Глава УП. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ, ОСНОВАННЫЕ НА ПРЕОБРАЗОВАНИИ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ С ПОМОЩЬЮ ТЕНЗОМЕТРОВ

ИТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1.Тензометры

Тензометры используются для измерения линейных деформаций, а тензорезисторные преобразователи — для измерения перемещений, усилий, давлений, крутящих моментов и других механических ве­ личин, контролируемых в процессе испытаний. Принцип действия тензометров и тензорезисторных преобразователей основан на пре­ образовании приращения линейного размера, соответствующего базе средства измерения, в какую-либо физическую величину, удоб­ ную для усиления и регистрации.

В зависимости от физических принципов, положенных в оспову способов преобразования, тензометры делят на таких пять основных типов: механические, оптические, струнные, пневматические п элект­ рические 141]. Достаточно широкое распространение в практике эксперимента получили механические, оптические и электрические тензометры, причем последние в настоящее время широко применяют­ ся не только для измерения деформаций, но также в качестве датчи­ ков в системах автоматического управления, используемых в различных отраслях народного хозяйства. Тензометры позволяют су­ щественно повысить точность измерений по сравнению с рассмотренны­ ми выше методами исследования полей деформаций, перемещений и напряжений. Так, чувствительность пневматических тензометров составляет 0,00001 %, а емкостных при соответствующих условиях достигает 0,000001 %. Ниже рассмотрены конструктивные особен­ ности тензометров перечисленных типов, принцип их работы и мет­ рологические возможности.

Механические тензометры. В механических тензометрах осуществ­ ляется масштабное преобразование измеряемой деформации в пере­ мещение стрелки вдоль шкалы. Для этого используются рычажные пли рычажно-зубчатые передачи, обеспечивающие увеличение в 100—2000 раз. Наиболее известен тензометр Гугенбергера с базой 20 мм, абсолютная погрешность измерения которого не превышает 0,0015 % (рис. 75). Корпус тензометра 3 имеет в нижней части по­ перечину с неподвижной призмой 7, которая совместно с подвижной призмой 12 составляет базу измерения I. Подвижная призма является одним из концов двухплечевого рычага первого рода 10, который перемещается в плоскости чертежа при деформировании относитель­ но точки контакта подвижной призмы и гнезда в поперечине корпуса.

Перемещение рычага передается с помощью траверсы 8, зафиксиро­ ванной па штифтах 5 и 9 пружиной 11, стрелке 4 тензометра, которая может вращаться относительно подвижной опоры 7. Стрелка тензо­ метра перемещается перед зеркальной шкалой 2. С помощью винта 6 стрелка устанавливается в нулевое положение. Высокую точность измерений рычажного тензометра обеспечивают призмы, исключаю­ щие возможность появления люфтов в цепочке масштабного преоб­ разования деформации. Тензометры Гугенбергера являются механи­ ческими устройствами с высокой инерционностью деталей, поэтому они могут применяться только при статических испытаниях, когда

приращение базы измерения происходит с очень низкой скоростью. На объекте исследования тензометры закрепляются с помощью струб­ цин, вакуумных присосов или магнитов с усилием прижатия, исклю­ чающим возможность повреждения поверхности объекта и призм тензометра.

Рычажно-зубчатые передачи нашли применение в стрелочных индикаторах, которые могут использоваться в качестве основных элементов тензометров. Тензометры со стрелочными индикаторами обеспечивают такую же точность измерения, как и рычажные тензо­ метры Гугенбергера. Они позволяют измерять деформации не только при статическом, но и при изменяющемся с низкой частотой повтор­ но-переменном нагружении, характерном для малоцикловой или термической усталости.

Оптические тензометры. Действие оптических тензометров так же, как и механических, основано на масштабном (без изменения

физической природы измеряемой величины) преобразовании дефор­ мации базы с помощью светового луча до величины, удобной для на­ блюдения и регистрации. В этих тензометрах роль рычага, связанного с подвижной призмой, выполняет световой луч, по перемещению светового пятна которого на шкале отсчитывается деформация. По такому принципу изготовлен тензометр Мартенса и другие оптиче­ ские тензометры, основное отличие между которыми заключается в реализации различных оптических схем и систем отсчета показаний.

На рис. 76 показана схема оптического тензометра с автоколлимационной зеркальной системой отсчета. Коэффициент преобразо­ вания таких тензометров составляет 1250, а абсолютная погрешность измерения не превышает 0,0005 %. Неподвижная призма 6 выпол­ нена заодно с корпусом 1 прибора цилипдрической формы, в котором размещены шкала 2, окуляр 3 и объектив 4. Поворотное зеркало 5 укреплено на подвижной призме 7, которая поворачивается относи­ тельно точки контакта с корпусом при деформировании образца и изменении базы измерения I. Прибор имеет шкалу, которая размечена на 100 делений; при этом начало отсчета располагается посередине шкалы.

При деформировании исследуемого объекта зеркало, жестко свя­ занное с подвижной призмой, поворачивается на угол <р, значение которого пропорционально удлинению Д/. Поворот зеркала на угол ср вызывает отклонение отражаемого зеркалом луча от вертикаль­ ного направления, которое он занийал до деформации, на угол 2ср. При этом световое пятно перемещается по шкале на п делений. Ес­ ли угол <р мал, то можно принять sin <р = tg <р « ср и записать ДI =

= гф = г 2ХГ> откуда получим такое выражение для увеличения при-

бора к: к = = —р—. Здесь г и L — плечи рычага первого рода,

образованного подвижной призмой и световым лучом (г — высота подвижной призмы, L — расстояние от точки контакта подвижной призмы до шкалы по оси трубы, т. е. в исходном состоянии). Если используется нониусная шкала и отсчет показания х производится с помощью измерительного окуляра, то погрешность измерения оп­ тических тензометров может быть сведена до 0,0002 %.

Оптические тензометры в основном используются в лабораторных условиях для измерения деформаций при статическом и повторностатическом нагружениях. Однако в связи с тем, что по сравнению с механическими эти тензометры имеют значительно меньшую инер­ ционность при более высокой чувствительности, они могут приме­ няться и- для измерения быстропротекающих процессов, если будет обеспечена автоматическая запись перемещения светового пятна по шкале.

Струпные тензометры. Принцип действия этих тензометров осно­ ван на зависимости частоты собственных колебаний струны от ее натяжения:

(VII. 1)

где la — свободная длина струны; а — растягивающее напряжение; р — плотность материала струны.

Чувствительным элементом струнного тензометра является на­ тянутая струна, которая связана с объектом исследования таким об­ разом, что в процессе его деформирования изменяется ее натяжение. Изменение натяжения струны вызывает уменьшение или увеличение действующих в ней напряжений и, как следует из выражения (V II.1), частоты ее собственных колебаний. Измеряя частоту колебаний стру­ ны, можно судить о деформации объекта. Схема струнного тензометра показана на рис. 77. Струна 2 из ферромагнитного материала закреп­ лена в подвижной 1 и неподвижной 4 опорах; ее натяжение в исход­

деформации исследуемого объекта применяют три схемы: резонанс­ ную, автоколебательную и измерения частоты затухающих колеба­ ний. В зависимости от выбранной схемы можно обеспечить измере­ ния как статических, так и изменяющихся с высокой скоростью де­ формаций.

Струнные тензометры обеспечивают стабильность измерения де­ формаций в течение весьма длительного времени (до нескольких лет) при небольшом уровне напряжений в струне. Для изготовления струн используются высококачественные стали с высокой прочностью и релаксационной стойкостью. Абсолютная погрешность измерения деформации для струнных тензометров не превышает 0,0001 % [41]. Струнные тензометры являются частотными приборами и поэтому имеют преимущества по помехозащищенности перед другими типами тензометров. Они нечувствительны к флуктуации напряжения пи­ тания, к изменению коэффициента усиления, к изменению переход­ ных сопротивлений соединительных линий и некоторых других пара­ метров электрической цепи. Эти тензометры допускают многократное использование и быструю установку. К их недостаткам следует от­ нести чувствительность к температурным изменениям, нелинейность теоретической градуировочной характеристики, а также неудовлет­ ворительную динамическую характеристику.

Наибольшее распространение струнные тензометры получили для измерения деформаций в теле крупных гидротехнических соору­ жений из железобетона в течение длительного времени их эксплуа­ тации.

Пневматические тензометры. Действие этих тензометров основано на измерении изменения расхода воздуха через измерительное сопло, вызванного деформацией объекта исследования.

Принципиальная схема пневматической недифференциальной из­ мерительной системы показана на рис. 78, а [24]. Сжатый воздух от компрессора 1 под давлением р поступает в фильтр 2, где очищается от твердых частиц, пыли, масла и влаги, и далее — в стабилизатор давлепия 3. Здесь давление воздуха несколько понижается и поддер­ живается на постоянном уровне (р0 = const). Из стабилизатора воз­ дух подается во входное сопло 5 и затем к измерительному соплу 6,

а

из которого истекает в атмосферу через зазор Lx между соплом и за­ слонкой 7. Камера между стабилизатором и входным соплом назы­ вается рабочей, а давление р0 в ней также называется рабочим. Ка­ мера между входным и измерительным соплами называется измери­ тельной, а давление ра в ней — измерительным. Давление в рабочей и измерительной камерах определяется манометрами 4 и 8.

Большей точностью измерения, чем рассмотренная, отличается дифференциальная измерительная система, состоящая из двух сим­ метричных выходных ветвей. Она может быть образована, как по­ казано на рис. 78, а, штриховой линией, путем добавления к недиф­ ференциальной системе входного сопла 72, измерительного сопла 10 и заслонки 9. При этом источник питания, фильтр, стабилизатор давления являются общими для двух измерительных ветвей.

В дифференциальной измерительной системе манометр 8 должен быть также дифференциальным и регистрирующим разность давле­ ния в двух измерительных ветвях. В случае равенства диаметров выходных отверстий входных сопел 5, 11 и измерительных 6, 10 чувствительность обеих измерительных ветвей будет одинакова и разность давлений между ними будет зависеть только от разности зазоров L, и L2. Если величина одного из этих зазоров установлена постоянной, а заслонка другого связана, напримерд с подвижной

опорой пневматического тензометра, то в процессе деформирования объекта исследования, на котором установлен такой тензометр, рас­ стояние между подвижной и неподвижной опорами изменится, зазор также изменится, и изменение расхода воздуха будет зафиксировано дифференциальным манометром. Конструкция пневматического тен­ зометра показана на рис. 78, б. Деформация поверхности на базе I воспринимается опорными призмами 1 и 2 и через рычаг механиче­ ской передачи изменяет зазор между измерительным соплом 3 и заслонкой 4. Коэффициент преобразования такого тензометра со­ ставляет до 200 000, что обеспечивает абсолютную погрешность из­ мерения не выше 0,00001 %. В связи с тем что пневматические тен­ зометры являются одними из наиболее чувствительных, они в основ­ ном находят применение для высокоточных измерений на малых базах (до 0,7 мм). Пневматический метод измерений находит также применение в высокотемпературной тензометрии.

Пневматические измерительные системы делятся на системы низ­ кого (около 4,9 103 — 1,2 104 Па) и высокого (около 2 104 — 4 10б Па) давления, на манометрические и ротаметрические. В ма­ нометрических системах в качестве чувствительных элементов для измерения расхода используются сильфоны или жидкостные мано­ метры, а в ротаметрических — специальные индикаторы расхода — ротаметры.

К недостаткам пневматических тензометров можно отнести то, что для обеспечения стабильных показаний они требуют тщательной фильтрации воздуха от пыли и влаги и отсутс+вия в лабораторном помещении внешних воздушных потоков.

Электрические тензометры. Действие электрических тензометров основано на измерении изменения параметров электрической цепи тензометра или его магнитных характеристик. Для преобразования перемещения опорных призм в электрические сигналы, которые пе­ редаются на измерительные приборы, в этих тензометрах исполь­ зуются такие типы преобразователей: сопротивления, емкостные, ин­ дуктивные, индукционные, пьезоэлектрические, магнитоупругие и трансформаторные [19, 41]х. В подгруппу преобразователей сопротив­ ления, которые получили наибольшее распространение в измерени­ ях, входят потенциометрические, электролитические, механотронные и резистивные преобразователи; отметим, что резистивные преобра­ зователи в практике больше известны как тензорезисторы сопротив­ ления, и именно они являются наиболее широко используемым в различных областях науки и техники средством измерения различ­ ных механических воздействий на материальные объекты.

П о т е н ц и о м е т р и ч е с к и е п р е о б р а з о в а т е л и . Принцип действия тензометров с потенциометрическими преобразо-

1 Такие же преобразователи используются в современных силоизмерителях, предназначенных для измерения внешних нагрузок и усилии в силовых цепях. В отличие от тензометров, которые с помощью опор устанавливаются на иссле­ дуемую поверхность параллельно силовой цепи, силоизмерители размещаются в силовой цепи последовательно с нагружаемыми элементами. Принцип действия электрических преобразователей в тензометрах и силоизмерителях одинаков.

вателями основан на измерении изменения сопротивления между ползунком потенциометра, жестко связанным с деформируемым объ­ ектом, и его крайним выводом. Б этих тензометрах опорная подвижная призма 5 непосредственно, как показано на рис. 79, а, или через механическую передачу соединена с ползунком 3 переменного резис­ тора (потенциометра) 4. В процессе деформирования исследуемого объекта расстояние между подвижной 5 и неподвижной 1 призмами изменяется, и ползунок перемещается относительно резистора, ко­ торый жестко связан с неподвижной опорой.

Длина резистора, заключенная между ползунком и крайним вы­ водом 2, определяет сопротивление в измеряемом плече. При удли-

Рис. 79. Схемы потенщюметрического (а) и мехапотронного (б) тензомет­ ров.

нении материала ползунок перемещается вправо и сопротивление увеличивается, а при сжатии — уменьшается. Если резистор под­ ключить в измерительный мост Уитстона, то для любого положения ползунка, соответствующего исходному (недеформированному) со­ стоянию объекта, можно путем балансировки моста совместить на­ чало отсчета деформации с нулем измерительного прибора. Опреде­ ление деформации в этом случае сводится к измерению выходного напряжения, изменение которого при разбалансе моста происходит за счет изменения сопротивления резистора. Можно также непосредст­ венно измерять сопротивление между ползунком и крайним выво­ дом потенциометра, однако этот способ определения деформации ме­ тодически менее удобен.

В связи с невысокой чувствительностью потенциометрические тензометры находят применение только для измерения достаточно

цип действия тензометров с электролитическими преобразователями основан на измерении изменения сопротивления между выводами двух находящихся в электролите электродов при изменении расстоя­ ния между ними в процессе деформирования объекта исследования, т. е. он такой же, как и у потенциометрических тензометров. По­ этому измерение деформации с помощью тензометров этих двух ти­ пов производится одинаковыми способами. Электролитические тен­ зометры также используются для измерения достаточно больших

деформаций, однако они имеют более ограниченное распространение* чем потенциометрические, из-за их недостаточной стабильности.

М е х а н о т р о н н ы е п р е о б р а з о в а т е л и . Механо­ тронами называются электронные лампы, управление электрическим током в которых осуществляется путем механического перемещения электродов. Они представляют собой вакуумные диоды или триоды, сконструированные на базе радиоламп. Принцип действия тензомет­ ров с механотронными преобразователями основан на использовании эффекта изменения внутреннего сопротивления вакуумных электрон­ ных ламп при изменении расстояния между их электродами в про­ цессе деформации объекта, с которым электроды жестко связаны. Механотронные преобразователи конструктивно выполняются в виде стеклянных баллонов 4, в которых находится неподвижный катод 2 и подвижные 1 и 8 аноды, связанные со стержнем 5 (рис. 79, б). Ва­ куумный вывод стержня осуществлен через мембрану 7, не препятст­ вующую перемещениям стержня при деформации объекта 6. Катод вместе с накальным устройством 3 прикреплен к стеклянному балло­ ну, который закреплен неподвижно относительно деформируемого объекта. Поэтому при его деформировании стержень с анодами пе­ ремещается относительно катода лампы, ее внутреннее сопротивле­ ние изменяется, вызывая изменение выходного тока. Измеряя ток, можно определить перемещение опорной призмы стержня. В исход­ ном положении стержня аноды расположены симметрично относи­ тельно катода. Использование механотрона с таким симметричным расположением двух анодов позволяет линеаризовать характерис­ тику тензометра в достаточно большом диапазоне перемещений.

Отечественной промышленностью серийно выпускаются шесть типов механотроиов [191 сдвоенные диоды 6МХ1С, 6МХЗС, 6МХ4С, 6MX5G в малогабаритном исполнении и 6МХ1Б, 6МХ2Б в сверх­ миниатюрном исполнении. Механотроиы первых четырех типов имеют два симметричных подвижных анода, механотроны типа 6МХ1Б и 6МХ2Б — только один.

В системах питания механотронов необходимо использовать ста­ билизаторы напряжения, так как колебание напряжения питания измерительного моста или напряжения накала влияет на точность измерений. Для стабильной работы механотрона усилие к стержню от деформируемого объекта должно передаваться только по нормали к оси стержня. Поверхность стеклянного баллона от случайного раз­ рушения необходимо защищать металлическим кожухом и крепить с помощью кольца неподвижно к объекту. Особенно аккуратно не­ обходимо обращаться со стержнем механотрона при его установке на исследуемый объект.

Для прецизионных измерений наиболее подходит механотроп 6МХ1С; мехаиотрои 6MX3G имеет наибольшую чувствительность к перемещениям по току, а механотрон 6MX5G — наибольший ли­ нейный участок характеристики (± 1 мм). Динамические возмож­ ности механотронов зависят от их резонансных частот, которые изменяются для различных типов механотронов в диапазоне от 220 до 1300 Гц.

Т ё н в о р е з и с т о р ы с о п р о т и в л е н и я . Принцип их действия основан на использовании тензорезистивиого эффекта, ха­ рактеризующего свойство проводниковых и полупроводниковых материалов изменять электропроводность и электрическое сопротивле­ ние при изменении объема или напряженного состояния [41]. Чувст­ вительный элемент тензорезистора выполняется в виде решетки из тонкой проволоки или фольги, которая по всей своей длине неподдппжно крепится к объекту исследования. Поэтому при деформиро­ вании поверхности, на которой размещен тензорезистор, он деформи­ руется вместе с пей па одинаковую величину, а его сопротивление изменяется пропорционально деформации. Определение деформации в данном случае так же, как и при использовании преобразователей сопротивления других типов, сводится к измерению изменения со­ противления тензорезистора или напряжения в его выходной цепи. Вопросы использования тензорезисторов в макроэкспернмснте более детально будут рассмотрены в следующем разделе, поэтому здесь мы

тензометров с емкостными преобразователями основан на измерении изменения электрической емкости между двумя пластинами, взаим­ ное перемещение которых пропорционально измеряемой деформации.

где F — действующая площадь пластин (обкладок), из которых со­ стоит конденсатор; е — относительная диэлектрическая проницае­ мость (для воздуха е = 1); d — толщина диэлектрика или зазора.

Изменение емкости преобразователя может происходить при взаимном перемещении пластин за счет изменения или действующей площади, или расстояния между пластинами, или за счет изменения диэлектрической проницаемости вещества зазора.

Для измерения линейных и угловых перемещений наибольшее применение получили преобразователи с изменяемой действующей площадью пластин. Для таких преобразователей изменение емкости в соответствии с выражением (VII.2) можно записать следующим образом:

где С0, Сг — емкость до и после измерения; AF — изменения пло­ щади пластины; Ъ— длина пластины; Ah — изменение ширины действующей площади, равное перемещению.

При использовании в преобразователе многопластинчатых кон­ денсаторов чувствительность его увеличивается и емкость определяе­ тся зависимостью

где п — полное число пластин обеих обкладок.

Для таких преобразопателей зависимость изменения ДС от из­ менения действующей площади записывается с использованием соот­ ношений (VII.3) и (VII.4) следующим образом:

При использовании цилиндрических конденсаторов их емкость мож­ но рассчитать по формуле

где I* — высота цилиндра; г„ и гв — радиус соответственно наруж­ ной и внутренней обкладок конденсатора.

Изменение емкости в этом случае, как следует из (VII.6), опреде­ ляется из выражения

(V II.7), можно установить связь между деформацией объекта и ап­ паратура) измеряемым изменением емкости.

Емкостные цилиндрические преобразователи используются для измерения угловых перемещений. Обычно статор таких преобразо­ вателей жестко укреплен на неподвижной детали, а ротор контакти­ рует с подвижной призмой тензометра.

Емкостный преобразователь, в основе работы которого лежит явление изменения диэлектрической проницаемости, может быть, вы­ полнен в двух вариантах: с перемещением диэлектрика перпенди­ кулярно к плоскости пластин или параллельно им.

В качестве материала для пластин используются сплавы с малыми коэффициентами теплового расширения, например такие, как ин­ вар, а для изолирующих материалов — кварцевое стекло, харакг теризующееся высоким уровнем сопротивления изоляции.

Тензометрам с емкостными преобразователями присущи такие нет достатки, как высокая чувствительность к влиянию пыли, влаги, переменной температуры, т. е. к влиянию окружающей среды. По­ этому они получили основное распространение для измерения пере; мещений в средах с постоянной температурой и преимущественно применяются при лабораторных испытаниях. Так, для измерения деформации образцов при испытаниях в жидком гелии (4,2 К) исполь­ зуется емкостный тензометр с плоскими параллельными пластинами, схема которого показана на рис. 80, а [33]. Образец 3 испытывается на растяжение; нагрузка к нему прикладывается от захватов 7, к которым параллельно образцу крепится корпус тензометра 2, выпол­ ненный из фторопласта, являющегося изолирующим материалом с высокой работоспособностью при криогенных температурах. К корт пусу приклеиваются с помощью холодостойкого клея пластины 4.

В процессе деформирования образца расстояние между пластинами увеличивается и изменяется емкость преобразователя, величина ко­ торой при испытаниях в жидком гелии является гиперболической функцией деформации при больших деформациях; при очень малых деформациях (до 0,005 %) эта зависимость может приниматься ли­ нейной. Следует отметить, что емкостные тензометры характери­ зуются чрезвычайно высокой чувствительностью к перемещени­ ям, с их помощью измеряется деформация до 0,000001 % (или 1 х X 10-8 мм/мм) 133] (реальное значение предельной деформации, которую можно определять емкостными тензометрами, 0,0001 %).

Схема подключения преобразователя к измерительной цепи по­ казана на рис. 80, б. Параллельные пластины 1 с помощью экрани­

рованных проводов 2 соединяются с емкостным мостом 3, к которому подключен ввуковой генератор 7. Сигнал с моста также по экрани­ рованным проводам передается в частотный фильтр 4 и далее — в пре­ образователь 5. После преобразователя сигнал поступает на регис­ трирующий прибор 6. Емкость в преобразователях рассматриваемо­ го типа с параллельными пластинами изменяется в интервале от 5 до 50 пФ, при этом их чувствительность к деформации составляет 0,0001 пФ. После частотного фильтра изменение емкости преобра­ зуется в изменение постоянного напряжения (0,1—2 В).

Емкостные датчики просты по конструкции и обладают высокой помехоустойчивостью по отношению к сильным магнитным полям, однако не всегда используются из-за необходимости применения вы­ соких несущих частот и эксплуатационных трудностей при подклю­ чении длинных кабелей.

И н д у к т и в н ы е п р е о б р а з о в а т е л и . Принцип дей­ ствия тензометров с индуктивными преобразователями основан на использовании зависимости индуктивного и активного сопротивле­ ний катушки от перемещения деталей магнитопровода, связанных с деформируемым объектом.

В индуктивном преобразователе магнитопровод имеет несколько разрывов, зазор или площадь которых могут изменяться при пере­ мещении подвижного элемента, называемого якорем. Якорь жестко

связан с объектом исследования и при деформировании последнего перемещается, вызывая изменение сопротивления магнитной цепи и индуктивности катушки, питаемой переменным током.

Различают индуктивные датчики с переменным воздушным за­ зором, с переменной площадью магнитопровода в сечении разрыва и соленоидного типа [19] (рис. 81). Индуктивные преобразователи с переменным зазором характеризуются высокой чувствительностью и реагируют на изменение зазора порядка 10~4 — 5 10-4 мм; они позволяют измерять перемещения в интервале от 0,1 до 1 мм. Для больших перемещений характеристика преобразователя ста­ новится существенно нелинейной. Для расширения диапазона ли­ нейности характеристики в преобразователях такого типа при-

Рис. 81. Схема включения индуктивных преобразователей с переменным зазором (а), с переменной площадью (б) и соленоидного тина (в).

этому с увеличением одного зазора другой уменьшается на то же значение. Катушки таких преобразователей подключаются в мост Уитстона.

Индуктивные преобразователи с переменной площадью позво­ ляют выполнять измерение достаточно больших перемещений — до 8 мм. При этом они отличаются линейностью в широком интервале перемещений. Индуктивные преобразователи соленоидного типа так­ же находят широкое применение при измерении больших деформа­ ций на большой базе. В них перемещение в катушке ферромагнит­ ного якоря вызывает изменение индуктивности обмотки. Тензо­ метры с продольным перемещением якоря имеют базу от 10 до 100 мм, с их использованием можно измерять деформации до 60 мм.

Питание индуктивных преобразователей осуществляется пере­ менным напряжением синусоидальной или прямоугольной формы частотой от 50 Гц до 20 кГц. Преобразователи с низкочастотным пи­ танием характеризуются большими размерами, невысокой чувстви­ тельностью к перемещениям якоря, нестабильностью показаний при возникновении промышленных электромагнитных помех и не позво­ ляют исследовать быстропротекающие процессы. Поэтому сов ре­

менные индуктивные тензометры питаются током частотой 3— 15 кГц. Они слабочувствительны к влиянию окружающей среды и поэтому используются для тензометрирования натурных конструкций и со­ оружений в условиях эксплуатации.

И н д у к ц и о н н ы е п р е о б р а з о в а т е л и . Их действие основано на известном эффекте возникновения электродвижущей силы (ЭДС) в катушке при перемещении в ней магнита или переме­ щении катушки в магнитном поле. Индукционные преобразователи относятся к группе генераторных преобразователей и в основном используются для измерения скорости деформирования при дина­ мическом нагружении. Такое применение индукционных преобра­ зователей обусловлено тем, что ЭДС, регистрируемая на выводах катушки, пропорциональна скорости перемещения магнитного ноля относительно ее витков [19].

П ь е з о э л е к т р и ч е с к и е п р е о б р а з о в а т е л и . Дей­ ствие тензометров с пьезоэлектрическими преобразователями осно­ вано на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, от­ крытого в 1880 г. Ж. Кюри и П. Кюри, который заключается в воз­ никновении поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (возникновение механических деформаций под действием электрического поля называют обратным пьезоэлектрическим эффек­ том; обратный эффект используется в системах возбуждения высоко­ частотных машин для испытаний на усталость). Пьезоэлектрическим эффектом обладают кристаллы некоторых природных минералов, таких, как кварц или турмалин, а также диэлектриков промышлен­ ного изготовления — сегнетовой соли, фосфата аммония, дигидро­ фосфата калия и других. Широкое применение в тензометрах с пьезо­ электрическими преобразователями получили пьезокерамики из сегнетоэлектриков — титанат бария и его композиции, ниобаты, цирко- нат-титанат свипца и другие, которые обладают высоким пьезомодулем и характеризуются достаточно высокой механической прочностью.

Пьезокерамические датчики главным, образом используются для измерения параметров быстропротекающих процессов и так же, как индукционные преобразователи, являются генераторными преобра­ зователями. Основными их преимуществами перед другими типам» преобразователей являются высокая чувствительность и жесткость, простота конструкции, низкая стоимость, высокая надежность и очень большой диапазон конструктивных возможностей. Кроме того, в отличие от других датчиков пьезоэлектрические преобразователи обладают высокой радиационной стойкостью. К их недостаткам мож­ но отнести то, что в обычном исполнении они не могут применяться для измерений при статическом нагружении, так как электрический заряд, возникающий на электродах пьезоэлемента, стекает с них по экспоненциальному закону на всех сопротивлениях утечки, вклю­ чая входное сопротивление вольтметра. Для измерения статических нагрузок искусственно создаются условия работы пьезоэлемента, эквивалентные динамическому режиму, благодаря возбуждению в нем механических колебаний с помощью генератора, настроенного на резонансную частоту пьезоэлемента [44].

Пьезоэлектрический преобразователь — датчик представляет со­ бой вырезанную из кристалла пластинку, на противоположных по­ верхностях— гранях которой напылены проводящие пленки-элек­ троды. При сжатии пьезоэлектрической пластинки давлением р на гранях возникают заряды, величина которых пропорциональна» давлению, зависит от d — величины пьезомодуля (Q = pd). Появ­ ление заряда на электродах вызывает изменение их потенциала, ко­ торое может быть измерено электронным вольтметром, обладающим большим входным сопротивлением. Рабочий частотный диапазон пьезоэлектрических преобразователей — от нескольких десятков герц до десятков мегагерц. Они наиболее пригодны для измерения знакопеременных процессов. Однополярные процессы при наличии постоянной составляющей ими не регистрируются из-за быстрогоисчезновения заряда. Наибольшее применение для изготовления пластин пьезоэлементов в настоящее время находят кварц и метал­ локерамика из титаиата бария, цирконата-титаната свинца и ниобата свинца. Титанат бария характеризуется высоким пьезомодулем в работоспособностью в интервале температур от 223 до 373 К, за пре­ делами которого поляризация начинает исчезать (для сравнения от­ метим, что у кварца пьезоэффект исчезает при температуре примерно 850 К). Параметры пьезокерамики на основе цирконата-титаната свинца и ниобата свинца более стабильны, чем у титаната бария, однако их пьезомодуль, а следовательно, и чувствительность ниже.

Для измерений при статическом нагружении используют два типа преобразователей, технологические колебания в которых воз­ буждаются с помощью звуковых генераторов. Это биморфные преоб­ разователи, состоящие из двух разделенных токопроводящей заземленпой прокладкой идентичных пьезоэлементов, один из которых подключен к возбуждающему генератору, а другой — к измеритель­ ному прибору, и преобразователи с изменяющимся акустическимимпедансом. В последних, представляющих один монолитный пьезо­ элемент, под действием измеряемой нагрузки изменяется импеданс акустической среды, вызывающий изменение электрических парамет­ ров. Преобразователи этого типа свободны от многих недостатков, присущих биморфным преобразователям, и поэтому в последнее время находят все большее применение в качестве датчиков в системах измерения различных механических величин при статических испы­ таниях.

Преобразователи линейных и угловых перемещений, используе­ мые в тензометрах, строятся на основе любых рассмотренных типов преобразователей. На рис. 82 показана конструкция преобразователя контактного типа с пьезоэлектрическим резонатором для измерения деформаций. Пьезоэлемент 3 преобразователя укреплен на условно неподвижной части корпуса 4. К его концу присоединен магнит 3. К торцу подвижной части корпуса 2 присоединен второй магнит I соосно с первым. Если магниты направлены друг к другу одноимен­ ными полюсами, то при деформировании поверхности.объекта 9, на котором установлен тензометр с помощью призм 8, цилиндрические части корпуса 2 и 4 будут взаимно смещаться, на пьезоэлемент начнет

действовать сжимающее усилие, пропорциональное расстоянию между магнитами. Динамический режим работы пьезоэлемента при ого колебаниях на резонансной частоте обеспечивается генератором 7, а измерение электрического тока в цепи — прибором 6. Пьезо­ электрические преобразователи незаменимы для использования в из­ мерительных системах, которые должны эксплуатироваться в усло­

виях высоких температур, при воздействии агрессив­ ных сред и реакторного об­ лучения.

Рис. 82. Пьезоэлектрический преобразооатель контактного тина.

М а г н и т о у п р у г и е п р е о б р а з о в а т е л и . Прин­ цип действия тензометров с преобразователями этого типа заклю­ чается в изменении магнитных свойств (магнитной проницае­ мости или индукции) в ферромагнитных телах под действием нагрузок, вызываемых взаимным перемещением деталей тензометра сри деформировании исследуемого объекта.

Рис. 83. Магниюупругие пре­ образователи дроссельного (а) и трансформаторного (б) типов (В — индукция),

Рис. 84. Схема трансформаторного преобразователя с перемениым зазором.

Магнитные преобразователи по принципу действия делят на две группы; к первой относятся преобразователи дроссельного типа <рис. 83, а), а ко второй — трансформаторного типа (рис. 83, б) [19]. Изменение магнитной проницаемости сердечника в преобразовате­ лях первого типа приводит к изменению полного электрического со­ противления Z катушки дросселя. При статических испытаниях питание схемы измерения осуществляется от сети переменного тока частотой 50 Гц; для повышения чувствительности преобразователя частоту рекомендуется повышать до 10 кГц.

В магнитоупругих преобразователях трансформаторного типа вы­ ходной переменной величиной является взаимная индуктивность.

Конструктивно они выполняются в виде магнитопроводов различной конфигурации с различным числом обмоток и являются по существу трансформаторами с переменным коэффициентом трансформации. Для уменьшения потерь сердечник магнитоупругих преобразовате­ лей выполняется не сплошным, а набирается из тонких изолиро­ ванных пластин, которые склеены между собой. Для изготовления пластин используются магнитоупругие материалы трех классов. Это железоникелевые сплавы с содержанием никеля 50—70 % (пермал­ лои) и железоникелевые сплавы с 2—4 % кремния (трансформаторная сталь), которые можно отнести к традиционным магнитоупругим ма­ териалам, и специальные железоалюминиевые сплавы с содержанием алюминия до 12 %, которые начали разрабатываться в последние годы. Железоникелевые сплавы характеризуются высокой чувстви­ тельностью по напряжению, а железоалюминиевые при такой же чувствительности значительно превосходят железоникелевые сплавы по удельному сопротивлению. Железокремниевые сплавы по основ­ ным показателям лучше сплавов двух других классов, кроме того, их применение обеспечивает уменьшение размеров активного упру­ гого элемента и, следовательно, габаритов и массы преобразователя

вцелом.

Внастоящее время наибольшее распространение получили пре­ образователи трансформаторного типа со скрещенными обмотками, которые изготавливаются из железокремииевых сплавов. Питание их первичной обмотки так же, как и у дроссельных преобразовате­ лей, при статических испытаниях осуществляется током промышлен­ ной частоты. При измерении динамических процессов частота питаю­ щего тока должна быть на порядок больше частоты исследуемого процесса. При таких испытаниях преобразователь может питаться постоянным током, но в этом случае выходное напряжение будет пропорционально не действующему на магнитопровод усилию, а ско­ рости его изменения. Погрешность измерения магнитоупругих пре­ образователей может изменяться в пределах 1,5—5 % измеряемого значения при их использовании в изотермических условиях; их тем­ пературная погрешность составляет 1,5—2 % на 10 К.

Магнитоупругие преобразователи в основном применяются для измерений в условиях высокой влажности, когда требуется высокая надежность работы датчика при не очень высокой точности изме­

рения.

Т р а н с ф о р м а т о р н ы е п р е о б р а з о в а т е л и . Эти преобразователи (рис. 84) являются модификацией индуктивных преобразователей. Принцип их действия основан на учете изменения взаимной индуктивности двух обмоток при перемещении ферромаг­ нитного сердечника, пропорциональном исследуемой деформации. Взаимная индуктивность двух намотанных на сердечник обмоток изменяется вследствие изменения магнитного сопротивления преоб­ разователя при варьировании воздушного зазора или площади магнитопровода в преобразователях с переменным зазором и переменной площадью. В преобразователях соленоидного типа взаимная индук­ тивность изменяется при перемещении якоря внутри обмоток [19].