Тема 2. Вимірювання деформацій і напружень при експериментальних дослідженнях машин

 

Класифікація вимірювальних перетворювачів

В наш час при дослідженнях і випробуваннях машин широко застосовується ІВС, засновані на використанні електричних методів вимірювань не електричних величин. Основні переваги електричних вимірювань: універсальність (можливість використання одних і тих же елементів в різних комбінаціях для рішення різноманітних технічних завдань); широкий вибір принципів дії, типорозмірів приборів, пристроїв для живлення електричним током, перетворення струму й видів енергії; більша номенклатура стандартних елементів, що випускають великими серіями; простота передачі сигналів на відстань і забезпечення дистанційного керування системою; багатоканальність; широкі можливості керування, одержання різних видів інформації та її обробки; невелика інерційність електричних систем і можливість компенсації в самій вимірювальній схемі різного роду похибок. Можливості електричних ІВС суттєво розширилися за рахунок використання засобів електроніки, мікро ЕВМ..

Вимірювальні перетворювачі в електричних ТВС бувають пасивні (параметричні), в яких параметри струму живлення змінюються під впливом вимірюваної величини, і активні (генераторні), що виробляють струм, який надходить у вимірювальний ланцюг. До першого ставляться ВП опори (реостатні і тензометричні), ємнісні, індуктивні, термо - і фотоопори, до других -тахогенератори, індуктори, термоелектричні, гальванічні і ін. Важливо, щоб характеристика була лінійної, тобто щоб величина вихідного сигналу була прямо пропорційна вхідній величині, оскільки це значно спрощує використання результатів вимірювань.

 

Тензорезистори

Широке поширення в ІВС одержували ВП опори, зокрема тензорезистори. Реостатні ВП хоч і дозволяють пропускати досить потужні сигнали, що не вимагають підсилення, однак вони менш чутливі до переміщень двигуна і при малих переміщеннях чутливого елемента їх використання зв'язане із необхідністю введення передавальних механізмів. Тензорезистори чутливі до переміщень, що виникають за рахунок пружних деформацій деталей машин, і мають розміри, що дозволяють розміщувати їх безпосередньо на самих деталях. Широко застосовуються дротяні та фольгові тензорезистори (рис. 2.1.). Решітка тензорезисторів 1 виготовляється з матеріалів з високим питомим опором (константан, ніхром і ін.), дротяна - діаметром 0,02...0,05 мм, фольгова -товщиною 0,004...0,012 мм із базою Б 5, 10, 20, 30 мм. Вони працюють під напругою 12 В, робочий струм для дротяних решіток - 30 мА, для фольгових -2 мА. Номінальний опір дротяних тензорезисторів - 50, 100, 200, 400, 500 Ом, фольгових - 50,100, 200 Ом. Решітка закріплена на паперовій або плівковій основі 2. Спай 3 з'єднує решітку із провідниками живлення 4.

Рис. 2.1. Прямокутні тензорезистори: а - дротяний; б - фолієвий

 

Опір провідника R залежно від його розмірів виражається співвідношенням:

,

де r - питомий опір матеріалу; l - довжина; s - площа поперечного переріза провідника.

Враховуючи зміну поперечного переріза й питомого опору при відносному подовженні провідника , відносне збільшення опору можна виразити залежністю:

,

де k - коефіцієнт тензочутливості тензорезистора (для константана k =(2...2,1):

,

де m - коефіцієнт Пуассона; V - коефіцієнт, що враховує зміну питомого опору провідника.

Таким чином, опір тензорезистора, наклеєного на стержень (що розтягується силою P так, що решітка тензорезистора розміщена вздовж дії цієї сили), буде зростати пропорційно деформації стебржня, а в межах пружних деформацій - силі P і напрузі s, оскільки при модулі пружності матеріалу стержня E:

, (2.1)

Тензорезистори наклеюються на ретельно підготовлену поверхню в місцях, де потрібно визначати деформації, силі і напруження. Невелика база дозволяє розташовувати їх у важкодоступних місцях, на деталях складної конфігурації, незначна маса не впливає на динамічні процеси, що відбуваються в механізмах. Сучасна апаратура дозволяє одночасно спостерігати та реєструвати навантаження, що виникають в багатьох деталях машин, синхронно, в їх взаємодії і взаємообслуговуванню. Тензорезистор наклеюють клеями типу ВФ - 2 холодним або гарячим способом; це охороняє його від вологи, бруду і механічних дій. Маркування датчиків, що випускаються в нашої країні дає поняття про їх основні характеристики. Наприклад: ПКБ - 20 - 100 Х/Г/ - дротяний, константановий на паперовій основі, база 20 мм, опір 100 Ом, Х/Г/ - холодний або гарячий спосіб наклеювання; ФКПА - Ю - 200 Х/Г/ - фольговий, константановий, прямокутний, підтип А, база 10 мм, опір 200 Ом, холодний чи гарячий спосіб наклеювання.

Правильно встановлений тензорезистор може довгостроково і багаторазово використовуватися на одному і тому ж місці, але перестановці не підлягає. Не дивлячись на те, що на придбану партію виготовлювач видає характеристику основних параметрів, перед встановленням на чутливі елементи варто зробити контрольну таріровку одного або декількох тензорезисторів даної партії.