Тензометрические измерительные преобразователи реферат

Обновлено: 02.07.2024

Методические указания к лабораторной работе "ИЗМЕРЕНИЕ УСИЛИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ" по дисциплинам "Измерительные преобразователи" и "Информационно-измерительная техника", изучаемый студентами П и У курсов специальностей 0642 и 0567 соответственно.

Лабораторная работа выполняется в объеме 4-х часов. Основным содержанием рабом является изучение принципа действия и конструкции тензорезисторов и овладение практическими навыками работы с современными тензометрическими установками при измерении сил и деформаций в элементах конструкций.

Подписано в печать 14.01.88 Формат 60x84 1/16

Объем 1,36 печ.л. Уч.-изд.л. 1,32 Тираж 50 экз.

Изд. № 229 Заказ - 73 Бесплатно

МИЭМ, 109028, Москва, Б.Вузовский пер., 3/12

Ротапринт МИЭМа, 113054, Москва, М.Пионерская, 12

1. Цель работы, ее краткое содержание

1.1. Целью настоящей работа является изучение принципа действия тензорезисторных преобразователей и приобретение практических навыков работы с тензометрической установкой, предназначенной для измерения механических сил и деформаций.

1.2. В процессе выполнения работы студенты собирают электрическую схему тензометрической установки, определяют ее градуировочную характеристику, а затем определяют неизвестные веса и массы деталей.

2. Основные сведения о тензорезисторах

В основе принципа действия тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.

Сопротивление R резистора, выполненного в виде проволоки длиной l , определяется известным выражением.

где r - удельное сопротивление материала проволоки;

S - площадь поперечного сечения проволоки. Дифференцируя выражение (1) и переходя к конечным приращениям, получим, что продольной упругой деформации проволоки соответствует относительное изменение ее сопротивления

где D R, D r, D S - абсолютные приращения сопротивления, удельного сопротивления, длины и площади поперечного сопротивления проводника соответственно.

В твердом теле в зоне упругих деформаций величины поперечных и продольных деформаций связаны выражением

где - значение относительной продольной деформации;

- значение относительной поперечной деформации;

в - поперечный размер проводника; m - коэффициент Пуассона.

С учетом выражений (2) и (4) величина относительного изменения проводника диаметром d и длиной l.

Качество тензорезистора определяется его коэффициентом тензочувствительности K и величиной температурного коэффициента сопротивления /ТКС/ . Коэффициент тензочувствительности K определяется отношением

Чем выше коэффициент тензочувствительности К и меньше температурный коэффициент сопротивления (ТКС) материала, из которого изготовлен тензорезистор, тем выше его качество.

Если положить в (5), что , то .

Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензорезистора изображено на рис.1,а. На полоску тонкой бумаги или лаковой пленки 1 наклеивается так называемая решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 2 диаметром 0,02 - 0,05 мм. К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники 3. После высыхания слоя клея сверху преобразователь покрывается защитным слоем лака 4. Если такой преобразователь наклеить на поверхность испытуемой детали, то он будет воспринимать деформации ее поверхностного слоя. Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются проволочные преобразователи с базами 5-20 мм, обладающие сопротивлением 50-500 Ом.

Рис.1. Конструкции тензорезисторных преобразователей

Тензопреобразователи с решеткой из фольги (рис.1,б) получаются путем химического травления фольги 2 толщиной 4~ 12 мкм, нанесенной сплошным слоем на поверхность подложки 1из непроводящего материала. Фольговые преобразователи имеют меньшие габариты, чем обычные проволочные и могут иметь базу L 0,5-5 мм.

Металлические пленочные тензорезисторы изготовляются путем напыления в вакууме на поверхность тонкой подложки слоя тензо-чувствительного материала с последующим травлением слоя проводящего материала с целью формирования решетки тензорезистора. Пленочные тензорезисторы имеют толщину 1 мкм и менее, базу 0,1-0,5 мм и конфигурацию, аналогичную фольговым тензорезисторам (рис. 1,б).

Наиболее распространенной измерительной целью для тензорезисторов является мостовая измерительная схема, работающая в неравновесном режиме.

На рис.2,а приведена мостовая схема, в которой в качестве одного плеча включен тензорезистор R1 , а остальные три плеча моста являются постоянными фиксированными резисторами R2, R3, R4 . Схема питается от источника постоянного напряжения Е. С измерительной диагонали моста снимается напряжение U_M , которое может быть подано на измерительный прибор или регистратор. Приведенная схема неравновесного измерительного моста обладает значительной температурной погрешностью. Тензорезистор R1 располагается непосредственно на объекте измерения, а резисторы R2, R3, R4 - в блоке вторичной аппаратуры, содержащей усилители, блоки питания, показывающие приборы, удаленном от объекта измерения и находящимся в других климатических условиях. При изменении температуры поверхности объекта измерения будет изменяться сопротивление тензорезистора R1 , что. приведет к изменению выходного напряжения U_Н мостовой схемы при отсутствии упругой деформации решетки тензорезистора.

Рис.2. Схемы включения тензорезисторов

При дифференциальном включении двух идентичных тензорезисторов R1 и R2 в два соседних плеча моста (рис. 2,б) удается понизить температурную погрешность нуля в 10-20 раз по сравнению с предыдущей схемой включения.

Пример физической реализации дифференциальной мостовой схемы измерения представлен на рис.2,в. На поверхности консольно закрепленной упругой, балки 1 наклеены тензорезисторы R1 и R2 , которые включены в качестве плеч мостовой измерительной схемы и имеет равные сопротивления (R1= R2 ). При равенства сопротивлений двух других плеч моста (R3 и R4 ) выходной сигнал с измерительной диагонали моста равен нулю (D U_M =0).

При воздействии на конец консольной балки измеряемого усилия Р¹0 балка прогнется (см. пунктирное изображение балки на рис.2,в), что приведет к появлении упругих деформаций и напряжений растяжения на верхней поверхности балки и напряжений сжатия на нижней ее поверхности. Упругие деформации балки будут восприняты наклеенными тензорезисторами и их сопротивления изменятся соответственно до значений R1+ D R и R2- D R (рис.2,б и 2,в). При этом на выходе мостовой схемы появится напряжение DU_M функционально связанное с измеряемым усилием Р. При идентичных параметрах тензорезисторов погрешность нуля, обусловленная изменением их активного сопротивления вследствие изменения температуры балки, будет близко к нулю, поскольку абсолютные значения приращений сопротивлений D R1 и D R2 будут равны и не вызовут разбаланса мостовой схемы, а, следовательно, и дополнительного приращения выходного напряжения U_M .

С целью уменьшения влияния изменения температуры окружающей среды на чувствительность мостовой схемы довольно часто в качестве пассивных плеч мостовой схемы R3 и R4 также используются тензорезисторы, расположенные на объекте измерения или рядом с ним, но не воспринимающие измеряемых упругих деформаций.

В инженерной практике выходной сигнал с диагонали неравновесного моста подается на вход электронного усилителя, а затем на измерительный прибор или регистратор, в качестве которого может быть использован электромеханический светолучевой осциллограф.

На структурной схеме (рис.3) представлены возможные варианты использования выходного сигнала мостовой измерительной схемы с двумя тензорезисторами, включенными в плечи моста по дифференциальной схеме.

Под действием измеряемого усилия деформируется упругий чувствительный элемент, в качестве которого в данной лабораторной работе используется балка равного сопротивления, в других же случаях это может быть деталь любой формы, на поверхность которой наклеиваются тензорезисторы.

Рис.З.Структурная схема тензометрического измерительного устройства.

УС - электронный усилитель (усилитель постоянного тока), ЦВ - цифровой вольтметр, ЦПУ - цифропечатающее устройство, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ЭВМ - электронно-вычислительная машина, ЭВ - электронный вольтметр аналогового типа, ЭМО - электромеханический светолучевой осциллограф

Выходной сигнал мостовой неуравновешенной схемы подается на вход электродного усилителя УС с постоянным и известным коэффициентом усиления.

Выходное напряжение неравновесного моста при условии, что в состоянии равновесия сопротивления всех плеч равны R₀ , а напряжение источника питания E= const , определяется выражением

где R_Н - сопротивление нагрузки на выходе мостовой схемы, т.е. входное сопротивлений УС; относительное изменение сопротивления каждого из тензометров.

Для подавляющего большинства усилителей постоянного тока можно принять, что их входное сопротивление R_Н >> R₀ тогда на основании предыдущего выражения имеем

т.е. между измеряемой деформацией (усилием), вызывающей изменение сопротивления тензорезисторов со значения R₀ = R₁ = R₂ до значений R₀ ± D R , и выходным напряжением мостовой схемы существует практически линейная зависимость.

Выходной сигнал усилителя U_ВЫХ (рис.3), имеющего коэффициент усиления по напряжению К_У будет равен

и в зависимости от требуемой формы представления результата измерения может быть подан на вход различных измерительных и преобразующих устройств.

Для представления результата измерения в цифровой форме U_ВЫХ измеряется цифровым вольтметром ЦВ (рис.3), выход которого может быть подсоединен к самостоятельному цифропечатающему устройству ЦПУ с целью обеспечения документальной регистрации результатов измерения.

В том случае, если выходную информацию необходимо обрабатывать по заданному алгоритму, U_ВЫХ подается на аналого-цифровой преобразователь АЦП (рис.3), с выхода которого информативный сигнал в виде кода подается на ЭВМ. Обработанные результаты эксперимента выводятся на цифропечатающее устройство ЦПУ.

Выходное напряжение усилителя может быть измерено аналоговым электронным вольтметром ЭВ.

В инженерной практике чаще всего U_ВЫХ фиксируется на фотобумаге или кинопленке посредством электромеханического светолучевого осциллографа ЭМО.

При всем многообразии задач, решаемых с помощью тензорезисторов, можно выделить две основные области их применения.

Первая область - применение тензорезисторов для измерения механических величин (сил, перемещений, давлений), преобразуемых в деформацию упругого элемента, величина которой измеряется с помощью тензорезисторов.

В этом случае имеется возможность индивидуальной градуировки тензорезистивного преобразователя, на основе которой строится его градуировочная характеристика. Текущее значение измеряемой величины определяется с использованием градуировочной характеристики. Погрешности измерений лежат в диапазоне 0,05% - 0,5%.

Вторая область применения - исследование деформаций и механических напряжений в деталях и элементах конструкций. Например, в различных точках тонкой оболочки, подвергаемой сложным нагружениям. Примером такой оболочки может служить фюзеляж современного самолета или корпус современной вакуумной установки. Для решения этих задач характерны значительное число точек тензометрирования (до сотен и даже тысяч), широкие диапазоны изменения измеряемых деформаций или напряжений и отсутствие возможности градуировки измерительных каналов. В связи с последним обстоятельством всем тензометрам приписывается осредненная градуировочная характеристика. Основной причиной погрешности в этих случаях является разброс значений сопротивлений конкретных экземпляров тензорезисторов R1, R2 и значений коэффициентов тензочувствительности К_Т относительно средних для данной партии значений. В связи с этим суммарная погрешность измерений составляет 2 – 10%.

Тензорезисторы применяются для измерения как статических, так и динамических деформаций. Верхняя граница частотного диапазона определяется соотношением между базой тензометра l и длиной волны l упругой деформации в материале исследуемого элемента. Эnо соотношение рекомендуется поддерживать в пределах l/ l £0,1 Практически частота регистрируемых процессов может лежать в диапазоне 0 - 100 кГц.

3.Оборудование, используемое при выполнении лабораторной работы.

Рис.4. Структурная схема тензометрической установки для измерения усилий.

Р - измеряемое усилие (вес); УПП - упругий первичный преобразователь силы Р в величину упругой деформации; ТП - тензорезисторный преобразователь величины упругой деформации в соответствующее значение приращений активного сопротивления тензорезисторов; ИМС - измерительная мостовая схема; DU - выходное напряжение с диагонали И.МС; ИП - стабилизированный источник питания; УС - электронный усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления К_У , ЦВ1 и ЦВ2 – электронные цифровые вольтметры; ДК - делитель напряжения, используемый для определения значения коэффициента усиления усилителя УС.

Содержание работы

Содержимое работы - 1 файл

Документ Microsoft Word.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РТ

АЛЬМЕТЬЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ИНСТИТУТ

Кафедра нефтегазового оборудования

Проверил: ст. преподователь

Альметьевск 2012 г.

Тензодатчики. Аналитический обзор……………………………………..4
Параметры тензометрических датчиков силы…………………………. 5
Конструкция тензодатчика……………………………………………. .….7
Тензометрические датчики - выбор по типу……………………….…….9
О компаниях……………………………………………………… ………11

Тензометрический измерительный преобразователь (тензодатчик) – параметрический резистивный преобразователь, который преобразует деформацию твердого тела, вызванную приложенным к нему механическим напряжением, в электрический сигнал. Резистивный тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем чувствительным элементом. Принцип измерения деформаций с помощью тензометрического преобразователя состоит в том, что при деформации изменяется активное сопротивление тензорезистора. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был обнаружен в 1856 году лордом Кельвином и в 1881 году О.Д. Хвольсоном. В современном виде тензометрический измерительный преобразователь конструктивно представляет собой тензорезистор, чувствительный элемент которого выполнен из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента. Несмотря на всеобщую симпатию к тензодатчикам, пневматические и гидравлические датчики все еще используется в некоторых сферах деятельности человека. Например пневматические датчики нагрузки все еще используются в местах, где очень важен фактор внутренней безопасности и гигиены, тогда как гидравлические датчики нагрузки спасают в отдаленных местах, где нет доступа к источнику бесперебойного питания, так как они в нем совсем не нуждаются.

1. Аналитический обзор

Тензометрический датчик силы представляет собой гибкое тело, которое под влиянием действующей силы подвергается линейной деформации. На подходящих местах тела приклеены чувствительные элементы, так называемые тензометры.

Тензометр — это резистивный элемент, электрическое сопротивление которого вследствие механической деформации (растяжения или сжатия) изменяет свое значение. Действующая сила, таким образом, способствует изменению электрического сопротивления. На датчике обычно расположены четыре тензометра, которые включены в мостовую систему для того, чтобы изменение сопротивления было можно легче определить. По описанному принципу функционируют датчики с металлическими тензометрами. Существуют также иные принципы и типы датчиков, например датчики с полупроводниковыми тензометрами. Полупроводниковые тензометры изготавливают из кремния, по-этому их чувствительность значительно выше, чем у металлических. Однако они очень сильно зависят от температуры и поэтому используются только специальных случаях.

На ином принципе работает пьезоэлектрический датчик силы. Он использует пьезоэлектрическое явление, то есть возникновение напряжения в кристалле при механическом усилии. С помощью пьезоэлектрического датчика измеряют динамические силы, а для измерения статических сил он не подходит. Существуют и другие виды датчиков, например, вибрационные, гидравлические, электродинамические, магнитоупругие и т. п. Однако ни один из них не применяется так широко, как датчики с металлическими тензометрами. Остальные датчики подходят только для решения специализированных задач, или они очень дороги. По сравнению с ними датчики силы с металлическими тензометрами универсальны: они пригодны для измерения как статических, так и динамических сил.

2. Параметры тензометрических датчиков силы

1. Форма датчика

Для применения тензометров в конкретных случаях очень важен тип датчика, то есть его форма и возможности закрепления. От формы датчика и
материала, из которого он изготовлен, зависят такие параметры, как точность, величина перегрузки и т. п. Поэтому существуют разные типы датчиков, но обычно они являются модификациями нескольких основных типов, таких как мембранные, гибкие, колонные и др.

2. Диапазон измерения

3. Чувствительность датчика

Важным параметром, особенно с точки зрения обработки выходного сигнала, является чувствительность датчика. Она измеряется в единицах мВ/В, и ее
значения чаще всего находятся в пределах от 1 до 3. Например, если чувствительность датчика 2 мВ/В и датчик питается постоянным напряжением 10 В, то выходной сигнал датчика при полной нагрузке будет иметь значение: 2*10 = 20 мВ. Это относительно низкое значение, поэтому сигнал обычно усиливается и только потом поступает на измерительный прибор или аналоговую карту в PC или PLC.

3. Температурные характеристики

С ростом или падением температуры изменяется как сигнал ненагруженного датчика (ошибка нуля), так и сигнал нагруженного датчика (ошибка
чувствительности). Обе ошибки указываются в процентах диапазона.

Пусть датчик имеет ошибку нуля, например 0,01% FS/°С. Если он имеет чувствительность 2 мВ/В и питается напряжением в 10 В, то при изменении
температуры на 20 °С сигнал ненагруженного датчика может измениться на (2*10)*0,01*20 = 0,04 мВ. Аналогично подсчитывается и ошибка
чувствительности.

4. Точность датчика

У датчиков для измерения силы точность характеризуется с помощью класса точности, который указывает процентную ошибку датчика, относящуюся к
его диапазону. Этот способ общеизвестный. Иначе рассчитывается точность датчиков, применяемых для взвешивания. У них точность указывается при
помощи так называемого проверочного деления. Однако существует отношение между обоими способами. Например: датчик имеет точность,
установленную при помощи проверочного деления, и это значение — 3000 делений (класс точности СЗ). В этом случае процентная погрешность (класс
точности) будет: (1/(2*3000))*100 = ±0,017% FS.

Более подробную информацию об ошибках датчиков, предназначенных для взвешивания, можно найти в международных рекомендациях OIML R60.

5. Диапазон температуры

Часто приводятся даже три диапазона температуры: компенсированный, рабочий и для хранения. Компенсированный диапазон температуры
соответствует диапазону, при котором производитель испытывал датчик, и поэтому все его параметры гарантированы. Рабочий диапазон
температуры обычно больше компенсированного. Датчик и в этом диапазоне можно применять без риска его повреждения, но все параметры датчика
уже не гарантируются. При диапазоне температуры хранения датчик применять не рекомендуется, так как может произойти его повреждение.

6. Иные параметры

Другими важными параметрами являются: входное сопротивление (с точки зрения обработки сигнала), изоляционное сопротивление (с точки
зрения безопасности), степень защиты (сточки зрения условий труда) и т. п.

3. Конструкция тензодатчика

Тензодатчик состоит из (см. Рисунок 1):

1) Упругий элемент - тело воспринимающее нагрузку, изготавливается преимущественно из легированных углеродистых сталей предварительно термообработанные, для получения стабильных характеристик. Конструктивно может быть изготовлен в виде стержня, кольца, тел вращения, консоли. Широкое распространение получили конструкции в виде стержня (или нескольких стержней);

2) Тензорезистор - фольговый или проволочный резистор, приклеенный к упругому элементу (стержень), изменяющий свое сопротивление пропорционально деформации упругого элемента, которая в свою очередь пропорциональна нагрузке;

3) Корпус датчика - предназначен для защиты упругого элемента и тензорезистора от механических повреждений и влияния окружающей среды. Имеет различное исполнение IP (Ingress Protection Rating) в соответствии с международным стандартом IEC 60529 (DIN 40050, ГОСТ 14254-96);

4) Герметичный ввод (кабельный разъем) - предназначен для подключения тензодатчика ко вторичному прибору (весовой индикатор, электронный усилитель, АЦП ) при помощи кабеля. Возможны варианты подключения по 6-ти и 4-х проводной схеме. Тензодатчики комплектуются, кабелями различной длинны, существуют конструкции с возможностью замены кабеля.

На Рисунке 2 отображена конструкция тензодатчика с упругим элементом в виде кольца поз. 1.

Для правильно функционирования весов, важно соблюдать характер приложения нагрузки. Вектор силы, воздействующий на датчик, должен быть строго в направлении оси датчика (упругий элемент тензодатчика стержень, кольцо). Для исключения бокового влияния нагрузки, применяют самоустанавливающиеся (самоцентрирующиеся) конструкции. Поверхность опор таких тензодатчиков имеет сферическую выпуклую форму.

Принцип действия тензодатчика основан на измерении изменения сопротивления тензорезисторов наклееных на упругое тело, которое под действием силы (вес груза), деформируется и деформирует размещенные на нем тензорезисторы.

4. Тензометрические датчики - выбор по типу

Выбирая датчики веса учитывается много исходных данных, такие как: предел измерения, погрешность, материал датчика, но наиболее важный параметр это тип тензометрического датчика. Нет общепринятых наименований видов, поэтому у различных фирм одинаковые виды называются по-разному. Датчики силы балочные - датчики имеют форму балки, также такие датчики называют простая балка или балка среза. Способ использования заключается в том, что один край крепится жестко, а на другой конец прикладывается сила.

Тензодатчики мостовые - датчики похожи на балочные датчики, но крепятся с обоих сторон, а вес действует в среднюю часть датчика. Еще эти датчики называют двуопорные или сдвоенная балка.

Одноточечные тензодатчики - по конструкции и виду закрепления датчики надпоминают балочные, но отличаются тем, что чаще всего применяются по одному и закрепляются в центре массы взвешиваемого груза. Тензодатчики веса такого типа имеют особенную внутреннюю форму, которая позволяет тензодатчикам не реагировать на смещение места приложения массы в определенном диапазоне.

Колонные датчики веса - обычно это датчики которые имеют вид колонны. Такие тензодатчики работают на сжатие. Чаще всего такие тензодатчики имеют сферические опорные поверхности определенного радиуса, что позволяет таким датчикам естественно возвращаться в обратное состояние.

Миниатюрные датчики веса – к этому типу относятся датчики с малыми габаритами и чаще всего на маленькие силы. Отличительная черта таких датчиков это возможность применять их в устройствах с дифицитом пространства. Цена за малые размеры это чаще всего относительно большая погрешность этих датчиков.

Понятие и виды деформаций тел. Классификация тензометров и особенности тензодатчиков. Сущность пьезоэффекта и его параметры. Условия осуществления оптимальной конструкции пьезоэлектрического преобразователя. Характеристика тензорезисторного датчика М50.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	08.06.2015
Размер файла	393,2 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

1. Общие сведения

2. Виды деформации твердых тел

3. Классификация тензометров

4. Основные параметры преобразователей

5. Особенности тензодатчиков

6. Понятие пьезоэффекта и его основные параметры

7. Условия применения преобразователей

8. Причины неравномерности амплитудно-частотной характеристики пьезоэлектрических преобразователей

9. Условия осуществления оптимальной конструкции пьезоэлектрического преобразователя

10. Тензорезисторный датчик М50

10.1 Область применения

10.2 Описание средства измерения

10.3 Технические характеристики

10.4 Расчет погрешности

В последнее десятилетие в условиях рыночной экономики важным фактором успеха предприятий стало качество измерительной информации, которое в основном зависит от качества средств измерений.

Сегодня качество измерений характеризуется преобразователями измерений, которые обладают высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью.

Современные технологии требуют постоянного контроля за многими параметрами технологических процессов и контроля состояния оборудования. Не маловажными являются параметры упругого механического напряжения, а именно изменение взаимного положения частиц тела, связанное с их перемещением относительно друг друга (деформации).

Измерение деформаций называется тензометрией; измерения производятся с помощью тензометров. Кроме того, широко применяются резистивные тензодатчики, поляризационно-оптический метод исследования напряжения, рентгеноструктурный анализ.

1. Общие сведения

Деформации разделяют на обратимые (упругие) и необратимые (пластические, ползучести). Упругие деформации исчезают после окончания действия приложенных сил, а необратимые -- остаются. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положения равновесия (другими словами, атомы не выходят за пределы межатомных связей); в основе необратимых -- необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия (то есть выход за рамки межатомных связей, после снятия нагрузки переориентация в новое равновесное положение).

Пластические деформации -- это необратимые деформации, вызванные изменением напряжений. Деформации ползучести -- это необратимые деформации, происходящие с течением времени. Способность веществ пластически деформироваться называется пластичностью. При пластической деформации металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств -- в частности, при холодном деформировании повышается прочность.

Виды деформации тела:

В большинстве практических случаев наблюдаемая деформация представляет собой совмещение нескольких одновременных видов деформаций. В конечном счёте, любую деформацию можно свести к двум наиболее простым: растяжению (или сжатию) и сдвигу.

Деформация твёрдого тела может явиться следствием фазовых превращений, связанных с изменением объёма, теплового расширения, намагничивания (магнитострикция), появления электрического заряда (пьезоэлектрический эффект) или же результатом действия внешних сил.

Измерения производятся с помощью тензометров. Кроме того, широко применяются резистивные тензодатчики, поляризационно-оптический метод исследования напряжения, рентгеноструктурный анализ.

Тензометры - это приборы измеряющие напряжение и деформацию на локальном участке. Существует несколько видов тензометров. Среди них механический, резистивных, струнный и другие виды.

2. Виды деформации твердых тел

Деформация растяжения -- вид деформации, при которой нагрузка прикладывается продольно от тела, то есть соосно или параллельно точкам крепления тела. Проще всего растяжение рассмотреть на буксировочном тросе для автомобилей. Трос имеет две точки крепления к буксиру и буксируемому объекту, по мере начала движения трос выпрямляется и начинает тянуть буксируемый объект. В натянутом состоянии трос подвергается деформации растяжения, если нагрузка меньше предельных значений, которые может он выдержать, то после снятия нагрузки трос восстановит свою форму.

Данные испытания являются главными для всех тросов и веревок, которые используются для строповки, крепления грузов, альпинизма. Растяжение имеет значение также при строительстве сложных подвесных систем со свободными рабочими элементами.

Деформация сжатия широко используется в металлургических процессах ковки металла, в ходе процесса металл получает повышенную прочность и заваривает дефекты структуры. Сжатие также важно при строительстве зданий, все элементы конструкции фундамента, свай и стен испытывают давящие нагрузки. Правильный расчет несущих конструкций здания позволяет сократить расход материалов без потери прочности.

Деформация сдвига -- вид деформации, при котором нагрузка прикладывается параллельно основанию тела. В ходе деформации сдвига одна плоскость тела смещается в пространстве относительно другой. На предельные нагрузки сдвига испытываются все крепежные элементы -- болты, шурупы, гвозди. Простейший пример деформации сдвига - расшатанный стул, где за основание можно принять пол, а за плоскость приложения нагрузки - сидение.

Деформация изгиба -- вид деформации, при котором нарушается прямолинейность главной оси тела. Деформации изгиба испытывают все тела подвешенные на одной или нескольких опорах. Каждый материал способен воспринимать определенный уровень нагрузки, твердые тела в большинстве случаев способны выдерживать не только свой вес, но и заданную нагрузку. В зависимости от способа приложения нагрузки при изгибе различают чистый и косой изгиб.

Значение деформации изгиба важно для проектирования упругих тел, таких, как мост с опорами, гимнастический брус, турник, ось автомобиля и другие.

Деформация кручения - вид деформации, при котором к телу приложен крутящий момент, вызванный парой сил, действующих в перпендикулярной плоскости оси тела. На кручение работают валы машин, шнеки буровых установок и пружины.

3. Классификация тензометров

Резистивные тензометры представляют популярную группу универсальных приборов для контроля растяжения или сжатия контролируемого изделия. В качестве чувствительного элемента в тензометрах этого типа используются тензорезисторы. Принцип действия тензорезистора базируется на изменении электрического сопротивления при деформации его вместе с изделием. Он представляет собой отрезок тонкой проволоки, уложенный змейкой на изоляционной основе. Для увеличения чувствительности в тензометрах используют по несколько тензорезисторов, включаемых по мостовой схеме.

Чувствительным элементом струнного тензометра служит отрезок стальной проволоки, закрепленной внутри трубки к ограничивающим торцы крепежными блоками. Принцип работы тензометра заключается в наличии зависимости частоты колебаний проволоки (струны) от ее натяжения.

Устанавливается датчик на поверхности контролируемого изделия путем приварки шаблона, с помощью болтовых соединений или клея. Датчик является изделием многоразового использования. Съем информации с помощью кабеля.

В настоящее время выпускаются индуктивные тензометры двух видов. Первый - это тензометры с опорными призмами и регулируемой базой. Второй - с ножевыми опорами для работы с изделиями стержневого вида. В обеих чувствительным элементом служит катушка индуктивности с подвижным сердечником.

Катушка индуктивности закрепляется неподвижно на объекте. Подвижный сердечник соединен с ним через подвижную призму или нож и изменяет свое положение под воздействием деформирующей силы. Это перемещение приводит к изменению индуктивности или взаимоиндуктивности катушки. Зависимость электрических параметров катушки индуктивности от положения ее подвижного элемента положено в основу работы тензометров этого типа.

4. Основные параметры преобразователей

Тензодатчик - измерительный преобразователь деформации твердого тела, вызываемой механическими напряжениями в электрический сигнал, предназначенный для последующей обработки.

Бывают металлические (проволочные, фольговые, пленочные) и полупроводниковые (пластинчатые).

В основе принципа работы металлических тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении электрического сопротивления проводящего материала при его механической деформации.

Основной характеристикой чувствительности материала к механической деформации является коэффициент относительной тензочувствительности , определяемый как отношение относительного изменения сопротивления к относительному изменению длины проводника:

Так как сопротивление проводника связано с удельным электрическим сопротивлением с материала, длиной и площадью поперечного сечения этого проводника зависимостью

то относительное изменение сопротивления, вызванное деформацией проводника под действием равномерного механического напряжения,

Из последнего выражения следует, что при конечном изменении напряжения относительное изменение сопротивления

При деформации твердых тел изменение их длины связано с изменением объема. При этом изменение объема в зоне упругих деформаций для каждого материала является величиной постоянной и характеризуется коэффициентом Пуассона

(здесь - диаметр проводника круглого сечения или поперечный размер проводника квадратного сечения).

получим выражение для коэффициента относительной тензочувствительности

Фольговые преобразователи представляют собой ленту из фольги толщиной 4--12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует решетку с выводами. Фольговые преобразователи имеют меньшие габариты, чем проволочные; известны тензорезисторы с базой до 0,8 мм. У фольговых тензорезисторов поперечная чувствительность значительно меньше за счет расширения поперечных участков . Характерные типы фольговых преобразователей показаны на рис. . Недостатком обычных фольговых преобразователей является сравнительно низкое сопротивление, не превышающее обычно 50 Ом.

Металлические пленочные тензорезисторы изготовляются путем вакуумной возгонки тензочувствительного материала с последующим осаждением его на основу (подложку). Форма тензорезистора задается маской, через которую производится напыление. Пленочные тензорезисторы имеют толщину меньше 1 мкм. Для изготовления пленочных тензорезисторов применяются металлические сплавы (например, титаноалюминиевый).

5. Особенности тензодатчиков

измерение деформация тензометр тензодатчик

Работа тензодатчика основана на простых принципах механики, и если на механическую конструкцию действуют внешние силы, то она изменяет свою форму таким образом, чтобы противостоять воздействию этих сил. Такие изменения могут быть явными и значительными, как в случае изгиба удочки при выуживании пойманной рыбы или могут быть микроскопическими, например - прогиб железнодорожного моста при проезде по нему поезда. Если в данной металлической конструкции сделать небольшое отверстие, оно будет деформироваться в эллипс при деформации самой конструкции, прямо пропорционально приложенной к конструкции силе. Если в это отверстие вклеить пленочный тензорезистор, можно с большой точностью измерить эту деформацию или нагрузку. Таким образом, тензорезистор эффективно превращает всю конструкцию в датчик для измерения силы, нагрузки или положения.

Максимальная нагрузка на тензодатчик зависит от конструкции: существующие системы измерений имеют пределы взвешивания от нескольких грамм до сотен тысяч тонн. При этом обеспечивается минимальная чувствительность к колебаниям температуры за счет схемотехнических решений. В современных тензорезисторных датчиках используется двойной мост (мост Кельвина), что позволяет снизить ошибки нелинейности, повторяемости и гистерезиса. Определенная степень точности должна быть обеспечена при выборе места установки датчиков в конструкцию используемого измерительного устройства. Необходимо учитывать, что на точность полученной системы влияют количество датчиков, нагрузка на каждый датчик, материал самой конструкции. Отметим, что минимального уровня ошибок можно достичь только при правильной установки датчиков в конструкцию.

Тензометрические датчики подразделяются:

* по типам (балочные, S-образные, таблеточные, сдвоенная балка и т.п.);

* по максимальной нагрузке ( от нескольких грамм до десятков и сотен тонн);

* по чувствительности (1..2..3 mV выходного сигнала на 1 V питающего напряжения);

* по классу точности (количество поверочных интервалов) и т.д.

Классификация тензодатчиков по области применения:

* тензодатчики для С/Х оборудования;

* тензодатчики для прокатных станов;

* тензодатчики для штамповочных прессов;

* тензодатчики для автопогрузчиков;

* тензодатчики для контроля износа оборудования;

* тензодатчики для охранных систем;

* тензодатчики для измерения нагрузок в конструкциях;

* тензодатчики для измерения моментов;

* тензодатчики для взвешивания емкостей;

* тензодатчики для монорельсовых весовых систем;

6. Понятие пьезоэффекта и его основные параметры

В настоящее время наиболее широкое применение контактные пьезоэлектрические вибропреобразователи инерционного действия. Пьезоэлектрические вибропреобразователи основаны на использовании явлений прямого и обратного пьезоэффектов. При прямом пьезоэффекте под действием механических сил на некоторые вещества с кристаллической структурой возникает деформация элементарных ячеек кристалла, приводящая к смещению положительных и отрицательных ионов относительно друг друга, что вызывает электрическую поляризацию вещества. При обратном пьезоэффекте воздействие внешнего электрического поля вызывает относительное смещение положительных и отрицательных ионов, что приводит к деформации вещества. Пьезоэффект наиболее сильно выражен у кварца, сегнетовой соли, титаната бария, цирконата титана свинца (ЦТС), ряда других материалов.

Основными параметрами, характеризующими пьезоэффект являются: напряженность электрического поля Ј, поляризация Р (или электрическая индукция D), упругое напряжение

Тензометрический датчик (от лат. tensus — напряжённый) (тензодатчик) — прибор для измерения деформации различных конструкций.
До того, как тензодатчики появились в сфере промышленного взвешивания, весы, основанные на механических рычагах, могли взвешивать почти все, от таблетки, до автомобиля. Ну а если их откалибровать и содержать в хороших условиях, то показания таких весов были очень точны.

Содержание работы

1.Введение
История Тензометрического датчика
2. Аналитический обзор
О датчиках и их характеристиках.
3. Содержательная часть.
Принцип работы на основе датчик “кольцо”
3.1Тензометрические датчики - выбор по типу
4. Заключение.
Выводы
6. Список литературы

Файлы: 1 файл

тензо датчики.docx

История Тензометрического датчика

2. Аналитический обзор

О датчиках и их характеристиках.

3. Содержательная часть.

Принцип работы на основе датчик “кольцо”

3.1Тензометрические датчики - выбор по типу

6. Список литературы

Тензометрический датчик (от лат. tensus — напряжённый) (тензодатчик) — прибор для измерения деформации различных конструкций

До того, как тензодатчики появились в сфере промышленного взвешивания, весы, основанные на механических рычагах, могли взвешивать почти все, от таблетки, до автомобиля. Ну а если их откалибровать и содержать в хороших условиях, то показания таких весов были очень точны.

Механические весы могли использовать два метода взвешивания: это был либо механизм балансировки, либо механизм определения силы, основанный на механических рычагах. Самые первые датчики нагрузки для взвешивания, разработанные еще до тензометрических датчиков, были гидравлические или пневматические датчики. В 1843 году, английский физик, Чарльз Уитстон изобрел мост для измерения электрического сопротивления проводников. Мост Уитстона стал идеальным прибором для измерения изменений сопротивления, которые и происходят в тензодатчиках.

Несмотря на то, что первый тензодатчик был изобретен в 40-х годах прошлого века, их производство стало экономически и технически возможно только после того, как развитие электроники это позволило. Но все-таки, с тех пор, тензодатчики зарекомендовали себя как неотъемлемые компоненты механических весов и как независимые датчики нагрузки. На сегодняшний день, тензометрические датчики нагрузки доминируют в весо-измерительном оборудовании. Исключением стали лишь некоторые лаборатории, где все еще используются точные балансирующие весы.

Несмотря на всеобщую симпатию к тензодатчикам, пневматические и гидравлические датчики все еще используется в некоторых сферах деятельности человека. Например пневматические датчики нагрузки все еще используются в местах, где очень важен фактор внутренней безопасности и гигиены, тогда как гидравлические датчики нагрузки спасают в отдаленных местах, где нет доступа к источнику бесперебойного питания, так как они в нем совсем не нуждаются.

По описанному принципу функционируют датчики с металлическими тензометрами. Существуют также иные принципы и типы датчиков, например датчики с полупроводниковыми тензометрами.

Полупроводниковые тензометры изготавливают из кремния, по-этому их чувствительность значительно выше, чем у металлических. Однако они очень сильно зависят от температуры и поэтому используются только специальных случаях.

На ином принципе работает пьезоэлектрический датчик силы. Он использует пьезоэлектрическое явление, то есть возникновение

напряжения в кристалле при механическом усилии. С помощью пьезоэлектрического датчика измеряют динамические силы, а для измерения статических сил он не подходит.

Существуют и другие виды датчиков, например, вибрационные, гидравлические, электродинамические, магнитоупругие и т. п. Однако ни один из них не применяется так широко, как датчики с металлическими тензометрами.

Остальные датчики подходят только для решения специализированных задач, или они очень дороги. По сравнению с ними датчики силы с металлическими тензометрами универсальны: они пригодны для измерения как статических, так и динамических сил.

К их преимуществам следует отнести:

1. хорошую точность;

2. простоту обработки выходного сигнала;

3. доступную цену ;

Для применения тензометров в конкретных случаях очень важен тип датчика, то есть его форма и возможности закрепления.

От формы датчика и материала, из которого он изготовлен, зависят такие параметры, как точность, величина перегрузки и т. п. Поэтому существуют разные типы датчиков, но обычно они являются модификациями нескольких основных типов, таких как мембранные, гибкие, колонные и др.

Основным параметром тензометрического датчика является его диапазон измере-ния, который можно повысить максимально

Это необходимо всегда иметь в виду, применяя датчики в среде, где возможны биение и вибрации.

Важным параметром, особенно с точки зрения обработки выходного сигнала, явля-ется чувствительность датчика. Она измеряется в единицах мВ/В, и ее значения чаще все-го находятся в пределах от 1 до 3. Например,если чувствительность датчика 2 мВ/В и датчик питается постоянным напряжением 10 В, то выходной сигнал датчика при полной нагрузке будет иметь значение: 2*10 = 20 мВ.

Это относительно низкое значение, поэтому сигнал обычно усиливается и только по-том поступает на измерительный прибор или аналоговую карту в РС или PLC.

С ростом или падением температуры изменяется как сигнал ненагруженного датчика (ошибка нуля), так и сигнал нагруженного датчика (ошибка чувствительности). Обе ошибки указываются в процентах диапазона.

Пусть датчик имеет ошибку нуля, например 0,01% FS/°С. Если он имеет чувствительность 2 мВ/В и питается напряжением в 10 В, то при изменении температуры на 20 °С сигнал ненагруженного датчика может измениться на (2*10)*0,01*20 = 0,04 мВ.

Аналогично подсчитывается и ошибка чувствительности.

У датчиков для измерения силы точность характеризуется с помощью класса точности, который указывает процентную ошибку датчика, относящуюся к его диапазону.

Этот способ общеизвестный. Иначе рассчитывается точность датчиков, применяемых для взвешивания. У них точность указывается при помощи так называемого проверочного деления. Однако существует отношение между обоими способами. Например: датчик имеет точность, установленную при помощи проверочного деления, и это значение — 3000 делений (класс точности С3). В этом случае процентная погрешность (класс точности) будет: (1/(2*3000))*100 = ±0,017% FS.

Часто приводятся даже три диапазона температуры: компенсированный, рабочий и для хранения. Компенсированный диапазон температуры соответствует диапазону, при котором производитель испытывал датчик, и поэтому все его параметры гарантированы. Рабочий диапазон температуры обычно больше компенсированного. Датчик и в этом диапазоне можно применять без риска его повреждения, но все параметры датчика уже

не гарантируются. При диапазоне температуры хранения датчик применять не рекомендуется, так как может произойти его повреждение.

Другими важными параметрами являются: входное сопротивление (с точки зрения обра ботки сигнала), изоляционное сопротивление (с точки зрения безопасности), степень защиты (с точки зрения условий труда) и т. п.

3. Содержательная часть.

Упругий элемент - тело воспринимающее нагрузку, изготавливается преимущественно из легированных углеродистых сталей предварительно термообработанные, для получения стабильных характеристик. Конструктивно может быть изготовлен в виде стержня, кольца, тел вращения, консоли. Широкое распространение получили конструкции в виде стержня (или нескольких стержней);

Тензорезистор - фольговый или проволочный резистор, приклеенный к упругому элементу (стержень), изменяющий свое сопротивление пропорционально деформации упругого элемента, которая в свою очередь пропорциональна нагрузке;

Корпус датчика - предназначен для защиты упругого элемента и тензорезистора от механических повреждений и влияния окружающей среды. Имеет различное исполнение IP (Ingress Protection Rating) в соответствии с международным стандартом IEC 60529 (DIN 40050, ГОСТ 14254-96);

Герметичный ввод (кабельный разъем) - предназначен для подключения тензодатчика ко вторичному прибору (весовой индикатор, электронный усилитель, АЦП ) при помощи кабеля. Возможны варианты подключения по 6-ти и 4-х проводной схеме. Тензодатчики комплектуются, кабелями различной длинны, существуют конструкции с возможностью замены кабеля;

Проволочная или фольговая решетка - изготавливается из металлической нити диаметром 20-25 мкм из константана, манганина;

Подложка - основание, на которое наносится решетка тензорезистора, выполнено из бумаги, пленки, синтетического материала стойкого к деформациям;

Широкое применение получила мостовая схема включения тензорезисторов – мост Уитстона. Схема представляет собой 4 тензорезистора, соединенных в электрический мост - Рисунок 4.

Uпит – напряжение питания измерительного моста, как правило в интервалах 3-30В напряжения переменного или постоянного тока, Uсигн – напряжение измерительной диагонали моста, R1, R2, R3, R4 – сопротивления плеч измерительного моста, Rк – добавочное сопротивление, необходимое для компенсации изменения температуры окружающей среды и выравнивания чувствительности.

Чувствительность - это отношение выходного напряжение сигнала Uсигн [мВ (милиВольт)] к входному напряжению питания тензометрического моста Uпит [В (Вольт)]. Как правило, в паспортных данных к тензодатчику чувствительность (номинальная) обозначается Cn. К примеру, если указано Cn=2мВ/В и номинальная нагрузка Emax=10т (тонн), то следует понимать, что при Uпит=10В и воздействии груза массой 1 т., Uсигн=2мВ.

В настоящее время существует множество наработок в области тензометрии, технологиях изготовления тензорезисторов и тензодатчиков. Нормирующим документом для производителя тензодатчиков является Рекомендации МОЗМ (OIML) Р60 (R60). Производители весового оборудования применяют в конструкциях своих весов различные типы тензодатчиков, в зависимости от предназначения и условий эксплуатации весового оборудования.

От выбора типа тензодатчика, узла встройки, конструкции платформы, качества фундамента (основания) весов зависит надежность и качественная работа, которая невозможна без вторичных преобразователей сигнала или весовых индикаторов (терминалов).

3.1Тензометрические датчики - выбор по типу

Датчики силы балочные - датчики имеют форму балки, также такие датчики называют простая балка или балка среза. Способ использования заключается в том, что один край крепится жестко, а на другой конец прикладывается сила.

Читайте также: