Основні теоретичні положення. В основу роботи тензорезисторів покладена властивість деяких провідникових та напівпровідникових матеріалів змінювати активний опір при деформації за рахунок

В основу роботи тензорезисторів покладена властивість деяких провідникових та напівпровідникових матеріалів змінювати активний опір при деформації за рахунок зміни геометричних розмірів та питомого опору.

Провідникові матеріали підрозділяють на дротяні та фольгові. Дротяні тензорезистори представляють собою петлеподібний дріт 2 із константа діаметром 0, 01…0, 05 мм, укладений між двома електроізоляційними гнучкими прокладками 1 (Рис.3, а), до кінців дроту припаяні вивідні кінці 3. Фольгові тензорезистори (Рис.3, б) мають вид решітки зі стрічки товщиною 0, 004…0, 012 мм, яка закріплюється між плівками з лаку.

Напівпровідникові тензорезистори представляють собою тонку (до 0, 01мм) пластинку з германію або кремнію, до кінців якої спеціальним методом прикріплюються вивідні провідники.

Чутливість тензорезисторів до деформації визначається за формулою

,

де: R, l – опір та довжина дротяного елементу тензорезистора; Δ R, Δ l – добутки опору та довжини; λ = Δ R/R – відносна зміна питомого опору дроту при його деформації; ε = Δ l / l – відносна деформації; μ – коефіцієнт Пуассона (для металів - 0, 24…0, 4); ρ, Δ ρ – питомий опір тензочутливого матеріалу та приріст питомого опору.

Характеристика тензодатчика Δ R/R = f(Δ l / l) близька до лінійної, тому чутливість тензодатчика майже постійна.

Тензорезистори наклеюють безпосередньо на об’єкт дослідження, який контролюється, або до пружного елементу, деформація якого є відомою функцією контролюємого параметру. Вибір конструкції та матеріалу пружного елементу здійснюють за характером та діапазоном зміни контролюємої величини, конструктивними та експлуатаційними особливостями об’єкту контролю, допустимою похибкою.

Чутливість тензорезисторів практично постійна та залежить від властивостей матеріалу, технології виготовлення, якості основи та наклейки тензорезисторів (товщини та суцільності шари клею, його однорідності, значення адгезії, повзучості, вологостійкості та ін.).

Для підвищення чутливості тензорезисторів використовують спеціальні вимірювальні схеми, у яких зміна опору тензодатчиків перетворюється у зміну електричного струму, напруги, частоти або кодового сигналу. Одночасно вимірювальні схеми дозволяють додавати або віднімати відносні зміни опорів декількох тензодатчиків, виключати (послаблювати) вплив температури та деяких інших факторів на вихідний сигнал датчика.

Чутливість вимірювальних схем залежно від характеристики перетворень визначається одним з виразів:

; ; ,

де: Δ I, Δ U, Δ f- відповідно зміна струму, напруги, частоти вихідного сигналу.

Найбільше розповсюдження отримали потенціометричні та мостові вимірювальні схеми з тензодатчиками.

На схемі рис.2, а наведена типова потенціометрична схема. Послідовно включені пасивний резистор R1 та тензорезистор R2 отримують живлення від джерела постійного струму з напругою Uст. При R2< < Rн напруга між точками А і Б

Максимальна чутливість схеми досягається при R1 = R2 = R. Вважаючи, що Δ R/R = ST· ε, отримуємо:

Більш досконалими є мостові вимірювальні схеми з тензодатчиками (рис.4, б). Працюють вони на постійному та змінному струмі (невисокої частоти – до кГц). Живлення моста здійснюється від джерела, що під’єднується до точок А і Б – однієї діагоналі моста. До іншої діагоналі моста (точки В і Г) під’єднується навантаження. Тензорезистори можуть включатися у одне, два суміжних, або в усі чотири плеча. Якщо всі тензорезистори, що включають у вимірювальний міст, є активними, то зміна опорів тензорезисторів в суміжних плечах повинна бути протилежною за знаком при позитивних та від’ємних деформаціях.

Рис.3.Схеми тензорезисторних перетворювачів: а) – дротяного; б) – фольгового.

Рис.4.Вимірювальні схеми тензорезисторних перетворювачів: а) – потенціометрична; б) – мостова.

Рис.5.Схеми врівноважування тензорезисторних мостів: а) – регульованим конденсатором; б) – регульованим резистором.

Використання двох або чотирьох активних тензорезисторів збільшує чутливість датчика у 2 або 4 рази відповідно. Також при цьому відбувається безпосередня (пряма) компенсація негативного впливу на точність вимірювання коливань температури та напруги живлення.

Для мостової вимірювальної схеми, живлення якої здійснюється напругою постійного струму, можна визначити:

1.Баланс моста - за умови: ; різниця потенціалів вимірювальної діагоналі Uн = 0.

2.Розбаланс моста – за умови: ; різниця потенціалів вимірювальної діагоналі: а) Uн < 0; б) Uн > 0.

Якщо живлення моста здійснюється змінним струмом, тоді активні опори у плечах моста слід замінити повними опорами – комплексними величинами Z=R+jx, де R-активний опір; x – реактивний опір. Реактивна складова з’являється як результат реактивної асиметрії елементів моста (впливу індуктивного та ємнісного опорів елементів, в тому числі впливу паразитних ємкостей та ємкостей асиметрії з’єднувальних ліній). Рівновага моста досягається при виконанні умови: Врівноважування активної та реактивної складових опорів моста здійснюють за допомогою регульованих резисторів та конденсаторів R_БЛ, С_БЛ (рис.5 а, б).

Сигнал на виході вимірювальних схем з тензодатчиками невисокої потужності і тому для його підсилення застосовують підсилювачі, до яких вимогами є стабільність характеристик, точність, високий коефіцієнт підсилення. Таким вимогам відповідають сучасні диференційні підсилювачі постійного струму.

На рис.6, а представлена схема вмикання вимірювального моста з активним R1 та компенсаційним R2 тензорезисторами. Резистором R3 врівноважують міст при відсутності деформації. Живлення моста здійснюють від джерела стабілізованої напруги постійного струму. Допоміжним балансним опором мостової схеми є резистор R4. Сигнал з виходу моста подається на підсилювач постійного струму на базі операційного підсилювача на інтегральній мікросхемі (ІМС). Захист вхідного кола від можливого пробою при ушкодженні тензорезисторів здійснюють діодами VD1, VD2. Резистор R5 забезпечує регулювання коефіцієнта підсилення. Ємкість С створює додатковий зворотній зв’язок, що охоплює операційний підсилювач та може скоректувати нелінійність, що властива неврівноваженим мостам та нелінійність тензорезисторів. Транзистор VT1 призначений для збереження працездатності підсилювача при випадковому замиканні вихідної клеми.

На рис.6, б представлена вимірювальна схема з підсилювачем змінного струму. Вхідний трансформатор Тр забезпечує узгодження малого опору тензорезисторів з великим вхідним опором підсилювача, що дозволяє збільшити відношення корисний сигнал/шум. Конденсатори С2, С3 зменшують послаблення сигналу на виході каскада через опори R7, R8.

Для підсилення сигналу, що отримують на виході тензометричного моста, використовують операційнї підсилювачі постійного струму у мікроінтегральному виконанні. Вимірювальна схема забезпечує вимірювання дуже малих струмів (10^-6…10^-9А).

Рис.6.Вимірювальні тензорезисторні схеми з підсилювачами: а) постійного струму; б) змінного струму

Порядок виконання роботи з дослідження потенціометричних датчиків:

1.Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень.

2.Підготувати робоче місце для виконання роботи, зібрати схеми досліджень (рис. 1).

3.Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.

4.Переміщуючи у відповідності з даними таблиці 1 повзунок потенціометричного датчика лінійного переміщення (Х, см), фіксувати значення приладів - вольтметра PV1 та міліамперметра РА1.

Отримані дані досліджень внести в таблицю 1, потім побудувати графічну характеристику Iп1=f(X).

Таблиця 1

Результати дослідження потенціометричного датчика лінійного переміщення

Таблиця 2

Результати дослідження потенціометричного датчика кутового переміщення

Графічні характеристики потенціометричних датчиків: а) Iп1=f(X) для лінійного переміщення; б) Iп2=f(L) для кутового переміщення.

5.Переміщуючи у відповідності з даними Таблиці 2 повзунок потенціометричного датчика кутового переміщення(L, град), фіксувати значення приладів-вольтметра РV2 та міліамперметра РА2.Отримані дані досліджень внести в Таблицю 2, потім побудувати графічну характеристику Iп2=f(L).

6.Закінчивши виконання роботи повернути всі органи керування та робочі механізми.

Порядок виконання роботи з дослідження індуктивних датчиків:

1.Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню індуктивних датчиків, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень.

2.Підготувати робоче місце для виконання роботи, зібрати схеми досліджень(Рис.7, Рис.8).

3.Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.

4.Встановити вказане значення напруги на вольтметрі PV1 (Рис.7). Переміщуючи у відповідності з даними Таблиці 3 осердя індуктивного датчика лінійного переміщення простого типу Х1, мм, фіксувати значення сили струму Іп1 на міліамперметрі РА1. Отримані дані досліджень внести в Таблицю 3 та побудувати графічну характеристику Іп1=f(Х1).

5. Встановити вказане значення напруги на вольтметрі PV2 (Рис.8). Переміщуючи у відповідності з даними Таблиці 4 осердя індуктивного датчика лінійного переміщення диференційного типу Х2, мм, фіксувати значення сили струму Іп2 на мікроамперметрі РА2. Отримані дані досліджень внести в Таблицю 4 та побудувати графічну характеристику Іп2=f(Х2).

Таблиця 3

Результати дослідження індуктивного датчика з рухомим осердям простішого типу

Таблиця 4

Результати дослідження індуктивного датчика з рухомим осердям диференційного типу

Примітка: перед виконанням дослідження індуктивного датчика диференційного типу виконати “баланс нуля”, для чого при фіксованому середньому положенні осердя по відношенню до котушок L1, L2 виставити мінімальний струм по мікроамперметру РА2 (до 3 мкА) повзунком потенціометра Rp.

6.Закінчив виконання роботи, вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування обладнання у вихідне положення.

Обробка результатів:

1.Побудувати статичні характеристики досліджуємих індуктивних датчиків.

2.Виділити на статичних характеристиках датчиків робочу (лінійну) частину та визначити для них чутливість за формулою kд = dI/dδ = tgα. Результати досліджень оформити у вигляді звіту.

Рис.7.Схема індуктивного датчика простого типу з рухомим осердям та його статична характеристика

Рис.8. Схема диференційного індуктивного датчика з рухомим осердям та його статична характеристика

Порядок виконання роботи з дослідження тензорезисторних датчиків:

1.Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню тензорезисторних датчиків, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень.

2.Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему дослідження.

3.Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.

4.Включити QF 1, за допомогою R 3 встановити стрілку приладу на " 0 ".

5.Поступово навантажуючи балку гирями (через кожні 2 кг) знімати показники мікроамперметру. Отримані дані занести в таблицю (І1, мкА).

6.Поступово розвантажуючи балку, знімати показники мікроамперметру та занести їх в таблицю (I2 мкА).

7.За отриманими даними побудувати графічні характеристики тензометричної установки (Рис. 9).

8.Закінчивши виконання роботи, вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування установки у вихідне положення.

Рис.9.Характеристика тензодатчика

Підготуйтеся до захисту звіту з лабораторної роботи. Дайте відповіді на контрольні питання.

Контрольні питання:

1. Які датчики називають потенціометричними?

2. Назвіть основні параметри, що характеризують потенціометричні датчики.

3. Назвіть переваги та недоліки потенціометричних датчиків.

4. Що є вхідною величиною потенціометричного датчика?

5. Що називають зоною нечуттєвості дротяних датчиків та чим вона визначається?

6. З якою метою стабілізують напругу живлення потенціометричних датчиків?

7. Поясніть принцип дії індуктивних датчиків.

8. Що є вхідною величиною індуктивного датчика?

9. На яких частотах працюють індуктивні датчики та що обмежує частотний діапазон напруги живлення?

10. З чим пов’язана наявність залишкового струму індуктивного датчика простішого типу при нульовому зазорі?

11. Як змінюється вихідний струм індуктивного датчика простішого типу із зменшенням повітряного зазору?

12. За якою ознакою класифікують індуктивні датчики?

13. Які переваги та недоліки має індуктивний датчик диференційного типу?

14. Який діапазон переміщення плунжеру індуктивного соленоїдного датчику?

15. Що змінюється у вихідному сигналі диференційного індуктивного датчика при зміні напрямку переміщення плунжеру?

16. Яке положення якоря диференційного індуктивного датчика приймають за нуль відліку?

17. На який з індуктивних датчиків (простий, диференційний) менший вплив мають температура та напруга живлення та чому?

18. Поясніть принцип дії тензорезисторних датчиків.

19. Що є вхідною величиною тензорезисторного датчика?

20. Назвіть параметри тензорезисторних датчиків.

21. Поясніть характеристики тензорезисторних датчиків.

22. Яку напругу живлення використовують у схемах тензометричних установок?

23. Від чого залежить чуттєвість тензорезисторних датчиків?

24. Вимірювальні схеми тензорезисторних датчиків.Переваги мостових схем.

25. Використання підсилювачів у тензометричних установках.

26. Фізичний сенс балансу " 0" вимірювальної схеми тензометричної установки?

27. Поясніть призначення елементів лабораторного стенду та порядок виконання роботи.

Література: [ 2 ], c 97…105, [ 3 ], c 57…87.

Лабораторна робота №4