Печать
Просмотров: 10293

Тензодатчики

Если полоску проводящего металла растянуть, то она станет тоньше и длиннее, что приведет к увеличению сопротивления между ее концами. И наоборот, если такую полоску поместить под тяжелый предмет, то она станет шире и короче, а сопротивление ее уменьшится. Если эти усилия останутся в рамках предела упругости металлической полоски (деформация обратима), то ее можно использовать для измерения физической силы. По изменению сопротивления полоски можно вычислить степень деформации, которая будет пропорциональна силе, приложенной к конструкции.

Описанное устройство называется тензометрическим датчиком, или просто тензодатчиком. Тензодатчики чаще всего используются в научных исследованиях машиностроения для измерения деформаций, произведенных различными механизмами. Тестирование элементов конструкции самолетов является одной из областей их применения. Небольшие тензометрические полоски приклеиваются к конструктивным элементам, местам соединений и другим важным компонентам планера для измерения деформаций, созданных динамическими силами. Большинство тензодатчиков своими размерами не превышают почтовой марки, и выглядят примерно так:

 

signal25

 

Проводники тензодатчика должны быть очень тонкими, ели они изготавливаются из круглого провода, то их диаметр не должен превышать 1/1000 дюйма. В качестве альтернативного материала для проводников тензодатчика зачастую используют тонкие полоски металлической пленки, нанесенные на непроводящую подложку. Последняя форма тензодатчика представлена на предыдущей иллюстрации. Тензодатчики обычно приклеиваются к более крупной конструкции, находящейся под воздействием определенной силы (испытательному образцу).

Сопротивление тензодатчиков в состоянии спокойствия обычно находится в пределах от 30 Ом до 3 кОм. Под воздействием максимальной физической силы, с учетом ограничений, накладываемых пределами упругости материалов тензодатчика и испытательного образца, это сопротивление может измениться только на доли процента. Сила, способная вызвать большие изменения сопротивления, приведет к необратимой деформации испытательного образца и/или тензодатчика, сделав их непригодными для использования в качестве измерительных устройств. Отсюда можно сделать вывод, что нам придется измерять очень малые изменения сопротивления с высокой точностью.

Для этой цели как нельзя лучше подойдет мостовая схема. В отличие от моста Уитстона, описанного в предыдущем разделе,  в котором состояние равновесия поддерживается при помощи нуль-детектора и человека-оператора, в мостовой схеме с тензодатчиком используется находящийся в центре моста точный прецизионный вольтметр, обеспечивающий точное измерение дисбаланса по которому можно судить о степени деформации:

 

signal26

 

В этой схеме, как правило, сопротивление резистора R2 устанавливается равным сопротивлению тензодатчика в спокойном состоянии. Сопротивления резисторов R1 и R3 так же подбираются равными друг другу. Таким образом, если к тензодатчику не приложено никакой силы, мост будет симметрично сбалансирован и вольтметр покажет напряжение 0 вольт. Как только мы сожмем или растянем тензодатчик, сопротивление его соответственно увеличится или уменьшится, произойдет разбалансировка моста и вольтметр покажет нам некоторое напряжение.

Так как расстояние между тензодатчиком и тремя другими резисторами мостовой схемы могут быть значительными, сопротивление проводов может оказать существенное влияние на работу схемы. Чтобы проиллюстрировать эффект сопротивления проводов, мы покажем ту же самую схему, но добавим в нее два последовательных с тензодатчиком резистора, которые обозначат провода:

 

signal27

 

Сопротивление тензодатчика (Rтензодатчика) в данной схеме не является единственным измеряемым сопротивлением: на показания вольтметра будут так же влиять последовательно включенные сопротивления проводов Rпровода1 и Rпровода2. Этот фактор может привести к неверной интерпретации силы, примененной к датчику.

Несмотря на то, что данный эффект невозможно устранить полностью, его можно значительно минимизировать путем добавления третьего провода, соединяющего правую сторону вольтметра с верхним выводом тензодатчика:

 

signal28

 

Поскольку в третьем проводе ток фактически отсутствует (из-за высокого внутреннего сопротивления вольтметра), его сопротивление не вызовет сколько нибудь значимого падения напряжения. Можно сказать, что мы "обошли" сопротивление верхнего провода (Rпровода1) путем подключения вольтметра непосредственно к верхнему выводу тензодатчика. В данном случае у нас остается только паразитное сопротивление нижнего провода. Это, конечно, не идеальное решение проблемы, но все же оно лучше, чем предыдущая схема.

Существует еще один, гораздо более эффективный, способ борьбы с паразитными сопротивлениями, который, к тому же, помогает смягчить другой вид погрешности - изменение сопротивления при изменении температуры. Последняя особенность в той или иной мере характерна для всех проводников. Решить обе эти проблемы можно путем использования компенсационного тензодатчика (не подвергается воздействию физической силы) вместо резистора R2, который наклеивается на образец из такого же материала, что и испытуемый, и размещается рядом с ним. Теперь изменение температуры вызовет одинаковое изменение сопротивления обоих тензодатчиков, сохраняя тем самым баланс мостовой схемы:

 

signal29

 

В данной схеме резисторы R1 и R3 имеют одинаковые значения сопротивления, а тензодатчики идентичны друг другу. При отсутствии приложенной силы, мост находится в идеально сбалансированном состоянии и вольтметр показывает 0 вольт. Оба датчика соединены с одинаковыми образцами испытуемого материала, но только один из них подвергается физическим нагрузкам (активный датчик). Другой датчик изолирован от всех механических воздействий, и действует только как устройство температурной компенсации ( компенсационный датчик). Если температура окружающей среды изменится, то сопротивления обоих тензодатчиков изменятся на одинаковый процент, в результате чего баланс мостовой схемы сохранится. Повлиять на балансировку моста в этом случае может только изменение сопротивления активного тензодатчика в результате воздействия на него физической силы.

Провода, соединяющие оба тензодатчика с мостом, тоже не будут влиять на точность схемы, потому что они имеют примерно одинаковую длину, и их паразитные сопротивления компенсируют друг друга:

 

signal30

 

Несмотря на то, что в данной схеме имеется два тензодатчика, только один из них реагирует на приложенную физическую силу. Давайте исправим такое положение дел, и расположим верхний тензодатчик таким образом, чтобы на него воздействовала сила противоположная той, которая воздействует на нижний датчик (т.е. когда верхний датчик сжат, нижний будет растянут, и наоборот). В этом случае мост будет более чутко реагировать на приложенную силу:

 

signal31

 

На следующей иллюстрации показан пример того, как два тензодатчика могут быть связаны с испытательной конструкцией:

 

signal32

 

При отсутствии приложенной силы тензодатчики имеют одинаковое сопротивление, и мост находится в сбалансированном состоянии. Если к свободному концу испытательной конструкции приложить силу, то она прогнется вниз, растянув при этом тензодатчик 1 и сжав тензодатчик 2:

 

signal33

 

Для еще большей чувствительности, в мостовую схему можно включить четыре активных тензодатчика:

 

signal34

 

Несмотря на то, что мостовые схемы с двумя и четырьмя активными тензодатчиками обладают большей чувствительностью в сравнении со схемой с одним датчиком, зачастую бывают такие ситуации, в которых на испытуемой конструкции невозможно разместить все датчики. В таких случаях не остается другого выбора, как использовать только один тензодатчик.

И все же, когда имеется возможность, то лучше использовать схему с четырьмя датчиками. Делать это нужно не только потому, что такая схема обладает большей чувствительностью, но и потому, что она более линейная. Если в схемах с одним и двумя активными датчиками сигнал приблизительно пропорционален приложенной силе, то в мостовой схеме с четырьмя тензодатчиками он прямопропорционален этой силе.