Tenometri — tenzometrični merilni pretvorniki

Senzor merilnika napetosti — parametrični uporovni pretvornik, ki pretvori deformacijo togega telesa, ki jo povzroči mehanska obremenitev, v električni signal.

Uporovni merilnik tlaka je osnova s ​​pritrjenim občutljivim elementom. Načelo merjenja deformacij z uporabo deformacijskega merilnika je, da se upornost deformacijskega merilnika spreminja med deformacijo. Učinek spremembe upora kovinskega prevodnika pod delovanjem vsestranske kompresije (hidrostatični tlak) je leta 1856 odkril Lord Kelvin in leta 1881 OD Hvolson.

V sodobni obliki merilnik napetosti strukturno predstavlja deformacijski upor, katerega občutljivi element je izdelan iz materiala, občutljivega na napetost (žica, folija itd.), Pritrjen z vezivom (lepilo, cement) na preiskovanem delu. (Slika 1). Za povezavo senzorskega elementa z električnim tokokrogom ima merilnik napetosti žice.Nekateri merilniki napetosti so zasnovani za lažjo namestitev, imajo blazinico, ki se nahaja med občutljivim elementom in preizkušanim delom, kot tudi zaščitni element, ki se nahaja nad občutljivim elementom.

Slika 1 Shema merilnika napetosti: 1- občutljiv element; 2- vezivo; 3- substrat; 4- preiskovan detajl; 5- zaščitni element; 6- blok za spajkanje (varjenje); 7-žilno ožičenje

Pri vsej raznolikosti nalog, ki se rešujejo z uporabo pretvornikov merilnika napetosti, lahko ločimo dve glavni področji njihove uporabe:

— preučevanje fizikalnih lastnosti materialov, deformacij in napetosti v delih in konstrukcijah;

— uporaba merilnikov napetosti za merjenje mehanskih vrednosti, ki se pretvorijo v deformacijo elastičnega elementa.

Za prvi primer je značilno veliko število merilnih točk napetosti, širok razpon sprememb parametrov okolja, pa tudi nezmožnost kalibracije merilnih kanalov. V tem primeru je merilna napaka 2-10%.

V drugem primeru se senzorji kalibrirajo glede na izmerjeno vrednost in so napake meritev v območju 0,5-0,05 %.

Najbolj presenetljiv primer uporabe merilnikov napetosti je tehtnica. Tehtnice večine ruskih in tujih proizvajalcev so opremljene z merilniki napetosti. Tehtnice merilnih celic se uporabljajo v različnih industrijah: barvni in črni metalurgiji, kemični, gradbeni, živilski in drugih industrijah.

Načelo delovanja elektronskih tehtnic je zmanjšano na merjenje sile gravitacije, ki deluje na tehtalno celico, s pretvorbo posledičnih sprememb, kot je deformacija, v sorazmeren izhodni električni signal.

Široka uporaba tenzorskih uporov je razložena s številnimi njihovimi prednostmi:

— majhna velikost in teža;

— nizka vztrajnost, ki omogoča uporabo merilnikov napetosti za statične in dinamične meritve;

— imajo linearno karakteristiko;

— omogočajo meritve na daljavo in na več točkah;

— način njihove namestitve na preiskovanem delu ne zahteva zapletenih naprav in ne izkrivlja deformacijskega polja preiskovanega dela.

In njihovo pomanjkljivost, to je temperaturna občutljivost, je v večini primerov mogoče nadomestiti.

Vrste pretvornikov in njihove konstrukcijske značilnosti

Delovanje merilnikov napetosti temelji na pojavu deformacijskega učinka, ki je sestavljen iz spremembe aktivnega upora žic med njihovo mehansko deformacijo. Značilnost deformacijskega učinka materiala je koeficient relativne deformacijske občutljivosti K, opredeljen kot razmerje med spremembo odpornosti in spremembo dolžine prevodnika:

k = er / el

kjer er = dr / r - relativna sprememba upora prevodnika; el = dl / l - relativna sprememba dolžine žice.

Pri deformaciji trdnih teles je sprememba njihove dolžine povezana s spremembo prostornine, spreminjajo pa se tudi njihove lastnosti, zlasti vrednost upora. Zato je treba vrednost koeficienta občutljivosti v splošnem primeru izraziti kot

K = (1 + 2μ) + m

Tu količina (1 + 2μ) označuje spremembo upora, povezano s spremembo geometrijskih dimenzij (dolžine in prečnega prereza) prevodnika, in — spremembo upora materiala, povezano s spremembo njegove fizične lastnosti.

Če se pri izdelavi tenzorja uporabljajo polprevodniški materiali, je občutljivost določena predvsem s spremembo lastnosti mrežnega materiala med njegovo deformacijo in K »m in se lahko za različne materiale spreminja od 40 do 200.

Vse obstoječe pretvornike lahko razdelimo na tri glavne vrste:

— žica;

- folija;

- film.

Žični telemetri se uporabljajo v tehniki merjenja neelektričnih veličin v dveh smereh.

Prva smer je uporaba deformacijskega učinka prevodnika v stanju volumske stiskanja, ko je naravna vhodna vrednost pretvornika tlak okoliškega plina ali tekočine. V tem primeru je pretvornik tuljava žice (običajno manganina), nameščena v območju izmerjenega tlaka (tekočina ali plin). Izhodna vrednost pretvornika je sprememba njegovega aktivnega upora.

Druga smer je uporaba nateznega učinka natezne žice iz natezno občutljivega materiala. V tem primeru se napetostni senzorji uporabljajo v obliki "prostih" pretvornikov in v obliki lepljenih.

"Prosti" merilniki napetosti so izdelani v obliki ene ali vrste žic, pritrjenih na koncih med premičnimi in nepremičnimi deli in praviloma istočasno opravljajo vlogo elastičnega elementa. Naravna vhodna vrednost takih pretvornikov je zelo malo premikanja gibljivega dela.

Naprava najpogostejšega tipa merilnika napetosti vezane žice je prikazana na sliki 2. Tanka žica s premerom 0,02-0,05 mm, nameščena v cikcak vzorcu, je prilepljena na trak tankega papirja ali lakirane folije. Osvinčene bakrene žice so povezane s koncem žice. Vrh pretvornika je prekrit s plastjo laka in včasih zapečaten s papirjem ali klobučevino.

Pretvornik je običajno nameščen tako, da je njegova najdaljša stranica usmerjena v smeri merjene sile. Tak pretvornik, prilepljen na preskušanec, zaznava deformacije njegove površinske plasti. Tako je naravna vhodna vrednost lepljenega pretvornika deformacija površinske plasti dela, na katerega je prilepljen, izhod pa je sprememba upora pretvornika sorazmerna s to deformacijo. Na splošno se lepljeni senzorji uporabljajo veliko pogosteje kot nelepljeni.

Slika 2 - merilnik napetosti vezane žice: 1 - žica merilnika napetosti; 2- lepilo ali cement; 3- celofan ali papirna podlaga; 4-žilne žice

Merilna osnova pretvornika je dolžina dela, ki ga zaseda žica. Najpogosteje uporabljeni pretvorniki so 5-20 mm osnove z uporom 30-500 ohmov.

Poleg najpogostejše zasnove konturnega merilnika napetosti obstajajo tudi drugi. Če je treba zmanjšati merilno osnovo pretvornika (na 3-1 mm), se to izvede z metodo navijanja, ki je sestavljena iz navijanja spirale žice, občutljive na obremenitev, na trnu s krožnim prerezom na cevi iz tanek papir. To cev nato zlepimo, odstranimo s trna, sploščimo in žice pritrdimo na konce žice.

Kadar je treba pridobiti velik tok iz vezja s termopretvornikom, pogosto uporabljajo "močne" merilnike napetosti z navito žico ... Sestavljeni so iz velikega števila (do 30 - 50) žic, povezanih vzporedno, se razlikujejo v velikih velikostih (dolžina baze 150 — 200 mm) in omogočajo znatno povečanje toka, ki poteka skozi pretvornik (slika 3).

Risba 3- Tenometer z nizkim uporom ("močan"): 1 - žica merilnika napetosti; 2- lepilo ali cement; 3- celofan ali papirna podlaga; 4 polna žica

Žične sonde imajo majhno kontaktno površino z vzorcem (substratom), kar zmanjša uhajajoče tokove pri visokih temperaturah in vodi do višje izolacijske napetosti med občutljivim elementom in vzorcem.

Tehtalne celice iz folije so najbolj priljubljena različica lepilnih tehtalnih celic. Folijski pretvorniki so trak folije debeline 4-12 mikronov, na katerem je del kovine izbran z jedkanjem tako, da preostali del tvori svinčeno mrežo, prikazano na sliki 4.

Pri izdelavi takšne mreže je možno predvideti poljuben vzorec mreže, kar je bistvena prednost folijskih merilnikov napetosti. Na sliki 4 a prikazuje videz folijskega pretvornika, zasnovanega za merjenje linearnih napetostnih stanj, na sl. 4, c - pretvornik folije, prilepljen na gred za merjenje navorov, in na sl. 4, b - prilepljen na membrano.

Risba 4- Pretvorniki folije: 1- nastavitvene zanke; 2- krivine, občutljive na natezne sile membrane; 3- rotacije, občutljive na tlačne sile diafragme

Resna prednost folijskih pretvornikov je možnost povečanja preseka koncev pretvornika; varjenje (oz. spajkanje) žic lahko v tem primeru opravimo veliko bolj zanesljivo kot z žičnimi pretvorniki.

Folijski deformatorji imajo v primerjavi z žičnimi večje razmerje med površino občutljivega elementa in površino prečnega prereza (občutljivost) in so bolj stabilni pri kritičnih temperaturah in trajnih obremenitvah. Velika površina in majhen prerez zagotavljata tudi dober temperaturni stik med senzorjem in vzorcem, kar zmanjša samosegrevanje senzorja.

Za izdelavo folijskih merilnikov napetosti se uporabljajo enake kovine kot za telenometre (konstantan, nikrom, nikelj-železova zlitina itd.), uporabljajo pa se tudi drugi materiali, na primer titan-aluminijeva zlitina 48T-2, ki meri napetosti do 12 %, pa tudi številne polprevodniške materiale.

Filmski tenzorji

V zadnjih letih se je pojavila še ena metoda za množično proizvodnjo vezanih upornih deformacij, ki je sestavljena iz vakuumske sublimacije deformacijsko občutljivega materiala in njegove kasnejše kondenzacije na substratu, razpršenem neposredno na obdelovanec. Takšni pretvorniki se imenujejo filmski pretvorniki.Majhna debelina takšnih merilnikov napetosti (15-30 mikronov) daje pomembno prednost pri merjenju napetosti v dinamičnem načinu pri visokih temperaturah, kjer so meritve napetosti specializirano področje raziskav.

Številni filmski merilniki napetosti na osnovi bizmuta, titana, silicija ali germanija so bili izdelani v obliki enega samega prevodnega traku (slika 5).Takšni pretvorniki nimajo pomanjkljivosti zmanjšanja relativne občutljivosti pretvornika v primerjavi z občutljivostjo materiala, iz katerega je pretvornik izdelan.

Slika 5- Filmski merilnik napetosti: 1- film merilnika napetosti; 2- lakirana folija; 3-polna žica

Koeficient deformacije pretvornika na osnovi kovinskega filma je 2-4, njegova upornost pa se spreminja od 100 do 1000 ohmov. Pretvorniki, izdelani na osnovi polprevodniškega filma, imajo koeficient reda 50-200 in so zato bolj občutljivi na uporabljeno napetost. V tem primeru ni potrebe po uporabi ojačevalnih vezij, saj je izhodna napetost polprevodniškega mostička deformacijskega upora približno 1 V.

Na žalost se upor polprevodniškega pretvornika spreminja z uporabljeno napetostjo in je v bistvu nelinearen v celotnem območju napetosti, prav tako pa je močno odvisen od temperature. Čeprav je torej pri delu z deformatorjem kovinskega filma potreben ojačevalnik, je linearnost zelo visoka in temperaturni učinek je mogoče enostavno kompenzirati.