Тензометры

ОСНОВАННЫЕ НА ПРЕОБРАЗОВАНИИ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ С ПОМОЩЬЮ ТЕНЗОМЕТРОВ И ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Тензометры

Тензометры используют для измерения линейных деформаций, а тензорезисторные преобразователи – для измерения перемещений, усилий, давлений, крутящих моментов и других механических величин, контролируемых в процессе испытания. Принцип действия тензометров и преобразователей основан на преобразовании приращения линейного размера, соответствующего базе средства измерения, в какую-либо физическую величину, удобную для усиления и регистрации.

В зависимости от физических принципов, положенных в основу способов преобразования, тензометры делят на пять основных типов: механические, оптические, пневматические, струнные и электрические.

Они нашли широкое применение не только в практике эксперимента, но и в качестве датчиков в системах автоматического управления, используемых в различных отраслях науки.

2.1.1. Механические тензометры

В механических тензометрах осуществляют масштабное преобразование измеряемой деформации в перемещение стрелки вдоль шкалы. Для этого используют рычажные или рычажно-зубчатые передачи, обеспечивающие увеличение в 100 – 2000 раз. Наиболее известен тензометр Гугенбергера с базой 20 мм, абсолютная погрешность не превышает 0,0015%. Корпус тензометра 3 (рис. 2.1) имеет в нижней части поперечину с неподвижной призмой 1. Подвижная призма 12 является одним из концов двухплечевого рычага первого рода 10. Перемещение рычага передается с помощью траверсы 8, зафиксированной на штифтах 5, 9 пружиной 11, стрелке тензометра 4. Стрелка тензометра перемещается перед зеркальной шкалой 2. С помощью винта 6 стрелка устанавливается в нулевое положение. Высокую точность измерений тензометра обеспечивают призмы, исключающие возможность появления люфтов в цепочке масштабного преобразователя деформаций. Данные тензометры обладают высокой инерционностью, поэтому они могут применяться только при статических испытаниях.

Рычажно-зубчатые передачи нашли применение в стрелочных индикаторах, которые могут использоваться в качестве основных элементов тензометров.

Рис. 2.1. Схема механического тензометра Гугенбергера

2.1.2. Оптические тензометры

Действие как механических, так и оптических тензометров, основано на масштабном преобразовании базы с помощью светового луча до величины, удобной для наблюдения и регистрации. В этих тензометрах роль рычага, связанного с подвижной призмой, выполняет световой луч, по перемещению светового пятна которого на шкале отсчитывается деформация. По такому принципу изготовлен тензометр Мартенса и другие тензометры, основное различие между которыми заключается в реализации различных оптических схем и систем отсчета показаний. На рис. 2.2 показана схема оптического тензометра с автоколлимационной зеркальной системой отсчета. Неподвижная призма 6 выполнена вместе с корпусом 1, в котором размещены шкала 2, окуляр 3 и объектив 4. Поворотное зеркало 5 укреплено на подвижной призме 7, которая может поворачиваться. При деформации зеркало, жестко связанное с подвижной призмой, поворачивается на угол j, значение которого пропорционально удлинению . Поворот зеркала вызывает отклонение отраженного луча от вертикального направления. При этом световое пятно перемещается по шкале на делений. Если угол мал, то и можно записать ( и – плечи рычага; – высота подвижной призмы; – расстояние от точки контакта подвижной призмы до шкалы). Коэффициент преобразования 1250, погрешность 0,0005%.

Рис. 2.2. Схема оптического тензометра

2.1.3. Струнные тензометры

Принцип действия основан на зависимости частоты собственных колебаний струны от ее натяжения:

, (2.1)

– свободная длина струны; – растягивающее напряжение; – плотность материала струны.

Схема данного тензометра представлена на рис. 2.3. Чувствительным элементом является натянутая струна. Изменение натяжения струны вызывает уменьшение или увеличение действующих в ней напряжений. Измеряя частоту колебаний, можно судить о деформации объекта. Струна 2 из ферромагнитного материала закреплена в подвижной 1 и неподвижной 4 опорах; колебания возбуждаются электромагнитом 3. При прохождении по его обмотке электрических импульсов струна колеблется и возбуждает синусоидальные сигналы, которые снимаются с выводов.

Рис. 2.3. Схема струнного тензометра

Струнные тензометры подвержены температурным погрешностям. К недостаткам можно отнести нелинейность теоретической градуировочной характеристики, а также неудовлетворительную динамическую характеристику.

Наибольшее распространение данные тензометры получили для измерения деформаций в теле крупных гидротехнических сооружений из железобетона в течение длительного времени их эксплуатации.

2.1.4. Пневматические тензометры

Действие основано на измерении изменения расхода воздуха через измерительное сопло, вызванного деформацией объекта исследования (рис. 2.4). Сжатый воздух от компрессора 1 под давлением поступает в фильтр 2, где очищается от твердых частиц, пыли, масла, влаги, далее – в стабилизатор давления 3. Здесь давление воздуха несколько понижается и поддерживается на постоянном уровне (). Из стабилизатора воздух подается во входное сопло 5 и затем к измерительному соплу 6, из которого истекает в атмосферу через зазор между соплом и заслонкой 7. Камера между стабилизатором и входным соплом называется рабочей, а давление в ней – рабочим. Камера между входным и измерительным соплами называется измерительной, а давление – измерительным. Большой точностью измерения отличается дифференцированная измерительная система, состоящая из двух симметричных выходных ветвей (пунктирная линия): входное сопло 11, измерительное сопло 10, заслонка 9. При равенстве диаметров входных отверстий, входных сопел 5, 11 и измерительных 6, 10 чувствительность обеих измерительных ветвей будет одинакова и разность давлений между ними будет зависеть только от разности зазоров и . Если величина одного из этих зазоров установлена постоянной, а заслонка другого связана с подвижной опорой, то в процессе деформирования расстояние между подвижной и неподвижной опорами и зазор изменятся, изменение расхода воздуха будет зафиксировано дифференцированным манометром.

Рис. 2.4. Схема пневматической измерительной системы

Коэффициент преобразования составляет 200000, что обеспечивает абсолютную погрешность не выше 0,000001%. Эти тензометры являются одними из наиболее чувствительных и находят применение для высокочастотных измерений на малых базах.

2.1.5. Электрические тензометры

Действие электрических тензометров основано на измерении изменения параметров электрической цепи тензометра или его магнитных свойств. Для преобразования перемещения опорных призм в электрические сигналы, которые передаются на измерительные приборы, используют типы преобразователей: емкостные, индуктивные, пьезоэлектрические, магнитно-упругие, трансформаторные и преобразователи соспротивления.

В подгруппу преобразователей сопротивления входят потенциометрические, электролитические, механотронные и резисторные преобразователи (тензорезисторы).

Потенциометрические преобразователи. Основаны на измерении изменения сопротивления между ползуном потенциометра, жестко связанным с деформируемым объектом, и его крайним выводом. В этих тензометрах (рис. 2.5,а) опорная подвижная призма 5 непосредственно или через механическую передачу соединена с ползуном 3 переменного резистора 4 (потенциометра). В процессе деформирования исследуемого объекта расстояние между подвижной 5 и неподвижной 1 призмами изменяется и ползун перемещается относительно резистора, который жестко связан с неподвижной опорой.

Рис. 2.5. Схемы потенциометрического (а) и механотронного (б) тензометров

Длина резистора, заключенного между ползуном и крайним выводом 2, определяет сопротивление в измеряемом плече. Можно непосредственно измерять сопротивление между ползуном и крайним выводом потенциометра.

Механотронные преобразователи (рис. 2.5,б). Представляют собой электронные лампы, управление электрическим током в которых осуществляется путем механического перемещения электродов, а также вакуумные диоды и триоды. Принцип действия основан на использовании эффекта изменения внутреннего сопротивления вакуумных электронных ламп при изменении расстояния между их электродами в процессе деформирования объекта.

Механотронные преобразователи выполняют в виде стеклянных баллонов 4, в которых находятся неподвижный катод 2 и подвижные аноды 1, 8, связанные со стержнем 5. Вакуумный вывод стержня осуществлен через мембрану 7, не препятствующую перемещениям стержня при деформации объекта. Катод вместе с накальным устройством прикреплен к стеклянному баллону, который закреплен неподвижно относительно деформируемого объекта. Поэтому при его деформировании стержень с анодами перемещается относительно катода, его внутреннее сопротивление изменяется, вызывая изменения выходного тока. Измеряя ток, можно определить перемещение.

Емкостные преобразователи. Основаны на измерении изменения электрической емкости между двумя пластинами, взаимное перемещение которых пропорционально измеряемой деформации.

Как известно, емкость плоского конденсатора определяют из соотношения

, (2.2)

где – действующая площадь пластин (обкладок), из которых состоит конденсатор; – относительная диэлектрическая проницаемость (для воздуха ); – толщина диэлектрика или зазора.

Изменение емкости преобразователя может происходить при взаимном перемещении пластин за счет изменения или действующей площади, или расстояния между пластинами, или диэлектрической проницаемости вещества зазора.

Тензометрам с емкостными преобразователями присущи такие недостатки, как высокая чувствительность к влиянию пыли, влаги, переменных температур, т.е. к влиянию окружающей среды. Поэтому они получили основное применение для измерения перемещений в средах с постоянной температурой и при лабораторных испытаниях. Так, для измерения деформации образцов при испытаниях в жидком гелии (4,2 К) используют емкостный тензометр с плоскими параллельными пластинами (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Схемы емкостного тензометра (а) и его измерительной цепи (б)

Образец 3 удерживается захватами 1, к которым параллельно образцу крепится корпус тензометра 2, выполненный из фторопласта, являющегося изолирующим материалом. К корпусу с помощью хладостойкого клея приклеивают пластины 4. В процессе деформирования образца расстояние между пластинами увеличивается и изменяется емкость преобразователя. Следует отметить чрезвычайно высокую чувствительность, точность измерения составляет до 0,000001%.

Схема подключения представлена на рис. 2.6,б. Параллельные пластины 1 с помощью экранированных проводов 2 соединяют с емкостным мостом 3, к которому подключен звуковой генератор 7. Сигнал с моста по экранированным проводам передают в частотный фильтр 4, преобразователь 5 и затем на регистрирующий прибор 6.

Индуктивные преобразователи. Принцип действия основан на использовании зависимости индуктивного и активного сопротивления катушки от перемещений деталей магнитопровода, связанных с деформируемым объектом.

В индуктивном преобразователе магнитопровод имеет несколько разрывов, зазор или площадь которых могут изменяться при перемещении подвижного элемента, называемого якорем. Якорь жестко связан с объектом исследования и при деформировании последнего перемещается, вызывая изменение сопротивления магнитной цепи и индуктивность катушки, питаемой переменным током.

Различают индуктивные датчики с переменным воздушным зазором, переменной площадью магнитопровода в сечении разрыва и датчики соленоидного типа (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Схема включения индуктивных преобразователей

с переменным зазором (а), переменной площадью (б)

и соленоидного типа (в)

Индуктивные преобразователи с переменным зазором реагируют на изменение зазора порядка 1·10^-4 – 5·10^{-4 мм и позволяют измерять перемещения в интервале от 0,1 до 1 мм.}

Индуктивные преобразователи с переменной площадью выполняют измерение достаточно больших перемещений – до 8 мм. Отличаются линейностью.

Индуктивные преобразователи соленоидного типа применяют при измерении больших деформаций на большой базе. В них перемещение в катушке ферромагнитного якоря вызывает изменение индуктивности обмотки. Тензометры имеют базу от 10 до 100 мм, с их помощью можно измерять деформации до 60 мм.

2.1.6. Пьзоэлектрические преобразователи

Действие таких тензометров основано на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, открытого в 1880 г. Ж. и П. Кюри, заключающегося в возникновении поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (возникновение механических деформаций под действием электрического поля называют обратным пьезоэлектрическим эффектом). Пьезоэлектрическим эффектом обладают кристаллы некоторых природных минералов, таких как кварц или турмалин. Широкое применение в тензометрах получила пьезокерамика из сегнетоэлектриков – титат бария и его композиции, которая обладает высоким пьезомодулем и характеризуется высокой механической прочностью.

Пьезокерамические датчики главным образом используют для измерения параметров быстропротекающих процессов. Их основным преимуществом перед другими типами преобразователей являются высокая чувствительность и жесткость, простота конструкции, низкая стоимость, высокая надежность и очень большой диапазон конструктивных возможностей. К недостаткам можно отнести то, что в обычном исполнении они не могут применяться при статическом нагружении, так как электрический заряд, возникающий на электродах пьезоэлемента, стекает с них по экспоненциальному закону на всех сопротивлениях утечки.

Пьезоэлемент 5 (рис. 2.8) укреплен условно на неподвижной части корпуса 4. К его концу присоединен магнит 3, к торцу подвижной части корпуса 2 второй магнит 1 соосно с первым. Если магниты направлены друг к другу одноименными полюсами, то при деформировании поверхности объекта 9, на котором установлен тензометр с помощью призмы 8, цилиндрические части корпуса 2 и 4 будут взаимно смещаться, на пьзоэлемент начнет действовать сжимающее усилие, пропорциональное расстоянию между магнитами. Динамический режим работы пьезоэлемента при его колебаниях на резонансной частоте обеспечивается генератором 7, а измерение электрического тока в цепи – прибором 6.

Рис. 2.8. Пьезоэлектрический преобразователь контактного типа

2.1.7. Магнитоупругие преобразователи

Принцип действия тензометров с преобразователями этого типа заключается в изменении магнитных свойств (магнитной проницаемости или индукции) в ферромагнитных телах под действием нагрузок, вызываемых взаимным перемещением деталей тензометра при деформации исследуемого объекта.

Изменение магнитной проницаемости сердечника в преобразователях дроссельного типа приводит к изменению полного электрического сопротивления катушки дросселя.

В преобразователях трансформаторного типа выходной переменной величиной является взаимная индуктивность.

Магнитоупругие преобразователи (рис. 2.9) в основном применяют для измерений в условиях высокой влажности, когда требуется высокая надежность работы датчика при не очень высокой точности измерений.

Рис. 2.9. Магнитоупругие преобразователи дроссельного (а)

и трансформаторного (б) типов (В – индукция)

2.1.8. Трансформаторные преобразователи

Являются модификацией индуктивных преобразователей. Принцип их действия основан на учете изменения взаимной индуктивности двух обмоток при перемещении ферромагнитного сердечника, пропорционального исследуемой деформации. Взаимную индуктивность двух намотанных на сердечник обмоток изменяют вследствие изменения магнитного сопротивления преобразователя при варьировании воздушного зазора или площади магнитопровода в преобразователях с переменным зазором и переменной площадью (рис. 2.10), в преобразователях соленоидного типа – при перемещении якоря внутри обмоток.

Рис. 2.10. Схема трансформаторного преобразователя

с переменным зазором

Якорь 1, жестко связанный с подвижной опорой тензометра, при деформировании объекта перемещают относительно статора 2, укрепленного на корпусе тензометра. При этом изменяют воздушный зазор 5 и взаимную индуктивность первичной и вторичной обмоток, что сопровождается увеличением или уменьшением ЭДС на концах вторичной обмотки. Измеряя ЭДС прибором 3, можно по тарировочной кривой определить перемещение или деформацию объекта на базе тензометра.

Данные преобразователи чувствительны к колебаниям напряжения и частоты электрического тока, а также к изменению температуры окружающей среды.