Tenométerek – tensometrikus mérőátalakítók

Nyújtásmérő szenzor – paraméteres ellenállás-átalakító, amely a merev test mechanikai feszültség által okozott deformációját elektromos jellé alakítja.

Az ellenállásos nyomásmérő egy érzékeny elemmel ellátott alap. A nyúlásmérővel végzett nyúlásmérés elve az, hogy a nyúlásmérő ellenállása a nyúlás során változik. A fémes vezető ellenállás-változásának hatását körkörös kompresszió (hidrosztatikus nyomás) hatására Lord Kelvin 1856-ban, 1881-ben OD Hvolson fedezte fel.

A nyúlásmérő modern formájában szerkezetileg nyúlásellenállást jelent, melynek érzékeny eleme húzóérzékeny anyagból (huzal, fólia stb.) készül, kötőanyaggal (ragasztó, cement) rögzítve a vizsgált részen. (1.ábra). Az érzékelő elem elektromos áramkörhöz való csatlakoztatásához a nyúlásmérő vezetékekkel rendelkezik.Egyes nyúlásmérők a könnyebb beszerelést szolgálják, az érzékeny elem és a vizsgált alkatrész között van egy betét, valamint egy védőelem az érzékeny elem felett.

1. ábra A nyúlásmérő vázlata: 1- érzékeny elem; 2- kötőanyag; 3- szubsztrát; 4- vizsgált részlet; 5- védőelem; 6- blokk forrasztáshoz (hegesztéshez); 7 vezetékes huzalozás

A nyúlásmérő jelátalakítókkal megoldott feladatok sokfélesége mellett két fő felhasználási terület különböztethető meg:

— anyagok fizikai tulajdonságainak, alakváltozásainak és feszültségeinek vizsgálata alkatrészekben és szerkezetekben;

- nyúlásmérők használata olyan mechanikai értékek mérésére, amelyek egy rugalmas elem deformációjává alakulnak át.

Az első esetet a feszültségmérési pontok jelentős száma, a környezeti paraméterek változásának széles tartománya, valamint a mérési csatornák kalibrálásának lehetetlensége jellemzi. Ebben az esetben a mérési hiba 2-10%.

A második esetben az érzékelőket a mért érték szerint kalibrálják és a mérési hibák 0,5-0,05% tartományba esnek.

A nyúlásmérők használatának legszembetűnőbb példája a mérleg. A legtöbb orosz és külföldi gyártó mérlegei nyúlásmérővel vannak felszerelve. Az erőmérő cellás mérlegeket különféle iparágakban használják: színes- és vaskohászat, vegyipar, építőipar, élelmiszeripar és egyéb iparágak.

Az elektronikus mérlegek működési elve az erőmérő cellára ható gravitációs erő mérésére redukálódik úgy, hogy az ebből eredő változásokat, például alakváltozást arányos kimenő elektromos jellé alakítja.

A tenzorellenállások széles körű használatát számos előnyük magyarázza:

— kis méret és súly;

— alacsony tehetetlenségi nyomaték, amely lehetővé teszi nyúlásmérők használatát mind statikus, mind dinamikus mérésekhez;

— lineáris karakterisztikával rendelkeznek;

— lehetővé teszi a távoli és sok ponton történő mérést;

— a vizsgált alkatrészre történő beépítésük módja nem igényel bonyolult eszközöket és nem torzítja a vizsgált alkatrész deformációs mezőjét.

Hátrányuk pedig, a hőmérsékletérzékenység, a legtöbb esetben kompenzálható.

Az átalakítók típusai és tervezési jellemzőik

A nyúlásmérők működése a deformációs hatás jelenségén alapul, amely a huzalok aktív ellenállásának változásában áll a mechanikai deformáció során. Az anyag deformáló hatásának jellemzője a relatív alakváltozási érzékenység K együtthatója, amelyet az ellenállás változásának a vezető hosszváltozásához viszonyított arányaként határoz meg:

k = er / el

ahol er = dr / r — a vezető ellenállásának relatív változása; el = dl / l - a vezeték hosszának relatív változása.

A szilárd testek deformációja során hosszuk változása térfogatváltozással jár, és tulajdonságaik, különösen az ellenállási érték is megváltoznak. Ezért az érzékenységi együttható értékét általános esetben így kell kifejezni

K = (1 + 2μ) + m

Itt a mennyiség (1 + 2μ) jellemzi az ellenállás változását, amely a vezető geometriai méreteinek (hosszának és keresztmetszetének) változásával jár, és - az anyag ellenállásának változását, amely a vezető fizikai változásával társul. tulajdonságait.

Ha a tenzor előállításához félvezető anyagokat használnak, az érzékenységet főként a rács anyagának deformációja során bekövetkező tulajdonságainak változása és K »m határozza meg, és különböző anyagok esetén 40 és 200 között változhat.

Az összes meglévő konverter három fő típusra osztható:

- huzal;

- fólia;

- film.

A vezetékes távmérőket a nem elektromos mennyiségek kétirányú mérésének technikájában használják.

Az első irány a vezető deformációs hatásának alkalmazása térfogatsűrített állapotban, amikor a jelátalakító természetes bemeneti értéke a környező gáz vagy folyadék nyomása. Ebben az esetben a jelátalakító egy huzaltekercs (általában manganin), amelyet a mért nyomás (folyadék vagy gáz) területén helyeznek el. A konverter kimeneti értéke az aktív ellenállás változása.

A második irány a feszültségre érzékeny anyagból készült feszítőhuzal feszítő hatásának alkalmazása. Ebben az esetben a feszültségérzékelőket "ingyenes" konverterek és ragasztott konverterek formájában használják.

A "szabad" nyúlásmérők egy vagy egy sor huzal formájában készülnek, amelyek a mozgatható és elmozdítható részek közé vannak rögzítve, és általában egyidejűleg rugalmas elem szerepét töltik be. Az ilyen jelátalakítók természetes bemeneti értéke a mozgó rész nagyon kis mozgása.

A legelterjedtebb típusú ragasztott huzal nyúlásmérő eszköze a 2. ábrán látható. Egy vékony, 0,02-0,05 mm átmérőjű, cikkcakkos mintázatú huzalt egy vékony papír- vagy lakkfóliacsíkra ragasztanak. Az ólmozott rézhuzalok a vezeték végeihez vannak csatlakoztatva. A konverter tetejét lakkréteg borítja, és néha papírral vagy filccel le van zárva.

A jelátalakítót általában úgy szerelik fel, hogy a leghosszabb oldala a mért erő irányába álljon. Az ilyen jelátalakító a próbatestre ragasztva érzékeli felületi rétegének deformációit. Így a ragasztott jelátalakító természetes bemeneti értéke annak az alkatrésznek a felületi rétegének deformációja, amelyre ragasztják, a kimenet pedig a jelátalakító ellenállásának ezzel az alakváltozással arányos változása. Általában a ragasztott érzékelőket sokkal gyakrabban használják, mint a nem ragasztottakat.

2. ábra - kötött huzal nyúlásmérő: 1 - nyúlásmérő huzal; 2- ragasztó vagy cement; 3- celofán vagy papír hátlap; 4 vezetékes vezetékek

A jelátalakító mérőalapja a vezeték által elfoglalt rész hossza. A leggyakrabban használt jelátalakítók 5-20 mm-es talpak, amelyek ellenállása 30-500 ohm.

A legelterjedtebb kontúr nyúlásmérő kialakításon kívül vannak még mások is. Ha szükség van a jelátalakító mérőalapjának csökkentésére (3-1 mm-re), akkor azt tekercselési módszerrel kell megtenni, ami abból áll, hogy egy terhelésérzékeny huzalspirált egy kör keresztmetszetű tüskére tekercselünk egy csőre. vékony papír. Ezt a csövet ezután ragasztják, eltávolítják a tüskéről, lelapítják, és a vezetékeket a huzal végeihez rögzítik.

Amikor hőkonverteres áramkörből nagy áramot kell nyerni, gyakran "Erőteljes" nyúlásmérőket használnak tekercses vezetékkel... Ezek nagyszámú (akár 30-50) párhuzamosan kapcsolt vezetékből állnak, különböznek egymástól. nagy méretben (az alap hossza 150-200 mm), és lehetővé teszi az átalakítón áthaladó áram jelentős növelését (3. ábra).

3. rajz – Tenométer alacsony ellenállással ("erőteljes"): 1 – nyúlásmérő vezeték; 2- ragasztó vagy cement; 3- celofán vagy papír hátlap; 4 tűs vezeték

A huzalszondák kis érintkezési felülettel rendelkeznek a mintával (szubsztrátummal), ami csökkenti a szivárgási áramokat magas hőmérsékleten, és magasabb leválasztási feszültséghez vezet az érzékeny elem és a minta között.

A fóliás mérőcellák a ragasztós mérőcellák legnépszerűbb változata. A fóliaátalakítók egy 4-12 mikron vastagságú fóliacsík, amelyen a fém egy részét maratással választják ki úgy, hogy a többi része a 4. ábrán látható ólomrácsot képezze.

Egy ilyen rács gyártása során a rács bármely mintája előrelátható, ami a fólia nyúlásmérők jelentős előnye. A 4. képen a a lineáris feszültségi állapotok mérésére tervezett fólia-átalakító megjelenését mutatja, az 1. ábrán. 4, c - a tengelyre ragasztott fólia-átalakító nyomatékok mérésére, és az 1. ábrán. 4, b — a membránra ragasztva.

4. rajz - Fólia átalakítók: 1 - állító hurkok; 2- membrán húzóerőire érzékeny hajlítások; 3- a membrán nyomóerőire érzékeny forgás

A fóliakonverterek komoly előnye a konverter végeinek keresztmetszete növelésének lehetősége; a huzalok hegesztése (vagy forrasztása) ebben az esetben sokkal megbízhatóbban végezhető, mint a huzalátalakítókkal.

A fóliadeformátorok a huzalokhoz képest nagyobb arányban mutatják az érzékeny elem felületét a keresztmetszeti területhez (érzékenységhez), és stabilabbak kritikus hőmérsékleteken és tartós terheléseken. A nagy felület és a kis keresztmetszet jó hőmérsékleti érintkezést is biztosít az érzékelő és a minta között, ami csökkenti az érzékelő önmelegedését.

A fólia nyúlásmérők gyártásához ugyanazokat a fémeket használják, mint a telenométereknél (konstantán, nikróm, nikkel-vas ötvözet stb.), és más anyagokat is használnak, például titán-alumínium ötvözetet 48T-2, amely mér. 12%-ig terjedő nyúlás, valamint számos félvezető anyag.

Filmtenzorok

Az elmúlt években egy másik módszer jelent meg a kötött ellenállási alakzatok tömeggyártására, amely egy húzódásra érzékeny anyag vákuumszublimálásából, majd a közvetlenül a munkadarabra permetezett hordozón történő kondenzációjából áll. Az ilyen jelátalakítókat film-átalakítóknak nevezik. Az ilyen nyúlásmérők kis vastagsága (15-30 mikron) jelentős előnyt jelent a nyúlás mérése során dinamikus üzemmódban magas hőmérsékleten, ahol a nyúlásmérés speciális kutatási terület.

Számos bizmut, titán, szilícium vagy germánium alapú film nyúlásmérőt készítettek egyetlen vezető szalag formájában (5. ábra).Az ilyen jelátalakítóknak nem az a hátrányuk, hogy csökkentik a jelátalakító relatív érzékenységét annak az anyagnak az érzékenységéhez képest, amelyből az átalakító készült.

5. ábra - Film nyúlásmérő: 1 - nyúlásmérő fólia; 2- lakkfólia; 3 tűs vezeték

A fémfilm alapú jelátalakító nyúlásmérő együtthatója 2-4, ellenállása 100-1000 ohm között változik. A félvezető fólia alapú jelátalakítók együtthatója 50-200 nagyságrendű, ezért érzékenyebbek az alkalmazott feszültségre. Ebben az esetben nincs szükség erősítő áramkörök használatára, mivel a félvezető feszültség-ellenállás híd kimeneti feszültsége körülbelül 1 V.

Sajnos a félvezető konverter ellenállása az alkalmazott feszültség függvényében változik, és lényegében nemlineáris a teljes feszültségtartományban, valamint erősen hőmérsékletfüggő. Így bár erősítő szükséges a fémfilm-deformátorral végzett munka során, a linearitás nagyon magas, és a hőmérsékleti hatás könnyen kompenzálható.