Тензометр — понятие и разновидности прибора
Содержание
Тензометр – это прибор, который преобразует физическую величину силы воздействия на объект в электрический сигнал. Изменения тока в цепи отображаются на интерфейсе тензометра числовыми величинами в единицах измерения силы.
Тензорезисторы
Физические принципы тензометрии
Метод тензометрии – это способ определения напряжённого состояния какой-либо конструкции при возникновении локальных деформаций. Методика измерений позволяет выявить слабые места конструкции, находящейся в напряжённо-деформированном состоянии. Существует несколько способов измерения деформаций:
- оптический;
- пневматический;
- акустический;
- электрический;
- рентгеновский.
Оптический
Оптоволоконные датчики приклеивают к массиву. С помощью оптоволоконной нити, в которой сформирована брегговская решётка, происходит фиксация изменения геометрии поверхности исследуемого объекта. В результате обработки полученного электронного сигнала результат отображается на экране прибора.
Пневматический
Применяют поток сжатого воздуха в сопле, направленного на исследуемую поверхность объекта под силовым напряжением. Малейшее изменение расстояния между соплом и телом вызывает изменение давления воздушного потока, которое регистрируется специальными датчиками.
Акустический
Пьезоэлектрическими элементами отмечают изменения акустических параметров объекта. То есть происходят замеры скорости звука, акустического сопротивления и его затухания. В другом случае струнные датчики под воздействием деформаций объекта меняют частоту собственных колебаний.
Электрический
Измерения деформаций фиксируются тензодатчиками. Они отражают изменения электрического сопротивления нагружаемого объекта. Измерительные элементы называют тензорезистивными датчиками.
Рентгеновский
В материалах, подвергающихся силовым воздействиям, меняются расстояния между атомами в кристаллической решётке исследуемого тела. Для фиксации динамики этих процессов применяют рентгеноструктурный метод.
Тензорезистивный метод
В основу этого самого популярного метода положен принцип измерения динамического изменения удельного электрического сопротивления испытуемой детали под нагрузкой. В качестве измерителей применяются полупроводниковые тензометрические датчики. Металлический датчик, улавливая колебания электрического сопротивления детали, сам меняет величину собственного сопротивления. Изменение характеристики тока, проходящего через датчик, отражает тензометр на своём интерфейсе.
Конструкция типичного металлического датчика
Тензометрирование осуществляется с помощью металлических датчиков плёночного типа. Их изготавливают несколькими способами, но конструкция остаётся одной и той же. В одном случае на полимерную плёнку накладывают трафарет (маску) и сверху напыляют тонкий слой металлического сплава.
По-иному токопроводящую форму резистора создают методом фотолитографии. На напылённую металлическую поверхность наносят фоторезист. Через фототрафарет просвечивают поверхность ультрафиолетом. В зависимости от вида фоторезиста, растворителем смывают засвеченные участки или необлучённые поверхности. Открытый металлизированный слой смывают кислотой, получая фигурную металлическую плёнку.
Тензометрический рисунок датчика напоминает по форме сжатую пружину в плане. Чтобы снизить влияние температуры на показания тензометра, для печатной формы датчика применяют металлические сплавы с низким коэффициентом удельного сопротивления.
Схема металлического датчика
Датчики имеют самоклеящуюся подложку. Плёнки приклеивают к поверхности исследуемых объектов: это могут быть рычажные весы, динамометры, валы автомобилей, секции трубопроводов. Таким же способом измеряют степень деформации валопроводов и опорных подшипников в машиностроении, и др.
Измерительная схема
Тензорезисторная измерительная схема включает в себя так называемый сбалансированный мост Уинстона. Ниже на рисунке он представлен со встроенным по диагонали вольтметром. Проводник A – D замкнут на источнике постоянного напряжения.
Измерительный мост тензометра
Переменный резистор R2 в отсутствие нагрузки сводит напряжение к нулю. Вольтметр диагонали B – C показывает изменение уровня напряжения в схеме при наличии нагрузки, приложенной к исследуемому объекту. Параллельно этому сигнал с линии B – C подаётся через дифференциальный усилитель в тензометр.
Применение тензометрии
Тензометрия является неотъемлемой частью испытаний макетов и экспериментальных образцов, проектируемых ответственных строительных конструкций, продукции авиапрома, космической техники и пр. Тензометрии подвергают здания и сооружения, в которых были замечены нарушения целостности конструкций.
На принципах тензометрии проектируют и производят приборы измерительного назначения. К ним относятся весы, динамометры, торсиометры (датчики крутящего момента). Тензорезисторы играют большую роль в профилактике и предупреждении возникновения возможных аварийных ситуаций, связанных с разрушением строительных конструкций, различного оборудования тяжёлой промышленности и т.п.
Тензометрические методы измерения
Принцип действия тензометра
Чтобы понять принцип действия тензометра, надо вернуться к рассмотрению вышеуказанной измерительной схемы. При возникновении деформации тензорезистор Rx меняет своё сопротивление, что вызывает падение потенциала в точке схождения R3 и Rx. В результате изменяется напряжение моста B – C. На изменение сопротивления тензорезистора Rx может оказывать побочное влияние окружающая температура. При получении результатов тестирования данные корректируют, внося поправки на изменение температуры.
Виды тензометров
Для измерения деформаций различных объектов были созданы тензометры, отличающиеся принципами действия и областями применения. По этим признакам измерительное оборудование подразделяют на следующие виды:
- механическое;
- резистивное;
- струнное;
- ёмкостное;
- индуктивное.
Механические
Измерения основаны на фиксации изменения длины объекта под нагрузкой. Работа механического тензометра заключается в определении зависимости удлинения тела от напряжения в поперечном сечении.
Резистивные
Плёночные тензоризисторы, наклеенные в разных направлениях на теле объекта, при его сжатии или растяжении меняют своё электрическое сопротивление вместе с объектом. Точность измерений деформаций обеспечивается работой не одного датчика, а группы тензорезистров.
Плёночные тензорезисторы
Струнные
Струнный вариант представляет собой стальную проволоку (струну), её натягивают между опорами, которые закрепляют на поверхности объекта. Суть измерений заключаются в определении отношения частоты колебания струны к степени её натяжения при изменении длины обследуемого тела под воздействием нагрузки.
Ёмкостные
В качестве датчика применяют конденсатор с переменной ёмкостью. Деформация объекта вызывает изменение зазора между пластинами конденсатора, что отражается на характеристике тока в измерительной схеме прибора.
Индуктивные
Устройство прибора основано на применении катушки индуктивности, в которой установлен подвижный сердечник. Он напрямую контактирует с поверхностью объекта. При малейшей деформации поверхности происходит смещение сердечника в катушке. Изменяющиеся параметры катушки индуктивности фиксируются через электросхему прибором.
Примеры использования тензометров
Одним из примеров может служить максимальная оптимизация степени натяжения полотна ленточной пилы. Также стоит упомянуть об обследовании железобетонных конструкций, которые производят с помощью тензометров, фиксирующих степень напряжения арматуры в массиве бетона.
Настройка тензометра
Настройку тензоизмерений производят с помощью компьютерной программы Тензометр. Операционная система позволяет осуществлять измерения с помощью тензометрических датчиков силы, крутящего момента на основе мостовых и полумостовых схем в тензостанции ZET 017-T. С её настройкой можно проводить измерения силы, крутящего момента, веса и смещений.
Самописец программы отображает фиксированные результаты в почасовом режиме. Статистика показаний отображается графически и в табличном виде.
Параметры
Комплекс измерений формируется выбором нужных характеристик в поле «Параметры» на интерфейсе программы. К ним относятся:
- ток питания;
- показания;
- единицы измерений;
- сглаживание;
- коррекция;
- инверсия данных.
Тензорезистор
Для его настройки пользуются окном программы – «Тензорезистор». Для выбора процесса измерений используют раздел «Файл калибровки». Высвечивается поле «Показания». В нём указываются данные датчика.
Тензодатчик
Используют поле программы – «Тензодатчик». Для настройки применяют два параметра: это чувствительность и предел измерений.
Многоканальный
Программа поддерживает многоканальные режимы измерений. Их использует при установке на объект группы датчиков.
Подсказки в программе Тензометр
Корректировщик программы укажет во всплывающем окне неправильное задание тех или иных параметров. Разработчики программного продукта учли самые распространённые ошибки и позаботились о следующих оповещениях:
- отсутствие опорного канала;
- неправильно заданы каналы;
- низкий уровень опорного сигнала (ниже 3% верхнего диапазона).
Цифровой тензорезистор ZET
Тензометрические обследования помогают избегать просчётов в проектировании объектов, испытывающих деформации различного характера под воздействием разных внешних факторов. Своевременное выявление причин, вызывающих изменения характеристик объекта, позволяет сохранить его эксплуатационные качества и предотвратить возникновение аварийных ситуаций.
Видео
https://www.youtube.com/watch?v=d8U7uwWB2Zg
