книги из ГПНТБ / Максимов Л.С. Измерение вибрации сооружений справ. пособие

О проникновении влаги к тензорезистору в процессе измерений также можно судить по снижению сопротивления изоляции между ним и кон­ струкцией и по изменению его номинального сопротивления. При появ­ лении этих признаков результатам измерений доверять нельзя. Впрочем, при подводных измерениях обычно вслед за появлением этих признаков вообще прекращается поступление сигнала с тензорезистора вследствие отслаивания его от конструкции и утечки тока измерительной цепи.

Весьма важно также позаботиться о защите тензорезисторов и про­ водов от механических воздействий. С этой целью рядом с тензорезисторами обычно приклеивают контактные колодочки, к которым припаивают с одной стороны выводы от тензорезисторов, а с другой — провода. Иногда тензорезистор с колодкой прикрывают коробкой. Провода привя­ зывают к конструкции, а в необходимых случаях укладывают в трубах

§ 5.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ

Полупроводниковые тензорезисторы [80, 81, 163, 213, 248] имеют ряд достоинств по сравнению с металлическими. Коэффициент тензочувствительности по абсолютной величине достигает ПО—150 и может иметь не

Т а б л и ц а 5.3

Технические данные серийных кремниевых тензорезисторов

152

только положительный, но и отрицательный знак. Таким образом, наклеи­ вая рядом два одинаково ориентированных тензорезистора с различными знаками тензочувствительности и включая их в противоположные плечи моста, можно получить еще в два раза большую чувствительность. Высо­ кое значение коэффициента тензочувствительности позволяет в ряде слу­ чаев проводить измерения без усилителя. Полупроводниковые тензорезисторы выдерживают на два-три порядка большее количество циклов на­ гружения, что особенно важно при измерении динамических деформаций.

Основными недостатками полупроводниковых тензорезисторов яв­ ляются: высокая чувствительность к температуре, причем с температурой меняется не только их сопротивление (ТКС«(2±5) • ІО- 4 1/1°С), но и коэффициент тензочувствительности, который меняется на (2-4-4) • ІО-3 своего номинального значения на каждый градус Цельсия (относительное

чику, несколько большая нелинейность, чем у металлических тензорези­ сторов, и относительно высокая стоимость.

Наиболее широко распространены полупроводниковые тензорези-

они кремниевые. Линейны при относительных деформациях до ±0,1%. Предельная деформация для отечественных тензорезисторов составляет ±0,4%, для зарубежных ±0,2%. Величина температурного коэффици­ ента тензочувствительности для отечественных тензорезисторов приве­ дена в таблице для температур от 0 до 80° С. Изготовитель гарантирует для отечественных резисторов 12 • 103, а для зарубежных ІО7 циклов деформаций до ±0,1%.

Технология наклейки и защиты от влаги полупроводниковых тензо­ резисторов примерно та же, что и для проволочных. Для реализации достоинств и сведения к минимуму влияния недостатков полупроводнико­ вых тензорезисторов необходим опыт работы с ними.

§ 5.4. ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА

Для измерения динамических деформаций в конструкциях с помощью тензорезисторов используют, как правило, универсальную многоканальную аппаратуру, предназначенную для измерения статических и динамических деформаций. В этой аппаратуре используется мостовая измерительная схема с питанием моста переменным током, частота которого (называемая н е с у щ е й ч а с т о т о й ) не менее чем в пять-семь раз превышает мак­ симальную частоту измеряемого процесса. В различных приборах преду­ смотрена возможность подключения двух тензорезисторов по схеме внеш­ него полумоста или четырех — по схеме полного внешнего моста.

Балансировка моста по омическому (активному) сопротивлению предусмотрена во всех типах аппаратуры, но в разных пределах, а по реактивному — только в приборах с высокой несущей частотой.

Напряжение несущей частоты создается общим генератором, но для уменьшения взаимного влияния каналов подается на каждый канал через индивидуальный усилитель мощности или через специальную развязываю­ щую цепочку. Напряжение с измерительной диагонали моста подается на усилитель, а с него на фазочувствительный детектор, выделяющий основ­ ной сигнал с фоном несущей частоты. Для сглаживания фона предусмот­ рен фильтр. Необходимость, чтобы фильтр достаточно эффективно

153

сглаживал фон, но не подавлял верхние частоты измеряемого сигнала, и обусловливает пяти-семикратное превышение несущей частоты над верхней границей диапазона частот измеряемого сигнала.

Сигнал с фильтра подается на -переключатель, а с него либо на стрелочный указатель, либо на выходные разъемы (на регистрацию).

11}

Рис. 5.3. Внешний вид тензометрических установок с блоком питания

а— 8-АНЧ-7М; б - УТСі-ВТ-12/35

Вкаждом канале имеется переключатель для ступенчатого изменения напряжения питания моста или коэффициента усиления, что позволяет подбирать желательную верхнюю границу диапазона измеряемых дефор­ маций. В приборах предусмотрена также подача градуировочного элек­ трического сигнала на вход усилителя и плавная регулировка коэффи­ циента усиления, что позволяет обеспечить идентичность каналов между собой и от измерения к измерению.

Все указанные устройства встроены в один корпус, причем каждый канал или по два канала смонтированы на выдвижном шасси. Блок

154

стабилизируются по напряжению; в других случаях изготовитель запи­ сывает в инструкцию к прибору требование включать его в сеть через стабилизатор.

Основные технические характеристики некоторых, наиболее распро­

установки может использоваться также осциллограф ОТ-24-65, техниче­ ские данные которого приведены в § 3.2. Для этой цели в его корпус вмонтированы специальные блоки, позволяющие подключать тензорезисторы и балансировать мост по активному сопротивлению, а в измеритель­ ную диагональ моста включаются гальванометры.

При выборе тензометрической установки следует иметь в виду, что при более высокой несущей частоте не только расширяется диапазон из­ меряемых частот, но и создаются дополнительные трудности, связанные с балансировкой моста и экранированием проводов, а также уменьшается точность измерений. Из этих соображений рекомендуется выбирать уста­ новку с наименьшей из возможных несущих частот.

Дополнительно к некоторым типам аппаратуры выпускаются вспомо­ гательные устройства — пульт настройки, пульт дистанционного управле­ ния и так называемое тарировочное устройство.

Тарировочное устройство включает стальную балочку и приспособле­ ния для ее деформирования и измерения какого-либо параметра, связан­ ного с деформацией, чаще всего прогиба. На балочку наклеивают не­ сколько тензорезисторов из серии, которую предполагают использовать для измерений, и, задавая определенные деформации, фиксируют показа­ ния на выходе прибора. Если эти показания не имеют большого разброса, то определяют средние характеристики испытанных резисторов и счи­ тают, что такие характеристики имеет вся серия.

Простейшую тарировочную консольную балочку несложно изготовить самостоятельно. Ей придают форму полоски, имеющей постоянную тол­ щину (высоту), но переменную ширину, так что в плане она имеет форму равнобедренного треугольника, основание которого находится в заделке

от вершины, изгибающий момент М = Рх. Момент сопротивления балочки

Здесь Ь — ширина балочки в сечении, находящемся на расстоянии х от

ность результатов зависит от точности изготовления балочки. Некоторые рекомендации приведены также в работах [159, 162, 183].

Для измерения сил, давлений, абсолютных и относительных переме­ щений, ускорений и других механических величин с использованием тен­ зорезисторов создано большое количество преобразователей [2, 7, 43, 59, 102, 138, 153, 160, 173, 178, 203, 214, 215, 245, 248]. Некоторые из них выпускаются серийно. Так, Краснодарский завод тензометрических прибо­ ров выпускает тензометрические датчики силы типа «ТДС», позволяю­ щие измерять статические и динамические силы от 50 до 4 - І О 6 кгс

155

§6.1. ПУЛЬСАЦИЯ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

Визмерителях пульсации давления жидкости или газа, применяемых для динамических исследований сооружений, измеряемое давление пре­ образуется сначала в механическое перемещение некоторого конструктив­ ного элемента, а затем в электрический сигнал.

Наибольшее распространение получили датчики давления с воспри­ нимающим упругим элементом в виде плоской или гофрированной мем­

браны (рис. 6.1, а и б).

Применяются также датчики давления с упругим элементом, за­ ключенным внутри полости датчика (рис. 6.1, в и а). В этом случае измеряемое давление действует на упругий элемент через промежуточ­ ное звено, состоящее из жесткой площадки, воспринимающей давление и соединенной с корпусом датчика посредством элемента со сравни­ тельно невысокой жесткостью, например «мягкой» металлической, рези­

новой или пластмассовой мем­ браны, сильфона и т. п.

Из электромеханических преобразователей наибольшее распространение получили ин­ дуктивные преобразователи и тензодатчики омического сопро­ тивления.

При подборе измерителей давления для решения той или иной задачи приходится учиты­ вать ряд технических требова­ ний, главными из которых яв­ ляются следующие:

спектр колебаний давления должен лежать в пределах ра­ бочего диапазона частот при­ бора;

ожидаемая сумма гидро­ статического и гидродинамиче­ ского давлений не должна пре­ вышать максимального давле­ ния, на которое рассчитан при­ бор;

158

Жесткость упругого элемента приемной части датчика должна быть такова, чтобы перемещение воспринимающего нагрузку элемента не вы­ зывало существенного искажения давления вследствие эффектов гидро­ упругости.

Другие обстоятельства, как например размеры датчика, могут также повлиять на выбор типа аппаратуры.

Использование соединительных каналов между объемом жидкости или газа, где производятся измерения давления, и приемной частью дат­ чика может внести значительные искажения в записи колебаний давления.

между приемной частью и точкой измерения пульсации давления, дол­ жны быть оценены расчетом вносимые им амплитудно-частотные иска­ жения [230].

Конструкция индуктивного мембранного датчика давления ДД-10 [2], серийно выпускаемого Загорским оптико-механическим заводом, показана на рис. 6.2 (табл. 6.1). Мембрана, которая выточена вместе с корпусом 1 и закалена, является якорем индуктивной системы, образованной рабо­ чей 2 и компенсационной 3 катушками. С противоположной стороны рас­ полагается компенсационный якорь 4, с помощью которого производится выравнивание индуктивности обеих катушек. Выход прибора оформлен

Т а б л и ц а 6.1

Технические характеристики индуктивных датчиков давления

1)Для наиболее чувствительных модификаций датчиков,

2)Датчик имеет гофрированную металлическую мембрану.

3)Для некоторых типов датчиков указано несколько значений параметра, зависящих от модификации датчика,

4)Имеются модификации датчиков, рассчитанные на большие максимальны

давления.

160

в виде штепсельного разъема 5 марки ВШ-3. Для обеспечения возмож­ ности установки датчика под водой необходима герметизация его хво­ стовой части. Важным преимуществом датчика ДД-10 является то, что он допускает многократную перегрузку по давлению. Для тех модифика­ ций датчика, параметры которых приведены в табл. 6.1, давление пере­ грузки равно 100 кгс/см2.

компенсационной обмоток датчика Lp и LK. Два других плеча (индук­

балансировка прибора. Измерительная цепь питается от генератора звуковой частоты на лампе Л і через буферный каскад (правый триод лампы Л 2) с понижающим трансформатором Тр2. Напряжение разбаланса через повышающий трансформатор Трі подается на однокаскадный усили­ тель (левый триод лампы Л г) и фазочувствительный детектор Д ѵ После детектирования и прохождения через фильтр сигнал поступает на стре­ лочный прибор, соединенный последовательно с переменным сопро­ тивлением Ri и гальванометром Г. Изменение чувствительности сту­ пенями достигается изменением числа витков вторичной обмотки транс­

3)Длина соединительного кабеля может быть доведена до 200—250 м при ус­ ловии принятия мер по балансировке датчиков.

161