Тензометрия

Применение тензорезисторов

Изменение сопротивления тензорезистора при деформации определяется следующим выражением:

R
R
K

Относительная деформация определяется как:

L
Lo

Формула для расчета изменения сопротивления тензорезистора прием вид:

Для металлов коэффициент тензочувствительности равен 0,8…5,5.

Изменение сопротивления тензорезистора при деформации очень мало. Например, изменение сопротивления тензорезистора при измерении деформации стального стержня поперечным диаметром 10 мм, длиной 100 мм при нагрузке 10 кН с номинальным сопротивлением 150 Ом будет равно 0,048 Ом.

Измерить такие маленькие значения сопротивления непосредственным измерением проблематично. Поэтому в схемах измерения деформация применяют специальный усилитель – мост Уитстона.

Мост Уитстона представляет состоит из четырех резисторов R1…4. В данном случае R1 представляет собой тензорезистор. Напряжение питания подводится к вершинам моста. На противоположных вершинах измеряют напряжение (резистор Rн).

Мост уравновешен, когда напряжение на выходе Uвых=0. Это достигается при выполнении условия:

R1/R2 = R4/R3

Путем подбора номинала резисторов можно добиться равновесия моста.

Если номинальное сопротивление резисторов одинаковы R1=R2=R3=R4, то изменение выходного напряжения будет пропорционально изменению деформации тензорезистора будет определяться формулой:

Если в плечи моста включить два тензорезистора то такой мост будет называться полумостом:

Формула для схемы включения в противоположные плечи (левая схема):

Формула для схемы включения в соседние плечи (правая схема):

Если в плечи моста включить тензорезисторы то такой мост будет называться полным мостом:

Формула для схемы включения тензорезисторов в полный мост:

Пример базовой схемы подключения тензорезисторов к АЦП AD7788 показан на рисунке:

Тензорезисторы широко применяются в весоизмерительной технике: бытовые весы, автомобильные, железнодорожные.

Тензорезисторы используются в датчиках контроля деформации зданий и сооружений.

В датчиках измерения давления также применяют тензорезисторы.

Чувствительным элементов датчика давления является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами. Пластина прочно соединена с чувствительной мембраной. Давление среды воздействует на мембранный разделитель. При деформации мембранного разделителя разделительная жидкость (кремнийорганическая) воздействует на чувствительный элемент.

Схемы подключения

Конструкции тензометрических датчиков, в частности, их малая жесткость, вынуждают применять особые способы подключения рассматриваемых элементов. Например, участки проволочной решетки в местах возможного изгиба при деформации часто располагаются поперечно к направлению измерений. Они воспринимают составляющие удлинения, действующие именно в этом направлении, и поэтому недостаточно точно реагируют на силы и деформации продольного направления. Отношение чувствительности измерения удлинений в продольном и поперечном направлениях для датчиков проволочного исполнения находятся в пределах от -0,01 до +0,04.

Влияние описанного фактора уменьшается, если для измерения напряжений, крутящих моментов или усилий использовать фольговые силоизмерительные датчики. По аналогии с печатными схемами, измерительная фольговая решетка, которая расположена на пластмассовой подложке, может быть получена в результате травления тонкой металлической фольги.  Кроме того, токовая нагрузка на тензометрические датчики фольгового типа больше, чем на проволочные, вследствие чего тепло от фольговых тензометров отводится лучше.

Тензорезисторы часто приклеиваются к исследуемому конструктивному элементу. Клеевое соединение обеспечивает постоянную передачу деформации через подложку на измерительную решетку. Поэтому к клеям предъявляется также и ряд особых требований:

• Высокое сопротивление ползучести.
• Отсутствие гистерезиса.
• Влагостойкость.
• Адгезионная способность.
• Температуростойкость.

Наибольшую эксплуатационную надежность проявляют эпоксидные смолы холодного твердения. Для экспериментального определения многосторонней деформации используют розеточную систему данных устройств, которые образуют измерительный мост. При этом образованная схема состоит из не менее, чем четырех закрепленных на подложке датчиков, которые размещаются крестообразно, треугольником, т-образно, в виде звезды. Благодаря многолучевому размещению тензорезисторов их удлинения измеряются в двух, трех или четырех направлениях.

Тензометрирование

Тензометрирование является одним из основных экспериментальных методов исследования напряженного и деформированного состояния конструкций при изучении поведения натурных — объектов в период пусконаладочных и эксплуатационных работ, а также исследования в лабораторных условиях напряженного состояния конструкций на моделях на стадии проектирования.
 

Тензометрирование позволяет определять также напряжения, возникающие в результате неточности сборки. При этом запись напряжений ведется по мере затяжки гаек при оборке.
 

Тензометрирование является одним из основных экспериментальных методов исследования напряженного и деформированного состояния конструкций при изучении поведения натурных — объектов в период пусконаладочных и эксплуатационных работ, а также исследования в лабораторных условиях напряженного состояния конструкций на моделях на стадии проектирования.
 

Тензометрирование для этих целей неприемлемо по ряду причин и, в частности, из-за того, что в роторе необходимо делать специальные каналы для проводов, после чего он становится некондиционным.
 

Предварительное тензометрирование на рабочих режимах ведут при кед-ленном изменении частоты вращения.
 

Тензометрирование ряда задвижек приводит к следующим выводам. В корпусе и крышке задвижки напряжения распределены неравномерно. Наибольшие напряжения в корпусе имеют место в его верхней части между линией оси трубопровода и средним фланцем. Фланцы и приливы упрочняют фасонную деталь. Напряжения в точках, расположенных на теле корпуса, по мере удаления их от фланцев и приливов возрастают.
 

Тензометрированием называется измерение деформаций образцов и конструкций, а тензометрами — приборы для их измерения.
 

Тензометрированием установлено, что значение действующих напряжений в местах разрушений значительно ниже предела усталости.
 

Такое тензометрирование может быть применено при изучении деформированных состояний моделей и реальных конструкций в условиях различных уровней постоянных температур. Менее удобен этот метод для изучения термических неустановившихся напряжений, особенно в условиях быстрых нагревов до высоких температур. Иногда тензометрирование для этих целей оказывается вообще неприменимым.
 

Однако тензометрирование в полете воздушных судов гражданской авиации указывает на существенную роль двухосного напряженного состояния с переменным соотношением компонент главных напряжений от одного этапа полета к другому. Может одновременно меняться частота, форма цикла, температура окружающей среды и прочее. Следовательно, в эксплуатационных условиях необходимо осуществлять управление ростом трещин в условиях многокомпонентного или многопараметрического воздействия. Реакция материала на это воздействие в виде скачка трещины в цикле нагружения становится интегральной характеристикой энергетических затрат в условиях многопараметрического воздействия.
 

Для тензометрирования крышек применимы обычные проволочные датчики с базой 10 мм из константановой проролоки диаметром 30 мк и сопротивлением порядка 100 ом. Наклейка датчиков производится с помощью клея 192Т, который твердеет при нормальной температуре. Компенсационные датчики должны наклеиваться в непосредственной близости от рабочих датчиков, так как в процессе измерений температура исследуемых деталей может колебаться в диапазоне до 10 С.
 

Для тензометрирования подвижных объектов большое значение имеет сокращение мощности, потребляемой от источников питания. Радикальное решение этой задачи получается с применением полупроводниковых приборов. К настоящему времени разработан ряд образцов тензометрических усилителей на полупроводниковых триодах. Наибольшие затруднения при разработке таких приборов представляет получение стабильного коэффициента усиления при изменениях температуры окружающего воздуха.
 

Типоразмеры тензорезисторов

Стандартов на типоразмеры тензорезисторов не существует. На рисунке представлены наиболее распространенные типоразмеры тензорезисторов для измерения деформаций в различных направлениях.

Линейные тензорезисторы состоят из одной измерительной решетки, предназначены для измерения деформации действующей только в одном направлении.

Двойные тензорезисторы состоят из двух измерительных решеток, расположенных параллельно. Предназначены для измерения деформации действующей только в одном направлении.

Розетка тензорезисторов 0/90° и Т розетка состоят из двух измерительных решеток, расположенных под углом 90°. Предназначены для измерения деформаций, действующих в двух направлениях.

Тензорезисторы в розетка 0/45/90° предназначены для измерения изгибов по двум осям.

Мембранные розетки тензирезисторов предназначены для измерения радиальных и тангенциальных деформаций, применяются в датчиках давления.

Цепочки тензорезисторов состоят из нескольких решеток расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга на общей подложке. Предназначены для определения градиента деформации.

Физические принципы тензометрии

Метод тензометрии – это способ определения напряжённого состояния какой-либо конструкции при возникновении локальных деформаций. Методика измерений позволяет выявить слабые места конструкции, находящейся в напряжённо-деформированном состоянии. Существует несколько способов измерения деформаций:

• оптический;
• пневматический;
• акустический;
• электрический;
• рентгеновский.

Оптический

Оптоволоконные датчики приклеивают к массиву. С помощью оптоволоконной нити, в которой сформирована брегговская решётка, происходит фиксация изменения геометрии поверхности исследуемого объекта. В результате обработки полученного электронного сигнала результат отображается на экране прибора.

Важно! Деформации оптически прозрачных тел измеряют методами, основанными на эффекте двойного лучепреломления. Также величину фотоупругости нагруженного тела меряют способом вращения плоскости поляризации

Пневматический

Применяют поток сжатого воздуха в сопле, направленного на исследуемую поверхность объекта под силовым напряжением. Малейшее изменение расстояния между соплом и телом вызывает изменение давления воздушного потока, которое регистрируется специальными датчиками.

Акустический

Пьезоэлектрическими элементами отмечают изменения акустических параметров объекта. То есть происходят замеры скорости звука, акустического сопротивления и его затухания. В другом случае струнные датчики под воздействием деформаций объекта меняют частоту собственных колебаний.

Электрический

Измерения деформаций фиксируются тензодатчиками. Они отражают изменения электрического сопротивления нагружаемого объекта. Измерительные элементы называют тензорезистивными датчиками.

Рентгеновский

В материалах, подвергающихся силовым воздействиям, меняются расстояния между атомами в кристаллической решётке исследуемого тела. Для фиксации динамики этих процессов применяют рентгеноструктурный метод.

Тензорезистивный метод

В основу этого самого популярного метода положен принцип измерения динамического изменения удельного электрического сопротивления испытуемой детали под нагрузкой. В качестве измерителей применяются полупроводниковые тензометрические датчики. Металлический датчик, улавливая колебания электрического сопротивления детали, сам меняет величину собственного сопротивления. Изменение характеристики тока, проходящего через датчик, отражает тензометр на своём интерфейсе.

Метод — тензометрирование

Метод тензометрирования ЧПИ — УралНИТИ основан на расчете составляющих ударной вязкости исходя из диаграммы усилие — время. Его преимущество в сравнении с осциллографированием диаграммы усилие — деформация заключается в определении средней скорости зарождения и распространения тр ещины.
 

При испытаниях методом тензометрирования производится измерение напряжений в основных элементах конструкции контейнера.
 

При исследованиях вибронапряженности элементов конструкций методом динамического тензометрирования следует руководствоваться рекомендациями пп.
 

Для измерения нагрузки на шарики генератора предложен метод тензометрирования наружного кольца гибкого подшипника. Идея метода заключается в измерении местных деформаций кольца в зоне контакта с шариком. Очевидно, что эти деформации являются некоторой функцией нагрузки.
 

В последнее время для экспериментального изучения напряжений на поверхности деталей широко применяют метод тензометрирования.
 

Для измерения ударной силы были использованы два метода: метод упругих отпечатков и метод тензометрирования с использованием проволочных датчиков сопротивления.
 

Для проверки работоспособности открытых наземных участков газопроводов нужно уметь оценить их напряженно-деформированное состояние, что может быть выполнено в натурных условиях трассы методом тензометрирования.
 

Однако этот метод дает возможность быстро определить общий характер распределения напряжений, локализовать слабые места конструкции и наметить участки для более точного определения напряжений методом тензометрирования.
 

Для определения действительных напряжений, возникающих при работе в деталях оборудования, например в отдельных частях аппаратов высокого давления и в элементах машин, применяется метод тензометрирования при помощи тензометров, которые дают возможность точно измерять линейные и угловые деформации, происходящие под влиянием приложенных сил.
 

Однако этот метод дает возможность быстро опреде-лить общий характер распределения напряжений, локализовать слабые места конструкции и наметить участки, для более — Точного определения напряжений методом тензометрирования.
 

Проверка правильности методики расчета деформированных корпусов нефтехимического оборудования по разработанной программе расчета по ЖЭ выполнялась путем натурного тензометрирования деформированного нефтехимического оборудования и исследования НДС деформированных модельных оболочек методом тензометрирования и оптической голографической интерферометрии и показала хорошее соответствие результатов расчетов и экспериментов, что позволяет рекомендовать расчетные методики к практическому применению.
 

Представлены результаты исследований напряженно-деформированного состояния газопровода, проложенного на поверхностных опорах. Методом тензометрирования проведены измерения деформаций в компенсационных я прямолинейных участках газопровода при испытаниях и эксплуатации. Выполнен анализ влияния давления газа и температур на изменение напряжений в газопроводе и дана оценка эксплуатационной прочности.
 

Для оценки прочности был применен метод тензометрирования, поскольку он позволяет дать фактическую оценку прочности, особенно в тех случаях, когда отсутствуют расчетные методики или достоверность расчетов низкая.
 

По результатам расчетов и натурных измерений проводится оценка прочности линейных и компенсационных участков газопроводов. Натурные измерения деформаций были осуществлены методом тензометрирования в летний и зимний периоды с целью оценки влияния температурных воздействий.
 

Плюсы и минусы

Тензорные датчики компактны, удобны при установке, практически не ограничивают работоспособность конструкции, где они установлены. Вместе с тем они часто подвержены эффекту старения, чувствительны к температурным напряжениям и иногда характеризуются повышенным разбросом получаемых данных. Тонкоплёночные тензорезисторы, кроме того, характеризуются низким уровнем выходного сигнала, ограниченными частотными характеристиками и влиянием высокого напряжения на точность получаемых результатов. Чаще других типов применяются в качестве весовых, а также для определения комплекса силовых факторов, постоянно изменяющихся в процессе работы оборудования или конструкции.

Преимущества тензометрических технологий:

• Быстрое время отклика;
• Простота компенсации температурных эффектов;
• Малая чувствительность к динамическим воздействиям.

Недостатки:

• Невозможность обеспечить более низкие диапазоны измерений;
• Снижение точности показаний при вибрациях;
• Необходимость точного совмещения с окружающей средой;
• Сложность первоначальной настройки.

Выпуск современных тензометрических датчиков регламентируется требованиями ГОСТ 21616-91.

Конструкция

Плёночный тензорезистор. На подложку через фигурную маску в вакууме напылена или сформирована методами фотолитографии плёнка металла. Для подключения электродов выполнены контактные площадки (снизу). Метки облегчают ориентацию при монтаже.

Обычно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника, нанесенного на гибкую подложку. Тензорезистор подложкой на поверхность исследуемого на деформации объекта. Проводники тензорезисторов обычно изготавливаются из тонкой металлической проволоки, фольги, или напыляются в вакууме для получения плёнки полупроводника или металла. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, полимерную плёнку, слюду и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь тензорезистор имеет выводные проволочные концы или контактные площадки.

Плёночные металлические тензорезисторы имеют площадь около 2‑10 мм2.

Классификация тензорезисторов

По материалу чувствительного элемента (ЧЭ) тензорезисторы делятся на следующие группы:

• фольговые – ЧЭ выполнен из тонкого слоя металла (фольги);
• проволочные – ЧЭ выполнен из тонкой проволоки;
• полупроводниковые – ЧЭ выполнен из пластины монокристалла полупроводника.

Чувствительный элемент фольговых и проволочных тензорезисторов называют чувствительной решеткой. В зависимости от количества чувствительных решеток и их положения различают следующие тензорезисторы:

• одноэлементный (одиночный) – тензорезистор, состоящий из одной решетки для измерения деформации направленной в одном направлении (растяжение/сжатие);
• многоэлементный (розетка, тензорозетка) – тензорезистор, состоящий из нескольких решеток для измерения деформации в двух или трех направлениях;
• полумост – тензорезистор, состоящий из двух решеток, соединенных друг с другом, так что образуют половину измерительного моста;
• полный мост – тензорезистор, состоящий из четырех решеток, соединенных друг с другом, так что образуют измерительный мост;
• мембранный – тензорезистор, состоящий из нескольких решеток для измерения радиальных и тангенциальных деформаций;
• цепочки тензорезисторов – тензорезистор, состоящий из нескольких решеток для измерения распределения деформаций по длине тензорезистора.

Тензодатчики силы растяжения и сжатия

Тензодатчики силы растяжения и сжатия, как правило, имеют S-образную форму, изготавливаются из алюминия и легированной нержавеющей стали. Предназначены для бункерных весов и дозаторов с пределом измерения от 0,2 до 20 тонн. S-образные тензодатчики силы растяжения и сжатия могут использоваться в станках по производству кабелей, тканей и волокон для контроля силы натяжения этих материалов.

Тензорезисторы проволочные и фольговые

Проволочные тензорезисторы делают в виде спирали из проволоки малого диаметра и крепят на упругом элементе или исследуемой детали с помощью клея. Их отличает:

• простота изготовления;
• линейная зависимость от деформации;
• малые размеры и цена.

Из недостатков отмечают низкую чувствительность, влияние температуры и влажности среды на погрешность измерения, возможность применения только в сфере упругих деформаций.

Фольговые тензорезисторы в настоящее время являются наиболее распространенным типом тензорезисторов из-за их высоких метрологических качеств и технологичности производства. Это стало доступным благодаря фотолитографической технологии их изготовления. Передовая технология позволяет получать одиночные тензорезисторы с базой от 0,3 мм, специализированные тензометрические розетки и цепочки тензорезисторов с широким рабочим температурным диапазоном от –240 до +1100 ºС в зависимости от свойств материалов измерительной решетки.

Устройство и принцип работы

По типу воздействия на исполнительные элементы конструкции различают тактильные, резистивные, пьезорезонансные, пьезоэлектрические, магнитные и емкостные датчики.

Тактильные

Срабатывают в результате механического действия на чувствительную поверхность. Позволяют устанавливать минимальные деформации, но при неточных настойках могут подавать и ложный сигнал.

Резистивные

Наиболее распространенный тип датчиков. Требуют подключения к слаботочной управляющей цепи, поскольку включают в себя тензорезисторный контур. Надежны при любом состоянии окружающей среды.

Пьезорезонансные

Относятся к устройствам полупроводникового типа, нуждаются в надежном обслуживании и тонкой настройке. Работают по принципу сравнения эталонного сигнала с фактическим.

Пьезоэлектрические

По своему действию подобны измерителям предыдущего типа, но подают сигнал при изменении значений контактных деформаций, прикладываемых к чувствительному элементу.

Магнитные

Изготавливаются из сплавов с переменным значением коэрцитивной силы, используются при измерении усилий в узлах оборудования, работающих в сильных электромагнитных полях.

Емкостные

Предназначены для измерения малых механических напряжений в деталях со сложной конфигурацией, когда изменение длины токопроводящей проволоки изменяет ее электрическую емкость.

Описание и назначение

При измерении деформаций, напряжений и усилий при помощи тензометрических датчиков используют изменение значений омического сопротивления материала, которое вызывается упругими деформациями металлической проволоки или полупроводников стержневого исполнения. Изменение сопротивления датчика передаётся при помощи кабеля или бесконтактным путем на измерительный мост. Там оно преобразуется в усиленные электрические сигналы, которые и фиксируются прибором.

Все типы тензометрических датчиков (или, иначе – тензорезисторов) используют зависимость между напряжениями и деформациями – закон Гука – который справедлив в области упругих деформаций. Согласно закону Гука изменение электросопротивления, отнесённое к исходному значению данного параметра до деформации, пропорционально изменению удлинения, отнесённому к первоначальной длине измерительного элемента. Применяя коэффициент пропорциональности, который зависит от диапазона измеряемых параметров и материала устройства, устанавливают зависимость между нагрузкой на датчик и его удлинением:

ΔR/R = k×Δl/l,

где:

R – исходное значение электрического сопротивления;

ΔR – изменение значения электрического сопротивления в процессе деформации;

k – коэффициент пропорциональности;

Δl – изменение длины при деформировании;

l – исходная длина измерительного элемента до приложения к нему эксплуатационной нагрузки.

Указанный тип устройств используется в весоизмерительной технике, поскольку относится к тензорным, определяющим усилия и внешние нагрузки.