Резисторные измерители напряжений

Принцип действия. Традиционными датчиками механических напряжений являются устройства, основанные на свойстве проводников и полупроводников менять свое противление при деформациях сжатия и растяжения. Эти приборы называются тензорезисторами (от лат. tensus — напряженный плюс резистор).

Явление изменения сопротивления материала под действием сил сжатия и растяжения было открыто, еще в1856 г. английским лордом Кельвиным. Как известно, сопротивление проводника R пропорционально его длине L и обратно пропорционально площади поперечного сечения S:

где - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, если проводник под действием сил растягивается, его длина становится больше, а площадь поперечного сечения уменьшается. Это приводит к росту его сопротивления. Когда проводник сжимается, картина обратная. Длина проводника уменьшается, а его диаметр становится больше. Сопротивление проводника снижается. Открытие Кельвина нё имело практического применения до 1930 г когда Карлсон предложил первый проволочный тензометр. Он стал использоваться на практике с 1931 года.

В настоящее время для измерения линейных деформаций в упругой зоне применяются проволочные, фольговые и другие тензорезисторы. Они измеряют статические и динамические деформации с частотами изменения до десятков килогерц.

Главной характеристикой датчика напряжений является коэффициент тензочувствительности:

Здесь — изменение сопротивления R проводника при изменении его длины L на величину . Коэффициент F определяется свойствами материала, из которого изготовлен датчик. На величину F влияют температура и другие факторы. Например, чувствительность тензорезистора зависит от проходящего по нему тока. Чем больше ток, тем выше чувствительность прибора.

Однако использовать можно лишь ток ограниченной величины, так как с его увеличением растет нагрев тензодатчика. При превышении определенной температуры показания прибора становятся нестабильными. Для обеспечения высокой точности тензорезисторных измерений требуются специальные меры: экранирование, стабилизация режимов, корректировка и компенсация погрешностей.

Снижение уровня погрешностей в датчиках напряжений выполняется конструктивно либо аналитически. При увеличении длины L проводника чувствительность тензодатчика улучшается. Поэтому он изготавливается в виде гребенки (рис. 2). Гребенчатая структура тензорезистора (металлической проволоки или фольги) максимизирует его длину, подверженную натяжению в продольном направлении. Поперечное сечение датчика минимизируют, чтобы уменьшить эффект перерезывающего напряжения. Гребенка устанавливается на специальной основе и защищается кожухом. Основа прикрепляется к конструкции (палубе, стрингеру и др.), напряжение которой измеряется.

Рис. 2. Проволочный датчик напряжений

Для типичных датчиков механических напряжений , а сопротивление равно 120, 350 или 1000 Ом. Такие тензоизмерители имеют разрешающую способность порядка 1-микрострэйна. На практике напряжения металлических конструкций редко превышают несколько миллистрейнов. Поэтому требуется измерять очень малые изменения сопротивления. Например, если напряжение испытуемого образца 500 , то при F=2 и R=120 Ом, изменение сопротивления составляет только 0,12 Ом.

Датчики напряжений палубы. На судах для измерения деформаций палубы, при общем продольном изгибе применяются электрические датчики напряжений с длинной (LBSG - long base strain gauge) и короткой (SBSG - short base strain gauge) основой. Они показаны на рисунках 3, 4. Длина LBSG может быть от 150 до 240 см, а SBSG — от 8 до 13 см. Характеристики датчиков приведены в таблице.

Рис. 3. LBSG

Рис. 4. SBSG

Тензометры, устанавливаемые на палубе, должны быть защищены от заливания. На рис. 5 представлен пример закрепления LBSG на судне. Слева показан защитный кожух.

Рис. 5. Пример закрепления LBSG на палубе балкера