Тензодатчики

Принцип действия тензодатчиков основан на изменении со­противления материала проводника при деформации (растяжении или сжатии последнего).

Тензодатчики из-за своих преимуществ —

· малых габаритных размеров и веса,

· безынерционности,

· возможности размещения в труднодоступных местах,

· простоты и дешевизны

— находят широкое применение при измерении деформаций и других неэлек­трических величин, которые могут быть преобразованы в дефор­мации.

Основные недостатки тензодатчиков —

· малая величина отно­сительного изменения сопротивления (поэтому необходимо приме­нять высокочувствительные измерительные устройства или уси­лители) и

· большая температурная погрешность.

Обычно для измерения деформации тензодатчик включают в схему измерительного моста. При оптимальном выборе элемен­тов мостовой схемы чувствительность моста можно увеличить за счет большого изменения сопротивления датчика (т. е. за счет увеличения тензочувствительности датчика), а также за счет увеличения силы тока, протекающего через датчик.

Увеличение тока ограничивается способностью датчика рас­сеивать тепло, выделяющееся при прохождении через него тока. Количество рассеиваемого тепла пропорционально поверхности проводника датчика, поэтому датчики, изготовленные из фольги, и ленточные тензодатчики позволяют получить большую чувстви­тельность, чем проволочные.

Иногда для увеличения чувствительности в мостовую схему включают два или даже четыре одинаковых тензодатчика, которые наклеиваются на исследуемую деталь так, что один датчик ра­ботает на растяжение, а смежный с ним — на сжатие.

Следует отметить, что электрический сигнал (напряжение) на выходе мостовой схемы с тензодатчиком обычно не превышает 10 мв.

Для компенсации температурной погрешности тензодатчика часто используют два одинаковых датчика, которые размещают в месте измерения, причем один из них — на деформируемой детали, а другой — на детали, не подвергающейся деформации, и включают их в смежные плечи моста. Так как оба датчика на­ходятся в одинаковых температурных условиях, приращения их сопротивлений за счет изменения температуры одинаковы в обоих плечах моста и не оказывают влияния на результат изме­рения.

В тензометрической технике применяют четыре вида тензо­датчиков:

· проволочные,

· фольговые,

· полупроводниковые и

· резино-проволочные.

Последние применяют для измерения больших деформаций.

В тензометрической технике используют две схемы включения датчиков:

· потенциометрическую (рис. 44, а) и

· мостовую (рис. 44, б).

При использовании потенциометрической схемы регистри­руется лишь переменная составляющая измеряемой деформации. Для этого в схеме установлен разделительный конденсатор С. Наиболее распространенной схемой включения тензодатчиков является мостовая схема, причем в зависимости от назначения аппаратуры используют схемы балансного моста (рис. 44, в) и небалансного моста (рис. 44, г).

Потенциометрическая схема получает питание от источника постоянного тока, мостовые схемы работают как на постоянном, так и на переменном токе.

Рис. 44. Схемы включения тензодатчиков:

а — потенциометрическая;

б — мостовая;

в — балан­сного моста;

г — небалансного моста

При использовании мостов (как балансных, так и небалансных) необходимо осуществлять их балансировку. Мосты постоянного тока балансируют по активному сопротивлению, например, путем перемещения подвижного контакта реохорда R_p (рис. 44, в) или с помощью балансировочных сопротивлений R _б(рис. 44, г). Мосты переменного тока балансируют по реактивной составляющей, для этого в диагональ питания подключают балансировоч­ный конденсатор С _б.

Уравнение, характеризующее работу входного моста постоян­ного тока, в общем случае имеет вид

где U_p — напряжение разбаланса (напряжение на выходе схемы);

R_д — сопротивление датчика;

Δ R_д —изменение сопротивления датчика при деформации;

R _к— сопротивление компенсационного датчика;

I ₁— показан на рис. 44.

Для симметричного моста

,

где U — напряжение питания мостовой схемы,

k — коэффициент пропорциональности,

ε — деформация.

Проведение качественного измерения во многом зависит от подготовки аппаратуры к измерениям. До проведения измерений все элементы измерительного тракта проходят всестороннюю проверку и тарировку в лабораторных условиях.

Подготовка тензодатчиков сопротивления включает в себя проверку и сортировку датчиков по величине сопротивления, определение коэффициента тензочувствительности серии датчи­ков, вычисление вероятной погрешности (разброса) в чувствитель­ности этих датчиков.

Для проведения опыта следует выбирать датчики одной серии с близким номинальным сопротивлением [с разбросом ± (0,1÷0,2) ом ]и одинаковым коэффициентом тензочувствительности.

Коэффициент тензочувствительности тензодатчиков сопротив­ления определяют выборочно для 3—5% от общего числа датчиков в серии. Результаты распространяют на всю серию датчиков одного сопротивления и идентичной технологии изготовления. Выбран­ная часть датчиков (обычно не менее 15—25 шт.) наклеивается на тарировочную балку на участок одинаковой и известной де­формации. Наиболее простой и надежной является призматиче­ская балка чистого изгиба, нагружаемая по концам равными мо­ментами. Тензодатчики наклеивают на балку тем же клеем и по той же технологии, которые будут применены во время последу­ющих экспериментальных работ.

Коэффициент тензочувствительности датчиков можно найти с помощью прибора для измерения статических деформаций, на­пример ИД-2. Для этого на прибор устанавливают любое, но точно известное значение коэффициента чувствительности моста k ₁. Далее нагружением тарировочной балки на ее поверхности задается известная деформация ε_бал, а по всем тензодатчикам сни­мают отсчеты ε _i.

По показаниям датчиков находят среднее арифметическое значение измеренной деформации

где п — число наклеенных тензодатчиков.

Истинный коэффициент тензочувствительности датчиков k находится по формуле

Вероятная погрешность результата измерения, вызванная разбросом тензочувствительности датчиков внутри серии, вычис­ляется путем математической обработки показаний датчиков, использованных для пробной наклейки, по формуле

,

где — остаточная погрешность.

Вероятная погрешность S является критерием пригодности датчиков для измерений. У лучших фольговых датчиков она не превышает 0,2%, а у проволочных датчиков величина S, как правило, превышает 1%. Серия датчиков, у которых значение S превышает 3—4%, должна рассматриваться как непригодная для практических целей.

Все эти операции выполняют в том случае, если тензодатчики используются непосредственно для измерения линейных деформаций. Если тензометры сопротивления выполняют роль чув­ствительных элементов в составе датчиков для измерения, на­пример, давления, вибрации, ускорений, то перед наклейкой необходимо их только проверить. Разброс значений коэффициен­тов тензочувствительности внутри серии тензодатчиков не повлияет на точность измерений, так как в этом случае имеется прямая зависимость между имитированной физической величиной (давле­нием, перемещением и т. д.) и приращением сопротивления тензочувствительной нити. Различие в коэффициенте тензочувстви­тельности учитывается и входит в тарировочный коэффициент.

Качественная тарировка датчиков механических величин и создание специальных тарировочных приспособлений и устройств занимают одно из главных мест в технике эксперимента. При подготовке датчиков к работе основное внимание уделяется снятию стабильных амплитудных характеристик и несколько меньшее (за исключением специальных случаев) снятию частотных харак­теристик. Это объясняется двумя причинами.

Во-первых, суще­ствующие системы автоматической калибровки чувствительности, исключающие систематические погрешности тензометрического канала, не учитывают датчик.

Во-вторых, частотные свойства датчиков физических величин определяются в основном собствен­ной частотой упругих элементов, менее подверженной измерениям по сравнению с тензоизмерительными каналами и регистраторами.

Для тарировки датчиков перемещений используются плат­формы, обеспечивающие строго фиксируемое сближение концов датчика. Образцом такой платформы может служить тарировочный станок типа ИЗС-15, для которого сближение контрольных (уста­новочных) площадок достигает ±15 мм. При использовании опти­метров можно задавать перемещения с погрешностью менее 1,0 мкм. Амплитудные характеристики датчиков перемещений легко сни­жать и на обычных виброплатформах. При этом один конец дат­чика перемещений скрепляется с основанием стенда, а другой — с колеблющимся столиком.

Снятие амплитудных характеристик мембранных датчиков давления с наклеенными на мембрану тензодатчиками выполняется на тарировочных прессах, с помощью которых создается статиче­ское давление практически любой величины. Величина задавае­мого давления измеряется образцовыми стрелочными манометрами класса 0,1 или 0,2. Для построения тарировочной кривой вполне достаточно получить 8—10 точек.

Существуют установки, создающие пульсирующее гидродина­мическое давление, например, платформа типа ДП-1 с полосой частот пульсации до 25 гц. Для большинства мембранных датчиков эта область весьма далека от резонанса, и их частотные свойства определяются в очень узком диапазоне. Однако такая динамиче­ская проверка позволяет проверить надежность всех узлов дат­чика и усталостную прочность мембраны.

О частотных возможностях датчиков давления в большинстве случаев судят по собственной частоте мембраны и несущей частоте работающего с ними тензометрического устройства (тензостанции). Обе эти частоты должны быть значительно выше частоты измеряе­мого процесса. Собственная частота мембраны определяется по ее затухающим колебаниям после отклонения от положения равно­весия.

Амплитудные характеристики датчиков ускорений в основном снимают с помощью маятниковых устройств, устройств типа цен­трифуги, камертонных платформ и виброплатформ различного типа. Наиболее простой является тарировка датчиков ускорений на величину ±g путем изменения ориентировки оси измерений по отношению к направлению сил тяжести. Для этого выбирают го­ризонтальную площадку, на которой устанавливают испытуемый акселерометр с осью измерений, ориентированной вертикально.

Снимаются показания при повороте оси акселерометра на ±90°. Для получения промежуточных значений акселерометр закреп­ляется на поворотном столике, снабженном устройством для точ­ного отсчета последовательно задаваемых углов наклонений. Составляющая ускорений силы тяжести a_g изменяется в зависи­мости от угла α поворота столика

a_g = g (1 - cos α),

причем угол α отсчитывается от вертикального направления.

Весьма просто можно выполнить тарировку акселерометра с помощью маятника. Акселерометр закрепляется на маятнике, который отклоняется на некоторый угол от положения равновесия и затем освобождается без начальной скорости. Маятник совер­шает затухающие колебания, параметры которых точно известны. Рационально ориентировать ось измерений датчика акселерометра по направлению действия центробежных ускорений.

Амплитудное значение ускорений можно задавать с высокой степенью точности в пределах от 0,001 до 10 g.

Наибольшее применение получили различного вида вибра­ционные платформы, подвижной столик которых совершает гар­монические колебания. Тарируемый акселерометр укрепляют па подвижном столике, перемещения которого можно варьировать в широком диапазоне по амплитуде и частоте. Специфическим требованием, которое предъявляется при тарировке датчиков ускорений, является минимальное искажение гармонической фор­мы колебаний. Если колебания несколько отличаются от синусои­дальных, что характеризуется коэффициентом нелинейных иска­жений по перемещению (клирфактором) γ,то форма кривой уско­рений будет значительно отличаться от синусоидальной и тари­ровка окажется некачественной.

Существенное влияние на форму кривой ускорений оказывают шумы работающих стендов, которые вызываются зазорами в по­движных соединениях, зубчатыми передачами и местными резонансами узлов и деталей стенда.

Большое распространение получили вибростенды электроди­намического типа, примером которых может служить вибрацион­ный столик типа 4290 фирмы Брюль и Къер. Источником колеба­ний столика является взаимодействие переменного магнитного ноля катушки с полем постоянного магнита. Столик имеет встроен­ный акселерометр, с помощью которого удается улучшить частот­ную характеристику устройства путем управления током, пита­ющим катушку. При использовании специальных генераторов частотная характеристика получается линейной в диапазоне от 100 до 15 000 гц.

Другим типом тарировочных приспособлений, которые обла­дают очень малым клирфактором по ускорению, являются камер­тонные платформы, совершающие колебания в резонансном режиме. Датчик укрепляют на одной из ветвей камертона, На Дру­гой ветви укрепляют массу, равную массе датчика. Далее с по­мощью электромагнита, питаемого от генератора звуковой ча­стоты, возбуждаются незатухающие колебания. С помощью ка­мертонов может быть достигнут уровень в несколько сотен уско­рений силы тяжести.

Подготовка датчиков для измерения абсолютных перемещений при вибрации заключается в снятии амплитудной и частотной характеристик. Наибольшее внимание при этом уделяется частотным характеристикам, поскольку важно обеспечить необходимое соотношение между собственной частотой виброметра и частотой исследуемого процесса. Минимальная собственная частота суще­ствующих виброметров составляет 1,5—2 гц, большинство же ти­повых датчиков имеет еще более высокую собственную частоту. Колебания реальных инженерных сооружений имеют частоту по­рядка 2—3 гц. Это обстоятельство заставляет в ряде случаев выполнять измерения на нелинейном участке частотной характе­ристики вблизи резонанса. Последующая обработка таких вибро­грамм возможна лишь при наличии качественных частотных ха­рактеристик датчиков при условии, что они не изменяются как во время тарировки, так и во время опытов. Незначительные изме­нения внешних условий (температуры, условий смазки или смена вибрографа) приводят к трудно учитываемому изменению тарировочных коэффициентов. Поэтому при работе на нелинейном участке следует тарировать вибродатчики в условиях, близких к условиям измерений.

В некоторых случаях для контроля стабильности работы датчиков непосредственно во время испытаний удобно пользо­ваться переносными виброплатформами. При снятии частотных характеристик следует уделять внимание уровню амплитуд виб­рации, который задается виброплатформой. При большом уровне указанных амплитуд силы трения, особенно составляющие сил сухого трения, значительно меньше влияют на качество тарировки, чем при малом уровне. При малых амплитудах и низкой частоте инерционные усилия массы вибрографа оказываются 'очень ма­лыми, соизмеримыми с силами сухого трения. По мере понижения частоты и приближения к резонансу вместо ожидаемого подъема частотная характеристика падает. При измерении низкочастот­ной вибрации желательно иметь систему резонансных кривых при различных амплитудах, ожидаемых во время опыта.

Примером тарировочных виброплатформ могут служить оте­чественные стенды типа В-68, В-50 и др.

Подготовка основной тензометрической аппаратуры и реги­страторов заключается во всесторонней проверке надежности и снятии их амплитудных и частотных характеристик.

Массовое тензометрирование требует применения автомати­ческих калибраторов и иных устройств, облегчающих обслуживание большого числа приборов. Подготовка вспомогательной аппаратуры заключается в составлении паспортов и проверке номиналов тарировочных сопротивлений, частот генераторов, отметчиков времени и синхронизаторов.

Проведение измерений с помощью тензодатчиков сопротивле­ния включает в себя установку датчиков в точках измерения, монтаж измерительной схемы, частотные и общие проверки аппа­ратуры, предварительные тарировки и калибровки, непосред­ственно измерения.

Установка тензодатчиков сопротивления для измерения ли­нейных деформаций в большинстве случаев осуществляется на­клейкой их на поверхности конструкций. Технология наклейки датчиков на поверхности конструкций несложна, но требует боль­шой точности выполнения всех технологических операций, акку­ратности и известных навыков.

Поверхность конструкции в месте наклейки тензодатчика очищается от следов краски или ржавчины с помощью слесарных инструментов и наждачной бумаги. При массовом тензометрировании стальных конструкций поверхность целесообразно зачи­щать абразивным кругом, насаженным на вал электрической или пневматической дрели. Далее для удаления жировых и органи­ческих наслоений поверхность обрабатывается очищенным бен­зином. Окончательная промывка осуществляется спиртом или ацетоном до тех пор, пока смоченная вата или марля не будет совершенно чистой. Размеры зачищенной поверхности должны быть значительно больше площади тензодатчика, что исключает попада­ние грязи под датчик и дает возможность после наклейки обеспе­чить надежную влагоизоляцию.

В зависимости от типа применяемых тензодатчиков, материала исследуемой конструкции и условий испытаний применяют те пли иные сорта клеев и технологию наклейки и сушки, существует большое число различных рецептов. Так, для проволочных тен­зодатчиков, используемых для динамических измерений, суще­ствует быстрый способ наклейки с помощью нитроклея, состав­ленного из нитроцеллюлозы и ацетона. Для статических измере­ний этот клей применять не следует, так как он обладает весьма большой ползучестью.

В последнее время большое распространение получили кремне-митроглифталиевые клеи. Хорошие результаты дает наклейка датчиков с помощью густого ацетоно-целлулоидного клея. Его состав в %:

Коллоксилин средней вязкости №2..... 15

Ацетон............................................ 23

Амилацетат..................................... 30

Серный эфир......................................... 30

Канифоль светлая.................................. 2

Для измерении деформаций на поверхностях конструкций, работающих при повышенных температурах, используют как бакелитовые клеи, так и специальные клеи, например клей В-58, ВН-15.

Наибольшее распространение получила технология наклейки проволочных и фольговых датчиков с помощью клеев БФ-2 и БФ-4. Это объясняется тем, что сами датчики, как правило, вы­полняются на бакелитовом лаке, и тем, что при сравнительно про­стой технологии качество наклейки получается достаточно вы­соким. Ползучесть клея весьма мала, и этот способ можно реко­мендовать для измерения статических деформаций.

Наклейка тензометра начинается с подогревания подготов­ленной поверхности до температуры 50—70° С с помощью инфра­красной или паяльной лампы. При большом числе датчиков можно использовать автоген. На подогретую поверхность наносят тонкий слой БФ-4, которому дают несколько подсохнуть. Одновременно такой же слой клея наносят на обратную сторону датчика. На поверхность наносят второй слой клея, слегка подсушивают и затем к поверхности прижимают тензодатчик. Наклеенный тензодатчик подсушивают в течение 30—40 мин при подогреве до 50—70° С. Признаком окончания просушки служит возрастание величины сопротивления изоляции между поверхностью металла и тензодатчиком до 50—100 Мом. Если сопротивление продолжает оставаться низким, то процесс сушки необходимо продолжить. При наклейке тензодатчиков на пластмассы и иные неметалли­ческие материалы не следует превышать допустимую температуру, так как это может привести к порче конструкции.

Рекомендованную технологию наклейки на стальные конструк­ции можно дополнить второй ступенью прогрева конструкции и датчика до более высоких температур (120—140° С). В процессе нагревания происходит полная полимеризация бакелито-фенольного слоя. Полимеризованный клей обеспечивает практически полное отсутствие ползучести. Например, степень ползучести по деформации характеризуется величиной 0,2—0,3% в час. Следует заметить, что наклейка тензодатчиков сопротивления на упругие элементы датчиков давления, вибрации и ускорений обычно вы­полняется по приведенной выше технологии с применением полной полимеризации. Сильный прогрев, однако, трудно достижим в на­турных условиях, и измерения проводятся с частично полимеризованным слоем клея при несколько большей ползучести.

Для защиты наклеенных тензодатчиков сопротивления от дей­ствия влаги необходима хорошая герметизация. Попадание влаги на тензодатчик нарушает его нормальную работу, так как при этом резко уменьшается сопротивление изоляции датчика, нарушаются его механические свойства и уменьшается прочность его наклейки на конструкцию. Разработан ряд методов рациональной гермети­зации и влагозащиты датчиков.

Тензометрическая аппаратура часто располагается на некото­ром расстоянии от точек измерения, которое не должно превышать предельной длины линий, допустимой для того или иного типа тензостанций. Следует стремиться располагать тензостанции ближе к датчикам. В этом случае погрешности, вызванные влиянием линий связи, будут минимальными. Если помещение, в котором располагаются тензостанции, подвержено воздействию вибрации или сотрясений, то необходимо предусмотреть амортизацию. В ка­честве амортизатора можно использовать слой войлока, поропласта, губчатой резины, который прокладывается под тензостанциями и работающими в комплекте с ними магнитоэлектрическими ос­циллографами. Лучшие результаты получаются при размещении всей аппаратуры на общем стеллаже, подвешенном на резиновых шнуровых амортизаторах.

Активные и компенсационные плечи моста, состоящие из тен­зодатчиков и кабелей, по сопротивлению не должны различаться более чем на 0,2—0,5 ом, а сопротивление изоляции по отноше­нию к земле не должно падать ниже нормы (10—50 Мом). Если разница в сопротивлении плеч значительна, то следует найти и уст­ранить причину (обрыв, замыкание концов активного или компен­сационного датчика, плохую пайку выводных концов и т. п.). Возможно, что значительный разброс произошел из-за разности сопротивлений проводов, идущих к активному и компенсацион­ному датчикам. В этом случае следует подобрать кабели, более близкие по сопротивлению.

В процессе проверки следует замерить и записать исходное со­противление каждого датчика. Эти данные будут необходимы для уточнения имитированных значений деформации ε _тар, при калиб­ровках и тарировках методом шунтирования образцовыми сопро­тивлениями.

При использовании тензоаппаратуры для статических измере­ний подготовительные операции на этом заканчиваются. Допол­нительно устанавливаются и проверяются лишь эталонные полу­мосты и корректоры нулевых отсчетов.

Контрольные вопросы для самопроверки.

1. Перечислите пункты общей структуры проведения наладочных работ?

2. Укажите, что необходимо проверять при внешнем осмотре оборудования и проводок?

3. Объясните, что значит проверка механической части аппаратуры?

4. Объясните, для чего проводят проверку изоляции и прозвонку цепей?

5. Объясните, для чего используют временные схемы?

6. Укажите порядок проверки смонтированных схем устройств автоматики под напряжением?

7. Объясните, как проводят пробное включение объекта?

Монтаж, наладка и эксплуатация автоматических устройств

А.А.Каплер

М.; Машиностроение, 1969 г.

С.163-175