Понимание тензодатчика

Пассивный преобразователь, такой как тензодатчик, преобразует механическое смещение в изменение сопротивления. Это тонкое пластинообразное устройство, которое измеряет приложенную деформацию и может быть прикреплено к различным материалам с помощью соответствующего клея. Возникающая при этом деформация деформирует тензорезистор, прикрепленный к конструкции, когда он подвергается напряжению. Это увеличивает удельное сопротивление датчика, в результате чего электрический сигнал пропорционален деформации. При смещении тензометрический датчик смещения представляет собой конструкцию, прикрепленную к тензодатчику, которая упруго деформируется.

В этой статье вы узнаете определение, применение, требования, части, схему, типы, работу, преимущества и недостатки тензодатчика.

Что такое тензодатчик?

Тензорезистор (также известный как тензодатчик) — это устройство, которое измеряет степень деформации элемента. Самый распространенный тип тензодатчиков, изобретенный Эдвардом Э. Симмонсом и Артуром К. Руге в 1938 году, состоит из изолирующей гибкой подложки, поддерживающей узор из металлической фольги. Соответствующий клей, такой как цианоакрилат, используется для соединения манометра с предметом. При деформации объекта деформируется и фольга, изменяя электрическое сопротивление. Измерительный коэффициент — это величина, связанная с изменением сопротивления, которое обычно измеряется с помощью моста Уитстона.

Инженеры часто используют тензометрические датчики для измерения влияния внешних сил на объект. Они напрямую измеряют деформацию, которую можно использовать для определения напряжения, крутящего момента, давления, прогиба и множества других показателей.

Деформация — это безразмерное измерение, то есть отношение измененной длины объекта к его первоначальной длине. В результате при растяжении материала возникает положительная деформация, а при сжатии материала возникает отрицательная деформация. Напряжение определяется как приложенная сила, деленная на начальную площадь поперечного сечения объекта или внутреннюю сопротивляемость объекта.

Приложение

Тензодатчики обычно используются в гражданском строительстве и геотехническом мониторинге для выявления поломок в конструкциях, таких как мосты, здания и другие конструкции. Поскольку любая значительная деформация может привести к травме или смерти, эти конструкции необходимо постоянно контролировать. Эти датчики широко используются из-за их высокой точности, способности работать на больших расстояниях от объекта испытаний, а также простоты настройки и обслуживания в течение длительных периодов времени.

Тестирование на открытом воздухе часто отличается от тестирования в лаборатории в идеальных условиях. Одна из причин, по которой тензорезисторы так ценны, заключается в том, что их можно использовать в суровых условиях и получать надежные и высокоточные данные. Специализированное устройство, такое как тензодатчик, часто требуется, когда инженер испытывает продукты неправильной формы в суровых условиях с труднодоступными установками. Например, миллионы тензодатчиков используются в аэрокосмической отрасли для проверки результатов моделирования CAD (автоматизированное проектирование) и FEA (анализ методом конечных элементов). Эти тесты часто проводятся в динамических условиях, чтобы дать реалистичное представление о том, как различные силы влияют на самолеты.

Статические испытания также обычно проводятся с помощью тензодатчиков. Некоторые мосты используют беспроводную телеметрию, которая отправляет результаты теста через Ethernet. Другие мосты, с другой стороны, подвергаются визуальному осмотру или пенетрации для обнаружения поверхностных дефектов. Хотя эти технологии экономически эффективны, они не позволяют проводить непрерывный осмотр, что может привести к катастрофическим обрушениям, таким как мост со стальными фермами I-35 в Миннеаполисе. В 1990 году федеральное правительство признало мост «структурно слабым», что означало, что он должен был проходить ежегодные проверки. В конце концов, в 2007 году мост рухнул, в результате чего погибло 13 человек из-за отсутствия постоянного контроля тензодатчиков, значительного ремонта или замены. Ниже приведены общие области применения тензодатчиков:

• Измерение деформации
• Измерение остаточного напряжения
• Анализ вибрации
• Измерение крутящего момента
• Измерение изгиба и прогиба
• Измерение сжатия и растяжения

Требования к тензометрическому материалу

Хороший тензодатчик должен выполнять следующие функции:

• Тензодатчик должен быть небольшого размера и легким по весу.
• Он должен быть чрезвычайно чувствительным к деформации.
• Коэффициент тензодатчика должен быть высоким.
• Он должен легко крепиться к образцу.
• У него должно быть быстрое время отклика и небольшая задержка.
• Он должен различать статическое, переходное и динамическое напряжение.
• Он должен иметь возможность отображать и записывать информацию на расстоянии.
• Температура, влажность, вибрация и другие факторы окружающей среды не должны влиять на него.
• Он должен быть доступным, надежным и доступным в различных размерах.

Схема тензодатчика:

Типы тензодатчиков

На рынке представлено несколько типов тензорезисторов. Ниже приведены различные типы тензодатчиков:

• Линейные тензодатчики
• Мембранные тензорезисторы
• Двойные линейные тензорезисторы
• Мостовые тензорезисторы
• Тензорезисторы
• Полумостовые тензорезисторы
• Тензорезисторы колонн
• Розетка 45° (3 направления измерения)
• Розетка 90° (2 направления измерения).

Ниже приведены некоторые другие типы пятномеров, с которыми вы можете столкнуться:

Полупроводниковые тензорезисторы, также известные как пьезорезистивные, обычно предпочтительнее тензорезисторов из фольги для измерения малых деформаций. Коэффициент тензодатчика полупроводникового датчика обычно выше, чем у датчика из фольги. Полупроводниковые датчики часто дороже, более чувствительны к температуре и менее чувствительны, чем датчики из фольги.

Тензорезисторы, изготовленные из наночастиц, кажутся многообещающей новой техникой. Из-за высокого импеданса эти резистивные датчики с активной областью, состоящей из совокупности проводящих наночастиц, таких как золото или углерод, имеют высокий коэффициент тензорезистивности, большой диапазон деформации и низкое потребление электроэнергии.

Ртутный тензорезистор используется в биологических измерениях, особенно в измерениях кровотока и отека тканей. Этот тензодатчик состоит из небольшого количества жидкой ртути, заключенной в небольшую резиновую трубку, которая, например, обернута вокруг пальца ноги или ноги. Когда часть тела набухает, это заставляет трубку расширяться, делая ее одновременно длиннее и тоньше, увеличивая электрическое сопротивление.

Для измерения деформации вместе с оптическим волокном можно использовать оптоволоконное зондирование. Измерения могут выполняться в случайных местах вдоль волокна или в определенных точках. Встроенные датчики этого типа используются на лодках Кубка Америки 2010 Alinghi 5 и USA-17.

Деформации также можно измерить с помощью других оптических методов, таких как электронная интерферометрия спекл-структуры или цифровая корреляция изображений.

Микромасштабные тензометрические датчики часто используются в МЭМС для контроля напряжений, вызванных силой, ускорением, давлением или звуком. Акселерометры MEMS, например, часто используются для активации подушек безопасности в автомобилях. Интегрированные оптические кольцевые резонаторы могут использоваться для контроля деформации в микрооптоэлектромеханических системах в качестве альтернативы пьезостойким тензодатчикам (MOEMS).

Переменный конденсатор используется в емкостных тензодатчиках для определения уровня механической деформации.

В геотехнических и строительных приложениях используются тензометрические датчики с вибрирующей проволокой. Вибрирующий, натянутый провод составляет датчик. Деформация рассчитывается путем определения резонансной частоты проволоки (увеличение натяжения увеличивает резонансную частоту).

В геотехнических приложениях также используются тензорезисторы на кварцевом кристалле. Ключевым датчиком DART является датчик давления с резонансным тензодатчиком на кристалле кварца и коллектором силы с трубкой Бурдона. DART обнаруживает волны цунами в самых глубоких глубинах океана. При контроле давления на многокилометровой глубине он имеет разрешение по давлению около 1 мм водяного столба.

Принцип работы

Работа тензодатчика довольно интересна, она менее сложна и проста для понимания. посмотрите видео ниже, чтобы получить наглядное представление о том, как работает тензодатчик.

Преимущества и недостатки тензорезистора

Преимущества:

Ниже перечислены преимущества тензометрического датчика в различных областях его применения:

• Из-за отсутствия движущихся частей износ отсутствует.
• Тензодатчики чрезвычайно точны.
• Он компактен и недорог.
• Он имеет широкий частотный диапазон.

Недостатки:

Несмотря на преимущества тензодатчика, все же имеют место некоторые ограничения. Ниже приведены недостатки тензорезисторов в различных областях их применения.

• Это нелинейная система.
• Он чрезвычайно чувствителен к температуре.
• Его необходимо регулярно калибровать.
• Тензодатчики необходимо устанавливать вручную. Требуется время и деньги, чтобы поставить их на свои места. Это один из их самых серьезных недостатков.

Заключение

Пассивный преобразователь, такой как тензодатчик, преобразует механическое смещение в изменение сопротивления. Это тонкое пластинообразное устройство, которое измеряет приложенную деформацию и может быть прикреплено к различным материалам с помощью соответствующего клея. Возникающая при этом деформация деформирует тензорезистор, прикрепленный к конструкции, когда он подвергается напряжению. Это все, что касается этой статьи, в которой обсуждаются определение, применение, требования, части, схема, типы, работа, преимущества и недостатки тензорезистора.

Надеюсь, вы многому научитесь из прочитанного, если да, поделитесь с другими учениками. Спасибо за прочтение, увидимся!