книги / Тензодатчики для экспериментальных исследований

При деформации порядка ±2-10~3 чувствительность при растяжении примерно на 5—6% больше, а при сжатии примерно на 10—12% меньше, чем чувствительность при деформации порядка е= ±0,1 • 10~3.

Изменение чувствительности от температуры в диапа­ зоне температур 20—100РС составляет AS/S = —0,2% на ГС для -схем с постоянным напряжением питания (вы­ ходной сигнал пропорционален ДR/R). Если использовать схемы с постоянным током питания (выходной сигнал пропорционален ДR), то можно уменьшить зависимость выходного сигнала от температуры {16]. Так, для тензо­ датчиков КМ, наклеенных на сталь 1Х18Н9Т и .включен­ ных в схему с питанием -постоянным током, изменение выходного сигнала составляет 0,05% на Г С.

Температурное приращение сопротивления. Темпера­ турное приращение сопротивления тензодатчиков КМ оп­ ределяется не только выбором кремния, но и материалом детали, на которую он наклеен. Зависимости изменения сопротивления от температуры для наклеенных тензодат­ чиков КМ практически линейны в диапазоне температур от 20 до 80° С и средние в партии температурные коэф­

щений сопротивления отдельных тензодатчиков от сред­ ней величины значительны и оцениваются среднеквадра­ тичной величиной crB= ± 0 ,6 -10-4 ед. AR/ЯГ С.

Номинальное сопротивление. Тензодатчики из монокристаллического кремния (р = 0,02 ом-см) с различной базой имеют в ненаклеенном состоянии сопротивление 120—130 ом. Величина сопротивления тензодатчика оп­ ределяется его геометрией (длина, ширина и толщина чувствительного элемента).

Сопротивление полупроводниковых тензодатчиков при наклейке на конструкции значительно изменяется. Это связано с «усадкой» лака после тепловой обработки и различием коэффициентов линейного расширения кремния и материала конструкции. Сопротивление тен­ зодатчиков, наклеенных лаком ВЛ-6 на деталь из стали ЗОХГСА и прошедших тепловую обработку при темпе­ ратурах до 180°С, уменьшается в среднем на 10%, а на дюралевую — на 18%.

Максимальная рассеиваемая мощность. На ,рис. 59 приведена зависимость относительного приращения со­ противления партии тензодатчиков, наклеенных на дю­

стет, ЧТО объясняется саморазогревом кремниевого чувствитель­ ного элемента. Саморазогрев влияет на стабильность работы тензодатчика и на его чувстви­ тельность. Для уменьшения влия­

ния саморазогрева на стабильность характеристик тензо­ датчика необходимо ограничивать величину рассеивае­ мой мощности. Лучшая стабильность обеспечивается при мощности рассеяния 0,1—0,15 вт [16].

Тензодатчики ДМ-2

Тензодатчики ДМ-2 предназначены для измерения де­ формаций, не превышающих 0,5-10-4, при динамических испытаниях конструкций в условиях комнатных темпе­ ратур.

Магнитоупругий тензодатчик ДМ-2 представляет со­ бой плоскую индуктивную катушку с замкнутым сердеч­ ником из пермаллоевой ленты. Принцип действия магни­ тоупругих тензодатчиков ДМ-2, заключается в том, что под влиянием деформации изменяется магнитная прони­ цаемость сердечника, что вызывает изменение его маг­ нитного сопротивления, которое приводит к изменению полного сопротивления Z катушки.

Конструкция тензодатчиков ДМ-2 показана на рис. 60. Сердечник тензодатчика изготовляют из ленты (тол­ щиной 0,03 мм) пермаллоевого сплава с присадкой ре­ ния, обладающего магнитострикционными свойствами. Намагничивающую обмотку изготовляют из медной эма­ лированной проволоки диаметром 0,03 мм. Число вит­

ков в обмотке около 200.

ИЗ

В качестве изолирующей пленки используют полимеризованную пленку лака ВЛ-6. Выводные проводники выполняются из медной проволоки диаметром 0,2 мм.

Наклейка тензодатчиков на деталь выполняется на полимеризованный подслой из клея БФ-2 этим же кле­ ем с наполнителем (сернокислый барий). При наклейке тензодатчик накладывают на деталь той'стороной, кото-

/

Рис. 60. Конструкция тензодатчика ДМ-'2:

1—пленка из лака внннфлекс; 2—сварной шов; 3—пермаллоевый сплав;

4—стеклоткань; 5—выводные проводники; 5—медная проволока

рая представляет собой открытую поверхность сердеч­ ника. После наклейки осуществляют тепловую обработ­ ку ступенями до 180° С.

Чувствительность к деформации. Для ма-гнитоупру- гих тензодатчиков чувствительность к деформации опре­ деляется как

A Z

Z

и индуктивного) сопротивления тензодатчика.

Чувствительность и другие характеристики тензодат­

чиков ДМ-2 определяются с помощью специальной ап­ паратуры 1-АНЧ-18 на несущей частоте 50 кгц.

В табл. 26 приведены средние в партии значения чув­ ствительности и относительные среднеквадратичные от­

клонения чувствительности отдельных тензодатчиков от средних значений при деформации растяжения и сжатия г=0,22-10-4.

Как видно из табл. 26, средние значения чувствитель­ ности порядка 1600, причем чувствительность при растя­ жении больше чувствительности при сжатш! примерно

на 5%. Разброс чувствительности в партии as==fc20%.

=/(е) и большая разница чувствительностей, полученных при растяжении и сжатии. Поэтому тензодатчики ДМ-2 рекомендуется применять при деформации не выше €= 0,5- 10-4.

Чувствительность магнитоупругих тензодатчиков су­ щественно зависит от температуры. На рис. 61 приведе­ на зависимость сигнала AU с двумя активными тензо­ датчиками ДМ-2 при деформации е=0,13 -10~4 от темпе­ ратуры. Чувствительность возрастает с повышением температуры практически линейно (примерно 1% на 1°С). Тензодатчики ДМ-2 рекомендуется использовать в условиях мало меняющихся температур.

Повторяемость зависимости AU=f(e) при повторных нагружениях характеризует общую погрешность измере­ ний, связанную как с постоянством чувствительности тензодатчиков ДМ-2 во времени, так и с точностью аппа­ ратуры 1-АНЧ-18. Среднеквадратичное отклонение хот среднего значения AU при максимальной деформации для десяти повторных измерений составляет в среднем

0Д17=±2,4%.

Номинальное сопротивление. Магнитоупругие тензо­ датчики подбираются для работы в мостовой схеме по полному сопротивлению Z. Значение Z определяется мно­ гими параметрами, в том числе магнитной проницаемо­ стью, размерами сердечников и числом витков намагни­ чивающей обмотки. Все эти параметры могут быть не­ одинаковыми для отдельных тензодатчиков как из-за неоднородности материалов сердечника и обмотки, так и за счет трудностей ручной нарезки сердечников оди­ наковых размеров и сохранения одинакового числа вит­ ков при приварке выводных проводников к. тонкой эма­ лированной проволоке. В связи с этим магнитоупругие тензодатчики имеют большой разброс сопротивлений Z в каждой партии. Среднее значение сопротивления для партии тензодатчиков Z=200 ом, а разброс^ характери­

зуется серднеквадратичной погрешностью C T Z = ±7% .

СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ, КОМПЕНСАЦИИ И УЧЕТА ТЕМПЕРАТУРНОГО ПРИРАЩЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕНЗОДАТЧИКОВ

Температурные приращения сопротивления тензодат­ чиков в некоторых случаях столь значительны, что в не­ сколько раз превышают изменения их сопротивления от измеряемой деформации.

Для уменьшения влияния температуры на сопротив­ ление тензодатчиков применяют ряд способов. В зависи­ мости от условий испытаний (скорости изменения деформаци и температуры, равномерности распределения тем­ пературы по конструкции, точности измерения деформа­ ции и т. д.) применяется тот или иной способ.

Кроме рассмотренного ранее отжига константановой проволоки, наиболее широко известны и применимы сле­ дующие способы: схемная компенсация температурного приращения сопротивления тензодатчиков, комбиниро­ ванные тензодатчики, тензодатчики с компенсационной петлей, внесение поправки на температурное приращение сопротивления.

1. СХЕМНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ

Способ схемной компенсации основан на том, что тензодатчики, наклеенные на один и тот же материал и находящиеся в одинаковых температурных условиях, изменяют свое сопротивление практически одинаково. Если активный тензодатчик Ra наклеить на исследуемую конструкцию, включив его в одно плечо измерительного моста, а компенсационный тензодатчик R K наклеить на пластинку из того же материала, что и конструкция, включив его в соседнее с первым тензодатчиком плечо моста, то практически можно исключить влияние тем­ пературы на тензодатчик, измеряющий деформацию (рис. 62, а, /).

На практике при действии на конструкцию одноосной деформации компенсационный тензодатчик иногда на­ клеивают на испытываемую конструкцию в направлении, перпендикулярном действию главной деформации. В этом случае необходимо учитывать, что компенсационный теп-

Р

Рис. 62. Схемы расположения и включения в измерительный мост активного и компенсационного тензодатчиков с целью термокомпенсации:

а(1) —активный тензодатчик располагается на конструкции, компенса­ ционный на ненагружаемой пластинке; а (П ) —активный и компенсаци­

онный тензодатчики располагаются на конструкции (случай одноосной деформации); б—активный и компенсационный тензодатчики распола­ гаются на конструкции (случай изгиба); в—полупроводниковые тензо­ датчики с разными знаками тензочувствнтельностн располагаются на конструкции

зодатчик также подвергается деформации, но меньшей по величине и противоположной по знаку главной деформа­ ции (рис. 62, а, //).

При применении тензодатчиков в измерительных устройствах для увеличения сигнала и для исключения влияния температуры на-тензодатчики последние наклеи­ ваются на противоположные стороны чувствительной балки, подвергающейся изгибу, и включаются в соседние плечи измерительного моста (рис. 62,6). В этих случаях оба тензодатчика являются активными и одновременно взаимно термокомпенсированными.

Интересен также способ схемной компенсации, при­ меняемый для полупроводниковых тензодатчиков из монокристалла кремния. Известно [16, 21], что тензодат­ чики из монокристалла кремния, обладающие проводи мостями р- и я-типов, имеют различные по знаку тензочувствительности.

Кремний, имеющий проводимость p-типа, обладает положительной тензочувствительностью, а п-типа— от­ рицательной тензочувствительностью, температурное приращение сопротивления у них одного знака. Для уменьшения влияния температуры полумост собирают из тензодатчиков, изготовленных из р- и /г-типов крем­ ния, и включают их в соседние плечи. Оба тензодатчика располагаются рядом и испытывают деформацию одного знака (|рис. 62, в). При действии деформации от полу­ моста получают удвоенный сигнал, а при действии тем­ пературы температурные приращения сопротивления тензодатчиков компенсируются.

В случае применения способа схемной компенсации необходимо, чтобы температура обоих тензодатчиков в полумосте и их температурные приращения сопротив­ ления были достаточно близки.

Если в партии тензодатчиков наблюдается большой разброс температурных приращений сопротивления, то для активного и компенсационного плеча до наклейки следует подбирать тензодатчики с одинаковыми или близкими температурными приращениями сопротивле­ ния.

В настоящее время для проволочных и фольговых тензодатчиков этот способ используется только для тен­ зодатчиков, наклеиваемых на фольгу, которая затем приваривается к конструкции [35].

Для полупроводниковых тензодатчиков КМ разрабо­ тан способ определения температурных приращений со­ противления в партии неиаклеенных тензодатчиков. Под­ бор активного и компенсационного тензодатчиков с оди­

из тензодатчиков.

На рис. 63, а приведены разбалансы (AR/R),lM при на­ греве полумостов из тензодатчиков, произвольно взятых из партии, а на рис. 63,6 — разбалансы при нагреве по-

лумостов из тензодатчиков, подобраных с близкими тем пературными при|ращениями сопротивления.

f l w*

К 'ПН

ратуры для тензодатчиков КМ:

а—для тензодатчиков, произвольно взятых из партии; б—для тензодат­ чиков, взятых с близкими в каждом полумосте температурными прира­ щениями сопротивления

2. КОМБИНИРОВАННЫЕ ТЕНЗОДАТЧИКИ

Комбинированными тензодатчиками называются та­ кие тензодатчики, чувствительная решетка которых вы­ полнена из двух материалов, имеющих в наклеенном состоянии равные по величине, но разные по знаку тем­ пературные коэффициенты сопротивления. Чувствитель­ ная решетка комбинированного проволочного тензодат­ чика представлена на рис. 64. Сопротивление такого тензодатчика складывается из сопротивления отрезков проволок Ядх и Rд г-

Комбинированные тензодатчики, изготовленные из конСтантаиовой и медной проволок, описаны в работах [39, 40], из константановой и нихромовой проволоки —