1.1. Типы тензодатчиков - Российский государственный
advertisement
Министерство образования и науки РФ Описан федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина» ________________________________________________________________ ________ Факультет инженерной механики Кафедра «Стандартизация, сертификация и управление качеством производства нефтегазового оборудования» СКРИПКА В. Л. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ПО ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ И ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ по дисциплине «МЕТРОЛОГИЯ » ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ для студентов, обучающихся по направлению подготовки 221700 «СТАНДАРТИЗАЦИЯ И МЕТРОЛОГИЯ» Москва 2014г. принцип работы, характеристики тензопреобразователей. Приводится описание и элементы расчета лабораторного стенда для исследования характеристик тензодачиков, порядок проведения работы по исследованию их статических характеристик. собой проводник, изменяющий своё сопротивление при деформации сжатия-растяжения. При деформации проводника 1.Тензопреобразователи Современное машин, 1.1. Типы тензодатчиков промышленное производство аппаратов и сооружений ставит изменяются его длина и площадь поперечного сечения Q . и эксплуатация задачи снижения материалоёмкости с одновременным повышением надежности и Деформация кристаллической решётки приводит к изменению удельного сопротивления , что приводят к изменению сопротивления проводника R = / Q. Этим свойством обладают в большей или меньшей степени все ресурса по критериям прочности. Развитие техники приводит к усложнению условий эксплуатации машин и аппаратов (высокие и проводники. криогенные температуры, различные физические воздействия, проводниковые ( фольговые , проволочные и пленочные) и большие перегрузки и т. д.), которые создают большие трудности полупроводниковые тензорезисторы. Хорошим материалом для при решении этой задачи. Важнейшим этапом решения задачи проводниковых тензорезисторов, используемых при температурах обеспечения прочности ниже 180° С, является константант. Зависимосгь сопротивления R эксплуатации машин и ресурса является при проектировании определение и деформаций, напряжений, перемещений и усилий, вызываемых силовыми и от В относительной настоящее время деформации с находят достаточной применение точностью описывается линейным двучленом : тепловыми нагрузками. R=Ro(l+St) , Для определения реальной нагруженности деталей машин на где Ro-сопротивление тензорезистора без деформации; St - стадии проектирования, доводки опытных образцов, и особенно в тензочувствительность материала. реальных условиях эксплуатации, большую роль играют методы Тензочувствительность константана лежит в пределах 2,0-2,1. экспериментальной механики, в частности, тензометрия. Нелинейность функции преобразования не превышает 1%. Для измерения деформаций в деталях машин и конструкций в широком диапазоне температур применяют тензорезисторы. Фольговые тензорезисторы представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензочувствительная -5- -4Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет решетка из константана толщиной 4-12 мкм (рис.1) . Номинальное сопротивление датчиков лежит в пределах 50-800 Ом. Свойства полупроводниковых и металлических преобразователей сильно различаются. Чувствительность полупроводниковых преобразователей может быть как положительной, так и отрицательной и лежит в пределах St = 55-130. Как сопротивление, так и чувствительность сильно зависят от температуры. Недостатком является также большой разброс их параметров и характеристик. Рис.1.Конструкция фольгового тензодатчика Решетка сверху покрыта лаком. Фольговые тензорезисторы практически вследствие не чувствительны малого к сопротивления поперечной перемычек, 1.1.1. Основные параметры тензорезисторов деформации соединяющих тензочувствительные элементы. Метрологические характеристики тензорезисторов и формы их представления и обозначения устанавливает ГОСТ-21616-91. Для Проволочный тензорезистор имеет аналогичное устройство, его конкретных типов тензорезисторов набор нормируемых решетка выполнена из константановой проволоки толщиной 20-50 характеристик составляется из ряда в зависимости от назначения мкм. По метрологическим и эксплуатационным характеристикам тензорезисторов, определяемого в соответствии с ГОСТ 21615-76. проволочные тензорезисторы уступают фольговым. Важнейшие Проволочные и фольговые тензорезисторы обычно имеют длину характеристики тензорезисторов этого следующие [1]. 5-20 мм, ширину 3-10 мм. Их номинальное сопротивление равно -7- 50, 100, 200, 400 и 800 Ом. Параметры тензорезисторов общего а) Функция преобразования устанавливает зависимость назначения регламентирует ГОСТ-21616-91. информативной тензорезисторы составляющей выходного сигнала тензорезистора от информативной составляющей входного сигнала -6Полупроводниковые ряда представляют собой (деформации). Выходной сигнал тензорезистора представляет собой пластинку монокристалла кремния или германия длиной 5-10 мм, отношение приращения сопротивления тензорезистора к его шириной 0,2-0,8 мм. К ее торцам приварены металлические выводы. начальному значению : =R/Rн. в) Выходной сигнал тензорезистора является безразмерной относительной величиной. Для единообразия в документации В рабочем диапазоне функцией влияния температуры на чувствительность Ф(t)=K(t)/K(to) , где =A1+A22+...+Aг, чувствительность тензорезисторов может изменяться. Это изменение характеризуется выражают в миллионных долях (млн-1) или же в процентах (%). Функция преобразования выражена полиномом температур K(t)-чувствительность при температуре t; K(to)- чувствительность при нормальной температуре; Ф(t) - функпия где А,.. .А,—коэффициенты полинома; - деформация (млн-1). влияния температуры на чувствительносrь. Для известных типов б) В диапазоне упругих деформаций функция преобразования для тензорезисторов - это монотонная функция температуры: Ф(t)=Bo+Blt+B2t2+...+Brtr, всех типов тензорезисторов практически линейна, поэтому она где Bo - Br -коэффициенты. может быть заменена одним числом - чувствительностью К , которая определяется при нормальной температуре и деформации: =1000 млн-1. Функция влияния температуры на чувствительность может также нормироваться значением Фср при максимальной температуре и её Чувствительность, как и ряд других характеристик, может быть средней квадратичной погрешностью Sф. определена только по выборке тензорезисторов, установленных на -9- градуировочном приспособлении. Испытанные тензорезисторы не г) Несовершенство связующего вещества между тензодатчиком и объектом приводит к изменению во времени деформации, -8могут быть использованы передаваемой от детали к чувствительному элементу и соответвторично. Чувствительность нормируется средним значением для партии (Кср) и допустимым значением среднего квадратического отклонения (СКО) чувствительности Sк .На практике чувствительность определяется по значениям задаваемых деформаций и сопротивлениям по формуле: K=[(R-Ro)/Ro]/ соответствующим им ствующему изменению выходного сигнала тензорезистора. Это явление, именуемое ползучестью тензорезистов может характеризоваться часовой ползучестью ,численно определяемой как уменьшение выходного сигнала тензорезистора при фиксированной деформации. Ползучесть принято определять при деформации =1000 млн-1. Различают ползучесть при нормальной (П) и максимальной температурах (Пt). Ползучесть нормируется средним значениями Пср и Пtср , а также соответствующими средними квадратичными отклонениями (СКО) - Sп и Sпt . Процесс ползучести может протекать с различной скоростью и стремиться к 1.1.2. Основные характеристики тензорезисторов. различным пределам. Одно и то же значение часовой ползучести может реализоваться при процессах ползучести, протекающих с разными скоростями (рис.2). Для сопоставления качества тензорезисторов принято приближенное описание ползучести экспоненциальной функцией Пt=Aп(1-e-/П), где - Пt -условное предельное значение ползучести, %; - время; Характеристики выпускаемых промышленностью тензодатчиков сопротивления часто меняются от тензометра к тензометру [2]. Причина этого заключается в том, что относительное изменение сопротивления тензодатчика, действием измеряемого относительного удлинения, часто бывает одного порядка с изменением сопротивления в результате действия других П - постоянная времени ползучести. -10- обусловленное -11факторов, например изменений температуры, влажности и т. п. К тому же влияние этих факторов зависит от трудновоспроизводимых процессов, имеющих место при изготовлении, наклейке и сушке тензометров. Так, например, характеристика тензорезистора, проволока которого подверглась растяжению при изготовлении или наклейке, отличается от характеристики тензорезистора, проволока которого не была растянута. Равным образом усталостная прочность тензорезистора с предварительно растянутой проволокой оказывается пониженной. Тензорезистор, под которым после наклейки оказался толстый слой клея, допускает меньшую силу тока Рис.2. График ползучести тензорезисторов 1 и 2 Ап1 Ап2 , п1 п2 , П1 = П2 при измерениях и обнаруживает большие деформации ползучести и т. д. Таким образом, полностью одинаковые тензорезисторы получить невозможно. После достижения некоторого значения относительного Основной наиболее важной характеристикой тензорезистора удлинения наклон характеристики начинает постепенно является зависимость относительного изменения его сопротивления уменьшаться. При последующем уменьшении напряжения в детали (R/R) от деформации (). относительное изменение сопротивления также уменьшается по Если после высыхания клея подвергнуть наклеенный тензодатчик графику 2 с тем же угловым коэффициентом. При новом удлинению, нагружении то относительное изменение сопротивления тензодатчика сначала будет изменяться по закону прямой 1 (рис.3) с детали изменение сопротивления происходи по графику 3 . угловым коэффициентом tg. -13-12- При последующих циклах нагружения и разгрузки детали, кривые изменения сопротивления тензометра при нагружении и разгрузке проходят все ближе и ближе одна к другой и, в конце концов, сливаются. Ниже показана такая закономерность для тензометра с параллельной решеткой и бумажным основанием типа PR9210 фирмы Филипс, наклеенного клеем PR9241, и для тензорезистора с поперечными перемычками и пластмассовым основанием типа «тепик В2» фирмы Гуггенбергер, наклеенного клеем тепик-цемент. При первом нагружении до относительного удлинения 0,125% заметен отчетливо выраженный гистерезис при малых отклонениях от линейного закона (рис.4). Второе нагружение было произведено до относительного удлинения 0,25%. При третьем нагружении до относительного Рис. 3. Графики изменения относительного изменения сопротивления тензодатчика при 1 - 3 циклах его нагружения. удлинения 0,5% оба тензорезистора обнаружили значительный гистерезис (рис.5). Если производить дальнейшие циклы нагружения- разгружения тензопреобразователей, то гистерезис практически Рис.4 Графики чувствительности тензорезисторов при первом нагружении. 1-тензорезистор "тепик В2", 2- тензорезистор PR 9210 будет незаметен. Для уменьшения гистерезиса рекомендуется перед измерениями произвести 3-4 нагружения детали с наклеенными проволочными тензорезисторами до возможно больших значений относительного удлинения. -15- -14- Рис.5 Графики чувствительности тензорезисторов при втором и третьем нагружении. 1-тензорезистор "тепик В2", 2- тензорезистор PR 9210 -17- -161.2. Область применения и способы крепления тензодатчиков. При создании конструкций нового оборудования (корпуса, Особое значение натурная тензометрия имеет в сложных технологических процессах таких, как режимы работы паровых турбин, атомных реакторов электростанций (корпуса стопорных и трубопроводы и др.) применяют экспериментальные методы регулирующих клапанов паровых и газовых турбин, измерение определения деформаций и напряжений в течение всего процесса напряжений в узле корпуса теплообменника, измерение напряжений проектирования, в основных точках боковых патрубков реактора и т.д.).[1] изготовления и пуска оборудования. На относительно дешевых механических моделях при проектировании сопоставляют конструкций по и напряжениям выбирают и перемещениям оптимальный, оценивают По способу закрепления на исследуемой детали различают варианты два типа тензорезисторов : приклеиваемые и привариваемые. способ Наибольшее применение получили фольговые тензорезисторы, производства, учитывая возникающие технологические напряжения чувствительный (при сборке, сварке) и допустимость из условий прочности фотолитографии, отклонений по геометрии. производстве. В таких тензорезисторах чувствительный элемент элемент наиболее которых изготавливается технологичным при методом массовом Натурная тензометрия конструкций оборудования позволяет закрепляют на полимерной пленке или другой подложке, которая оценить эксплуатационные режимы, провести контроль напряжений может быть приклеена к исследуемой детали. Привариваемые в наиболее нагруженных зонах и по этим данным выполнить оценку тензорезисторы выпускают смонтированными на подложке из прочности и ресурса нагруженных конструкций. Тензометрия металлической фольги, которую приваривают контактной сваркой к натурных конструкций оборудования при его пуске и эксплуатации исследуемой детали. На металлической подложке могут быть с системы установлены либо обычные приклеиваемые тензорезисторы (для тензометрии обеспечивает регистрацию деформаций и напряжений удобства монтажа), или решетки чувствительных элементов могут во всех элементах оборудования. формироваться в процессе изготовления тензорезисторов. Второй использованием информационно-измерительной вариант применяют при изготовлении термостойких -18тензорезисторов с проволочным чувствительным элементом и органосиликатным или иным связующим веществом. Для исследования плоского напряженно-деформированного состояния обычно используют розетки тензорезисторов, которые представляют собой измерительный преобразователь, имеющий на общей подложке несколько тензочувствительных элементов, главные оси которых ориентированы под определенными углами Рис.6. Схемы включения тензодатчиков друг к другу. эквивалентная схема для такого включения тензорезисторов. Если 1.3. Схемы включения тензодатчиков и погрешности измерения. выполняются указанные выше условия, то изменение температуры не приведет к изменению баланса мостовой схемы. Это Существует несколько схем включения тензодатчиков, обеспечивает устранение аддитивной погрешности от изменения наиболее распространенная трехпроводная схема представлена на температуры. Но как следует из рис. 6,б, линии с сопротивлениями рис.6,а. Рабочий (Rp) и компенсационный (Rk) тензорезисторы rл включены последовательно с тензорезисторами, что приводит к установлены в зонах с одинаковой температурой. На рабочий уменьшению чувствительности схемы к измеряемой деформации, тензорезистор воздействует измеряемая деформация и температура. т.е. к образованию мультипликативной погрешности, которая На зависит от соотношения rл /R и изменяется при изменении компенсационный температура.Соединительные тензорезистор провода влияет к только рабочему и компенсационному тензорезисторам имеют одинаковую длину и температуры. В ряде случаев -20- находятся при одинаковой температуре. На рис. 6,б представлена -19- вместо трехпроводной схемы применяют четырехпроводную схему включения тензорезисторов (рис.7). сопротивлением rл включена последовательно в диагональ питания, Такое включение приводит с увеличению (по сравнению с что приводит к снижению напряжения питания на мосте. трехпроводной составляющей Устранение погрешности. Это объясняется тем, что значение rл для этой схемы достигнуто (при одинаковых сечениях и длинах соединительных проводов) в представленной два раза больше, а исключение сопротивления из измерительной применения этой схемы. Первый - измерение фактического схемой) мультипликативной мультипликативной модифицированной на рис.9. составляющей может пятипроводной Возможно несколько быть схемой, вариантов диагонали не имеет практического значения, так как входное Рис.7. Четырехпроводная схема включения тензорезисторов сопротивление современных приборов во много раз превышает rл. Исключение мультипликативной составляющей не может быть 21достигнуто полностью и при применении пятипроводной схемы, приведенной на рис.8,а. Как следует из эквивалентной схемы (рис.8,б), линия с Рис.8. Пятипроводная схема включения тензодатчиков -22- Рис.10. Схемы включения тензодатчиков с компенсационной петлей Рис.9. Модифицированная пятипроводная схемы включения Применяют два варианта включения ( рис.10 а, б). Очевидно, что тензодатчиков при использовании варианта а сопротивление rл в два раза больше, напряжения в диагонали питания Е' и внесение соответствующих чем при использовании варианта б. Поэтому, если возникают поправок; второй - использование напряжения Е' в приборах, какие-либо дополнительные обстоятельства, следует отдавать применяющих компенсационный метод измерения; третий - предпочтение варианту б. Необходимо иметь в виду, что и при применение электронных схем для уравновешивания напряжений использовании схем с одиночным тензорезистором возможно Е'= Е. применение схем, подобных приведенным на рис.9. В ряде случаев тензометрирование выполняется без применения На практике иногда бывает затруднительно или невозможно компенсационного тензорезистора. В этом случае при вычислении довести деформации вносится поправка на температурную характеристику тензорезисторов на детали. В этих случаях от прибора до рабочего тензорезистора. В смежное с рабочим тензорезистором коммутатора ведут пятипроводную линию, а от коммутатора до плечо, тензорезистора - трехпроводную. При этом необходимо оценить в мостовую схему компенсационную петлю (рис.10). -23- включают так называемую многопроводную линию до точки установки возможную погрешность измерения. Относительная -24мультипликативная погрешность измерения выходного сигнала тензорезистора составит: ли) rл / Rо используют установки с балкой постоянного сечения, размеры где л - действительное значение выходного сигналатензорезистора; которой обеспечивают незначительные увеличения жесткости балки и - измеренное значение выходного сигнала тензорезистора; при установке тензорезисторов и расстояния чувствительного элемента от нейтральной оси [З]. Примером является установка rл - сопротивление соединительной линии; СТТ-40 (рис.11). Это устройство имеет градуировочную балку 1 Rо - начальное сопротивление тензорезистора. Следует отметить, что -является толщиной 50 мм, длина ее рабочего участка 1 м. Балка 1 функцией температуры, установлена на неподвижных опорах 2. Нагружение балки осуществляется электродвигателем 3 поскольку rл зависит от температуры. 1.4. Средства калибровки тензодатчиков. Государственная поверочная схема для средств измерения деформаций (ГОСТ8.543-86) создает возможность обеспечения единства измерения деформаций в нормальных условиях. ГОСТ предусматривает наличие установки высшей точности, установки первого разряда и рабочих средств для воспроизведения деформаций. Все установки для определения чувствительности или функции преобразования должны быть аттестованы в соответствии со схемой, приведенной в государственном стандарте. Рис. 11. Установка СТТ-40 для градуировки тензодатчиков -26- -25Характерной особенностью измерений деформаций в экспериментальных условиях является применение привариваемых тензорезисторов. Для градуировки таких тензорезисторов через коробку передач 4, шток 5 и подвижную траверсу б с нагружающими роликами 7. Реверсивный электродвигатель 3 и с двоенные нагружающие и опорные ролики позволяют осуществляв знакопеременное нагружение одних и тех же тензорезисторов. Шток 5 соединяется с подвижной траверсой 6 через двусторонний шаровой шарнир 8, обеспечивающий равномерную передачу усилий на оба конца балки. Прогиб измеряют прогибометром (базой 630мм) с растровым индикатором. Отличительной установки типа УТ-66 для определена особенностью функции влияния температуры на чувствительность и ползучести при повышенных температурах является нагрев балки непосредственным пропусканием через неё электрического тока промышленной частоты. Градуировочная балка 1 (рис.12) сечением 6 х 14 мм установлена на неподвижных опорах 2 из электроизоляционного материала. Рис.12. Установка УТ-66 для градуировки тензодатчиков Усилие при вращении маховичка 3 передается птоком 4 через призму 5 на траверсу б, которая в свою очередь передает нагрузку тензорезисторов до требуемой деформации осуществляется по через призмы 7,тяги 8 и нагружающие ролики 9 равномерно на оба шкале лимба 10, прикрепленного к маховичку 3, т.е. без помощи конца балки. индикатора, причем деления лимба устанавливаются одинаковыми Связь между углом поворота нагружающего маховичка 3 и прогибом в центре балки является линейной, поэтому нагружение -27- как при нормальной, так и при повышенных температурах. Выравнивание температуры по длине балки достигается подбором сечения токопроводящих шин 12 с учетом электрических и тепловых характеристик материалов шин и балки. Отклонения температур на рабочей длине балки не превышает 3° С°. При определении функции влияния температуры и ползучести, -28поддержание постоянной температуры осуществляется с помощью высокоточного регулятора температуры 11 типа ВРТ-3. Систематическая погрешность воспроизведения деформации обуславливается лишь увеличением толщины балки при нагреве и устраняется внесением соответствующей поправки. Случайная предельная погрешность не превышает одного деления шкалы лимба, соответствующего деформации 1,7 млн-1. 2. Экспериментальная установка 2.1 Структурная схема экспериментальной установки. Экспериментальная установка состоит из двух основных частей: механической деформации (включающей и (включающей образцовые грузы, измерительный блок в себя рис.13.1), на основе балку равной электрической Деформация балки, создаваемая при помощи грузов, регистрируется установленными на ней тензодатчиками. Сигнал с тензодатчиков поступает на измерительный блок, где усиливается в К раз. Усиленный сигнал поступает с измерительного блока на вольтметр ( рис.16, точка подключения d ), по величине регистри -29вольтметром напряжения. изменении сопротивления R/R . судят об для градуировки тензодатчиков микросборки М2УТТМ1791, рис.13.2 ), а также вольтметра и блока питания. руемого Рис.13.1. Лабораторная измерительная установка относительном 1. 2. 3. 4. 5. 6. Балка равной деформации. Устройство крепления. Тензопреобразователи. Измерительный блок. Образцовые грузы. Вольтметр (на рисунке не показан). -30- 2.2. Расчет механической части установки. В данной характеристик установке для тензодатчиков исследования применяется статических балка равной деформации (рис. 14). Рис.14. Тензобалка Деформация в процессе исследования задается при помощи мерных грузов 5 (рис.13), вес которых выбран равным 2, 4, 6, 8, 10 кг-с. Для того чтобы исследовать статическую характеристику тензодатчика (зависимость R/R от ) необходимо получить ряд значений , линейно связанных с массой грузов. Для этого необходимо провести следующие расчеты: Рис.13.2. Электрическая схема экспериментальной установки. -31- -32- = F L (E W) , где F - вес груза, L - рабочая длина балки, E - модуль упругости балки, W = bh2 6 - момент сопротивления балки, b - ширина балки в месте крепления, М2УПМ1791, не превышала максимального допустимого h - толщина балки. Результирующая формула имеет вид: = 6 F L ( E b h ) 2 2. Выбранное напряжение питания тензомоста равно 2,5 В. 3.Рассчитываем ток тензомоста по формуле: (1) При выбранных для лабораторной установки значениях h =8 мм, b = 100 мм, E =7200 кг с/мм , 2 значения требуется, чтобы Iтензомоста 20 мА.. Iтензомоста = Uпит Rсум L = 520 мм, Rcyм- суммарное сопротивление моста ( рис. 15). F = 2, 4, 6, 8, 10, 12 ( кгс) используя формулу (1), получаем следующую таблицу : Таблица 1. Вес грузов, кг с. Деформация , %. 2 0,0135 4 0,0277 6 0,0406 8 0,0542 10 0,0677 12 0,0812 Рис.15. Схема включения тензодатчика Суммарное сопротивление моста рассчитывается по формуле: Rсум = (RT1+RT2)(R1+R2)(Rт1+Rт2+ R1+R2), -34- -33- при Rт1=Rт2= R1=R2 =100 Ом, Rсум = 100 Ом, получим значение : Iтенззомоета = 2,5/100 =25 мА 2.3. Расчет электрической части установки. Расчет тока тензорезистора. 1.Для того чтобы мощность, выделяемая на микросборке Так как ток тензомоста превышает максимальное допустимое значение, вместо постоянных резисторов R1,R2 с номинальным сопротивлением 100 Ом включены резисторы с номинальным сопротивлением 200 Ом ( рис. 16.). Вместо одного тензорезистора в каждом плече включены два последовательно растяжения, то его сопротивление рассчитывается по формуле: Rтр1 = R +R , соединенных тензорезистора с номинальным сопротивлением Rсум = 200 Ом. Iтензомоста.= 2,5/200 =12,5 мА Расчет относительного изменения сопротивления по показаниям вольтметра. Произведем расчет относительного изменения R - номинальное сопротивление тензорезистора, равное 100 Ом. R - относительное изменение сопротивления. Сопротивление компенсационного тензорезистора, подвергающегося деформации сжатия определяется по формуле: сопротивления на примере тензорезистора RÒ1. Сигнал с выхода тензомоста усиливается в К-раз схемой на где Rт3с = R -R . Таким образом, напряжение, на входе вольтметра будет равно: основе нормирующего преобразователя М2УПМ1791 ( рис. 16.), на- Uпок.в.=.K(U((R+R+R)/(R+R+R+R+R-R)-2R/(2R+2R))= пряжение на выходе схемы (Uпок.в.) измеряется вольтметром, его =KU R/4R, можно оценить по выражению: Uпок.в.= Uвых.тенз. K , следовательно: R/R= Uпок.в .4/(KU). (2) или Uпок.в.=. K(U ((Rтр1+Rò1)/ (Rтр1+Rт1+ Rт2+Rт3с) - UR1/(R1+R2)), Rтр1 - исследуемый на растяжение тензорезистор, -36- -35- 2.4. Основные настройки электрической схемы экспериментальной установки. Rт1, Rт2 - тензорезисторы, предназначенные для задания рабочего тока тензомоста ( не подвергаются деформции). Принципиальная электрическая схема экспериментальной R1,R2 - постоянные резисторы, установки показана на рис. 16, а механическая часть показана на Rт3с - компенсационный тензорезистрор. рисунке 13.1. Перед использованием установки для исследования При отсутствии деформации напряжение, регистрируемое вольтметром равно нулю ( = 0, Rтр1+Rт1=Rт2+Rт3с=R1+R2 = 200Ом). Если исследуемый тензорезистор подвергается деформации характеристик тензо датчиков необходимо произвести настройку рабочего режима схемы. Необходимо выполнить следующие операции. 1. Снять грузы 5 с балки 1, (рис 13). 2. Установить переключатель SA1(рис.1б) в положение, соответствующее коэффициенту усиления " 200 ". 3. Установить в точке а (рис.1б) с помощью подстроечного резистора R13 напряжение Uстаб.=10 В. 4. Установить в разрыве между точками b и c ток Iстаб.=10 мА с помощью подстроечного резистора R14. 5. Произвести настройку Iстаб и Uстаб несколько (3-5)раз, повторив пункты 3 и 4. 6. Установить с помощью резистора R4 нулевое показание вольтметра. -37-387. Нагрузить балку до максимального значения, равного 12 кГс. 8. С помощью резистора R3 ( рис.16.) добиться минимального показания вольтметра, тем самым выключив режим плавной установки коэффициента усиления. Примечание: При включении схемы загорается светодиод HL (сигнализация зашиты), необходимо его погасить, нажав кнопку S1 несколько раз. 2.5. Структурная схема нормирующего преобразователя. Структурная схема нормирующего преобразователя приведена на рис.17. Питание датчиков перемещения ( тензомост ) осуществляется от усилителей мощности УМ1 и УМ2, работающих в режиме повторителей напряжения. Каждая пара проводов, подключенная к вершинам диагонали питания тензомоста, работающих в режиме повторителей напряжения. Каждая пара проводов, подключенная к вершинам диагонали питания тензомоста, образует цепь глубокой отрицательной обратной связи соответствующего усилителя мощности, поэтому сопротивления проводов (и их изменения) и контактов разъемов, включенных в эти цепи, не влияют на результат измерения. -39Рис.17. Структурная схема нормирующего преобразователя. -40Поскольку длина линий связи с датчиками может достигать 150м, то в схеме предусмотрен анализатор аварийных ситуаций в 2.5.1.Основные характеристики нормирующего линии связи. Короткие замыкания проводов между собой или на преобразователя. общую шину, обрывы проводов, а также любые комбинации межд^ собой этих аварийных ситуаций приводят к обесточиванию усилителей мощности и выдаче аварийного сигнала ТТЛ уровня. Входные сигналы последовательностями усилителей мощности разнополярных импульсов, являются сдвинутых Таблица 2. 1. Основная приведенная погрешность при 20°С и коэффициенте усиления 2000, %. 2. Амплитуда импульсов питания тензомоста, В. 3. Коэффициент усиления. 4. Температурная погрешность, %. диагонали тензомоста подается через коммутатор 1 на вход 5. Подавление шума, дБ. дополнительно управляемым измерительного усиливается коэффициентом усилителя. масштабирующим усиления. Далее 0,02 на 10 °С (-10°С -+70°С) 120 сигнал усилителем Усиленный 20; 10; 5; 2,5 2000; 1000; 400; 200 относительно друг друга по фазе на 180°. Сигнал с измерительной прецизионного 0,02 Режимы работы. с сигнал подвергается амплитудной демодуляции с весовым суммированием отдельных выборок сигнала в устройстве выборки-хранения (УВХ) , после чего сигнал ограничивается по частоте, проходя фильтр нижних частот. Импульсные последовательности через коммутатор 2 попадают на устройство балансировки начального небаланса тензомоста или на вход прецизионного делителя (построенного на 1. С внутренним генератором импульсов (внешний только кварцевый резонатор). 2. С внешним генератором импульсов, когда используется генератор другой схемы. 3. С внутренним источником опорного напряжения ( внешний только стабилитрон 2С191Ф). 4. С внешним опорным напряжением, например, от другой схемы. основе сетки сопротивлений R-2R), вход которого подключен к -42- коммутатору 1. Управляя коммутатором 1, можно подавать на вход -41инструментального усилителя калибровочный (тестовый) сигнал и производить оценку работоспособности всего тракта усиления. 5. Рабочий режим работы (работа идет с тензомостом и работает схема балансировка). 6. Тестовый режим работы. В коммутаторов 1 и 2 может быть: зависимости от состояния Датчик отключен коммутатором 1, вместо него подключен 1.3. Произвести сброс схемы защиты кнопкой S1 (светодиод VD1 тестовый сигнал с делителя R-2R, «баланс 0» отключен должен быть погашен). коммутатором 2.. В этом режиме тестируется усиление канала 1.4. Произвести несколько нагружений балки 1 ( рис. 13.) до максим Датчик отключен, вход коммутатора 1 заземлен. Коммутатор 2 включает «баланс 0» и отключает делитель R-2R. В этом режиме значения (12кГс), обеспечив тем самым уменьшение влияния гистерезиса на характеристику тензопреобразователя. 1.5. тестируется балансировка моста. Снять груз и вычислить по показаниям вольтметра, относительное изменение R/R сопротивления тензорезистора, 2.6. Методика проведения эксперимента. пользуясь формулой (2). 1.6. Значение расчетной деформации взять из табл.1. Экспериментальные исследования решают следующие задачи. 1. Построение зависимости относительного сопротивления тензодатчиков от деформации изменения (растяжения, сжатия). 1.7. Нагрузить балку до 4, 6, 8, 10, 12кГс. Соответствующие значения деформации взять из таблицы 1. После каждого нагружения рассчитать относительное изменение сопротивления тензодатчика, пользуясь формулой (2) и показанием вольтметра. 2. Определение коэффициента чувствительности тензодатчиков. 3. Определение погрешности измерения. 1.8. Повторить п.1,1., п.1.5.-п.1.7. для исследования тензорезисторов Rтр1-Rтр5. Все исследования проводятся для двух режимов -44- деформации: растяжения и сжатия. 1.9. -432.6.1 Исследование тензодатчиков на растяжение. (для первого опыта в положение Rтр1). 1.2. Включить экспериментальную установку. каждого нагружения, по полученным значениям относительного изменения сопротивления тензорезисторов Rтр1Rтр5 вычислить среднее значение отношения R/R. 1.10. 1.1. Установить переключатель HL ( рис. 16.) в положение RтрN Для Построить зависимость относительного изменения сопротивления тензорезистора от деформации. 1.11. По полученной зависимости найти функцию преобразования относительного изменения деформации, в виде полинома: сопротивления тензорезистора от R/R =A1+A22+A33+A44+A55 . 2.6.3.Определение погрешности измерения. 2.6.2. Определение коэффициента чувствительности тензопреобразователей. 3.1. По значению относительного изменения сопротивления тензорезистора нагружению Чувствительность схемы определяется по формуле: балки соответствующему (12кГс), и значению максимальному чувствительности тензопреобразователя (пункт 2.3) найти измеренное значение где S = Sтп.Sм.u , (пункт1.9), деформации по формуле: Sтп - чувствительность тензопреобразователя; Sм.u-чувствительность мостовой схемы тензодатчика по напряжеию. измер= Sтп/(1,6 R/R) Sм.u =U/4=2,5/4=0,625 (В) . 3.2. Зная расчетное значение деформации (пункт1) оценить Sтп =. S /Sм.U = 1,6S. относительную погрешность результата измерения деформации Следовательно: -46по формуле: = (измер -расч.)/расч. . -452.1. По средним значениям относительного изменения Исследование тензодатчиков на сжатие. сопротивлений для каждого значения деформации, полученных в пункте 1.9, найти чувствительность схемы по формуле: S =(R/R) / . Для исследования тезодатчиков на сжатие (Rтс1- Rтс5) повторить пункты 1 -3 разделов 2.6.1.-2.6.3. 2.2. Вычислить среднее значение чувствительности по полученным Примечание: в необходимо учитывать, что показания вольтметра и значения п. 2.1. данным. 2.3. Вычислить значение чувствительности тензопреобразователя по формуле: Sтп = 1,6 Sср при исследовании тензодатчжов деформации будут отрицательными. на сжатие Список литературы. 1. М. Л. Дайчик, Н. И. Пригоровский., Г. X. Хуршудов. Методы и средства натурной тензометрии.-М.: Машиностроение, 1989. 2. К. Финк., X. Рорбах. Измерение напряжений и деформаций.М.: Машиностроение, 1961. 3. А. Л. Поляков, О. Б. Людмирская. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. -М.: ВНИИНМАШ, 1981. -474. А. Л. Поляков., О. Б. Людмирская. Методы и средства поверки испытательного оборудования.-М.: ВНИИНМАШ, 1981 . 5. Н.Н. Евтихеев и др. Измерение электрических и неэлектрических величин.-М.: Энергоатомиздат, 1990 . 6. С.П. Гончаров, В. В. Киценко., А. И. Маргулис.-Измерение напряжений и усилий.- М.: Машиностроение, 1955.
