Схеми з’єднань тензорезисторів

Тарувальний пристрій являє собою консольну балку опору, рівного вигину, на яку наклеюється контрольований тензорезистор, включається у вимірювальну схему і балка поступово навантажується рівними ступенями навантаження. За показниками вимірювального приладу будується таровочний графік навантаження - розвантаження. В такий спосіб перевіряються масштаб і лінійність тензорезисторів.

В подібних ІВС можуть виникати різні перешкоди, для усунення яких розроблений ряд методів. Наприклад, тензорезистори чутливі до змін температури. Якщо в результаті зміни температури навколишнього середовища збільшується об'єм тягової ланки 1 (див. рис. 2.2), то при невідомій силі P міст розбалансується і показання вимірника зміняться. Для компенсації температурних похибок в схемі (рис.2.3) на тягову ланку поставлений тензорезистор R₄, решітка якого орієнтована так, що він реагує на температурні зміни так само, як і тензорезистор R₁, але не реагує на подовження ланки від сили P. Якщо при цьому опори R₂ і R₃ перебувають в однакових умовах, то вимірювальна система захищена від впливу температури на результати показань вимірювальної сили P. В цих схемах тензорезистор R₁ - активний, а решта - компенсаційні. Активний тензорезистор наклеєний на деталь, що грає роль чутливого елемента, решта - на пластину з матеріалу, що має такі ж пружні властивості, але не піддається навантаженню. При рівності опорів збалансованого моста

,

і напрузі на вході моста U напруга на виході

.

Рис. 2.2. Мостові схеми з'єднання тензорезисторів при вимірюванні сил і напружень розтягу без температурної компенсації

Рис. 2.3. Мостові схеми з'єднання тензорезисторів при вимірюванні сил і напружень розтягу з температурною компенсацією

 

Для того щоб збільшити напругу на виході, тензорезистор R₃ при наявності місця можна встановити на тяговій ланці паралельно R₁, а R₂ – паралельно R₄. Тоді буде два активних і два компенсаційних тензорезистора і напруга на виході

,

де m - коефіцієнт Пуассона. Таким чином, сигнал збільшується в 2,6 рази.

Оскільки при крученні максимальні напруги виникають на поверхні стержня, що скручується під кутом 45° до його осі, для виміру крутних моментів і дотичних напружень решітка активного тензорезистора повинна бути зорієнтована в цьому напрямку. Посилення сигналу можна домогтися збільшенням числа активних тензорезисторів. Різні схеми наклеювання дозволяють в складно напруженому стані деталі виділити ті чи інші види деформацій і напруг. Наприклад, якщо деталь навантажена розтягом (сила R) і вигином від сили P₁ необхідно виміряти окремо деформацію розтягу (рис.2.4), то на деталь варто наклеїти з протилежних сторін тензорезистори R₁ і R₃. Тоді в результаті вигину стрижня опір R₁ збільшується, а опір R₃ зменшується, а під дією сили P обидва опори збільшуються і вихідна напруга у вимірювальній діагоналі буде пропорційна силі P. Аналогічно можна виділити інші складові складнонапруженого стану елементів конструкції.

Тензорезистори встановлюють в місцях, доступних для монтажу і ог­ляду, захищених від впливу вологи і агресивних середовищ на рівних і гладких поверхнях достатніх розмірів. Варто вибирати місця, в яких очіку­ється виникнення найбільших напруг і деформацій як по довжині вимірюва­ного елемента конструкції, так і по його поперечному перетині. Іноді має сенс змінити конфігурацію деталі, як­що це не викличе залишкових дефор­мацій при прикладанні очікуваних на­вантажень і не вплине на суть експе­рименту, так як при проведенні тензо­метричних дослідженнях завдання може полягати в тому, щоб встановити напружений стан деталей певної конфігурації.

Встановлення тензометричних датчиків на рухливих деталях машин ускладнюється, коли деталі в процесі вимірювань рухливі (наприклад, вали, що передають крутні моменти, вимірювання яких є завданням випробувань, що проводяться). В цих випадках технічні труднощі виникають через необхідність передачі електричного сигналу із валу, що обертається, на нерухому лінію зв'язку і пристрою, що здійснюють подальше перетворення і обробку інформації.

Звичайні контактні пари, що застосовують в техніці промислових енергетичних машин, не використаються через те, що їхні контактні опори здатні істотно спотворювати відносно слабкі сигнали тензорезисторів.

Струмоз'ємні пристрої, що застосовані в тензометрії, бувають контактні та безконтактні. В контактних парах можна допустити перехідні опори не більше 0,5...1,0 мкОм. Це вимагає спеціального підбору пар кільце – щітка і тисків, що створює щітка на кільце.

При невеликих швидкостях ковзання в контакті можна застосовувати латунні кільця та мідно - графітові щітки, при високих швидкостях - срібні кільця та срібно - графітові щітки. Струмоз'ємні кільця із ртутним контактом забезпечують найкращу струмопровідність. В такому випадку зазор між рухливими і нерухомими кільцями, поверхня яких покрита шаром амальгами, заповнюється ртуттю, що забезпечує рідинний контакт. Безконтактний струмоз'єм здійснюється з допомогою трансформаторних або радіопередаючих пристроїв.

Загальна схема ІВС складається з перетворювачів і пристроїв для видачі та зберігання інформації. В тензометрії в більшості випадків необхідно змінювати масштаб сигналу тензорезисторів, перетвореного електромостовою схемою в різницю потенціалів. Для цієї мети випускаються стандартні прилади-підсилювачі, постійного та змінного струму із різною кількістю каналів, що дозволяє одночасно підсилювати сигнали, що подаються із декількох місць випробуваного об'єкта. Конструкцією підсилювачів передбачається подача вихідної інформації на вхід приладів, що реєструють. До останніх в електротензометрії відносяться осцилографи та магнітофони, а також самописці різної конструкції.

Широке поширення одержали багатоканальні електрично-променеві осцилографи (рис. 2.5). Підсилений сигнал подається на дзеркальний гальванометр 1, на дзеркальці якого з допомогою оптичного пристрою 2 від джерела світла З направлений промінь 4, що відбивається на світло чуттєву стрічку реєструючого пристрою 7. Стрічка рівномірно перемішується з допомогою стічковопротяжного механізму. В такий спосіб на ній фіксується слід світлового променя, що відображає зміну вимірюваної величини в часі. Частина пучка світла, що йде від джерела 3, відсікається дзеркалом 5 і направляється на стрічку через диск фіксації часу 6, що обертається із заданою швидкістю.

 

Рис. 2.5. Принципова схема магніто - променевого осцилографа

 

Частина променя, що йде на записуючий пристрій, відсікається дзеркалами оптичної системи і направляється на екран 8, що дозволяє візуально спостерігати за ходом процесу, що реєструється на стрічці осцилографа. Після прояву стрічки на ній отримуються запис зміни досліджуваної величини і пряма лінія, що відповідає її нульовому, або початковому значенню, а також відмітки заданих інтервалів часу. Передбачається можливість регулювання швидкості протягання стрічки. Вибір швидкості протяжки залежить від того, як швидко змінюється значення вимірюваної величини. При малій швидкості і при сигналі, що швидко змінюється сліди променя на стрічці зливаються. Занадто велика швидкість протяжки призводить до зайвої витрати стрічки. На рис. 2.5 зображена принципова схема одного каналу магніто-променевого осцилографа. Промисловістю випускаються осцилографи у багатоканальному виконанні, що дозволяє синхронно реєструвати багато величин, що характеризують процес. Цю велику перевагу тензометричних систем слід правильно використати, вибираючи масштаб записів і їхнє взаємне розташування на стрічці з врахуванням можливостей наступної розшифровки осцилограми. Осцилограф забезпечується набором замінних гальванометрів (вібраторів, шлейфів), характеристики яких мають різну власну частому коливань індикаторного пристрою. Щоб уникнути можливих похибок вимірювань динамічних процесів власна частота коливань гальванометра повинна значно (не менш чим в 10 разів) перевищувати частоту зміни вимірюваної величини.

Магнітографи, що виконують роль реєструючих приладів, мають деякі переваги, оскільки їхній вихідний сигнал відтворюється в електричній форі, що дозволяє збільшити щільність запису більше 100 Гц на 1 мм довжини магнітної стрічки. Крім того, запис магнітографа можна безпосередньо подавати на існуючі пристрої для статистичної обробки результатів. Разом з тим перевага осцилографів і інших самописів-можливість візуально оцінити результат вимірювань безпосередньо після їхнього проведення і навіть в ході вимірювань.

Зв'язок між окремими елементами електричних ІВС здійснюється з допомогою електричних проводів, до яких пред'являються певні вимоги в залежності від умов роботи системи. В тензометричних системах опори проводів лінії зв'язку повинні бути на кілька порядків нижче опорів вимірювальних перетворювачів. Особливої уваги вимагають лінії зв'язку систем, що працюють в польових умовах. Вони повинні бути надійно захищені від впливу вологи та механічних ушкоджень. В більшості випадків лінія зв'язку повинна забезпечувати можливість переміщення випробуваного об'єкта щодо місця встановлення джерела живлення, пульта керування перетворювачів і вимірювальних пристроїв. Це вимагає гнучкого зв'язку. Для живлення одного каналу тензосистеми потрібно два провода, а у випадку багатоканальних систем кількість проводів відповідно збільшується. Зміна параметрів струму в прилеглих провідниках приводить до наведення перешкод, що спотворюють результати вимірів. Таким чином, для створення лінії зв'язку в зазначених умовах використають багатожильні броньовані кабелі, провідники яких надійно ізольовані та екрановані.