Тенометри — тензометријски мерни претварачи

Сензор мерача напрезања — параметарски отпорни претварач који претвара деформацију крутог тела изазвану механичким напрезањем на њега у електрични сигнал.

Отпорни манометар је основа са причвршћеним осетљивим елементом. Принцип мерења напрезања помоћу мерача напрезања је да се отпор мерача напрезања мења током напрезања. Ефекат промене отпора металног проводника под дејством свестране компресије (хидростатског притиска) открили су 1856. Лорд Келвин и 1881. ОД Хволсон.

У свом савременом облику, мерач напрезања конструктивно представља отпорник на напрезање, чији је осетљиви елемент израђен од материјала осетљивог на напетост (жица, фолија и сл.), причвршћеног везивом (лепком, цементом) на делу који се испитује. (Слика 1). Да би се сензорски елемент прикључио на електрично коло, мерач напрезања има жице.Неки мерачи напрезања су дизајнирани за лакшу уградњу, имају јастучић који се налази између осетљивог елемента и дела који се тестира, као и заштитни елемент који се налази изнад осетљивог елемента.

Слика 1 Шема мерача напрезања: 1- осетљиви елемент; 2- везиво; 3- подлога; 4- истражен детаљ; 5- заштитни елемент; 6- блок за лемљење (заваривање); 7-жично ожичење

Уз сву разноликост задатака који се решавају коришћењем трансдуктора за мерење напрезања, могу се разликовати две главне области њихове употребе:

— проучавање физичких својстава материјала, деформација и напона у деловима и конструкцијама;

— коришћење мерача напрезања за мерење механичких вредности које се претварају у деформацију еластичног елемента.

Први случај карактерише значајан број тачака мерења напона, широки распони промена параметара животне средине, као и немогућност калибрације мерних канала. У овом случају, грешка мерења је 2-10%.

У другом случају, сензори се калибришу према измереној вредности и грешке мерења су у опсегу од 0,5-0,05%.

Најупечатљивији пример употребе мерача напрезања је равнотежа. Ваге већине руских и страних произвођача опремљене су мерачем напрезања. Мерне ваге се користе у разним индустријама: обојеној и црној металургији, хемијској, грађевинској, прехрамбеној и другим индустријама.

Принцип рада електронских вага се своди на мерење силе гравитације која делује на мерну ћелију претварањем насталих промена, као што је деформација, у пропорционални излазни електрични сигнал.

Широка употреба тензорских отпорника објашњава се низом њихових предности:

— мала величина и тежина;

— ниска инерција, што омогућава употребу мерача напрезања и за статичка и за динамичка мерења;

— имају линеарну карактеристику;

— дозволити да се мерења врше на даљину и на више тачака;

— начин њихове уградње на испитивани део не захтева сложене уређаје и не нарушава деформационо поље испитиваног дела.

А њихов недостатак, а то је осетљивост на температуру, у већини случајева се може надокнадити.

Врсте претварача и њихове карактеристике дизајна

Рад мерача напрезања заснива се на феномену ефекта деформације, који се састоји у промени активног отпора жица током њихове механичке деформације. Карактеристика деформационог ефекта материјала је коефицијент релативне осетљивости на деформацију К, дефинисан као однос промене отпора према промени дужине проводника:

к = ер / ел

где је ер = др / р — релативна промена отпора проводника; ел = дл / л — релативна промена дужине жице.

Током деформације чврстих тела, промена њихове дужине је повезана са променом запремине, а њихова својства, посебно вредност отпора, такође се мењају. Дакле, вредност коефицијента осетљивости у општем случају треба изразити као

К = (1 + 2μ) + м

Овде величина (1 + 2μ) карактерише промену отпора повезану са променом геометријских димензија (дужине и попречног пресека) проводника, и — промену отпора материјала повезану са променом његовог физичког својства.

Ако се у производњи тензора користе полупроводнички материјали, осетљивост је углавном одређена променом својстава материјала решетке током његове деформације и К »м и може да варира за различите материјале од 40 до 200.

Сви постојећи претварачи могу се поделити у три главна типа:

— жица;

- фолија;

- филм.

Жичани телеметри се користе у техници мерења неелектричних величина у два правца.

Први правац је коришћење ефекта деформације проводника у стању запреминске компресије, када је природна улазна вредност претварача притисак околног гаса или течности. У овом случају, претварач је намотај жице (обично манганин) постављен у подручје мереног притиска (течност или гас). Излазна вредност претварача је промена његовог активног отпора.

Други правац је коришћење затезног ефекта затезне жице направљене од материјала осетљивог на напетост. У овом случају се користе сензори напона у облику "слободних" претварача и у облику лепљених.

„Слободни“ мерачи напрезања се израђују у облику једне или низа жица, причвршћених на крајевима између покретних и непокретних делова и, по правилу, истовремено обављају улогу еластичног елемента. Природна улазна вредност таквих претварача је врло мало померање покретног дела.

Уређај најчешћег типа мерача напрезања везаних жица приказан је на слици 2. Танка жица пречника 0,02-0,05 мм, постављена цик-цак, лепљена је на траку танке папирне или лакиране фолије. Оловљене бакарне жице су повезане са крајевима жице. Врх претварача је прекривен слојем лака и понекад запечаћен папиром или филцом.

Претварач се обично поставља тако да је његова најдужа страна оријентисана у правцу мерене силе. Такав претварач, залепљен на испитни узорак, опажа деформације свог површинског слоја. Дакле, природна улазна вредност залепљеног претварача је деформација површинског слоја дела на који је залепљен, а излазна је промена отпора претварача пропорционална овој деформацији. Генерално, лепљени сензори се користе много чешће од оних који нису лепљени.

Слика 2 - мерач напрезања спојене жице: 1 - жица за мерење напрезања; 2- лепак или цемент; 3- целофан или папирна подлога; 4-жичне жице

Мерна основа претварача је дужина дела који заузима жица. Најчешће коришћени претварачи су базе од 5-20 мм са отпором од 30-500 ома.

Поред најчешћег дизајна мерача контуре, постоје и други. Ако је потребно смањити мерну основу претварача (на 3 — 1 мм), то се ради методом намотавања, која се састоји у намотавању спирале жице осетљиве на оптерећење на трн кружног пресека на цев од танак папир. Ова цев је затим залепљена, уклоњена са трна, спљоштена, а жице су причвршћене за крајеве жице.

Када је потребно добити велику струју из кола са термоконвертором, често користе „Моћне” мераче напона са намотаном жицом... Састоје се од великог броја (до 30 — 50) жица повезаних паралелно, разликују се. у великим величинама (дужина основе 150 — 200 мм) и омогућавају значајно повећање струје која пролази кроз претварач (слика 3).

Цртеж 3- Тенометар са малим отпором („моћан“): 1 — жица за мерење напрезања; 2- лепак или цемент; 3- целофан или папирна подлога; 4 пинска жица

Жичане сонде имају малу контактну површину са узорком (подлогом), што смањује струје цурења на високим температурама и доводи до већег изолационог напона између осетљивог елемента и узорка.

Фолије за оптерећење су најпопуларнија верзија лепљивих ћелија за оптерећење. Претварачи фолије су трака од фолије дебљине 4-12 микрона, на којој се гравирањем бира део метала на начин да остатак чини оловну мрежу приказану на слици 4.

У изради такве решетке може се предвидети било која шара мреже, што је значајна предност фолијских мерача напрезања. На слици 4, а приказује изглед фолијског претварача дизајнираног за мерење стања линеарног напрезања, на сл. 4, ц — фолијски претварач залепљен на осовину за мерење обртног момента, а на сл. 4, б — залепљен на мембрану.

Цртеж 4- Претварачи фолије: 1- петље за подешавање; 2- савијања осетљива на затезне силе мембране; 3- ротације осетљиве на силе притиска дијафрагме

Озбиљна предност претварача фолије је могућност повећања попречног пресека крајева претварача; заваривање (или лемљење) жица се у овом случају може обавити много поузданије него код претварача жице.

Деформатори фолије, у поређењу са жичаним, имају већи однос површине осетљивог елемента према површини попречног пресека (осетљивост) и стабилнији су на критичним температурама и сталним оптерећењима. Велика површина и мали попречни пресек такође обезбеђују добар температурни контакт између сензора и узорка, што смањује самозагревање сензора.

За израду фолијских мерача напрезања користе се исти метали као и за теленометре (константан, нихром, легура никл-гвожђа и др.), а користе се и други материјали, на пример легура титанијум-алуминијум 48Т-2, која мери напрезања до 12 %, као и низ полупроводничких материјала.

Тензори филма

Последњих година појавила се још једна метода за масовну производњу везаних отпорних сојева, која се састоји у вакуум сублимацији материјала осетљивог на напрезање и његовој накнадној кондензацији на подлози која се прска директно на радни предмет. Такви претварачи се називају филмски претварачи.Мала дебљина таквих мерача деформација (15-30 микрона) даје значајну предност при мерењу деформација у динамичком режиму на високим температурама, где су мерења деформација специјализована област истраживања.

Један број филмских мерача напрезања на бази бизмута, титанијума, силицијума или германијума направљен је у облику једне проводне траке (слика 5).Такви претварачи немају недостатак смањења релативне осетљивости претварача у поређењу са осетљивошћу материјала од којег је претварач направљен.

Слика 5- Филмски мерач напрезања: 1- филм за мерење напрезања; 2- лак фолија; 3-пинска жица

Коефицијент мерача напрезања претварача на бази металног филма је 2-4, а његов отпор варира од 100 до 1000 ома. Претварачи направљени на бази полупроводничког филма имају коефицијент реда 50-200 и стога су осетљивији на примењени напон. У овом случају нема потребе за коришћењем појачала, јер је излазни напон полупроводничког моста отпорника на напрезање приближно 1 В.

Нажалост, отпор полупроводничког претварача варира са примењеним напоном и у суштини је нелинеаран у читавом опсегу напона, а такође је веома зависан од температуре. Дакле, иако је потребно појачало када се ради са деформатором металног филма, линеарност је веома висока и температурни ефекат се може лако компензовати.