книги из ГПНТБ / Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении

проволочный тензодатчик 1 (рис. 7.19, а), то но изменению сопро­ тивления проволоки можно определить деформацию мембраны, а последняя однозначно зависит от величины давления.

Чувствительность тензометрического датчика е определяется по формуле

Рис. 7.19. Схема преобразователя (а) и разрез про­ волочного датчика (б)

ного сопротивления; ц — коэффициент Пуассона для металлов, изменяющийся в пределах от 0,24 до 0,40.

Из формулы (7.8) видно, что чувствительность растет с увели­ чением относительного удельного сопротивления Ар/р и с умень­ шением относительной деформации А///.

Так как величина сопротивления зависит не только от деформа­ ции мембраны, но и от температурного коэффициента сопротивле­ ния проволоки а, то весьма существенно, чтобы значение темпе­ ратурного коэффициента было мало. В противном случае при малых колебаниях температуры (в несколько градусов) изменение сопротивления от температуры будет такого же порядка, как и

Видно, что имеются три слоя бумаги: наружный 1, слой 3 для на­ вивки проволоки 2 и бумажное основание 4. Чувствительный эле­ мент отделяется от деформируемой поверхности еще слоем клея.

238

Т а б л и ц а 7.4. Характеристика проволок для тензометров

вый сплав

Для устранения гистерезиса бумажное основание датчика должно покрывать всю поверхность мембраны.

Датчики (рис. 7.19, а) изготовлялись [122] диаметром 12,7 и 6,35 мм. Датчики диаметром 6,35 мм могут измерять давление, изменяющееся от 0,07 до 1,4 кгс/см2 (от 7 -ІО3 до 1,4-ІО5 Па).

Основными недостатками обычных проволочных датчиков являются следующие:

1)малая чувствительность и недостаточная выходная мощ­ ность, что приводит к необходимости введения в измерительную цепь усилителя;

2)круглое сечение проволоки не позволяет (даже при непо­ средственном наклеивании) иметь достаточно жесткую связь с де­ формируемой поверхностью;

3)плохое соединение проволоки с выводными концами, в ре­ зультате которого происходит 90% повреждений.

За последние годы начали применяться датчики сопротивления из фольги [41; 211], в большой мере устраняющие указанные не­ достатки.

На рис. 7.20 показан образец фольгового датчика. Такой датчик получен путем вытравливания необходимого узора из целого куска фольги. В качестве материала рекомендуются медно­

никелевые сплавы, имеющие линейную зависимость сопротивления от деформации и малый температурный коэффициент сопротив­ ления.

239

Благодаря большому отношению ширины полоски к ее толщине, достигающему в лучших датчиках 100 и более, она хорошо при­ крепляется к деформируемой поверхности. Сопротивление та­ кого датчика может быть доведено до нескольких сот и даже ты­ сяч ом.

Это приводит к увеличению чувствительности и выходной мощ­ ности датчика. Можно изготовить фольговый датчик с сопротивле­ нием 1000 Ом [41 ], способный пропустить ток в 100 мА. При де­ формации 0,125% и рассеивании 10 Вт выходной сигнал у такого датчика будет равен 0,25 В. По сравнению с эквивалентным про­ волочным датчиком мощность такого датчика увеличивается в 100 раз и в 10 раз — величина выходного сигнала.

При измерениях тензодатчиками обычно применяются мосто­ вые схемы. Для уменьшения температурной погрешности мост собирают из четырех одинаковых преобразователей. Иногда все четыре преобразователя наклеиваются на деформирующийся элемент так, что изменения сопротивления каждого преобразова­ теля суммируются. Однако сделать рабочими все четыре плеча моста не всегда возможно. Например, в датчике давления с тонкой мембраной можно поместить только два преобразователя. Для того чтобы все плечи моста находились в одинаковых температур­ ных условиях, желательно как рабочие, так и нерабочие преобра­ зователи располагать внутри датчика (см. рис. 7.19, о). Рабочий преобразователь 1 (тензодатчик) наклеен на мембрану, а нерабо­ чий 2 — на внутреннюю поверхность корпуса [55].

Наклейка датчиков является ответственной операцией. Важно, чтобы наклейка обеспечивала полную передачу деформаций. Ни в коем случае нельзя допускать образование воздушных пу­ зырьков. При наклейке проволоки на бумагу рекомендуется при­ менять маловязкий клей, при наклейке датчика па деформирую­ щуюся поверхность — более густой.

Для комнатных температур рекомендуются: клей БФ, карби­ нольный клей и жидкий, состоящий из 8% целлулоида, 30% аце­

более высоких температурах применяют бакелитовые смолы с по­ следующей термической обработкой с целью полимеризации, цементы типа силикон, стеклянные элгали и смеси жидкого стекла с тальком.

Отпадает необходимость в наклейке, и в значительной мере устраняются многие другие надостатки проволочных датчиков при использовании пластмассовых мембран. Так, если проволочный датчик положить между двумя очень тонкими пленками нейлона (0,05 мм и менее) и сдавить их, то проволочка хорошо запрессо­ вывается в пленке и образуется сплошная нейлоновая мембрана.

240

для измерения переменных давлений. Повторная тарировка дат­ чика с нейлоновой мембраной показала, что он очень устойчив. Датчик сохранил свою тарировочную кривую в течение целого года работы.

44, Пьезоэлектрические и емкостные преобразователи

Известно, что при сжатии некоторых кристаллов на их поверх­ ности появляются положительные и отрицательные заряды, величина которых пропорциональна давлению. Появление элек­ трических зарядов при сжатии и растяжении в пластинках, вы­ резанных из кристалла, называется прямым пьезоэлектрическим эффектом, а деформация пластинки под воздействием внешнего электрического поля называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Установлено, что пьезоэлектрический эффект имеет место не только в кристаллах, но и в некоторых аморфных телах (резина, стекло и даже дерево).

Материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, по­ лучили применение в самых разнообразных областях физики и техники. Они широко используются и для измерения быстроменяющихся давлений. Наибольшее применение для этих целей получили кварц и титанат бария.

Главное преимущество пьезоэлектрических измерителей заклю­ чается в возможности измерений весьма кратковременных и высо­ кочастотных процессов. Распространение ударных волн, взрыв­ ных волн в воздухе и воде изучается почти исключительно при помощи пьезоэлектрических приборов.

Пьезоэлектрические кристаллы не имеют центров симметрии. Некоторые пьезоэлектрические материалы, такие, как титанат бария, турмалин и сульфат лития, являются гидростатически чувствительными, т. е. изменение гидростатического давления приводит к появлению заряда. Другие материалы — кварц и сегнетова соль — не являются гидростатически чувствительными,

и заряд появляется только в том случае, когда давление приложено

вопределенном направлении. Преимущества материалов, чув­ ствительных к гидростатическому давлению, заключаются в том, что при изготовлении датчиков пьезоматериал может быть рас­ положен произвольно и не требует механической защиты для получения действующих в определенном направлении напря­

жений.

Кристаллы сохраняют пьезоэлектрические свойства только в некотором интервале температур. При определенной температуре

называемый пироэффект, который заключается в том, что на по­ верхности кристалла появляется заряд под воздействием измене­ ния температуры. В гидростатически чувствительных материалах пироэффект проявляется значительно сильнее, чем в гидростати­ чески нечувствительных.

ратура Кюри.

В табл. 7.5 приведены характеристики пьезокерамики [63]. В СССР марки материала обычно обозначаются начальными бук­ вами основных химических компонентов их составляющих: Т — титанат, Ц — цирконат, Н — ниобат, Р — свинец, Б — барий, РТ — материал американских фирм, состоящий из твердого рас­ твора цирконата — титаната свинца.

Усилитель, используемый с пьезодатчиком, должен, как и все приборы, измеряющие электрические заряды, иметь высокое входное сопротивление. В противном случае заряд пьезодатчика будет быстро стекать, и погрешности, особенно на низких часто­ тах, будут велики. Время стекания заряда равно произведению RC, где R — входное сопротивление усилителя, а С — емкость кри­ сталла, сложенная с входной емкостью усилителя (включая под­ водящие провода). Так как значения величин R и С обычно малы, то время стекания заряда тоже мало и, следовательно, пьезо­ электрические измерители неудобны при измерении стационарных или слабоменяющихся давлений. Необходимо, чтобы время, в те­ чение которого происходит изменение давлений, было намного меньше, чем значение RC.

Таким образом, можно определить нижний предел частоты измеряемых давлений. Верхний предел определяется собственной частотой кристалла и по имеющимся данным [58 ] в уже существую­ щих измерителях достигает сотен миллионов герц.

242

Собственная частота кристалла может быть выражена форму­ лой для основной волны

где а — скорость распространения механических волн; к — длина

Скорость распространения механических волн и величина модуля упругости зависят от выбора направления и в каждом кристалле изменяются в широких пределах.

Для пластинки кварца, вырезанной перпендикулярно к элек­

Для титаната бария модуль Юнга равен 1,15-1012 дин/см2 (1,15-1011 Па). Следовательно, собственная частота для основной гармоники титаната бария при у = 6,2 будет

2160 кГц.

I

Конструкции пьезодатчиков различных типов приведены на рис. 7.21. Первый (рис. 7.21, а) предназначен для измерения дав­ лений при взрыве в воде и имеет два турмалиновых кристалла / диаметром 12,7 мм и общей толщиной (вместе с медными пластин­ чатыми электродами 2) 6,35 мм. Медные электроды нанесены галь­ ваническим путем на поверхность турмалина, предварительно покрытую слоем серебра. Выводами датчика служат проводник 3 и трубка 4. Перед погружением пьезодатчика в воду весь блок покрывается водонепроницаемым составом.

Второй пьезодатчик (рис. 7.21, б) предназначен для измере­ ния давлений в ударной трубе. Здесь цилиндрик титаната бария 1

диаметром 12,5 мм и высотой 5— 10 мм, помещенный в корпус 2, заделан заподлицо с внутренней поверхностью ударной трубы.

Одним из недостатков этого пьезодатчика 175 J является его способность воспринимать все посторонние возмущения или шумы. Для устранения возмущений, передаваемых по металли­ ческим стенкам трубы, между корпусом 2 пьезодатчика и корпу­ сом трубы ставится резиновая прокладка, гасящая колебания стенки трубы.

Емкостный преобразователь, применяемый для измерения нестационарных давлений, представляет собой плоский конден-

Рис. 7.21. Конструкция турмалинового преобразователя (а) и датчика давления из титаната бария (б)

сатор, емкость которого С меняется либо в зависимости от расстоя­ ний между обкладками б, либо в зависимости от величины поверх­ ности обкладок S и реже в зависимости от изменения диэлектри­ ческой проницаемости среды между обкладками е. Величина емкости равна

р_ eS

С~ "4яб ’

Простейший вид емкостного приемника давления показан на рис. 7.22. Одна обкладка конденсатора остается неподвижной, а вторая, являясь мембраной, прогибается под действием прило­ женного давления, вследствие чего меняются расстояние между обкладками, а следовательно, и емкость.

Так как величина емкости обратно пропорциональна расстоя­ нию между обкладками, то для получения участка с приблизи­ тельной линейной зависимостью С (б) необходимо делать весьма малые воздушные зазоры б. Практически не удается делать зазор меньше 0,025 мм, так как при зазорах, меньших 0,025 мм, происхо­ дит пробой конденсатора.

Датчики с двумя электродами обладают следующими недостат­ ками: а) мал участок линейной зависимости емкости от величины

244

зазора; б) имеет место влияние Температуры на смещение нуля и на изменение тарировочной кривой.

Иногда для увеличения линейного участка и повышения чув­ ствительности в воздушный зазор помещают пластинки, изготов­ ленные из материала, с большой диэлектрической постоянной. Обычно с этой целью используются пластинки слюды, диэлектри­ ческая постоянная которой значительно больше воздуха. Если диэлектрическая постоянная воздуха равна единице, то для слюды она равна 5—6, а для таких материалов, как титанат бария, ее величина достигает 1000—8000. При установке в воздушный за­ зор пластинки слюды толщиной 0,1 мм (диаметр мембраны 50 мм, зазор 8 = 0,2)

емкость приемника увеличивается от 830 до 1440 пФ, а при установке такой же пластинки титаната бария величина ем­ кости достигает 1,4-19® или 1,4 мФ.

Емкостные датчики имеют высокую чувствительность, и конструкция их чрез­ вычайно проста. Однако широкому приме­ нению этих преобразователей препятст­ вует следующий существенный недоста­

ток. Обычно емкость датчика, особенно малогабаритного, неве­ лика и соизмерима с емкостью соединительных проводов, а иногда даже и меньше последней. В результате этого чувствитель­ ность датчика с подводящими проводами оказывается малой. Кроме того, добавочная емкость соединительных проводов чрез­ вычайно нестабильна. Тряска, изменение температуры, переме­ щение окружающих провода предметов и т. п. в значительной степени влияют на величину добавочной емкости.

Чтобы исключить влияние этих факторов, стремятся уменьшать длину подводящих проводов. Например, в мостовых схемах все четыре плеча моста располагают в корпусе датчика. Исходя из опыта лаборатории аэродинамики, хорошие качества емкостного датчика — высокую чувствительность и малые габариты — можно получить, используя датчик в схеме частотной модуляции. Элемент схемы, который преобразует изменение емкости датчика в частоту напряжения, располагается в непосредственной бли­ зости к датчику, а соединительные провода делаются жесткими. Благодаря этому удается почти полностью исключить влияние посторонних факторов на емкость соединительных проводов.

45, Тарировка датчиков

Зависимость величины электрического сигнала, измеренного на приборе (осциллографе, гальванометре и др.), от величины давления, принимаемого датчиком, является основной характе­ ристикой последнего и может быть получена лишь предваритель­ ной тарировкой. Необходимость предварительной тарировки

245

объясняется тем, что сам материал основных элементов датчиков (мембраны, пьезоматериал), технология изготовления и монтаж деталей, наконец, размеры этих деталей практически не могут быть выдержаны строго одинаковыми. На работу датчика суще­ ственно влияют свойства мембран и метод их закрепления в дат­ чиках.

Кроме того, каждый датчик неизбежно имеет при входе запол­ ненные воздухом полости и трубки (иногда тонкие и длинные), сильно искажающие работу датчиков при больших частотах изме­ ряемых давлений. Это заставляет до начала работы тарировать

меняемые для тарировки микроманометров сравнительным и абсолютным методами. Одна из упрощенных установок, применяв­ шихся в лаборатории аэродинамики ЛПИ [169], показана на рис. 7.23. Электрическая (или любая другая) воздуходувка 1 соз­ дает в буферной склянке 2, играющей роль ресивера, постоянное давление, которое передается через параллельные трубопроводы на микроманометр 4 и на тарируемый датчик. Величина давления изменяется в требуемых пределах при помощи игольчатого вен­

Трудности динамической тарировки заключаются в том, что для ее проведения требуется создать периодический процесс по форме и по частоте аналогичный подлежащему исследованию.

На рис. 7.24 показаны установка для проведения сравнительной динамической тарировки при низких частотах и простейшая кон­ струкция применяемого при тарировке оптического датчика. От генератора переменных давлений давление передается по двум совершенно тождественным подводящим трубам к тарируемому датчику и оптическому датчику. Подводящая труба и объем ка­ меры оптического датчика должны быть такими же, как и у тари­ руемого датчика в рабочих условиях. Тогда одновременно запи­ санные на экране заданные генератором давления позволяют по­ строить тарировочную кривую датчика.

Оптический датчик (рис. 7.24) представляет собой камеру, аналогичную рабочей камере, с установкой вместо обычной метал-

246

лической мембраны тонкой резиновой мембраны. К мембране присоединен легкий шток, изменяющий угол наклона небольшого зеркальца, приклеенного к тонкой резиновой ленте. Осью враще­ ния зеркальца служит металлический ограничитель, укрепленный

Рис. 7.24. Установка для динамической тарировки датчиков: а — схема уста­ новки; б —• оптический датчик:

/ — рабочая камера; 2 — нерабочая камера; 3 — мембрана; 4 — шток; 5 — зеркальце; 6 — резиновая лента

на каркасе датчика. Оптический датчик монтируется в пустом корпусе вибратора осциллографа и помещается в последний.

Основной недостаток этого метода состоит в том, что трудно создать генератор с заданными и хорошо известными величинами

с вырезом, занимающим половину его окружности. Диск при­ водится во вращение двигателем постоянного тока 4. В те мо­ менты, когда диск благодаря вырезу открывает путь струе воздуха, датчик воспринимает давление, равное полному на­ пору струи. Величина полного напора поддерживалась постоян­ ной путем сохранения постоянного давления в камере перед

247