5. Измерение усилий с использованием тензорезисторов

Если измерить тензорезистором деформацию элемента с известными геометрическими размерами и модулем упругости его материала, можно определить усилие, воздействующее на элемент, т.е. использовать элемент в качестве измерительного преобразователя усилия в электрическое сопротивление.

Ограничимся рассмотрением лишь некоторых конструкций упругих элементовдля измерения сосредоточенной силы. На рис. 6 схематически изображены наиболее употребительные упругие преобразователи.

Для восприятия больших усилий используют сплошные или полые стержни (рис. 6а,б), для небольших – плоские пружины (рис. 6в,г) или балки на двух опорах (рис. 6д).

Для сплошного или полого стержня размеры рассчитывают, исходя из уже приведённых формул:

Чтобы преобразователь работал без остаточных деформаций, напряжение при максимально возможном усилии должно быть выбрано меньше предела пропорциональности_п(с учётом необходимого запаса).

Рабочие тензорезисторы размещают на боковой поверхности вдоль оси стержня. Для увеличения чувствительности и обеспечения температурной компенсации термокомпенса-ционные терморезисторы можно разместить на том же стержне поперёк его оси; при растяжении стержня они будут испытывать деформацию сжатия.

Для углеродистой стали У8 по справочным данным принимают _п=350 МПа=35,6 кг/мм², Е=210 ГПа =2,1410⁴ кг/мм².

6. Лабораторная установка

Если известны геометрические размеры и константы материала чувствительного элемента измерительного преобразователя и параметры тензорезисторов, преобразователь может быть применён для измерения с высокой точностью усилия, приложенного к чувствительному элементу. Лабораторная установка предназначена для создания и измерения усилия растяжения пружинного динамометра и градуировки его шкалы.

Эскиз механической части лабораторной установки изображён на рис. 7. Она состоит из пружинного динамометра 1, снабжённого шкалой 2, натяжного винтового устройства 4 и 5 и чувствительного элемента тензорезисторного преобразователя 3, закреплённых на станине. Чувствительный элемент представляет собой плоский стальной растягиваемый стержень, на обеих поверхностях которого посередине напротив друг друга наклеены два тензорезистора 6. Отношение длины стержня к ширине составляет 4,5:1, что обеспечивает равномерное распределение растягивающих напряжений на большей части его длины.

Электрическая часть установки включает в себя тензометрический мост, преобразователь сигналов тензометрического моста в напряжение 1909 ПА, вольтметр-указатель и устройство для градуировки шкалы вольтметра-указателя в единицах относительной деформации чувствительного элемента или напряжения в нём. Электрическая схема соединений соответствует схеме по рис. 5.

Два тензорезистора 6, наклеенных на чувствительный элемент, включены между собой последовательно и образуют плечо R_р.тензометрического моста. Два других тензорезистора 7, наклеенных на стальную недеформируемую пластинку, укреплённую на станине, и также включённых последовательно, образуют плечоR_к.тензометрического моста. Вторая ветвь тензометрического моста составлена из стабильных манганиновых сопротивлений 9 (R₁) и 8 (R₂). Устройство для создания известного разбаланса моста с целью градуировки шкалы вольтметра-указателя 11 в единицах относительной деформации включает в себя прецизионный резистор 10 (R_гр.) и кнопкуS_гр.с замыкающим контактом, расположенную в корпусе вольтметра-указателя.

Параметры чувствительного элемента:

материал сталь У8, Е = 2,1410⁴кг/мм²= 210 ГПа;

ширина и толщина стержня 12,30 мм и 0,61 мм;

площадь поперечного сечения F= 7,509 мм².

Тип тензорезисторов : ФКПА 3-150 (параметры см. выше).

Значения сопротивлений плеч тензометрического моста:

R_р.= 253,65 Ом,R_к.= 254,15 Ом,

R₁= 598,9 Ом,R₂= 599,5 Ом,

R_гр.= 1 МОм0,03 %.

Преобразователь 1909 ПА :

напряжение питания моста 6 В;

возможность установки нуля от минус 20 до плюс 20 мВ;

погрешность нелинейности 0,1 %.

Поскольку согласно фактическим значениям сопротивлений плеч моста условие баланса не выполняется, установка нуля на выходе при разгруженном чувствительном элементе должна быть сделана органами настройки 1909 ПА.