișcare foarte mică a părții mobile.

Dispozitivul celui mai comun tip de tensiometru cu sârmă lipită este prezentat în figura 2. Un fir subțire cu un diametru de 0,02-0,05 mm, plasat în zig-zag, este lipit de o bandă de hârtie subțire sau folie de lac. Firele de cupru cu plumb sunt conectate la capetele firului. Partea superioară a convertorului este acoperită cu un strat de lac și uneori sigilată cu hârtie sau pâslă.

Traductorul este de obicei instalat astfel încât partea sa cea mai lungă să fie orientată în direcția forței măsurate. Un astfel de traductor, lipit de specimenul de testat, percepe deformațiile stratului său de suprafață. Astfel, valoarea naturală de intrare a traductorului lipit este deformarea stratului de suprafață al piesei de care este lipit, iar rezultatul este modificarea rezistenței traductorului proporțională cu această deformare. În general, senzorii lipiți sunt folosiți mult mai des decât cei nelipici.

Figura 2 - extensometru cu sârmă lipită: 1 - sârmă extensometru; 2- lipici sau ciment; 3- suport din celofan sau hârtie; fire cu 4 fire

Baza de măsurare a traductorului este lungimea părții ocupate de fir. Cele mai frecvent utilizate traductoare sunt baze de 5-20 mm cu o rezistență de 30-500 ohmi.

În plus față de cel mai obișnuit design al tensiometrului de contur, există și altele. Dacă este necesară reducerea bazei de măsurare a traductorului (la 3 — 1 mm), aceasta se face prin metoda de înfășurare, care constă în înfășurarea unei spirale de sârmă sensibilă la sarcină pe un dorn de secțiune transversală circulară pe un tub de hârtie subțire. Acest tub este apoi lipit, îndepărtat de pe dorn, aplatizat, iar firele sunt atașate de capetele firului.

Atunci când este necesar să se obțină un curent mare dintr-un circuit cu un termoconvertor, ei folosesc adesea calometre „puternice” cu un fir înfăşurat... Ele constau dintr-un număr mare (până la 30 — 50) de fire conectate în paralel, diferă în dimensiuni mari (lungimea bazei 150 — 200 mm) și permit o creștere semnificativă a curentului trecut prin convertor (Figura 3).

Desen 3- Tenometru cu rezistență scăzută („puternic”): 1 — sârmă extensometru; 2- lipici sau ciment; 3- suport din celofan sau hârtie; fir cu 4 pini

Sondele cu fir au o zonă mică de contact cu proba (substrat), care reduce curenții de scurgere la temperaturi ridicate și duce la o tensiune de izolare mai mare între elementul sensibil și probă.

Celulele de sarcină din folie sunt cea mai populară versiune a celulelor de sarcină adezive. Traductoarele din folie sunt o bandă de folie cu o grosime de 4-12 microni, pe care o porțiune a metalului este selectată prin gravare în așa fel încât restul să formeze grila de plumb prezentată în Figura 4.

La producerea unei astfel de rețele, poate fi prevăzut orice model al rețelei, ceea ce este un avantaj semnificativ al jaletelor de tensiune din folie. În imaginea 4, a prezintă aspectul unui traductor din folie conceput pentru a măsura stările liniare de solicitare, în fig. 4, c — un traductor din folie lipit de arbore pentru măsurarea cuplurilor, iar în fig. 4, b — lipit de membrană.

Desen 4- Convertoare folie: 1- bucle de reglare; 2- curbe sensibile la forțele de tracțiune ale membranei; 3- rotatii sensibile la fortele de compresie ale diafragmei

Un avantaj serios al convertoarelor cu folie este posibilitatea de a crește secțiunea transversală a capetelor convertorului; sudarea (sau lipirea) firelor se poate face în acest caz mult mai fiabil decât cu convertoare de sârmă.

Deformatoarele de folie, în comparație cu cele de sârmă, au un raport mai mare dintre suprafața elementului sensibil și aria secțiunii transversale (sensibilitate) și sunt mai stabile la temperaturi critice și sarcini susținute. Suprafața mare și secțiunea transversală mică asigură, de asemenea, un contact bun la temperatură între senzor și probă, ceea ce reduce autoîncălzirea senzorului.

Pentru producția de extensometre din folie se folosesc aceleași metale ca și pentru telenometri (constantan, nicrom, aliaj nichel-fier etc.), și se folosesc și alte materiale, de exemplu, aliajul titan-aluminiu 48T-2, care măsoară tensiuni de până la 12 %, precum și un număr de materiale semiconductoare.

Tensorii de film

În ultimii ani, a apărut o altă metodă de producție în masă a tulpinilor de rezistență lipite, care constă în sublimarea în vid a unui material sensibil la deformare și condensarea lui ulterioară pe un substrat pulverizat direct pe piesa de prelucrat. Astfel de traductoare se numesc traductoare cu film Grosimea mică a unor astfel de tensiometre (15-30 microni) oferă un avantaj semnificativ atunci când se măsoară deformațiile în mod dinamic la temperaturi ridicate, unde măsurătorile deformațiilor reprezintă un domeniu specializat de cercetare.

O serie de tensiometre pe bază de bismut, titan, siliciu sau germaniu au fost realizate sub forma unei singure benzi conductoare (Figura 5).Astfel de traductoare nu au dezavantajul de a reduce sensibilitatea relativă a traductorului în comparație cu sensibilitatea materialului din care este realizat traductorul.

Figura 5- Extensometrul de film: 1- film de extensometru; 2- folie de lac; fir cu 3 pini

Coeficientul de tensiometru al unui traductor pe bază de film metalic este 2-4, iar rezistența acestuia variază de la 100 la 1000 ohmi. Traductoarele realizate pe bază de film semiconductor au un coeficient de ordinul 50-200 și, prin urmare, sunt mai sensibile la tensiunea aplicată. În acest caz, nu este nevoie să folosiți circuite amplificatoare, deoarece tensiunea de ieșire a punții de deformare-rezistoare semiconductoare este de aproximativ 1 V.

Din păcate, rezistența unui convertor semiconductor variază în funcție de tensiunea aplicată și este în esență neliniară pe întregul interval de tensiune și este, de asemenea, foarte dependentă de temperatură. Astfel, deși este necesar un amplificator atunci când se lucrează cu un deformator de peliculă metalică, liniaritatea este foarte mare și efectul de temperatură poate fi ușor compensat.