044 361-59-29

067 402-79-20

099 367-92-70

В корзине нет товаров

Новости

Дата публикации: 15.03.2012
Тензометрические измерительные преобразователи – тензодатчики
Тензодатчики, тензометрические измерительные преобразователиНазначением тензометрического измерительного преобразователя является преобразование деформации твердого тела, которая была вызвана приложенным к нему механическим воздействием, в электрический импульс. Его также называют параметрическим резистивным преобразователем.
Резистивный тензодатчик состоит из основания и прикрепленного к нему чувствительного элемента. Подход, который используется в измерении деформации, заключается в том, что во время деформации меняет свое значение активное сопротивление транзистора. Подобный эффект изменения удельного сопротивления проводника, выполненного из металла при воздействии сжатия со всех сторон (гидростатического давления) бил открыт лордом Кельвином в 1856 году, а двадцать пять лет спустя О. Д. Хвольсоном.
На данном этапе развития науки тензометрический измерительный преобразователь является транзистором, чувствительный элемент которого создан из проволоки, фольги либо другого тензочувствительного материала. На исследованной детали он крепится с использованием какой-либо связующей субстанции (например, клея или цемента) (Рис. 1). Для того, чтобы подсоединить чувствительный элемент в электрический контур, в транзистор встроены выводные проводники. Некоторые виды транзисторов имеют подложку, которая делает конструкцию более удобной. Подложка расположена между чувствительным элементом и деталью, которая подвергается исследованию. Помимо этого в конструкцию вводится дополнительный защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента.
конструкции тензорезисторов

Схема тензопреобразователя

Рисунок 1 (cхема тензопреобразователя)
Схема тензопреобразователя: 1 - чувствительный элемент; 2-связующее звено; 3-подложка; 4-деталь, подвергаемая исследованию; 5 - защитный элемент; 6 - узловая сварка (спайка); 7 - выводные проводники.

Задачи, которые возможно решить с помощью тензометрических измерительных преобразователей, крайне разнообразны, но можно отметить два основных направления применения тензодатчиков:

  • определение в сооружениях и деталях напряжений и деформаций, исследование физических свойств материалов;
  • измерение механических величин, которые преобразуются в деформацию упругого элемента.
Первому случаю свойственно большое количество точек тензометрирования, широкие пределы изменения условий окружающей среды и невозможность выполнить градуировку измерительных каналов. Погрешность в данном случае колеблется от 2% до 10%.
Во втором варианте применения градуировка датчиков происходит в соответствии с измеряемой величиной, а неточность измерений может составить от 0,05% до 0,5%.

Весы на тензодатчиках

Тензометрические измерительные преобразователи

Наиболее известный и распространенный пример использования тензомеров это весы, для производства которых тензометрические датчики используют практически все отечественные и зарубежные производители. Весы на основе тензодатчиков применяются в разных сферах промышленной деятельности: цветной и черной металлургии, химической, строительной, пищевой и других сферах.
Принцип работы электронных весов заключается в измерении силы массы, которая действует на тензодатчик, за счет преобразования изменений, которые при этом возникают (например деформации), в пропорциональный электрический сигнал на выходе.

Тензодатчики приобрели широкое распространение благодаря ряду преимуществ:

  • незначительному размеру и весу;
  • малоинерционности, что дает возможность использовать тензодатчик в условиях статических и динамических изменений;
  • свойственной им линейной характеристики;
  • возможности производить измерения с их помощью в большом количестве точек;
  • несложному способу установки на деталь, которая подвергается исследованию и благодаря которому не происходит искажение поля деформаций исследуемой детали;
Недостатком тензодатчиков является их чувствительность к температурам, но его можно легко скомпенсировать.

Виды преобразователей и их конструктивные особенности

Принцип работы тензопреобразователей основывается на явлении тензоэффекта - изменении активного сопротивления проводников во время их механической деформации. Тензоэффект материала характеризуется коэффициентом относительной тензочувствительности К, который рассчитывается как отношение изменения сопротивления er к изменению длины проводника el. K=er/el, где:
  • er - относительное изменение сопротивления проводника, вычисляемое как dr/r;
  • el - относительное изменение длины проводника, вычисляемое как dl/l.
Во время деформации твердых тел изменение их длины происходит за счет изменения объема. Также изменяются и их свойства, в частности значение удельного сопротивления. Учитывая вышесказанное, коэффициент тензочувствительности в общем случае можно определить как:

K = (1 + 2μ) + m

В этой формуле величина (1 + 2μ) является характеристикой изменения сопротивления, которое связанно с изменением длины и сечения проводника, а m - изменение удельного сопротивления материала, которое происходит за счет его физических свойств. В случае использования для изготовления тензопреобразователя проводников чувствительность можно определить в основном по изменению свойств материала решетки в процессе ее деформации и K » m может для различных материалов принимать значения от 40 до 200.

Все преобразователи делятся на три основных типа:

  • проволочные;
  • фольговые;
  • пленочные;
Тензодатчики проволочные, фольговые, пленочные

Тензометрические измерительные преобразователи

Проволочные тензодатчики или датчики веса в сфере измерения неэлектрических значений применяются в двух направлениях

Первое - применение тензоэффекта проводника, который находится в состоянии объемного сжатия, в то время, как в качестве естественной величины на входе преобразователя выступает давление, вызванное окружающим газом или жидкостью. В этом случае преобразователь выглядит как катушка провода (как правило, манганинового), помещенная в то место, где необходимо измерить давление (газа или жидкости). Величиной на выходе преобразователя является изменение его активного сопротивления.
Второе направление применения тензодатчиков, дачиков веса - использование тензоэффекта растягиваемой проволоки из материала, обладающего тензочувствительными характеристиками. При этом тензопреобразователь применяется в качестве "свободного" преобразователя и в качестве наклеиваемого.
"Свободные" тензопреобразователи изготавливаются как одна или несколько проволок, которые закреплены по концам между подвижной и статичной деталями и, как правило, выполняющих в то же время функцию упругого элемента. Естественной величиной на входе преобразователей такого рода является весьма незначительное перемещение подвижной детали.
На Рис. 2 изображено устройство наклеиваемого проволочного тензодатчика, получившего наибольшее применение. На ленту из тонкой бумаги либо на лаковую пленку наклеена уложенная зигзагообразным образом тонкая проволока, диаметр которой составляет 0,02-0,05 мм. К ее концам подсоединены выводные проводники из меди. Сверху преобразователь покрывается лаком либо же заклеивается бумагой или фетром.
Как правило, датчик устанавливается таким образом, чтобы его сторона, имеющая наибольшую длину, была направлена в направлении измеряемой силы. Приклеенный к испытуемой детали преобразователь воспринимает деформации на ее поверхностном слое. Таким образом, естественной величиной на входе наклеиваемого преобразователя является деформация верхнего слоя детали, а на выходе - изменение сопротивления преобразователя, которое пропорционально этой деформации. Такого рода датчики используются чаще, чем ненаклеиваемые.

Наклеиваемый проволочный тензопреобразователь

Наклеиваемый проволочный тензопреобразователь

Рис. 2 - Наклеиваемый проволочный тензопреобразователь: 1 - тензочувствительная проволока; 2 - связующее звено (клей); 3- подложка (бумага, целлофан); 4 - выводные проводники.
В качестве измерительной базы преобразователя служит длина детали, которую занимает поволока. Наибольшее распространение получили преобразователи с сопротивлением в 5-20 Ом и базами в 5-20 мм.
Но помимо петлевой конструкции тензодатчика, существуют и другие. Если есть потребность изменить измерительную базу преобразователя до меньших размеров (до 1 мм), его производят с помощью виткового способа, суть которого в том, что на оправке круглого сечения на трубку тонкой бумаги накручивается спиральная тензочувствительная проволока. Далее осуществляется проклеивание этой трубки, съем с оправки, расплющивание, а к ее концам крепятся выводы.
В том случае, когда существует необходимость получить ток большой величины от контура, в который включен преобразователь, нередко пользуются "мощными" тензопреобразователями из проволоки. Их состав - большое количество (до 50 шт.) проволок, соединенных параллельно. Размеры базы довольно велики (до 200 мм), что дает возможность значительно увеличить силу тока, проходящую через такой преобразователь (Рис. 3).

Низкоомный ("мощный" проволочный тензопреобразователь)

Низкоомный («мощный») проволочный тензопреобразователь

Рисунок 3 - Низкоомный ("мощный") проволочный тензопреобразователь: 1 - тензочувствительный элемент; 2 - связующее звено (клей или цемент); 3 - подложка (целлофан или бумага); 4 - выводной проводник.
Такого вида датчики имеют незначительную поверхность связи с основанием (образцом), а это снижает токи утечки в условиях высоких температур и обеспечивает более высокое напряжение изоляции между образцом и чувствительным элементом.
Тензодатчики или датчики веса из фольги - наиболее распространенный вид наклеиваемых тензодатчиков. Они представляют из себя полоску из фольги толщиной 4-12 мкм, на которой часть металла выбрана с помощью травления так, что оставшаяся часть образует решетку с выводами, как это показано на Рис. 4.
При изготовлении подобного вида решетки существует возможность обеспечить любой ее рисунок, а это является очень важным достоинством фольговых тензопреобразователей. На Рис. 4,а изображен преобразователь, который наклеивается на вал с целью измерения его крутящих моментов, а на Рис. 4,б – преобразователь, наклеиваемый на мембрану.

 

 

Фольговые преобразователи

Фольговые преобразователи

Рис. 4 - Фольговые преобразователи; 1 - подгоночные петли; 2 - витки, чувствительные к усилиям, которые растягивают мембрану.
Важным преимуществом фольговых преобразователей является возможность увеличения сечения их концов. Припаивание (или же приваривание) выводов реализуется в этом случае намного более надежно, чем в проволочных преобразователях.
В сравнении с проволочными, фольговые тензодатчики имеют большое отношение площади поверхности чувствительного элемента к площади поперечного сечения, что означает большую их стабильность в условиях критических температур и длительных нагрузок, а также обеспечивает отличный термокконтакт образца и чувствительного элемента, что значительно снижает саморазогрев датчика.
Для производства преобразователей из фольги применяются те же металлы, что и для проволочных (константан, нихром, сплав железа и никеля и т. д.), а также другие материалы, такие как сплав 48Т-2, который дает возможность измерения деформаций до 12% и целая группа полупроводниковых материалов.

 

Пленочные тензодатчики

В последнее время распространение получил еще один вариант производства приклеиваемых тензодатчиков, который заключается в вакуумной возгонке тензочувствительного материала с его последующей конденсацией на подложку, напыляемую непосредственно на деталь. Тензосопротивления такого вида называются пленочными. Их небоьшая толщина (15-30 мкм) предоставляет значительные преимущества в случаях измерения деформаций в динамических условиях при высоких температурах, где исследование деформации является специализированной областью.
Большое количество пленочных тензопреобразователей выполняется на основе висмута, титана, кремния или германия и выглядят они как единственная проводящая полоска (Рис. 5). Подобные преобразователи лишены недостатка, который заключается в уменьшении относительной чувствительности по сравнению с чувствительностью материала, из которого сделан преобразователь.

Пленочный преобразователь

Пленочный тензопреобразовтель

Рис. 5 - Пленочный тензопреобразователь: 1- тензочувствительная пленка; 2 - слой лака; 3 - выводной проводник.
Тензометрический коэффициент преобразователя, который был изготовлен на основе металлической пленки, составляет 2-4, а его сопротивление изменяется в пределах от 100 до 1000 Ом. Преобразователи, в основе которых полупроводниковая пленка, имеют коэффициент порядка 500-200, и благодаря этому они чувствительнее к прикладываемому напряжению. При этом отпадает надобность в использовании усилительных схем, поскольку напряжение полупроводникового тензометрического моста на выходе составляет около 1 В.
Недостатком является то, что сопротивление полупроводникового преобразователя зависит от прикладываемого напряжения и крайне нелинейно во всем диапазоне напряжений, а также имеет большую зависимость от температуры. Таким образом, хотя во время использования тензометра на основе металлической пленки требуется усилитель, его линейность вполне высока, а температурный эффект легко поддается компенсации.