Экспериментальная проверка адекватности расчетных характеристик тензометрических преобразователей перемещений, сил, давлений

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Бийский технологический институт (филиал)

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Методические указания к лабораторным работам по курсу

” МЕТОДЫ, СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ”

Для студентов очной формы обучения

Специальности 230201 – Информационные системы и технологии

БИЙСК

УДК 621.317.39(075.8)

Леонов Г.В., Пята О.И. Методические указания к лабораторным работам по курсу «МЕТОДЫ, СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ” - Бийск:.

Методические указания включают в себя теорию и практику работы с измерительными преобразователями и приборами для измерения неэлектрических величин.

Методические указания предназначены для студентов специальности 230201 очной формы обучения.

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры МСИА протокол № от г.

Лабораторная работа №1 (4 часа)

Экспериментальная проверка адекватности расчетных характеристик тензометрических преобразователей перемещений, сил, давлений

Цель работы: развитие у студентов профессиональных навыков в использовании тензорезисторных преобразователей, а также практическое овладение методами экспериментальных исследований и обработки результатов.

Предмет и содержание работы

Тензорезисторные преобразователи предназначены для преобразования деформаций в электрический сигнал. Принцип действия: изменение электрического сопротивления проводящих элементов при их деформации. По конструктивному исполнению различают тензорезисторы:

1. проволочные;

2. жидкопроводниковые;

3. фольговые;

4. пленочные;

5. полупроводниковые дискретного типа;

6. интегральные полупроводниковые.

Проволочный тензорезистор –тензорезистор общего назначения с плоской петлевой решеткой из тянутой проволоки. Диаметр проволоки 10... 30 мкм, R=30... 500 Ом, I_Б =2...100 мм.

а)	б)
а) тензорезистор с плоской петлевой решеткой б) тензорезистор с двухслойной петлевой решеткой 1 – основа (подложка); 2 – проволочная рамка; 3 – выводы; IБ – размер базы Рисунок 1.1 – Проволочные тензорезисторы

Кроме наиболее распространенной петлевой конструкции проволочных тензорезисторов, существуют и другие. При необходимости уменьшения измерительной базы преобразователя его изготавливают двухслойным, так называемым витковым способом. Диаметр проволоки у тензорезисторов с двухслойной петлевой решеткой – 10... 30 мкм, размер базы – 1.. 3 мм.

Беспетлевые однопроволочные из тянутой проволоки диаметром 10...20 мкм, I_Б от 10 мм и выше, предназначены для измерений на металлических и неметаллических материалах.

Решетки проволочных тензорезисторов изготовляют из тензометрической константановой проволоки. В высокочувствительных тензорезисторах используют отожженную в вакууме мягкую константановую проволоку с относительным удлинением 10.-.. 20%. Высокотемпературные тензорезисторы для измерений при температуре свыше 525К изготовляют из хромоникелевых, никель-молибденовых, а также легированных хромоникелевых сплавов. Тензорезисторы общего назначения обычно имеют бумажную и пленочную основу с ограниченной термо- и морозостойкостью и пригодны для измерений в диапазоне температур 225... 325 К. Диапазон измеряемых деформаций для них составляет +3... 10 тыс.еод.

Коэффициент тензочувствительности тензорезистора

Поперечное сечение проводника представлено на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2

Площадь:

.

Коэффициент тензочувствительности:

,

где - относительное изменение сопротивления проводника,

- относительное изменение длины проводника.

,

где – абсолютное изменение, – сопротивление проводника.

,

где – изменение базы, – первоначальная длина.

Зависимость сопротивления от линейных размеров:

,

где – сопротивление проводника длиной в недеформированном состоянии.

Изменение сопротивления после малой деформации можно записать следующим образом:

,

где – площадь поперечного сечения проводника.

,

где – коэффициент Пуассона – величина, связывающая продольную и поперечную деформации (, – поперечные деформации, – продольная деформация).

При деформации помимо изменения геометрических размеров проводника, изменяются его свойства, в частности его величина удельного сопротивления , следовательно, изменяется и значение , поэтому для учета изменения электрических свойств вводится дополнительная величина , которая определяется следующим образом:

.

Для проводников (т.е. мало изменение электрических свойств), поэтому можно не учитывать. В пределе величина может принимать значение равное 0, 5, следовательно, предельное значение . В этом случае справедлива формула . В случае применения полупроводниковых материалов , следовательно, .

Схемы включения тензорезисторов

В варианте использования тензорезистора для измерения механических величин он наклеивается на упругий элемент и вкупе с ним являет собой первичный преобразователь деформации (сил, давлений, ускорений, перемещений).

Одна из распространенных форм упругого элемента – упругая балка. Последняя представляет собой пластину, один конец которой жестко крепится к корпусу прибора (имеет жесткую заделку), а ко второму прикладывается измеряемое усилие возможно через посредство ряда механических жестких (по сравнению с тензобалкой) элементов. Возможен вариант тензобалки с двумя опорами на концах. В этом случае усилие прикладывается в промежутке между опорами. Обязательным требованием является работа тензобалки в упругой области во всем диапазоне изменения измеряемой величины. Тензорезисторы приклеиваются на тензобалку в области максимальной чувствительности системы.

1 – упругий элемент; 2 – корпус прибора Рисунок 1.3– Одноопорная балка

На рисунке 1.3 показана одноопорная балка, на которую наклеены четыре тензорезистора. К концу балки прикладывается усилие Р, при этом сопротивления и увеличиваются, а и - уменьшаются.

Данную балку можно представить в виде схемы моста следующего вида:

Рисунок 1.4 – Схема измерительного моста

Будем считать, что в недеформированном состоянии . Такое допущение оправдано, так как обычно на один упругий элемент наклеивают тензорезисторы из одной партии и из одной упаковки. В пределах одной партии характеристики тензорезисторов характеризуются небольшим разбросом. Напряжение на выходе моста можно представить как разность потенциалов точек 2 и 4 относительно одной из точек 1 или 3. В качестве опорной точки возьмем точку 1 и примем ее потенциал за нулевой, тогда:

.

Из схемы видно, что . Тогда

,

где - напряжение питания.

,

где - коэффициент тензочувствительности

.

Тензометрические преобразователи механических величин

Коэффициент преобразования тензометрического преобразователя

,

где n – число активных плеч в тензометрическом мосте;

– выходная величина: деформация, воспринимаемая тензорезисторами;

x – входная величина: значение измеряемой величины.

Коэффициент преобразования обычно определяют исходя из заданного значения и паспортного значения . определяется исходя из коэффициента запаса прочности и предела текучести (если вещество сталеподобное) или предела разрушения (если вещество хрупкое).

Требуемое значение величины рассчитывается, а затем обеспечивается расчетом геометрических параметров упругих элементов по соответствующим зависимостям.

,

где - напряжение питания, - коэффициент тензочувствительности.

Отсюда получим общее выражение для описания метрологической характеристики тензометрического преобразователя:

.

Выбор напряжений (токов) питания тензорезисторов

Токи питания определим на базе величины рассеиваемой мощности. Последняя есть сумма потоков тепла, отдаваемых в окружающую среду путем конвективной теплопроотдачи и путем кондуктивного переноса к упругому элементу.

Конвективный поток тепла:

,

где – коэффициент теплоотдачи

,

где – рабочая температура рамки, – температура окружающей среды

Кондуктивный поток тепла:

,

где , – температура упругого элемента, – коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); – толщина подложки, – поверхность теплоотдачи.

составляет примерно 10 Вт/(м² К)

кВт/(м²К), следовательно, компонентной можно пренебречь.

С другой стороны электрическая мощность, потребляемая тензорезисторами:

.

Удельная плотность потока:

.

Можем определить величину питающего тока:

.

Коэффициент преобразования тензометрического преобразователя зависит от характера измеряемой величины и геометрии упругого элемента Характер измеряемой величины определяется областью применения тензорезисторов.

Область применения тензорезисторов

Области применения тензорезисторов весьма многообразны, но можно выделить две основные:

1) Исследование физических свойств материалов, измерение деформаций и напряжений в деталях машин, элементах конструкций. Для этих задач характерны значительно широкие изменения параметров окружающей среды, невозможность градуировки измерительных каналов. Основной причиной погрешности в этих случаях является разброс параметров тензорезисторов, дефекты наклейки тензорезистора. Погрешность 2 …10%.

2) Измерение механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента. Это реализуется с помощью специально изготовленных датчиков. В этом случае датчики градуируются по измеряемой величине и погрешности измерений лежат в диапазоне 0, 5… 0, 05%.

Механические величины, которые могут измеряться: перемещение, усилие, давление, момент, параметры вибраций, ускорение.