книги / Тензодатчики для экспериментальных исследований
..pdf
тзз
УДК 531.781.2.687.92.08
Тензодатчики для экспериментальных исследований. М., «Машиностроение», 1972, 152 с. Авт.: К л о к о ва Н. П. и др.
В работе дано описание конструктивных и техноло гических особенностей некоторых типов проволочных, фольговых, полупроводниковых и других тензодатчи ков, предназначенных как для исследования стати ческих деформаций при различных температурах, так и для применения в измерительных тензометрических устройствах. Рассмотрены основные измерительные характеристики тензодатчиков и методика их опре деления. Приведены способы уменьшения влияния температуры на сопротивления тензодатчиков и по грешности .при измерениях с .помощью тензодатчиков.
Работа предназначена для инженерно-технических и научных работников, занимающихся разработкой и применением тензодатчиков в различных измеритель ных системах. Табл. 27. Ил. 71. Список лит. 61 назв.
Авторы:
Н. |
П. Клокова |
(гл. |
I, п. |
1—7, 10; II, V, VI), |
В. |
Ф. Лукашик |
(гл. I, |
п. 8, 9; |
III), |
Л. |
М. Воробьева и А. |
В. Волчек (гл. IV). |
||
Рецензент д-р техн. наук академик АН УССР А. Д. Коваленко
3-13-6
291—72
ВВЕДЕНИЕ
При экспериментальных исследованиях как основное средство определения напряженного состояния конструкции, а также в каче стве преобразователей в различных измерительных устройствах ши роко применяются приклеиваемые тензодатчики сопротивления.
Выбор приклеиваемых тензодатчиков в качестве основного вида преобразователей обусловливается рядом их положительных свойств: высокой точностью преобразования деформации в измене ние сопротивления; практически неограниченным частотным диапазо
ном; малыми габаритными размерами и весом, не оказывающими в большинстве случаев влияния на объект исследования; возможно стью обеспечения дистанционности измерения и измерения в боль шом числе точек и др. Широкое распространение приклеиваемых тензодатчиков сопротивления потребовало разработки специальных типов тензодатчиков, используемых для различных эксперименталь ных задач. Так, различные модификации проволочных тензодатчиков разработаны для измерения статических деформаций при исследова нии деформированного состояния конструкций при повышенных тем пературах, для применения в специальных измерительных устройст вах (тензометрические весы, датчики давления и др.). С целью получения выходного сигнала более высокого потенциала, чем от проволочных тензодатчиков, разработаны тензодатчики с чувствитель ной решеткой из металлической фольги, из пленок полупроводников, напыленных в вакууме, и из монокристаллических полупроводнико вых материалов.
В настоящей работе приведены конструкция, технологические особенности и измерительные характеристики различных типов тен зодатчиков.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕНЗОДАТЧИКОВ И МЕТОДИКА ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Тензодатчик состоит из тензочувствительного элемен та (тонкая проволока, фольга, полупроводниковая плен ка, полученная напылением в вакууме, пластинка моно кристалла и др.), связующего (клея или цемента), кото рое прикрепляет этот элемент к поверхности детали и служит для передачи деформации от поверхности дета ли к тензочувствительному элементу, и из выводных про водников, предназначенных для 'соединения тензодатчи ков в измерительную схему. В большинстве случаев тензодатчики для удобства изготовления, хранения и на клейки изготовляются с несущей основой, в качестве которой используются полоски из бумаги, лаковой плен ки, ткани, стеклоткани и других гибких материалов. Свя зующее и основа служат также в качестве электрической изоляции чувствительного элемента от исследуемой кон струкции.
Для примера на рис. 1 приведена схема проволоч ного тензодатчика.
Конструктивными параметрами тензодатчика яв ляются общие габаритные размеры тензодатчика: длина,
ширина, толщина; габаритные |
размеры его |
отдельных |
|
элементов — чувствительной решетки, основы |
и |
вывод |
|
ных проводников. Например, |
проволочный тензодатчик |
||
характеризуется следующими |
конструктивными |
данны |
|
ми: диаметром чувствительной проволоки d (см. рис. 1); активной длиной датчика — базой /; числом нитей п\ рас стоянием между двумя соседними нитями — шагом на мотки а\ радиусом петли г\ диаметром выводных провод ников D; длиной выводного проводника 1\\ толщиной основы h\\ габаритными размерами тензодатчика: длиной L, шириной Я, толщиной h.
Рис 1. Схема проволочного тензодатчика с петлевой формой решетки:
1 иыводиыс проводники; 2—узел сварки; 3—связующее; 4—основа; 5—чув
ствительная решетка
Рис. 2. Блок-схема электрон ного измерителя деформаций:
ИП —источник питания; У—усили тель; НИ —нуль-индикатор; А, О, К—клеммы для подключения тензо
датчиков
2. ФОРМУЛА ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ
Наиболее распространенной измерительной схемой, применяемой для измерения приращен.ия сопротивления тензодатчика, является схема одинарного моста, кото рый получает питание от источника переменного ,или. по стоянного тока. Подробное описание различных схем и аппаратуры, используемой при измерении с помощью тензодатчиков деформаций и других механических вели чин, приведено в работе {23].
Для измерения деформаций и для исследования ха рактеристик тензодатчиков широко используется элек тронный измеритель деформаций ЭИД [23], измеритель ная часть которого представляет собой уравновешенный мост. Внешней измерительной частью схемы (.рис. 2) яв ляется полумост, составленный -из активного R1 и ком пенсационного R2 тензодатчиков *. Второй полумост вы полнен в виде проволочных резисторов R3 и R4, смон тированных в приборе. Для уравновешивания моста при изменениях сопротивления тензодатчиков между прово лочными сопротивлениями включен реохорд г, ползунок которого связан со стрелкой, перемещающейся по шкале. При такой схеме измерения относительные приращения сопротивления тензодатчикоь, включенных в активное и компенсационное плечи, связаны с приращением от
счетов |
ф — ф0 шкалы прибора |
практически достаточно |
точной формулой: |
|
|
|
|
О) |
где |
S 3 — постоянная |
прибора; |
|
|
изменения сопротив- |
лений тензодатчиков, включенных в активное и компенсационное плечи измерительного моста.
В дальнейшем индексом 1 будут отмечаться измене ния сопротивления и деформации, относящиеся к тензо датчикам, включенным в активное, а индексом 2 — в компенсационное плечо измерительного моста.
Схема измерения деформаций с компенсационным тензодат чиком встречается наиболее часто. В некоторых случаях вместо ком пенсационного тензодатчика включаются те или иные сопротивления.
При совместном действии на тензодатчики деформа ции, температуры, влажности и т. д. приращения отсче тов по прибору представляются в виде
’ ~ |
+ |
^ { [ ( " Т -).. - ( т г ) J + [ ( т г ) „ - ( ^ ) J |
/Д R \ |
|
+ т |
л |
т |
(2) |
||
, |
( А/? \ |
—относительные |
изменения со |
||||
где |
— |
Je1 |
---- |
||||
\ |
R |
|
\ R /е2 |
|
|
|
|
противления тензодатчиков при изменении деформации детали, на которую они наклеены, от eoi и ео2 (в момент
отсчета |
ф0) 1 до ei |
и е2 (в момент отсчета <р); |
|
/А R \ |
/ |
àR\ |
— температурные приращения сопро- |
---- |
\ |
---- |
|
\ R )п |
R //2 |
|
|
тивления тензодатчиков при изменении температуры от /oi и fa (в момент отсчета фо) до tx и /2 (в момент отсчета
ф);
/ ДR \ |
! Ш \ |
— относительные изменения сопротив- |
■— |
---- |
|
\ R In 1 |
\ R |
/ /72 |
ления тензодатчиков за счет ползучести за время, про шедшее между отсчетами <р0 и <р;
VR Jи\ |
\ R |
)ич |
относительные изменения |
сопро- |
|
|
при изменении сопротивления |
||||
тивления |
тензодатчиков |
||||
изоляции от R oui |
и /?0и2 |
(в момент отсчета ср0) |
до Rul |
||
и Ru2 (в момент отсчета ср); |
|
||||
1-^-1 |
Г |
j |
— относительные изменения сопротив |
||
ления тензодатчиков от изменения влажности среды за время, прошедшее между отсчетами ср0 и ф.
Относительное изменение сопротивления тензодатчи ка при изменении деформации будет
А/? |
с |
(3) |
~ T |
= tS ' |
|
где S — чувствительность тензодатчика к деформации.
1 Для простоты считаем, что и момент взятия отсчета \|)0 eoi =
= еог=0.
?
Если считать, что
еа — Êi т, |
(4) |
где т — коэффициент, характеризующий отношение де формаций в местах расположения компенсационного и активного тензодатчиков, то в общем виде формула измерения ei будет иметь вид
• ■ т а М М ^ Н х ) , , ] -
- т . л т
Таким образом, для того чтобы в любом конкретном случае написать формулу измерения деформации вь сле дует отдельно изучить зависимости изменения сопротив ления тензодатчика от деформации, температуры, влаж ности и т. д. Эти зависимости принято считать характе ристиками тензодатчиков. Такими характеристиками являются: чувствительность к деформации, ползучесть, температурное приращение сопротивления, электрическое сопротивление изоляции, влагостойкость. Тензодатчики характеризуются также номинальным сопротивлением.
3. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ДЕФОРМАЦИИ
Чувствительностью к деформации (или просто чувст вительностью) тензодатчика называется отношение от носительного приращения сопротивления тензодатчика, наклеенного на равномерно растягиваемую или сжимае мую поверхность, к вызвавшей это приращение относи тельной линейной деформации поверхности в направле нии оси тензодатчика:
|
Si = |
(6) |
где |
— относительное |
изменение сопротивления |
тензодатчика при изменении относительной деформации поверхности на величину е.
8
Чувствительность к деформации зависит от свойств чувствительного элемента, связующего и конструктивных параметров тензодатчика [26].
Для определения чувствительности из партии отбира ют тензодатчики в количестве около 20 шт. и наклеивают на специальные балки, деформацию поверхности кото рых при определенных грузах или заранее находят с помощью механических тензометров, или вычисляют по прогибу. Балке с помощью грузов задают известные де формации, и с помощью какого-либо прибора (напри мер, ЭИД, АР-1 [23, 51]) определяют относительное из менение сопротивления тензодатчика при этих деформа циях. Величину чувствительности находят из соот ношения (6).
Для определения чувствительности тензодатчиков при различных температурах применяются специальные тарировочные установки, схемы которых описаны в ра ботах [26, 37] и др.
Партия тензодатчиков характеризуется средним зна чением 5, определенным в выборке как
|
п |
о |
2 |
/=1 |
|
где Si — чувствительность |
i-го тензодатчика в выборке; |
п — число тензодатчиков в выборке.
Относительное среднеквадратичное отклонение чувст вительностей отдельных тензодатчиков от среднего зна чения чувствительности в партии оценивается как
|
(5/-S)2 |
as = ± |
п — 1 |
(8) |
Тензодатчики, кроме чувствительности в направлении продольной оси, имеют чувствительность в поперечном направлении за счет деформации поперечных участков, а также за счет поперечной деформации нитей чувстви тельного элемента, имеющего конечную ширину. Обычно величина поперечной чувствительности составляет 0,3— 0,7% от продольной величины чувствительности для про
водочных и фольговых тензодатчиков [56] и 1% для полу проводниковых тензодатчиков {16].
Для определения поперечной чувствительности тензо датчики наклеиваются на балку в направлении оси бал ки, вдоль которой прикладывается деформация, и пер пендикулярно этой оси [46, 60].
4. ПОЛЗУЧЕСТЬ И ГИСТЕРЕЗИС
Ползучесть тензодатчика связана с явлением упруго го последействия (|релаксации напряжений), протекаю щим во времени в связующем тензодатчика при его де формации. Если быстро изменить деформацию балки, на которую наклеен тензодатчик, то можно заметить, что приращение сопротивления тензодатчика, установившее ся сразу после изменения деформации, -будет уменьшать ся во времени. Это уменьшение приращения сопротивле ния наклеенного тензодатчика по сравнению с прираще нием сопротивления, установившимся сразу после изменения деформации балки, принято считать характе ристикой ползучести тензодатчика; ее обозначают в от-
носительных единицах сопротивления 1“^~1~jn или просто П:
|
|
О) |
/ A R \ |
f ДЯ \ |
— приращения сопротивлении сразу |
где I - —J |
|
после изменения деформации балки на величину е и по истечении времени т после установления заданной де формации.
На практике ползучесть тензодатчиков часто характе ризуется относительным значением Я, определяемым как
П = , / i , ---- |
(10) |
№
В связи с тем, что ползучесть тензодатчика связана с релаксацией (ослаблением) напряжений в слое связу ющего при постоянной деформации балки, ее появление вызывает уменьшение приращения сопротивления, вы званного заданной деформацией балки; т. е. относитель ная величина ползучести тензодатчика имеет отрица