Τενόμετρα — τενομετρικοί μετατροπείς μέτρησης

Αισθητήρας μετρητή τάσης — ένας παραμετρικός μετατροπέας αντίστασης που μετατρέπει την παραμόρφωση ενός άκαμπτου σώματος που προκαλείται από μια μηχανική τάση που ασκείται σε αυτό σε ηλεκτρικό σήμα.

Ένα μανόμετρο αντίστασης είναι μια βάση με προσαρτημένο ένα ευαίσθητο στοιχείο. Η αρχή της μέτρησης της τάσης με τη χρήση μετρητή καταπόνησης είναι ότι η αντίσταση του μετρητή καταπόνησης αλλάζει κατά τη διάρκεια της παραμόρφωσης. Η επίδραση της αλλαγής της αντίστασης ενός μεταλλικού αγωγού υπό τη δράση της ολόπλευρης συμπίεσης (υδροστατική πίεση) ανακαλύφθηκε το 1856 από τον Λόρδο Kelvin και το 1881 από τον OD Hvolson.

Στη σύγχρονη μορφή του, ένας μετρητής τάσης αντιπροσωπεύει δομικά μια αντίσταση καταπόνησης, το ευαίσθητο στοιχείο του οποίου είναι κατασκευασμένο από ένα ευαίσθητο στην τάση υλικό (σύρμα, φύλλο κ.λπ.), στερεωμένο με συνδετικό (κόλλα, τσιμέντο) στο εξεταζόμενο εξάρτημα (Φιγούρα 1). Για να συνδέσετε το αισθητήριο στοιχείο στο ηλεκτρικό κύκλωμα, το μανόμετρο έχει καλώδια.Μερικοί μετρητές καταπόνησης σχεδιάζονται για ευκολότερη εγκατάσταση, διαθέτουν ένα μαξιλαράκι που βρίσκεται μεταξύ του ευαίσθητου στοιχείου και του υπό δοκιμή τμήματος, καθώς και ένα προστατευτικό στοιχείο που βρίσκεται πάνω από το ευαίσθητο στοιχείο.

Σχήμα 1 Σχηματική απεικόνιση του μετρητή καταπόνησης: 1- ευαίσθητο στοιχείο. 2- συνδετικό υλικό? 3- υπόστρωμα? 4- διερευνηθείσα λεπτομέρεια. 5- προστατευτικό στοιχείο. 6- μπλοκ για συγκόλληση (συγκόλληση). Καλωδίωση 7 συρμάτων

Με όλη την ποικιλία των εργασιών που επιλύονται με τη χρήση μορφοτροπέων μετρητή τάσης, μπορούν να διακριθούν δύο κύριοι τομείς χρήσης τους:

— μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων των υλικών, των παραμορφώσεων και των τάσεων σε μέρη και κατασκευές.

— τη χρήση μετρητών καταπόνησης για τη μέτρηση μηχανικών τιμών που μετατρέπονται σε παραμόρφωση ενός ελαστικού στοιχείου.

Η πρώτη περίπτωση χαρακτηρίζεται από σημαντικό αριθμό σημείων μέτρησης τάσης, μεγάλα εύρη μεταβολών των περιβαλλοντικών παραμέτρων, καθώς και από την αδυναμία βαθμονόμησης των καναλιών μέτρησης. Σε αυτή την περίπτωση, το σφάλμα μέτρησης είναι 2-10%.

Στη δεύτερη περίπτωση, οι αισθητήρες βαθμονομούνται σύμφωνα με τη μετρούμενη τιμή και τα σφάλματα μέτρησης είναι της τάξης του 0,5-0,05%.

Το πιο εντυπωσιακό παράδειγμα χρήσης μετρητών καταπόνησης είναι η ισορροπία. Οι ζυγαριές των περισσότερων Ρώσων και ξένων κατασκευαστών είναι εξοπλισμένες με μετρητές καταπόνησης. Οι κλίμακες κυψελών φορτίου χρησιμοποιούνται σε διάφορες βιομηχανίες: μη σιδηρούχα και σιδηρούχα μεταλλουργία, χημικές, κατασκευές, βιομηχανίες τροφίμων και άλλες βιομηχανίες.

Η αρχή λειτουργίας των ηλεκτρονικών ζυγαριών περιορίζεται στη μέτρηση της δύναμης της βαρύτητας που ασκεί το δυναμικό στοιχείο μετατρέποντας τις προκύπτουσες αλλαγές, όπως η παραμόρφωση, σε ένα αναλογικό ηλεκτρικό σήμα εξόδου.

Η ευρεία χρήση των αντιστάσεων τανυστού εξηγείται από ορισμένα πλεονεκτήματά τους:

— μικρό μέγεθος και βάρος·

— χαμηλή αδράνεια, η οποία επιτρέπει τη χρήση μετρητών καταπόνησης τόσο για στατικές όσο και για δυναμικές μετρήσεις·

— έχουν γραμμικό χαρακτηριστικό·

— να επιτρέπεται η πραγματοποίηση μετρήσεων εξ αποστάσεως και σε πολλά σημεία·

— η μέθοδος τοποθέτησής τους στο εξεταζόμενο τμήμα δεν απαιτεί πολύπλοκες διατάξεις και δεν παραμορφώνει το πεδίο παραμόρφωσης του εξεταζόμενου τμήματος.

Και το μειονέκτημά τους, που είναι η ευαισθησία στη θερμοκρασία, μπορεί να αντισταθμιστεί στις περισσότερες περιπτώσεις.

Τύποι μετατροπέων και σχεδιαστικά χαρακτηριστικά τους

Η λειτουργία των μετρητών καταπόνησης βασίζεται στο φαινόμενο του φαινομένου παραμόρφωσης, το οποίο συνίσταται σε αλλαγή της ενεργού αντίστασης των συρμάτων κατά τη μηχανική τους παραμόρφωση. Το χαρακτηριστικό της επίδρασης παραμόρφωσης του υλικού είναι ο συντελεστής σχετικής ευαισθησίας παραμόρφωσης K, που ορίζεται ως ο λόγος της αλλαγής της αντίστασης προς τη μεταβολή του μήκους του αγωγού:

k = er / el

όπου er = dr / r — η σχετική αλλαγή στην αντίσταση του αγωγού. el = dl / l — η σχετική αλλαγή στο μήκος του σύρματος.

Κατά την παραμόρφωση των στερεών σωμάτων, η μεταβολή του μήκους τους συνδέεται με αλλαγή όγκου και οι ιδιότητές τους, ιδίως η τιμή αντίστασης, αλλάζουν επίσης. Επομένως, η τιμή του συντελεστή ευαισθησίας στη γενική περίπτωση θα πρέπει να εκφράζεται ως

K = (1 + 2μ) + m

Εδώ, η ποσότητα (1 + 2μ) χαρακτηρίζει την αλλαγή στην αντίσταση που σχετίζεται με μια αλλαγή στις γεωμετρικές διαστάσεις (μήκος και διατομή) του αγωγού και — μια αλλαγή στην αντίσταση του υλικού που σχετίζεται με μια αλλαγή στη φυσική του ιδιότητες.

Εάν χρησιμοποιούνται υλικά ημιαγωγών στην παραγωγή του τανυστήρα, η ευαισθησία καθορίζεται κυρίως από την αλλαγή των ιδιοτήτων του υλικού του πλέγματος κατά την παραμόρφωσή του και τα K »m και μπορεί να ποικίλλει για διαφορετικά υλικά από 40 έως 200.

Όλοι οι υπάρχοντες μετατροπείς μπορούν να χωριστούν σε τρεις κύριους τύπους:

— σύρμα·

- αλουμινόχαρτο;

- μια ταινία.

Τα συρματόμετρα χρησιμοποιούνται στην τεχνική μέτρησης μη ηλεκτρικών μεγεθών σε δύο κατευθύνσεις.

Η πρώτη κατεύθυνση είναι η χρήση του φαινομένου παραμόρφωσης ενός αγωγού σε κατάσταση συμπίεσης όγκου, όταν η φυσική τιμή εισόδου του μορφοτροπέα είναι η πίεση του περιβάλλοντος αερίου ή υγρού. Στην περίπτωση αυτή, ο μορφοτροπέας είναι ένα πηνίο σύρματος (συνήθως μαγγανίνης) που τοποθετείται στην περιοχή της μετρούμενης πίεσης (υγρό ή αέριο). Η τιμή εξόδου του μετατροπέα είναι η αλλαγή στην ενεργή αντίστασή του.

Η δεύτερη κατεύθυνση είναι να χρησιμοποιήσετε το εφέ τάσης του σύρματος τάνυσης κατασκευασμένο από ένα ευαίσθητο στην τάση υλικό. Σε αυτή την περίπτωση, οι αισθητήρες τάσης χρησιμοποιούνται με τη μορφή "ελεύθερων" μετατροπέων και με τη μορφή κολλημένων.

Οι "ελεύθερες" μετρητές καταπόνησης κατασκευάζονται με τη μορφή ενός ή μιας σειράς συρμάτων, στερεωμένων στα άκρα μεταξύ των κινητών και ακίνητων μερών και, κατά κανόνα, εκτελούν ταυτόχρονα το ρόλο ενός ελαστικού στοιχείου. Η φυσική τιμή εισόδου τέτοιων μετατροπέων είναι πολύ μικρή κίνηση του κινούμενου μέρους.

Η συσκευή του πιο συνηθισμένου τύπου μετρητή τάνυσης συγκολλημένου σύρματος φαίνεται στο σχήμα 2. Ένα λεπτό σύρμα με διάμετρο 0,02-0,05 mm, τοποθετημένο σε σχήμα ζιγκ-ζαγκ, είναι κολλημένο σε μια λωρίδα λεπτού χαρτιού ή φύλλου λάκας. Στα άκρα του σύρματος συνδέονται σύρματα χαλκού με μόλυβδο. Το πάνω μέρος του μετατροπέα καλύπτεται με ένα στρώμα βερνικιού και μερικές φορές σφραγίζεται με χαρτί ή τσόχα.

Ο μορφοτροπέας συνήθως εγκαθίσταται έτσι ώστε η μακρύτερη πλευρά του να είναι προσανατολισμένη προς την κατεύθυνση της μετρούμενης δύναμης. Ένας τέτοιος μετατροπέας, κολλημένος στο δείγμα δοκιμής, αντιλαμβάνεται τις παραμορφώσεις του επιφανειακού του στρώματος. Έτσι, η φυσική τιμή εισόδου του κολλημένου μορφοτροπέα είναι η παραμόρφωση του επιφανειακού στρώματος του τμήματος στο οποίο είναι κολλημένος και η έξοδος είναι η αλλαγή στην αντίσταση του μορφοτροπέα ανάλογη με αυτήν την παραμόρφωση. Γενικά, οι κολλημένοι αισθητήρες χρησιμοποιούνται πολύ πιο συχνά από τους μη κολλημένους.

Σχήμα 2 - όργανο μέτρησης παραμόρφωσης συνδεδεμένου σύρματος: 1 - σύρμα μετρητή τάσης. 2- κόλλα ή τσιμέντο. 3- υπόστρωμα από σελοφάν ή χαρτί. Καλώδια 4 συρμάτων

Η βάση μέτρησης του μορφοτροπέα είναι το μήκος του τμήματος που καταλαμβάνει το σύρμα. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι μετατροπείς είναι βάσεις 5-20 mm με αντίσταση 30-500 ohms.

Εκτός από τον πιο συνηθισμένο σχεδιασμό μετρητή τάσης περιγράμματος, υπάρχουν και άλλοι. Εάν είναι απαραίτητο να μειωθεί η βάση μέτρησης του μορφοτροπέα (στα 3-1 mm), αυτό γίνεται με τη μέθοδο περιέλιξης, η οποία συνίσταται στην περιέλιξη μιας σπείρας σύρματος ευαίσθητου στο φορτίο σε έναν άξονα κυκλικής διατομής σε ένα σωλήνα λεπτό χαρτί. Αυτός ο σωλήνας στη συνέχεια κολλάται, αφαιρείται από τον άξονα, ισοπεδώνεται και τα σύρματα συνδέονται στα άκρα του σύρματος.

Όταν είναι απαραίτητο να ληφθεί μεγάλο ρεύμα από ένα κύκλωμα με θερμομετατροπέα, χρησιμοποιούν συχνά «Ισχυρούς» μετρητές καταπόνησης με κουλουριασμένο σύρμα... Αποτελούνται από μεγάλο αριθμό (έως 30 — 50) καλώδια συνδεδεμένα παράλληλα, διαφέρουν σε μεγάλα μεγέθη (μήκος βάσης 150 — 200 mm) και επιτρέπουν σημαντική αύξηση του ρεύματος που διέρχεται από τον μετατροπέα (Εικόνα 3).

Σχέδιο 3- Τενόμετρο με χαμηλή αντίσταση ("ισχυρό"): 1 — σύρμα μετρητή τάσης. 2- κόλλα ή τσιμέντο. 3- υπόστρωμα από σελοφάν ή χαρτί. Σύρμα 4 ακίδων

Οι ανιχνευτές καλωδίων έχουν μια μικρή περιοχή επαφής με το δείγμα (υπόστρωμα), η οποία μειώνει τα ρεύματα διαρροής σε υψηλές θερμοκρασίες και οδηγεί σε υψηλότερη τάση απομόνωσης μεταξύ του ευαίσθητου στοιχείου και του δείγματος.

Οι κυψέλες φόρτωσης αλουμινίου είναι η πιο δημοφιλής έκδοση αυτοκόλλητων κυψελών φόρτωσης. Οι μετατροπείς αλουμινίου είναι μια λωρίδα φύλλου πάχους 4-12 μικρομέτρων, στην οποία ένα τμήμα του μετάλλου επιλέγεται με χάραξη με τέτοιο τρόπο ώστε το υπόλοιπο μέρος του να σχηματίζει το πλέγμα μολύβδου που φαίνεται στο Σχήμα 4.

Κατά την παραγωγή ενός τέτοιου πλέγματος, μπορεί να προβλεφθεί οποιοδήποτε σχέδιο του πλέγματος, το οποίο είναι ένα σημαντικό πλεονέκτημα των μετρητών καταπόνησης φύλλου. Στην εικόνα 4, το a δείχνει την εμφάνιση ενός μορφοτροπέα φύλλων που έχει σχεδιαστεί για τη μέτρηση καταστάσεων γραμμικής τάσης, στο σχ. 4, c — ένας μετατροπέας αλουμινίου κολλημένος στον άξονα για τη μέτρηση των ροπών, και στο σχ. 4, β — κολλημένο στη μεμβράνη.

Σχέδιο 4- Μετατροπείς αλουμινίου: 1- βρόχοι ρύθμισης. 2- κάμψεις ευαίσθητες στις δυνάμεις εφελκυσμού της μεμβράνης. 3- περιστροφές ευαίσθητες στις συμπιεστικές δυνάμεις του διαφράγματος

Ένα σοβαρό πλεονέκτημα των μετατροπέων αλουμινίου είναι η δυνατότητα αύξησης της διατομής των άκρων του μετατροπέα. Η συγκόλληση (ή η συγκόλληση) συρμάτων μπορεί να γίνει σε αυτή την περίπτωση πολύ πιο αξιόπιστα από ό,τι με τους μετατροπείς σύρματος.

Οι παραμορφωτές αλουμινίου, σε σύγκριση με τους συρμάτινους, έχουν υψηλότερο λόγο της επιφάνειας του ευαίσθητου στοιχείου προς την περιοχή διατομής (ευαισθησία) και είναι πιο σταθεροί σε κρίσιμες θερμοκρασίες και παρατεταμένα φορτία. Η μεγάλη επιφάνεια και η μικρή διατομή εξασφαλίζουν επίσης καλή επαφή θερμοκρασίας μεταξύ του αισθητήρα και του δείγματος, γεγονός που μειώνει την αυτοθέρμανση του αισθητήρα.

Για την παραγωγή μετρητών καταπόνησης φύλλου, χρησιμοποιούνται τα ίδια μέταλλα όπως και για τα τηλενόμετρα (constantan, nichrome, κράμα νικελίου-σιδήρου, κ.λπ.), και χρησιμοποιούνται επίσης άλλα υλικά, για παράδειγμα, κράμα τιτανίου-αλουμινίου 48T-2, το οποίο μετρά παραμορφώσεις έως και 12 %, καθώς και μια σειρά από ημιαγωγικά υλικά.

Τανυστήρες φιλμ

Τα τελευταία χρόνια, έχει εμφανιστεί μια άλλη μέθοδος μαζικής παραγωγής στελεχών δεσμευμένης αντίστασης, η οποία συνίσταται στην εξάχνωση υπό κενό ενός ευαίσθητου στην παραμόρφωση υλικού και στην επακόλουθη συμπύκνωση του σε ένα υπόστρωμα που ψεκάζεται απευθείας πάνω στο τεμάχιο εργασίας. Τέτοιοι μορφοτροπείς ονομάζονται μετατροπείς φιλμ. Το μικρό πάχος τέτοιων μετρητών καταπόνησης (15-30 μικρά) δίνει σημαντικό πλεονέκτημα κατά τη μέτρηση παραμορφώσεων σε δυναμική λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες, όπου οι μετρήσεις καταπόνησης αποτελούν εξειδικευμένη περιοχή έρευνας.

Ένας αριθμός μετρητών τάσης μεμβράνης με βάση το βισμούθιο, το τιτάνιο, το πυρίτιο ή το γερμάνιο έχουν κατασκευαστεί με τη μορφή μιας ενιαίας αγώγιμης λωρίδας (Εικόνα 5).Τέτοιοι μορφοτροπείς δεν έχουν το μειονέκτημα της μείωσης της σχετικής ευαισθησίας του μορφοτροπέα σε σύγκριση με την ευαισθησία του υλικού από το οποίο κατασκευάζεται ο μορφοτροπέας.

Εικόνα 5- Μεμβράνη καταπόνησης φιλμ: 1- φιλμ μετρητή τάσης. 2- φύλλο λάκας? σύρμα 3 ακίδων

Ο συντελεστής μετρητή καταπόνησης ενός μορφοτροπέα που βασίζεται σε μεταλλικό φιλμ είναι 2-4 και η αντίστασή του ποικίλλει από 100 έως 1000 ohms. Οι μετατροπείς που κατασκευάζονται με βάση το φιλμ ημιαγωγών έχουν συντελεστή της τάξης του 50-200 και επομένως είναι πιο ευαίσθητοι στην εφαρμοζόμενη τάση. Σε αυτή την περίπτωση, δεν χρειάζεται να χρησιμοποιήσετε κυκλώματα ενισχυτή, καθώς η τάση εξόδου της γέφυρας καταπόνησης-αντίστασης ημιαγωγών είναι περίπου 1 V.

Δυστυχώς, η αντίσταση ενός μετατροπέα ημιαγωγών ποικίλλει ανάλογα με την εφαρμοζόμενη τάση και είναι ουσιαστικά μη γραμμική σε όλο το εύρος τάσης και εξαρτάται επίσης σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Έτσι, αν και απαιτείται ενισχυτής όταν εργάζεστε με παραμορφωτή μεταλλικής μεμβράνης, η γραμμικότητα είναι πολύ υψηλή και το φαινόμενο θερμοκρασίας μπορεί εύκολα να αντισταθμιστεί.