Теномери — тензометрични измервателни преобразуватели

Датчик на тензодатчика — параметричен резистивен преобразувател, който преобразува деформацията на твърдо тяло, причинена от механично напрежение, приложено към нея, в електрически сигнал.

Резистивен манометър е основа с прикрепен чувствителен елемент. Принципът на измерване на деформации с помощта на тензодатчик е, че съпротивлението на тензорезистора се променя по време на деформацията. Ефектът от промяната на съпротивлението на метален проводник под действието на всестранна компресия (хидростатично налягане) е открит през 1856 г. от лорд Келвин и през 1881 г. от О. Д. Хволсън.

В съвременния си вид тензодатчик конструктивно представлява тензорезистор, чувствителният елемент от който е направен чувствителен към напрежение материал (тел, фолио и др.), фиксирани със свързващо вещество (лепило, цимент) върху изследваната част (Фигура 1). За да свържете чувствителния елемент към електрическата верига, тензорезистът има проводници. Някои тензорези конструкции за по -лесен монтаж, те имат подложка, разположена между чувствителния елемент и изследваната част, както и защитен елемент, разположен над чувствителния елемент.

Фигура 1 Схема на тензорезистора: 1- чувствителен елемент; 2- свързващо вещество; 3- субстрат; 4- разследван детайл; 5- защитен елемент; 6- блок за запояване (заваряване); 7-проводни проводници

С цялото разнообразие от задачи, решени с помощта на тензометрични измервателни преобразуватели, могат да се разграничат две основни области на тяхното използване:

— изследване на физичните свойства на материалите, деформации и напрежения в части и конструкции;

— използването на тензодатчици за измерване на механични стойности, които се превръщат в деформация на еластичен елемент.

Първият случай се характеризира със значителен брой точки за измерване на напрежение, широки граници на промени в параметрите на околната среда, както и невъзможността за калибриране на измервателните канали. В този случай грешката при измерването е 2-10%.

Във втория случай сензорите се калибрират според измерената стойност и грешките при измерването са в диапазона от 0,5-0,05%.

Най -яркият пример за използване на тензорези е балансът. Везните на повечето руски и чуждестранни производители са оборудвани с тензометри. Везните на товарните клетки се използват в различни индустрии: цветна и черна металургия, химическа, строителна, хранителна и други индустрии.

Принципът на действие на електронните везни се свежда до измерване на силата на тежестта, действаща върху натоварващата клетка чрез преобразуване на получените промени, като деформация, в пропорционален изходен електрически сигнал.

Широкото използване на тензорезистори се обяснява с редица техните предимства:

— малки размери и тегло;

— ниска инерция, която позволява използването на тензодатчици както за статични, така и за динамични измервания;

— имат линейна характеристика;

— позволяват да се извършват измервания дистанционно и в много точки;

— методът на монтирането им върху изследваната част не изисква сложни устройства и не изкривява деформационното поле на изследваната част.

И техният недостатък, който е температурната чувствителност, може да бъде компенсиран в повечето случаи.

Видове преобразуватели и техните конструктивни характеристики

Работата на тензометри се основава на явлението ефект на деформация, което се състои в промяна в активното съпротивление на проводниците по време на тяхната механична деформация. Характеристиката на деформационния ефект на материала е коефициентът на относителната чувствителност на деформация K, определен като съотношението на промяната в съпротивлението към промяната в дължината на проводника:

k = er / el

където er = dr / r — относителната промяна в съпротивлението на проводника; el = dl / l — относителната промяна в дължината на проводника.

По време на деформацията на твърдите тела промяната в тяхната дължина е свързана с промяна в обема, освен това се променят и техните свойства, по -специално стойността на съпротивлението. Следователно стойността на коефициента на чувствителност в общия случай трябва да се изрази като

K = (1 + 2μ) + m

Тук количеството (1 + 2μ) характеризира промяната в съпротивлението, свързана с промяна в геометричните размери (дължина и напречно сечение) на проводника, и — промяна в съпротивлението на материала, свързана с промяна в неговите физични свойства.

Ако при производството на тензорезистора се използват полупроводникови материали, чувствителността се определя главно от промяната в свойствата на решетъчния материал по време на неговата деформация и K »m и може да варира за различни материали от 40 до 200.

Всички съществуващи преобразуватели могат да бъдат разделени на три основни типа:

— тел;

— фолио;

— филм.

Телометри за тел се използват в техниката за измерване на неелектрически величини в две посоки.

Първото направление е използването на деформационния ефект на проводник в състояние на обемна компресия, когато естествената входна стойност на преобразувателя е налягането на околния газ или течност. В този случай преобразувателят е намотка от тел (обикновено манганин), поставена в зоната на измереното налягане (течност или газ). Изходната стойност на преобразувателя е промяната в неговото активно съпротивление.

Второто направление е използването на опъващия ефект на опъната тел, изработена от чувствителен към напрежение материал. В този случай датчиците за напрежение се използват под формата на „безплатни“ преобразуватели и под формата на залепени.

«Свободните» тензорези се правят под формата на един или ред жици, фиксирани в краищата между подвижните и неподвижните части и като правило едновременно изпълняват ролята на еластичен елемент. Естествената входна стойност на такива преобразуватели е много малко движение на движещата се част.

Устройството от най-често срещания тип тензодатчик от слепена тел е показано на фигура 2. Тънка тел с диаметър 0,02-0,05 мм, поставена по зигзаг, е залепена върху лента от тънка хартия или лаково фолио. Оловни медни проводници са свързани към краищата на проводника. Горната част на преобразувателя е покрита със слой лак, а понякога и запечатана с хартия или филц.

Преобразувателят обикновено е инсталиран така, че най -дългата му страна е ориентирана по посока на измерваната сила. Такъв преобразувател, залепен към тестовия образец, възприема деформациите на повърхностния му слой. По този начин естествената входна стойност на залепения преобразувател е деформацията на повърхностния слой на частта, към която е залепен, а изходът е промяната в съпротивлението на преобразувателя, пропорционална на тази деформация. Обикновено залепените сензори се използват много по-често от нелепените.

Фигура 2- тензодатчик от слепена тел: 1- тензометричен проводник; 2- лепило или цимент; 3- подложка от целофан или хартия; 4-проводни проводници

Измервателната основа на преобразувателя е дължината на частта, заета от проводника. Най -често използваните преобразуватели са основи от 5 — 20 мм със съпротивление 30 — 500 ома.

В допълнение към най -често срещания дизайн на контурна тензодатчица, има и други. Ако е необходимо да се намали измервателната основа на преобразувателя (до 3 — 1 mm), тя се прави по метода на намотката, който се състои в това, че спирала от чувствителна на натоварване тел се навива на дорник на кръгло напречно сечение върху тръба от тънка хартия. След това тази тръба е залепена, извадена от дорника, сплескана и проводниците са прикрепени към краищата на жицата.

Когато е необходимо да се получи голям ток от верига с термоконвертор, те често използват «Мощни» тензорези с навита тел… Те се състоят от голям брой (до 30 — 50) проводника, свързани паралелно, различават се по големи размери (дължина на основата 150 — 200 мм) и дават възможност за значително увеличаване на тока, преминал през преобразувателя (фигура 3).

Рисуване 3- Теномер с ниско съпротивление («мощни»): 1 — тензометричен проводник; 2- лепило или цимент; 3- подложка от целофан или хартия; 4-пинов проводник

Сондите с тел са с малка свързваща повърхност към пробата (основата), което намалява токовете на изтичане при високи температури и води до по -високо изолиращо напрежение между чувствителния елемент и пробата.

Натоварващи клетки от фолио са най -популярната версия на адхезивните натоварващи клетки. Преобразувателите на фолио са лента от фолио с дебелина 4-12 микрона, върху която част от метала се избира чрез ецване по такъв начин, че останалата част от него да образува тази, показана на фигурата 4 решетка с изводи.

При производството на такава решетка може да се предвиди всеки модел на решетката, което е съществено предимство на тензорезисторите от фолио. На изображението 4, a показва появата на преобразувател от фолио, предназначен за измерване на линейни напрегнати състояния, на фиг. 4, c — преобразувател на фолио, залепен към вала за измерване на въртящите моменти, и на фиг. 4, b — залепен към мембраната.

Рисуване 4- Преобразуватели от фолио: 1- регулиращи контури; 2- завои, чувствителни към силите на опън на мембраната; 3- завъртания, чувствителни към компресионните сили на диафрагмата

Сериозно предимство на преобразувателите на фолио е възможността за увеличаване на напречното сечение на краищата на преобразувателя; заваряването (или запояването) на проводниците може да се извърши в този случай много по -надеждно, отколкото при телените преобразуватели.

Деформаторите на фолиото в сравнение с телените имат по-голямо съотношение на повърхността на чувствителния елемент към площта на напречното сечение (чувствителност) и са по-стабилни при критични температури и продължителни натоварвания. Голямата повърхност и малкото напречно сечение също осигуряват добър температурен контакт между сензора и пробата, което намалява самозагряването на сензора.

За производството на тензодатчици от фолио се използват същите метали, както и за теленомери (константан, нихром, сплав никел-желязо и др.), А се използват и други материали, например титано-алуминиева сплав 48T-2, която измерва деформации до 12 %, както и редица полупроводникови материали.

Филмови тензорези

През последните години се появи друг метод за масово производство на залепени щамове съпротивления, който се състои във вакуумна сублимация на чувствителен към деформация материал и последващата му кондензация върху субстрат, напръскан директно върху детайла. Такива преобразуватели се наричат ​​филмови преобразуватели.Малката дебелина на такива тензорези (15-30 микрона) дава значително предимство при измерване на деформации в динамичен режим при високи температури, където измерванията на деформациите са специализирана област на изследване.

Редица филмови тензометри на базата на бисмут, титан, силиций или германий са направени под формата на една проводима лента (Фигура 5). Такива преобразуватели нямат недостатъка да намалят относителната чувствителност на преобразувателя в сравнение с чувствителността на материала, от който е направен преобразувателят.

Фигура 5- Теномер на филма: 1- филм на тензодатчик; 2- лаково фолио; 3-пинов проводник

Коефициентът на тензодатчик на преобразувател, базиран на метален филм, е 2-4, а съпротивлението му варира от 100 до 1000 ома. Преобразувателите, направени на базата на полупроводниково фолио, имат коефициент от порядъка на 50-200 и следователно са по-чувствителни към приложеното напрежение. В този случай няма нужда да се използват усилващи схеми, тъй като изходното напрежение на полупроводниковия тензорезисторен мост е приблизително 1 V.

За съжаление, съпротивлението на полупроводников преобразувател варира в зависимост от приложеното напрежение и е по същество нелинейно в целия диапазон на напрежение, а също така силно зависи от температурата. По този начин, въпреки че е необходим усилвател при работа с метален филмов деформатор, линейността е много висока и температурният ефект може лесно да бъде компенсиран.