Mga Tenometer — mga transduser ng pagsukat ng tensometric

Strain gauge sensor — isang parametric resistive transducer na nagko-convert ng deformation ng isang matibay na katawan na dulot ng mekanikal na stress na inilapat dito sa isang electrical signal.

Ang isang resistive pressure gauge ay isang base na may nakakabit na sensitibong elemento. Ang prinsipyo ng pagsukat ng strain gamit ang strain gauge ay ang paglaban ng strain gauge ay nagbabago sa panahon ng strain. Ang epekto ng pagbabago ng paglaban ng isang metal na konduktor sa ilalim ng pagkilos ng all-round compression (hydrostatic pressure) ay natuklasan noong 1856 ni Lord Kelvin at noong 1881 ni OD Hvolson.

Sa modernong anyo nito, ang isang strain gauge ay istruktural na kumakatawan sa isang strain resistor, ang sensitibong elemento na kung saan ay gawa sa isang materyal na sensitibo sa pag-igting (wire, foil, atbp.), na naayos na may isang panali (pandikit, semento) sa bahaging sinisiyasat. (Larawan 1). Para ikonekta ang sensing element sa electrical circuit, may mga wire ang strain gauge.Ang ilang mga strain gauge ay nagdidisenyo para sa mas madaling pag-install, mayroon silang pad na matatagpuan sa pagitan ng sensitibong elemento at ng bahaging sinusuri, pati na rin ang proteksiyon na elemento na matatagpuan sa itaas ng sensitibong elemento.

Figure 1 Schematic ng strain gauge: 1- sensitibong elemento; 2- panali; 3- substrate; 4- inimbestigahan ang detalye; 5- proteksiyon na elemento; 6- bloke para sa paghihinang (welding); 7-wire na mga kable

Sa lahat ng iba't ibang mga gawain na nalutas gamit ang strain gauge transducers, dalawang pangunahing lugar ng kanilang paggamit ay maaaring makilala:

- pag-aaral ng mga pisikal na katangian ng mga materyales, deformation at stress sa mga bahagi at istruktura;

— ang paggamit ng mga strain gauge upang sukatin ang mga mekanikal na halaga na na-convert sa pagpapapangit ng isang nababanat na elemento.

Ang unang kaso ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang makabuluhang bilang ng mga punto ng pagsukat ng boltahe, malawak na hanay ng mga pagbabago sa mga parameter ng kapaligiran, pati na rin ang imposibilidad ng pag-calibrate ng mga channel ng pagsukat. Sa kasong ito, ang error sa pagsukat ay 2-10%.

Sa pangalawang kaso, ang mga sensor ay na-calibrate ayon sa sinusukat na halaga at ang mga error sa pagsukat ay nasa hanay na 0.5-0.05%.

Ang pinaka-kapansin-pansin na halimbawa ng paggamit ng strain gauges ay ang balanse. Ang mga kaliskis ng karamihan sa mga tagagawa ng Russia at dayuhan ay nilagyan ng mga strain gauge. Ang mga timbangan ng load cell ay ginagamit sa iba't ibang industriya: non-ferrous at ferrous metalurgy, kemikal, konstruksyon, pagkain at iba pang industriya.

Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga electronic na kaliskis ay nabawasan sa pagsukat ng puwersa ng gravity na kumikilos sa load cell sa pamamagitan ng pag-convert ng mga resultang pagbabago, tulad ng pagpapapangit, sa isang proporsyonal na output na electrical signal.

Ang malawak na paggamit ng mga tensor resistors ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng isang bilang ng kanilang mga pakinabang:

- maliit na sukat at timbang;

— mababang pagkawalang-galaw, na nagpapahintulot sa paggamit ng mga strain gauge para sa parehong static at dynamic na mga sukat;

- magkaroon ng isang linear na katangian;

— payagan ang mga sukat na gawin nang malayuan at sa maraming mga punto;

— ang paraan ng kanilang pag-install sa napagmasdan na bahagi ay hindi nangangailangan ng mga kumplikadong aparato at hindi pinipihit ang patlang ng pagpapapangit ng napagmasdan na bahagi.

At ang kanilang kawalan, na kung saan ay temperatura sensitivity, ay maaaring mabayaran sa karamihan ng mga kaso.

Mga uri ng mga converter at ang kanilang mga tampok sa disenyo

Ang pagpapatakbo ng mga strain gauge ay batay sa hindi pangkaraniwang bagay ng deformation effect, na binubuo sa isang pagbabago sa aktibong paglaban ng mga wire sa panahon ng kanilang mekanikal na pagpapapangit. Ang katangian ng epekto ng pagpapapangit ng materyal ay ang koepisyent ng kamag-anak na sensitivity ng deformation K, na tinukoy bilang ang ratio ng pagbabago sa paglaban sa pagbabago sa haba ng konduktor:

k = er / el

kung saan er = dr / r - ang kamag-anak na pagbabago sa paglaban ng konduktor; el = dl / l — ang kamag-anak na pagbabago sa haba ng wire.

Sa panahon ng pagpapapangit ng mga solidong katawan, ang pagbabago sa kanilang haba ay nauugnay sa isang pagbabago sa dami, at ang kanilang mga katangian, lalo na, ang halaga ng paglaban, ay nagbabago din. Samakatuwid, ang halaga ng sensitivity coefficient sa pangkalahatang kaso ay dapat ipahayag bilang

K = (1 + 2μ) + m

Dito, ang dami (1 + 2μ) ay nagpapakilala sa pagbabago sa paglaban na nauugnay sa isang pagbabago sa mga geometric na sukat (haba at cross-section) ng konduktor, at — isang pagbabago sa paglaban ng materyal na nauugnay sa isang pagbabago sa pisikal nito. ari-arian.

Kung ang mga materyales ng semiconductor ay ginagamit sa paggawa ng tensor, ang sensitivity ay pangunahing tinutukoy ng pagbabago sa mga katangian ng materyal na sala-sala sa panahon ng pagpapapangit nito at K »m at maaaring mag-iba para sa iba't ibang mga materyales mula 40 hanggang 200.

Ang lahat ng umiiral na mga converter ay maaaring nahahati sa tatlong pangunahing uri:

- kawad;

- palara;

- isang pelikula.

Ang mga wire telemeter ay ginagamit sa pamamaraan ng pagsukat ng mga di-electric na dami sa dalawang direksyon.

Ang unang direksyon ay ang paggamit ng epekto ng pagpapapangit ng isang konduktor sa isang estado ng volume compression, kapag ang natural na halaga ng input ng transduser ay ang presyon ng nakapalibot na gas o likido. Sa kasong ito, ang transduser ay isang coil ng wire (karaniwan ay manganin) na inilagay sa lugar ng sinusukat na presyon (likido o gas). Ang halaga ng output ng converter ay ang pagbabago sa aktibong pagtutol nito.

Ang pangalawang direksyon ay ang paggamit ng tension effect ng tension wire na gawa sa tension-sensitive na materyal. Sa kasong ito, ang mga sensor ng boltahe ay ginagamit sa anyo ng mga "libre" na converter at sa anyo ng mga nakadikit.

Ang "libre" na mga strain gauge ay ginawa sa anyo ng isa o isang hilera ng mga wire, na naayos sa mga dulo sa pagitan ng mga palipat-lipat at hindi natitinag na mga bahagi at, bilang panuntunan, ay sabay na gumaganap ng papel ng isang nababanat na elemento. Ang natural na halaga ng input ng naturang mga transduser ay napakaliit na paggalaw ng gumagalaw na bahagi.

Ang aparato ng pinakakaraniwang uri ng bonded wire strain gauge ay ipinapakita sa figure 2. Ang isang manipis na wire na may diameter na 0.02-0.05 mm, na inilagay sa isang zigzag pattern, ay nakadikit sa isang strip ng manipis na papel o lacquer foil. Ang mga lead na tansong wire ay konektado sa mga dulo ng wire. Ang tuktok ng converter ay natatakpan ng isang layer ng barnisan at kung minsan ay tinatakan ng papel o nadama.

Ang transduser ay karaniwang naka-install upang ang pinakamahabang bahagi nito ay nakatuon sa direksyon ng sinusukat na puwersa. Ang nasabing transduser, na nakadikit sa ispesimen ng pagsubok, ay nakikita ang mga pagpapapangit ng layer ng ibabaw nito. Kaya, ang natural na halaga ng input ng nakadikit na transduser ay ang pagpapapangit ng ibabaw na layer ng bahagi kung saan ito nakadikit, at ang output ay ang pagbabago sa paglaban ng transduser na proporsyonal sa pagpapapangit na ito. Sa pangkalahatan, ang mga nakadikit na sensor ay ginagamit nang mas madalas kaysa sa mga hindi nakadikit.

Figure 2 - bonded wire strain gauge: 1 - strain gauge wire; 2- pandikit o semento; 3- cellophane o papel na backing; 4-wire na mga wire

Ang base ng pagsukat ng transduser ay ang haba ng bahagi na inookupahan ng wire. Ang pinakakaraniwang ginagamit na mga transduser ay 5-20 mm na mga base na may pagtutol na 30-500 ohms.

Bilang karagdagan sa pinakakaraniwang disenyo ng contour strain gauge, may iba pa. Kung ito ay kinakailangan upang bawasan ang pagsukat base ng transduser (sa 3 — 1 mm), ito ay ginagawa sa pamamagitan ng paikot-ikot na paraan, na binubuo sa paikot-ikot na isang spiral ng load-sensitive wire sa isang mandrel ng circular cross section sa isang tube ng manipis na papel. Ang tubo na ito ay pagkatapos ay nakadikit, inalis mula sa mandrel, pipi, at ang mga wire ay nakakabit sa mga dulo ng wire.

Kapag kinakailangan upang makakuha ng isang malaking kasalukuyang mula sa isang circuit na may thermoconverter, madalas silang gumagamit ng "Makapangyarihang" strain gauges na may coiled wire... Binubuo ang mga ito ng isang malaking bilang (hanggang sa 30 — 50) na mga wire na konektado sa parallel, naiiba. sa malalaking sukat (haba ng base 150 — 200 mm) at paganahin ang isang makabuluhang pagtaas sa kasalukuyang dumaan sa converter (Larawan 3).

Pagguhit ng 3- Tenometer na may mababang resistensya ("makapangyarihang"): 1 — wire ng strain gauge; 2- pandikit o semento; 3- cellophane o papel na backing; 4 pin wire

Ang mga wire probe ay may maliit na contact area sa sample (substrate), na nagpapababa ng leakage current sa mataas na temperatura at humahantong sa mas mataas na isolation voltage sa pagitan ng sensitive element at ng sample.

Ang mga foil load cell ay ang pinakasikat na bersyon ng adhesive load cell. Ang mga foil transducers ay isang strip ng foil na 4-12 microns ang kapal, kung saan pinipili ang isang bahagi ng metal sa pamamagitan ng pag-ukit sa paraang ang iba pa nito ay bumubuo ng lead grid na ipinapakita sa Figure 4.

Sa paggawa ng naturang grid, ang anumang pattern ng grid ay maaaring mahulaan, na isang makabuluhang bentahe ng foil strain gauges. Sa larawan 4, ipinapakita ng a ang hitsura ng isang foil transducer na idinisenyo upang sukatin ang mga linear na estado ng stress, sa fig. 4, c - isang foil transducer na nakadikit sa baras para sa pagsukat ng mga torque, at sa fig. 4, b - nakadikit sa lamad.

Pagguhit ng 4- Foil converter: 1- pagsasaayos ng mga loop; 2- bends sensitibo sa lamad makunat pwersa; 3- mga pag-ikot na sensitibo sa mga puwersa ng compressive ng diaphragm

Ang isang seryosong bentahe ng mga foil converter ay ang posibilidad ng pagtaas ng cross-section ng mga dulo ng converter; Ang welding (o paghihinang) ng mga wire ay maaaring gawin sa kasong ito nang mas maaasahan kaysa sa mga wire converter.

Ang mga deformer ng foil, kumpara sa mga wire, ay may mas mataas na ratio ng ibabaw ng sensitibong elemento sa cross-sectional area (sensitivity) at mas matatag sa mga kritikal na temperatura at matagal na pagkarga. Tinitiyak din ng malaking surface area at maliit na cross-section ang magandang contact sa temperatura sa pagitan ng sensor at ng sample, na nagpapababa ng self-heating ng sensor.

Para sa paggawa ng mga foil strain gauge, ang parehong mga metal ay ginagamit tulad ng para sa mga telenometer (constantan, nichrome, nickel-iron alloy, atbp.), At iba pang mga materyales ay ginagamit din, halimbawa, titanium-aluminum alloy 48T-2, na sumusukat mga strain hanggang sa 12 %, pati na rin ang isang bilang ng mga semiconductor na materyales.

Mga tensor ng pelikula

Sa mga nakalipas na taon, isa pang paraan para sa mass production ng bonded resistance strains ay lumitaw, na binubuo sa vacuum sublimation ng isang strain-sensitive na materyal at ang kasunod na condensation nito sa isang substrate na direktang na-spray sa workpiece. Ang ganitong mga transduser ay tinatawag na film transducers. Ang maliit na kapal ng naturang strain gauge (15-30 microns) ay nagbibigay ng malaking kalamangan kapag sinusukat ang mga strain sa dynamic na mode sa mataas na temperatura, kung saan ang mga sukat ng strain ay isang espesyal na lugar ng pananaliksik.

Ang isang bilang ng mga film strain gauge batay sa bismuth, titanium, silicon o germanium ay ginawa sa anyo ng isang solong conductive strip (Larawan 5).Ang ganitong mga transduser ay walang kawalan ng pagbabawas ng relatibong sensitivity ng transduser kumpara sa sensitivity ng materyal kung saan ginawa ang transduser.

Figure 5- Film strain gauge: 1- strain gauge film; 2- lacquer foil; 3-pin na kawad

Ang strain gauge coefficient ng isang metal film-based transducer ay 2-4, at ang resistensya nito ay nag-iiba mula 100 hanggang 1000 ohms. Ang mga transduser na ginawa batay sa semiconductor film ay may coefficient ng order na 50-200 at samakatuwid ay mas sensitibo sa inilapat na boltahe. Sa kasong ito, hindi na kailangang gumamit ng mga amplifier circuit, dahil ang output boltahe ng semiconductor strain-resistor bridge ay humigit-kumulang 1 V.

Sa kasamaang palad, ang paglaban ng isang semiconductor converter ay nag-iiba sa inilapat na boltahe at mahalagang hindi linear sa buong saklaw ng boltahe, at ito ay lubos na nakasalalay sa temperatura. Kaya, kahit na ang isang amplifier ay kinakailangan kapag nagtatrabaho sa isang metal film deformer, ang linearity ay napakataas at ang epekto ng temperatura ay madaling mabayaran.