Тензодатчик

Типичный тензодатчик из фольги; синяя область является проводящей, и сопротивление измеряется от одной большой синей площадки к другой. Датчик гораздо более чувствителен к деформации в вертикальном направлении, чем в горизонтальном направлении. Маркировка за пределами активной области помогает выровнять манометр во время установки.

Тензодатчик (также пишется тензодатчик) представляет собой устройство, используемое для измерения напряжения на объекте. Изобретенный Эдвардом Э. Симмонсом и Артуром Руге в 1938 году, наиболее распространенный тип тензодатчика состоит из изолирующей гибкой основы, которая поддерживает узор из металлической фольги. Датчик прикрепляется к объекту подходящим клеем, например цианоакрилатом. По мере деформации объекта фольга деформируется, что приводит к изменению ее электрического сопротивления. Это изменение сопротивления, обычно измеряемое с помощью моста Уитстона, связано с деформацией величиной, известной как калибровочный коэффициент.

СОДЕРЖАНИЕ

• 1 Физическая операция
• 2 Калибровочный коэффициент
• 3 На практике
  • 3.1 Колебания температуры
• 4 Ошибки и компенсации
• 5 Геометрия тензодатчиков
• 6 Другие типы
• 7 Бесконтактные измерения деформации
• 8 См. Также
• 9 ссылки

Физическая операция

Несмонтированный резистивный тензодатчик из фольги

Тензодатчик использует физическое свойство электропроводности и его зависимость от геометрии проводника. Когда электрический проводник растягивается в пределах своей эластичности, так что он не ломается и не деформируется, он становится уже и длиннее, что увеличивает его полное электрическое сопротивление. И наоборот, когда проводник сжимается так, что он не изгибается, он расширяется и укорачивается, что снижает его полное электрическое сопротивление. Из измеренного электрического сопротивления тензодатчика можно сделать вывод о величине индуцированного напряжения.

Типичный тензодатчик размещает длинную тонкую проводящую полосу в виде зигзагообразного узора из параллельных линий. Это не увеличивает чувствительность, поскольку процентное изменение сопротивления для данной деформации для всего зигзага такое же, как и для любого отдельного следа. Одиночная линейная дорожка должна быть чрезвычайно тонкой и, следовательно, подверженной перегреву (что изменит ее сопротивление и приведет к его расширению), или должна будет работать при гораздо более низком напряжении, что затруднит точное измерение изменений сопротивления.

Коэффициент калибровки

Фактор калибра определяется как: ${\ displaystyle GF}$

${\ displaystyle GF = {\ frac {\ Delta R / R_ {G}} {\ epsilon}}}$

куда

${\ displaystyle \ Delta R}$ изменение сопротивления, вызванное деформацией,

${\ displaystyle R_ {G}}$ - сопротивление недеформированного датчика, а

${\ displaystyle \ epsilon}$ это напряжение.

Для обычных датчиков из металлической фольги коэффициент измерения обычно немного больше 2. Для одного активного датчика и трех фиктивных резисторов с таким же сопротивлением, что и у активного датчика в сбалансированной конфигурации моста Уитстона, выходное напряжение датчика от моста приблизительно равно: ${\ displaystyle SV}$

${\ Displaystyle SV = EV {\ гидроразрыва {GF \ cdot \ epsilon} {4}}}$

куда

${\ displaystyle EV}$ - напряжение возбуждения моста.

Толщина фольги обычно составляет около 2–10 мм ². При аккуратной установке, правильном манометре и правильном клее можно измерить деформации не менее 10%.

На практике

Визуализация концепции работы тензодатчика на балке при чрезмерном изгибе

Напряжение возбуждения прикладывается к входным проводам измерительной сети, а показание напряжения снимается с выходных проводов. Типичное входное напряжение составляет 5 В или 12 В, а типичные выходные значения - в милливольтах.

Фольговые тензодатчики используются во многих ситуациях. Различные приложения предъявляют разные требования к манометру. В большинстве случаев важна ориентация тензодатчика.

Обычно ожидается, что датчики, прикрепленные к весоизмерительному датчику, будут оставаться стабильными в течение многих лет, если не десятилетий; в то время как те, которые используются для измерения отклика в динамическом эксперименте, могут нуждаться только в том, чтобы оставаться прикрепленными к объекту в течение нескольких дней, быть под напряжением менее часа и работать менее секунды.

Тензодатчики прикрепляются к основанию с помощью специального клея. Тип клея зависит от требуемого срока службы измерительной системы. Для кратковременных замеров (до нескольких недель) подходит цианоакрилатный клей, для долговременной укладки необходим эпоксидный клей. Обычно эпоксидный клей требует высокотемпературного отверждения (около 80-100 ° C). Подготовка поверхности для приклеивания тензодатчика имеет первостепенное значение. Поверхность необходимо выровнять (например, очень мелкой наждачной бумагой), обезжирить растворителем, затем удалить следы растворителя и сразу после этого приклеить тензодатчик, чтобы избежать окисления или загрязнения подготовленной поверхности. Если эти шаги не выполняются, привязка тензодатчика к поверхности может быть ненадежной, и могут возникнуть непредсказуемые ошибки измерения.

Технология, основанная на тензодатчиках, обычно используется при производстве датчиков давления. Сами манометры, используемые в датчиках давления, обычно изготавливаются из кремния, поликремния, металлической пленки, толстой пленки и склеенной фольги.

Колебания температуры

Колебания температуры вызовут множество последствий. Размер объекта изменится из-за теплового расширения, которое датчик будет определять как деформацию. Изменится сопротивление датчика и сопротивление соединительных проводов.

Большинство тензодатчиков изготовлено из константанового сплава. Различные константановые сплавы и сплавы Karma были разработаны таким образом, чтобы влияние температуры на сопротивление самого тензодатчика в значительной степени компенсировало изменение сопротивления датчика из-за теплового расширения объекта испытаний. Поскольку разные материалы имеют разную степень теплового расширения, самотемпературная компенсация (STC) требует выбора конкретного сплава, соответствующего материалу испытуемого объекта.

Тензодатчики, которые не являются самокомпенсирующимися по температуре (например, изоупругие сплавы), могут быть компенсированы по температуре с использованием метода фиктивного датчика. Манекен (идентичный активному тензодатчику) устанавливается на недеформированный образец из того же материала, что и испытуемый образец. Образец с манекеном помещают в тепловой контакт с испытуемым образцом рядом с активным манометром. Манекен манометра подключен к мосту Уитстона на соседнем плече с активным манометром, так что температурные воздействия на активный и манекен взаимно компенсируют друг друга. ( Изначально закон Мерфи был придуман в ответ на то, что набор датчиков был неправильно подключен к мосту Уитстона.)

Каждый материал реагирует, когда он нагревается или когда он остывает. Это заставит тензодатчики зарегистрировать деформацию материала, что вызовет изменение сигнала. Чтобы этого не происходило, сделаны тензодатчики, которые компенсируют это изменение из-за температуры. В зависимости от материала поверхности, на которой установлен тензодатчик, можно измерить разное расширение.

Температурное воздействие на подводящие провода можно нейтрализовать с помощью «3-проводной перемычки» или «4-проводной схемы сопротивления» (также называемой «4-проводным соединением Кельвина »).

В любом случае хорошей инженерной практикой является поддержание напряжения привода моста Уитстона на достаточно низком уровне, чтобы избежать самонагрева тензодатчика. Самонагрев тензодатчика зависит от его механических характеристик (большие тензодатчики менее склонны к самонагреву). Низковольтные управляющие уровни моста снижают чувствительность всей системы.

Ошибки и компенсации

• Нулевое смещение - если импеданс четырех измерительных рычагов не является точно таким же после присоединения датчика к коллектору силы, будет нулевое смещение, которое можно компенсировать, подключив параллельный резистор к одному или нескольким измерительным рычагам.
• Температурный коэффициент калибровочного коэффициента (TCGF) - это изменение чувствительности устройства к деформации при изменении температуры. Обычно это компенсируется введением фиксированного сопротивления во входной ветви, в результате чего эффективное подаваемое напряжение будет уменьшаться с повышением температуры, компенсируя увеличение чувствительности с повышением температуры. В схемах преобразователя это известно как компенсация модуля. При повышении температуры элемент датчика веса становится более эластичным и, следовательно, при постоянной нагрузке будет больше деформироваться, что приведет к увеличению выходной мощности; но нагрузка все та же. Во всем этом хитрость заключается в том, что резистор в источнике питания моста должен быть термочувствительным резистором, который соответствует как материалу, к которому прикреплен датчик, так и материалу измерительного элемента. Значение этого резистора зависит от обоих этих значений и может быть рассчитано. Проще говоря, если выходная мощность увеличивается, значение резистора также увеличивается, тем самым снижая сетевое напряжение на датчике. Установите правильное значение резистора, и вы не увидите никаких изменений.
• Нулевой сдвиг с температурой - Если TCGF каждого датчика не одинаков, будет нулевой сдвиг с температурой. Это также вызвано аномалиями в коллекторе силы. Обычно это компенсируется одним или несколькими резисторами, стратегически размещенными в цепи компенсации.
• Линейность - это ошибка, из-за которой чувствительность изменяется в диапазоне давления. Обычно это функция выбора толщины сбора усилия для заданного давления и качества соединения.
• Гистерезис - это ошибка возврата к нулю после скачка давления.
• Повторяемость - эта ошибка иногда связана с гистерезисом, но распространяется на весь диапазон давления.
• Ошибки, вызванные электромагнитными помехами - поскольку выходное напряжение тензодатчиков находится в диапазоне мВ, даже мкВ, если напряжение привода моста Уитстона поддерживается на низком уровне, чтобы избежать самонагрева элемента, необходимо соблюдать особые меры при усилении выходного сигнала, чтобы избежать усиления также наложенного шума.. Часто принимаемое решение состоит в использовании усилителей «несущей частоты», которые преобразуют изменение напряжения в изменение частоты (как в ГУН) и имеют узкую полосу пропускания, таким образом уменьшая внеполосные электромагнитные помехи.
• Перегрузка - если тензодатчик нагружен сверх расчетного предела (измеренного в микродеформации), его характеристики ухудшаются и не могут быть восстановлены. Обычно хорошая инженерная практика предлагает не нагружать тензодатчики сверх ± 3000 микродеформаций.
• Влажность - Если провода, соединяющие тензодатчик с стабилизатором сигнала, не защищены от влаги, например оголенный провод, может возникнуть коррозия, что приведет к паразитному сопротивлению. Это может позволить токам течь между проводами и подложкой, к которой приклеен тензодатчик, или между двумя проводами напрямую, что приводит к ошибке, которая конкурирует с током, протекающим через тензодатчик. По этой причине сильноточные тензодатчики с низким сопротивлением (120 Ом) менее подвержены этому типу ошибок. Чтобы избежать этой ошибки, достаточно защитить провода тензодатчиков изоляционной эмалью (например, эпоксидной или полиуретановой). Тензодатчики с незащищенными проводами можно использовать только в сухих лабораторных условиях, но не в промышленных.

В некоторых приложениях тензодатчики добавляют массу и демпфирование профилям вибрации оборудования, которое они предназначены для измерения. В турбомашиностроении альтернативой тензодатчикам при измерении вибрации вращающегося оборудования является система измерения напряжения без вмешательства, которая позволяет измерять вибрации лопастей без использования каких-либо лопастей или оборудования, устанавливаемого на диск...

Геометрии тензодатчиков

Геометрии тензодатчиков

На рынке доступны следующие типы тензодатчиков:

• Датчики линейной деформации
• Тензодатчики с мембранной розеткой
• Двойные линейные тензодатчики
• Полномостовые тензодатчики
• Датчики деформации сдвига
• Полумостовые тензодатчики
• Тензодатчики колонны
• Розетка 45 ° (3 направления измерения)
• Розетка 90 ° (2 направления измерения).

Другие типы

Для измерения малых деформаций полупроводниковые тензорезисторы, так называемые пьезорезисторы, часто предпочтительнее, чем фольговые. Полупроводниковый датчик, как правило, имеет больший коэффициент, чем калибр манометр фольги. Полупроводниковые датчики имеют тенденцию быть более дорогими, более чувствительными к изменениям температуры и более хрупкими, чем датчики из фольги.

Тензодатчики на основе наночастиц - новая многообещающая технология. Эти резистивные датчики, активная область которых образована сборкой проводящих наночастиц, таких как золото или углерод, сочетают в себе высокий коэффициент измерения, большой диапазон деформации и небольшое потребление электроэнергии из-за их высокого импеданса.

В биологических измерениях, особенно в измерениях кровотока и отека тканей, используется вариант, называемый тензодатчиком с ртутью в резине. Этот вид тензодатчика состоит из небольшого количества жидкой ртути, заключенной в небольшую резиновую трубку, которую наносят, например, на палец ноги или ногу. Набухание части тела приводит к растяжению трубки, что делает ее длиннее и тоньше, что увеличивает электрическое сопротивление.

Оптоволоконное зондирование можно использовать для измерения деформации оптического волокна. Измерения могут быть распределены вдоль волокна или выполнены в заранее определенных точках волокна. На лодках Alinghi 5 и USA-17, участвующих в Кубке Америки 2010 года, используются встроенные датчики этого типа.

Пример бесконтактного измерения деформации с использованием корреляции цифрового изображения на испытательном купоне материала, показывающего движущиеся структуры деформации, называемые полосами Людерса

Для измерения деформации могут использоваться и другие оптические методы измерения, такие как электронная интерферометрия спекл-структуры или корреляция цифровых изображений.

Микромасштабные тензодатчики широко используются в микроэлектромеханических системах (MEMS) для измерения деформаций, например, вызванных силой, ускорением, давлением или звуком. Например, подушки безопасности в автомобилях часто срабатывают с помощью акселерометров MEMS. В качестве альтернативы пьезостойким тензодатчикам для измерения деформации в микрооптоэлектромеханических системах (MOEMS) могут использоваться встроенные оптические кольцевые резонаторы.

В емкостных тензодатчиках используется переменный конденсатор для индикации уровня механической деформации.

Тензодатчики с вибрирующей проволокой используются в инженерно-геологических и строительных приложениях. Датчик состоит из вибрирующей натянутой проволоки. Деформация рассчитывается путем измерения резонансной частоты проволоки (увеличение натяжения увеличивает резонансную частоту).

Тензодатчики на кристалле кварца также используются в геотехнических приложениях. Датчик давления, резонансный кварцевый тензодатчик с трубкой Бурдона силы коллектора является критическим датчик DART. DART обнаруживает волны цунами со дна открытого океана. Он имеет разрешение по давлению примерно 1 мм водяного столба при измерении давления на глубине в несколько километров.

Бесконтактные измерения деформации

Деформацию также можно измерить с помощью корреляции цифровых изображений (ДИК). В этом методе одна или две камеры используются в сочетании с программным обеспечением DIC для отслеживания особенностей на поверхности компонентов с целью обнаружения небольшого движения. Можно рассчитать полную карту деформации испытуемого образца, которая будет отображена аналогично конечно-элементному анализу. Этот метод используется во многих отраслях промышленности для замены традиционных тензодатчиков или других датчиков, таких как экстензометры, струнные горшки, LVDT, акселерометры. .. Точность коммерчески доступного программного обеспечения DIC обычно составляет от 1/100 до 1/30 пикселя для измерения смещения. что приводит к чувствительности к деформации от 20 до 100 мкм / м. Метод DIC позволяет быстро измерять форму, смещения и деформации без контакта, избегая некоторых проблем, связанных с традиционными методами контакта, особенно при испытаниях на удар, высокую деформацию, высокотемпературную или многоцикловую усталость.

Смотрите также

• Термометр сопротивления
• Компрессометр

использованная литература