Тензодатчики

Если полоса проводящего металла растянуть, она станет тоньше и длиннее, и оба изменения приведут к увеличению полного электрического сопротивления. И наоборот, если полоса проводящего металла подвергается сжимающей силе (без коробления), она расширяется и укорачивается. Если эти напряжения поддерживаются в пределах предела упругости металлической полосы (так что полоса не деформируется постоянно), полосу можно использовать в качестве элемента измерения физической силы, величины приложенной силы, выведенной из измерения ее сопротивления. P>

Что такое тензодатчик?

Такое устройство называется тензодатчиком . . Тензодатчики часто используются в исследованиях и разработках в области машиностроения для измерения напряжений, создаваемых оборудованием. Испытания компонентов самолета - это одна из областей применения:крошечные тензометрические полоски приклеиваются к конструктивным элементам, соединениям и любым другим важным компонентам планера для измерения напряжений. Большинство тензодатчиков меньше почтовой марки и выглядят примерно так:

Проводники тензодатчика очень тонкие:если они сделаны из круглой проволоки, то около 1/1000 дюйма в диаметре. В качестве альтернативы, проводники тензодатчика могут быть тонкими полосками металлической пленки, нанесенной на непроводящий материал подложки, называемый носителем . . Последняя форма тензодатчика представлена ​​на предыдущем рисунке. Название «клееный датчик» дается тензодатчикам, которые приклеиваются к более крупной конструкции под нагрузкой (так называемый образец для испытаний ). Задача прикрепления тензодатчиков к испытуемым образцам может показаться очень простой, но это не так. «Измерение» - это самостоятельная техника, абсолютно необходимая для получения точных и стабильных измерений деформации. Также можно использовать несмонтированный калибровочный провод, натянутый между двумя механическими точками, для измерения натяжения, но этот метод имеет свои ограничения.

Тензодатчик

Типичное сопротивление тензодатчика составляет от 30 Ом до 3 кОм (без напряжения). Это сопротивление может изменяться только на долю процента для всего диапазона усилия датчика, учитывая ограничения, налагаемые пределами упругости материала датчика и испытуемого образца. Достаточно большие силы, чтобы вызвать более сильные изменения сопротивления, необратимо деформируют испытательный образец и / или сами проводники датчика, тем самым разрушив датчик как измерительное устройство. Таким образом, чтобы использовать тензодатчик в качестве практического инструмента, мы должны измерять чрезвычайно малые изменения сопротивления с высокой точностью.

Схема измерения моста

Такая требовательная точность требует использования мостовой измерительной схемы. В отличие от моста Уитстона, показанного в предыдущей главе, с использованием детектора нулевого баланса и человека-оператора для поддержания состояния баланса, мостовая схема тензодатчика показывает измеренную деформацию по степени дисбаланса и использует прецизионный вольтметр в центре моста для точного измерения этого дисбаланса:

Обычно реостатное плечо моста (R ₂ на диаграмме) устанавливается равным сопротивлению тензодатчика без приложения силы. Два передаточных рычага моста (R ₁ и R ₃ ) приравниваются друг к другу. Таким образом, без приложения силы к тензодатчику мост будет симметрично сбалансирован, и вольтметр покажет ноль вольт, что означает нулевую силу на тензодатчике. Поскольку тензодатчик либо сжимается, либо растягивается, его сопротивление будет уменьшаться или увеличиваться соответственно, таким образом разбалансируя мост и создавая показания на вольтметре. Такая конструкция, при которой сопротивление одного элемента моста меняет сопротивление в ответ на измеряемую величину (механическую силу), известна как четвертьмост . цепь.

Поскольку расстояние между тензодатчиком и тремя другими сопротивлениями в мостовой схеме может быть значительным, сопротивление провода оказывает значительное влияние на работу схемы. Чтобы проиллюстрировать влияние сопротивления проводов, я покажу ту же принципиальную схему, но добавлю два обозначения резистора последовательно с тензодатчиком, чтобы обозначить провода:

Сопротивление проводов

Сопротивление тензодатчика (R _gauge ) не единственное измеряемое сопротивление:сопротивления проводов R _wire1 и R _wire2 , находясь последовательно с R _gauge , также вносят вклад в сопротивление нижней половины плеча реостата моста и, следовательно, вносят вклад в показания вольтметра. Это, конечно, будет ошибочно интерпретировано измерителем как физическая нагрузка на манометр.

Хотя этот эффект нельзя полностью устранить в данной конфигурации, его можно минимизировать добавлением третьего провода, соединяющего правую часть вольтметра непосредственно с верхним проводом тензодатчика:

Поскольку третий провод практически не пропускает ток (из-за чрезвычайно высокого внутреннего сопротивления вольтметра), на его сопротивлении не будет падать сколько-нибудь существенное напряжение. Обратите внимание на сопротивление верхнего провода (R _wire1 ) был «обойден» теперь, когда вольтметр подключается непосредственно к верхней клемме тензодатчика, оставляя только сопротивление нижнего провода (R _wire2 ), чтобы внести любое паразитное сопротивление последовательно с датчиком. Не идеальное решение, конечно, но вдвое лучше, чем на прошлой трассе!

Однако есть способ уменьшить ошибку сопротивления провода, выходящую далеко за рамки только что описанного метода, а также помочь уменьшить другой вид ошибки измерения, связанной с температурой.

Изменение сопротивления при температуре

Плохая особенность тензодатчиков - изменение сопротивления при изменении температуры. Это свойство, общее для всех проводников, у одних больше, чем у других. Таким образом, наша четвертьмостовая схема, показанная на рисунке (с двумя или тремя проводами, соединяющими датчик с мостом), работает как термометр так же хорошо, как и индикатор деформации. Если все, что мы хотим сделать, это измерить напряжение, это плохо. Однако мы можем преодолеть эту проблему, используя «манекен» тензодатчика вместо R ₂ , так что оба Элементы рычага реостата изменяют сопротивление в той же пропорции при изменении температуры, тем самым нейтрализуя эффекты изменения температуры:

Резисторы R ₁ и R ₃ имеют одинаковую величину сопротивления, а тензодатчики идентичны друг другу. Без приложения силы мост должен быть в идеально сбалансированном состоянии, а вольтметр должен показывать 0 вольт. Оба датчика прикреплены к одному и тому же образцу для испытаний, но только один размещается в таком положении и ориентации, чтобы он мог подвергаться физическому напряжению ( активный измерять). Другой датчик изолирован от всех механических нагрузок и действует просто как устройство компенсации температуры ( «манекен» измерять). Если температура изменится, сопротивление обоих датчиков изменится на один и тот же процент, и состояние баланса моста останется неизменным. Только дифференциальное сопротивление (разница сопротивлений между двумя тензодатчиками), создаваемая физической силой на испытуемом образце, может изменить баланс моста.

Сопротивление проводов не так сильно влияет на точность схемы, как раньше, потому что провода, соединяющие оба тензодатчика с мостом, имеют примерно одинаковую длину. Следовательно, верхняя и нижняя секции реостата моста имеют примерно одинаковое количество паразитного сопротивления, и их эффекты имеют тенденцию к нейтрализации:

Четвертьмостовые и полумостовые схемы

Несмотря на то, что сейчас в мостовой схеме два тензодатчика, только один реагирует на механическую нагрузку, и поэтому мы все равно будем называть эту схему четвертьмостом . Однако, если мы возьмем верхний датчик деформации и расположим его так, чтобы он подвергался воздействию силы, противоположной силе, противоположной нижнему датчику (то есть, когда верхний датчик сжимается, нижний датчик будет растянут, и наоборот), мы будем иметь оба манометры реагируют на деформацию, и мост будет более чувствителен к приложенной силе. Это использование известно как полумост . . Поскольку оба тензодатчика будут увеличивать или уменьшать сопротивление в одинаковой пропорции в ответ на изменения температуры, влияние изменения температуры остается нивелированным, и в цепи будет наблюдаться минимальная ошибка измерения, вызванная температурой:

Пример того, как пара тензодатчиков может быть прикреплена к испытательному образцу для получения этого эффекта, проиллюстрирован здесь:

Без приложения силы к испытуемому образцу оба тензодатчика имеют одинаковое сопротивление, а мостовая схема сбалансирована. Однако, когда к свободному концу образца прикладывается направленная вниз сила, он изгибается вниз, одновременно растягивая датчик № 1 и сжимая датчик № 2:

Мостовые схемы

В приложениях, где такие дополнительные пары тензодатчиков могут быть прикреплены к испытательному образцу, может быть полезно сделать все четыре элемента моста «активными» для еще большей чувствительности. Это называется полным мостом . цепь:

И полумостовая, и полная мостовая конфигурации обеспечивают большую чувствительность по сравнению с четвертьмостовой схемой, но часто невозможно прикрепить дополнительные пары тензодатчиков к испытуемому образцу. Таким образом, четвертьмостовая схема часто используется в системах измерения деформации.

По возможности лучше всего использовать конфигурацию с полным мостом. Это верно не только потому, что он более чувствителен, чем другие, но и потому, что он линейный в то время как другие нет. Четвертьмостовые и полумостовые схемы обеспечивают выходной сигнал (дисбаланс), который только приблизительно пропорционально приложенной силе тензодатчика. Линейность или пропорциональность этих мостовых схем является наилучшей, когда величина изменения сопротивления из-за приложенной силы очень мала по сравнению с номинальным сопротивлением датчика (ов). Однако в случае полного моста выходное напряжение прямо пропорционально приложенной силе без каких-либо приближений (при условии, что изменение сопротивления, вызванное приложенной силой, одинаково для всех четырех тензодатчиков!).

В отличие от мостов Уитстона и Кельвина, которые обеспечивают измерения в состоянии идеального баланса и, следовательно, работают независимо от напряжения источника, величина напряжения источника (или «возбуждения») имеет значение в таком несбалансированном мосте. Таким образом, мосты тензодатчиков рассчитываются в милливольтах создаваемого дисбаланса на вольт возбуждения, per единица измерения силы. Типичный пример тензодатчика того типа, который используется для измерения силы в промышленных условиях, составляет 15 мВ / В при 1000 фунтах. То есть при приложенной силе ровно в 1000 фунтов (сжимающей или растягивающей) мост будет разбалансирован на 15 милливольт на каждый вольт напряжения возбуждения. Опять же, такая цифра является точной, если мостовая схема полностью активна (четыре активных тензодатчика, по одному в каждом плече моста), но только приблизительно для полумостовых и четвертьмостовых схем.

Тензодатчики могут быть приобретены в виде укомплектованных блоков, с элементами тензодатчика и мостовыми резисторами в одном корпусе, герметизированными и инкапсулированными для защиты от элементов и снабженными точками механического крепления для крепления к машине или конструкции. Такой пакет обычно называется тензодатчиком . .

Как и многие другие темы, рассматриваемые в этой главе, системы тензодатчиков могут стать довольно сложными, и полная диссертация по тензодатчикам выходит за рамки этой книги.

ОБЗОР:

• Тензодатчик - это тонкая полоска металла, предназначенная для измерения механической нагрузки путем изменения сопротивления при напряжении (растяжении или сжатии в пределах своего предела упругости).
• Изменения сопротивления тензодатчика обычно измеряются в мостовой схеме, чтобы обеспечить точное измерение небольших изменений сопротивления и обеспечить компенсацию изменений сопротивления из-за температуры.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист мостовых схем постоянного тока