2.3. Упругие динамометры с электрическими датчиками. Тензометрические датчики.

Высокоточные механические и гидравлические силоизмерители могу применяться исключительно в статических или близких к ним режимах. Для измерения усилий на переходных или неустановившихся режимах используются электрические динамометры разных типов. Все они представляют собой упругие системы, деформации отдельных элементов которых пропорциональны измеряемым усилиям и моментам. Эти деформации измеряются при помощи электрических преобразователей проволочного, индуктивного или емкостного типов. Наибольшее распространение имеют проволочные тензометрические преобразователи.

Тензорезистивный эффект – изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников в результате его деформации под действием нагрузки.

R=ρℓ/S,

где ρ – удельное сопротивление проводника, ℓ - длина и S – площадь поперечного сечения проводника. Материал может быть охарактеризован тензочувствительностью m

m = (Δρ/ρ)/(Δℓ/ℓ),

где Δρ – изменение удельного сопротивления; Δℓ - изменение относительной деформации; ℓ - относительная деформация.

Тензочувствительность полупроводников в десятки раз выше, чем у металлов. Тензорезистивный эффект зависит от вида деформации и температуры (слабо зависит от деформации сжатия и сильно – от изгибной деформации).

Таблица 3.

Тензочувствительные материалы.

материал	состав	m	ρ*10^6,Ом*м	Рабочая температура
Константан	58,5%Cu, 40%Ni, 1,5%Mn	2	0,44 – 0,52	До 673
Нихром	65 – 80%Ni,15 – 30%Cr	2,1 – 2,3	1,0 – 1,1	До 1273
Платина	100%Pt	4,1 – 6,1	0,09 – 0,11	До 1573
Германий	n - типа	100	80
Кремний	p – типа	135	2
	n - типа	133	35

Тензорезистор из монокристалла проводника представляет собой стержень с металлическими лепестками, присоединенными к его концам. Лепестки обеспечивают электрический контакт со стержнем и необходимы для присоединения тензорезистора к образцу. Погрешность тензорезисторов от 0,5 до 2% от диапазона измерений. Среди достоинств - высокая точность измерений, малая чувствительность к вибрациям и малая масса самого датчика; недостаток – слабый выходной сигнал.

Упругие элементы, работающие совместно с наклеенными на них тензодатчиками должны обеспечивать высокую сигнальную деформацию при достаточно большом запасе прочности, отсутствие нелинейности и гистерезиса.

Динамометры в виде простой консольной балки пригодны для измерения малых усилий от долей ньютона и выше. При изгибе поперечной силой консольного стержня толщиной h максимальное сигнальное напряжение на расстоянии ℓ от точки ее приложения в 6ℓ/h раз больше, чем в случае растянутого или сжатого той же силой стержня с тем же поперечным сечением. Поэтому продольно нагружаемые стержни применимы в основном для измерения больших сил.

Средняя квадратическая погрешность собственно тензодинамометра, вызываемая главным образом влиянием температуры на жесткость и форму упругого элемента обычно не превышает (при малом изменении температуры) ±0,3 – 0,5%.

Кроме использования в тензодинамометрах для измерения усилий, наклеиваемые тензодатчики используются для измерения крутящих моментов, давлений, температур, напряжений и других физических величин, действие которых может быть преобразовано в малые перемещения (прогибы). При этом в качестве предварительных преобразователей применяются различные упругие элементы с укрепленными на них тензопреобразователями.

Наиболее распространенные формы тензопреобразователей показаны на рис. 11 Плоская решетка позволяет приблизить проволочки к поверхности деформируемой детали. При этом повышается стабильность (уменьшается гистерезис и ползучесть). Преобразователь из травленой фольги имеет высокое отношение площади поверхности к поперечному сечению отдельных проводников, что улучшает теплоотдачу и увеличивает допустимую плотность тока (если только сама контролируемая деталь не обладает очень малой теплоемкостью). Способ изготовления пленочных тензопреобразователей заключается в вакуумной возгонке тензочуствительного материала и последующей его конденсации на подложку.

Точность и чувствительность приклеиваемых тензоэлементов зависят от качества контакта с деталью, на которую они наклеиваются. Наибольшее воздействие на характеристику тензоизмерителя оказывает изменение температуры. Вызвано это тем, что, во – первых, температурные деформации проволочек не равны температурным деформациям детали, на которую наклеены тензорезисторы и, во – вторых, сопротивление большинства материалов зависит от температуры. Температурная компенсация достигается проще всего с помощью установки дополнительных тензопреобразователей, аналогичных основному, но расположенных т.о., что при использовании мостовых измерительных схем сигналы, наведенные изменением температуры, самоисключаются.

Погрешности тензометрических измерителей деформаций тесно связаны с возможностью их градуирования. Если рабочий преобразователь по условиям эксплуатации невозможно градуировать на месте установки, то погрешность, вызванная неидентичностью элементов и качеством их приклейки, может составить 1 – 5%, а общая погрешность прибора – до 10 – 15%.

К специальным видам тензорезисторов могут быть отнесены сигнализаторы появления и развития трещин и датчики усталостных повреждений. Сигнализаторы трещин представляю собой отрезки провода или узкие полоски фольги на изоляционной основе, которые приклеиваются на элементы контролируемого объекта в районе концентраторов напряжений перпендикулярно к предполагаемому направлению распространения трещин. Когда трещина достигает места расположения сигнализатора, последний разрывается и обрыв его цепи используется для получения электрического сигнала. Если обычные тензорезисторы используются в области деформаций, где статическая характеристика близка к линейной, то сигнализаторы трещин работают в области, где эта характеристика может быть как линейной, так и релейной.

Датчик усталостных повреждений позволяет обнаруживать и исследовать скрытые повреждения в эксплуатирующейся конструкции по необратимому изменению удельного электросопротивления фольги, зависящему (при определенном режиме отжига фольги) от числа циклов нагружения.

Рис. 11 Наклеиваемые тензорезисторы. а, б – Плоские решетки; в – из травленной фольги.