Конструкции и основные характеристики тензорезисторов

Для измерения деформаций в деталях машин и конструкций в широ­ком диапазоне температур применяют тензорезисторы с чувствительным элементом из микропровода (проволочные) или из металлической фольги (фольговые).

Одной из основных характеристик тензорезистора является его база S, определяемая как длина активной части чувствительного элемента между внутренними краями поперечных участков в направлении главной оси (рис. 4.3). Минимальная база, установленная ГОСТом 21616-76, равна 0,25 мм, максимальная – 200 мм. Наиболее употребительны базы от 5 до 30 мм. Тот же ГОСТ устанавливает ряд номинальных сопротивлений 50, 100,200, 400 и 800 Ом.

В исходном состоянии электрическое сопротивление проволоки

где ρ – удельное сопротивление материала проволоки;

l – начальная длина деформируемого участка проволоки;

А – площадь поперечного сечения проволоки.

При растяжении проволоки на Dl её сопротивление изменится на величину DR.

Из метрологических характеристик важнейшей является функция преобразования, устанавливающая зависимость информативной составляю­щей выходного сигнала тензорезистора (отношение приращения сопротивления тензорезистора к его начальному значению DR/R) от информативной составляющей входного сигнала (деформации Dl/l). В диапазоне упругих деформаций функция преобразования для всех типов тензорезисторов практически линейна. Поэтому она может быть заменена одним числом – чувствительностью К, входящим в формулу:

Выходной сигнал является безразмерным. В документации его выра­жают обычно в ЕОД – единицах относительной де­формации (ЕОД = 10 ^-6).

Рис. 4.3. Тензорезистор фольговый одиночной формы (фотокопия). База S = 10 мм

Конструкции и материал тензорезисторов зависят от их назначения и условий работы. Наиболее употребительным материалом для изготовления проволочных тензорезисторов является константановая проволока диаметром 20…30 мкм. Решетка фольговых тензорезисторов – полоски прямоугольного сечения толщиной 4…12 мкм. Преимущество таких тензо­резисторов – возможность изготовления решеток любого рисунка, наи­более полно удовлетворяющих условиям измерений. Так, прямоугольные тензорезисторы наиболее подходят для измерения линейных деформаций, розеточные – для измерения крутящих моментов на круглых валах, мембранные – для наклейки на мембраны. Приклеиваемые фольговые (рис. 4.3) изготовлены из константановой фольги на полиамидной пленке КФ4 или термостойкой бумаге КФ5. Для измерения деформаций при высоких температурах применяют тензорезисторы высокотемпературные НМТ-450 привариваемые. Материал решетки – проволока из никель-молибденового сплава.

Чувствительные элементы тензорезисторов изготавливают в виде одиночной решетки (рис. 4.3), цепочки одиночных тензорезисторов, равно­угольной розетки (главные оси ориентированы под углом 120°), моста для установки на мембрану и других форм. Подробнее ознакомиться с сущест­вующими типами тензорезисторов можно по специальному стенду в лаборатории механических испытаний.

Схема включения тензорезисторов. Выходной сигнал тензорезистора представляет собой сумму деформационной, температурной и временнòй ("дрейф") составляющих. Поэтому для выделения информативной (деформационной) составляющей сигнала рабочего тензорезистора применяют мостовую схему включения резисторов.

Рис. 4.4. Схема измерительного моста

На рис. 4.4 пока­зан мост при неба­лансном (в отличие от нулевого) методе из­мерения и включении тензорезисторов по трёхпроводной схеме (применяют еще четы­рёх- и пятипровод­ные). В одно плечо включен рабочий тен­зорезистор R ₁. В дру­гое плечо включен тензорезистор R _t тем­пературной компенса­ции, наклеенный на материал с таким же температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), что и де­таль, в которой измеряют деформации. Рабочий и компенсационный тен­зорезисторы устанавливают в зонах с одинаковой температурой и соеди­няют с измерительным прибором кабелем со штепсельным разъёмом X1. В третье и четвёртое плечи включены балластные резисторы R _б, располо­женные в измерительном приборе. К диагонали АВ подключён источник питания, а в диагонали CD измеряют сигнал разбаланса измери­телем деформации цифровым (ИДЦ). Коммутатор SА вручную или автоматически, выборочно или по заданной программе (это зависит от конструкции прибора) подключает различные рабочие тензорезисторы (на рис. 4.4 показаны два тензорезистора R ₁ и R ₂).

Приборы

Разработаны различные конструкции измерителей де­формации наоснове рассмотренной выше схемы. С прибором, применяемым в настоящей лабораторной работе, можно ознакомиться в процессе её выполнения.

Измерение сдвиговых деформаций при кручении в дан- ной работе производится механическим тензометром – торсиометром (от англ. и фр. torsion – кручение, скручивание). Принципиальная схема прибора представлена на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Схема торсиометра

От приложенного к образцу 1 крутящего момента опора 2, закреплённая на образце в верхней его части, поворачивается относительно опоры 3, закреплённой в нижней части образца на расстоянии ℓ₀ (база образца), и увлекает за собой тягу 4, накручивая её на сектор 5, изменяя показания индикатора 6. Сектор обеспечивает пропорциональную зависимость показаний индикатора от угла закручивания j:

j = с·n, (4.10)

где n – изменение показаний индикатора в делениях, с – постоянная.

Постоянная прибора с зависит от радиуса сектора и цены деления ин­дикатора. Для используемого в работе торсиометра l₀ = 0,1 м, с = 0,0002 радиана.

Испытательное оборудование для нагружения осевой силой. Для нагружения образца осевой силой при определении модуля нормальной упругости используется разрывная машина Р-0,2 с механическим приводом и максимальным усилием 0,2 тс (2000 Н). Её конструкция аналогична конструкции разрывной машины Р-5, используемой в лабораторной работе № 1. Машина Р-0,2 не укомплектована диаграммным аппаратом, из-за чего определение модуля упругости по тангенсу угла наклона начального участка диаграммы растяжения (см. рис. 4.2) не представляется возможным.

Испытательная машина для нагружения крутящим моментом. Для нагружения образца кру­тящим моментом при определе­нии модуля касательной упруго­сти применяется испытательная машина КМ-50-1, внешний вид которой приведен на рис. 4.6. Обра­зец 1, с установленным на нем тор­сиометром 2 закреплен в захва­тах 3 и 4, подвергается за­кру­чиванию с помощью механиче­ского или ручного привода. Ве­личину крутящего момента опре­деляют моментоизмерителем 5, а соответствующий ему угол закру­чивания – торсиометром. Испыта­тельная машина диаграмм­ным аппаратом не укомплекто­вана.

Рис. 4.6. Принципиальная схема испытательной машины для закручивания образца

Испытываемые образцы

Образец для растяжения представляет собой тонкую по­лосу прямоугольного попереч­ного сечения. Для испытания на кручение применяется цилиндрический образец. Размеры образцов указаны на рабочем месте.

Таблица 4.1

Протокол испытаний

Нагрузка F, Н	Показания прибора	Приращения	Накопление приращений
n пр	n поп	Нагрузки DF	показаний	нагрузки	показаний
Dn пр	Dn поп	Σ DFi	Σ Dni (пр)