Применение тензометров в анализе напряжений. Проектирование и конструирование преобразователей.

 

Экспериментальный анализ напряжений основан на принципе измерения деформации. Первоначально, для измерения деформации использовались громоздкие механические устройства, которые демонстрировали деформацию, используя передаточное отношение рычажного механизма, равное одной тысяче или больше. Эти был единственный тип устройств доступных для выполнения измерений, необходимых для анализа напряжений.

Система измерения

Обычно деформация, определяемая измерителями деформации (тензометрами), очень мала. Связанные с ней изменения электрического сопротивления также минимальны, и невозможно проводить их непосредственные измерения.

В систему измерения, должен быть включен тензометр, это позволяет точно измерять не деформацию, а изменение сопротивления тензометра.

Помимо тензометра, преобразующего механическую деформацию в изменение электрического сопротивления, в систему измерения включается измерительная схема в виде моста Уитстона, с одной стороны которого подключен тензометр.

Как измерительная схема, так и тензометр являются пассивными компонентами. Когда сопротивление тензометра изменяется в связи с деформацией, схема моста теряет симметричность и баланс. В результате возникает выходное напряжение, пропорциональное дисбалансу моста.

В состав системы измерения в качестве третьего компонента входит усилитель, увеличивающий выходное напряжение моста до уровня, пригодного для работы индикаторов.

В ряде случаев усилитель предназначен для выдачи выходного тока, пропорционального выходному напряжению моста, но некоторые модели могут выводить либо ток, либо напряжение. Четвертым компонентом системы измерения является индикатор. В нем выходной сигнал, поступающий с усилителя, преобразуется в форму, которая может быть воспринята пользователем.

Перечисленные элементы являются основными компонентами. Система измерения может быть расширена за счет использования дополнительного оборудования, такого, как сканеры, фильтры, фиксаторы пиковых значений, предельные выключатели, регистраторы переходных процессов и т.п.

Все эти устройства вы сможете найти в нашем каталоге.

Типы тензометров

Металлические тензометры

Рисунок 1.  Артур Клод Руге, изобретатель тензометра, работает с измерениямиОткрытое Уитстоном изменение сопротивления электрического проводника под воздействием механической деформации стало объектом исследований в 1930-е годы.

Определенные шаги в этом направлении были достигнуты экспериментальным путем, и наконец, Артур Руге использовал очень тонкую проволоку с большим сопротивлением, уложив ее извилинами на тонкой папиросной бумаге и прикрепив к концам проволоки более толстые контакты. Для исследования характеристик этого прототипа устройства он приклеил его к изгибающейся балке и провел сравнение измерения при помощи традиционных устройств измерения деформации.

Он обнаружил хорошую корреляцию, линейно связывающую напряжение и величины деформации по всему диапазону измерений. Корреляция имела место, как для положительной, так и для отрицательной деформации, т.е. для сжатия и растяжения, включая хорошую устойчивость в нулевой точке. Так был изобретен «тензометрический датчик на основе электрического сопротивления связанной сети» (рисунок 1).

 

Полупроводниковые тензометры

Кроме металлических датчиков деформации существуют и другие тензометры, использующие электрическое сопротивление. Принцип измерения полупроводниковых тензометров основан на пьезорезистивном эффекте полупроводников, открытом К.С. Смитом в 1954 году (рисунок 2).

Поначалу, в таких датчиках использовался германий, затем — кремний. По конструкции, полупроводниковые тензометры напоминают металлические тензометры.

Измеряющий элемент в них включает в себя полоску шириной в несколько десятых долей миллиметра и толщиной в несколько сотых долей миллиметра, закрепленную на изолированной подложке из фольги, и имеющую соединительные выводы.

Для подавления эффектов диодах используется тонкая золотая проволока, соединяющая полупроводниковый элемент и выводы. Полупроводниковые тензометры используются для измерения очень малых деформаций. Сигнал высокой мощности, получаемый датчиками этого типа, дает определенные преимущества при наличии полей сильных помех.

Рисунок 2. Схематическое представление полупроводникового тензометра

Рисунок 2. Схематическое представление полупроводникового тензометра

Тонкопленочные тензометры

Рисунок 3. Тонкопленочный тензометр на пружинном стержне преобразователя Эти датчики изготавливаются с использованием технологии осаждения из паровой фазы. В данном случае измеряющий элемент непосредственно наносится в вакууме на точку измерения за счет испарения составных частей сплава. Применение таких тензометрических датчиков производством измерительных преобразователей.

 

Рисунок 3. Тонкопленочный тензометр на пружинном стержне преобразователя

Емкостные тензометры

Емкостные измерители деформации (рисунок 4) рассматриваются в качестве альтернативы традиционным тензометрам при использовании в условиях высокой температуры, выходящей за пределы, допустимые для металлических тензометров. В настоящее время известны три разновидности устройств такого типа:

  • Британская разработка, выполненная Центральными научно исследовательскими энергетическими лабораториями (C.E.R.L.) совместно с компанией Planer. В этом датчике используется плоский конденсатор, в котором расстояние между пластинами изменяется в зависимости от измеряемой деформации.
  • Американская разработка, выполненная компанией Boeing Aircraft, в которой используется дифференциальный конденсатор.
  • Разработка компании Interatom из Германии. В этом тензометре также используется плоский конденсатор. На исследуемом объекте при помощи точечной сварки фиксируются емкостные преобразователи. Этот датчик деформации обеспечивает получение хороших результатов при температуре, превышающей 500°C. Данный датчик рассчитан на работу при температуре в диапазоне до 800°C.

Схема емкостного тензометра

Рисунок 4. Схема емкостного тензометра

Пьезоэлектрические тензометры

Пьезоэлектрические тензометры относятся к активным устройствам. В качестве материала, воспринимающего деформацию, используется титанат бария.

По сравнению с пьезоэлектрическими преобразователями, в которых в качестве чувствительного к деформации материала используется кварц, тензометры создают электрический заряд на поверхности чувствительного материала, пропорциональный величине деформации, который может быть измерен с помощью электрометрического усилителя.

Фотоупругие тензометры

Полоска, изготовленная из активного материала, подвергшемуся оптическому давлению, демонстрирует изохроматическое поле в результате «замороженного», постоянно увеличивающегося напряжения. В результате деформации происходит изохромное смещение.

Степень смещения, которую можно определить по шкале, служит в качестве меры деформации. Такой тип тензометрических датчиков был разработан в США. Они не имеют каких-либо преимуществ, и в настоящее время уже не доступны для приобретения.

Механические тензометры

Хотя такие устройства встречаются не часто, они имеют давнюю традицию. Обычно они применяются только к крупным объектам в период строительства. Эффект деформации проявляется в виде следа, процарапанного на металлической пластине или на стеклянном цилиндре. Это след может быть изучен только в конце проведения испытаний, и виден лишь с использованием микроскопа. Недостатком таких тензометров является некоторое смещение следа, вызванное высокими температурами.

Рисунок 5. Механический экстензометр

Рисунок 5. Механический экстензометр

О компании HBM

Компания HBM предлагает продукты и услуги для проведения разнообразных измерений во многих отраслях. К продукции, предлагаемой HBM, относятся датчики, преобразователи, тензометры, усилители и системы сбора данных, а также программное обеспечение для исследований надежности строительных конструкций, их испытаний и анализа. Если вы хотите купить тензодатчики, обратитесь к нашим специалистам.

Как мы можем Вам помочь?

Я хотел бы*
Меня зовут*
Организация
Город
Телефон*
E-mail*


 


 




* Заполняя эту форму Вы соглашаетесь на обработку персональных данных.
Подробнее о политикн конфиденциальности и обработке персональных данных