Использование тензометра: тензометрирование конструкций, принцип действия и устройство

Физические принципы тензометрии

Тензометрический метод — это метод определения напряженного состояния конструкции при локальных деформациях. Методика измерений позволяет выявить слабые места конструкции в напряженно-деформированном состоянии. Есть несколько способов измерить деформации:

• оптика;
• шина;
• акустический;
• электрический;
• рентгеновский снимок.

Оптический

Волоконно-оптические датчики приклеены к массиву. С помощью оптоволоконной проволоки, в которой сформирована брэгговская решетка, фиксируется изменение геометрии поверхности исследуемого объекта. В результате обработки полученного электронного сигнала результат отображается на экране устройства.

Важно! Деформации оптически прозрачных тел измеряются методами, основанными на эффекте двойного лучепреломления. Кроме того, величина фотоупругости нагруженного тела измеряется путем вращения плоскости поляризации.

Пневматический

В сопло подается поток сжатого воздуха, направленный на исследуемую поверхность объекта, подверженного силовому напряжению. Малейшее изменение расстояния между соплом и корпусом вызывает изменение давления воздушного потока, которое регистрируется специальными датчиками.

Акустический

Пьезоэлектрические элементы отмечают изменение акустических параметров объекта. То есть происходят измерения скорости звука, акустического импеданса и его затухания. В другом случае струнные датчики под действием деформаций объекта изменяют частоту собственных колебаний.

Электрический

Измерения деформации регистрируются тензодатчиками. Они отражают изменения электрического сопротивления заряженного объекта. Измерительные элементы называются тензодатчиками.

Рентгеновский

В материалах, подверженных силовым воздействиям, расстояния между атомами в кристаллической решетке исследуемого тела изменяются. Для регистрации динамики этих процессов используется метод дифракции рентгеновских лучей.

Тензорезистивный метод

Этот наиболее распространенный метод основан на принципе измерения динамического изменения удельного электрического сопротивления образца под нагрузкой. В качестве датчиков используются полупроводниковые тензодатчики. Металлический датчик, обнаруживая колебания электрического сопротивления детали, сам изменяет значение ее сопротивления. Изменение характеристик тока, проходящего через датчик, отражается тензодатчиком на его интерфейсе.

Виды тензометрического оборудования

Тензометрическое оборудование стало очень популярным в метрологии. Поскольку силу нельзя измерить напрямую, тензодатчики стали основным методом измерения приложенной нагрузки, конкурируя с пружинными и торсионными грузами и динамометрами. Тензометрическое оборудование можно разделить на следующие области использования:

	Электронный баланс … Предназначен для измерения веса груза. Равновесие тензодатчика является основным направлением тензодатчика. В 9 из 10 случаев тензометрическое оборудование относится к электронным весам. Тензометрический датчик измеряет вес и преобразует его в числовое значение. Зная вес неподвижного объекта, очень легко вычислить его массу.
	Динамометры … Разработан для измерения сил сжатия / растяжения. Все современные динамометры основаны на тензодатчиках, заменяющих устаревшие модели пружинных.
	Машины, воспроизводящие силу … Это промышленный аналог динамометра, который способен развивать силу до 50 кН и более. В отличие от динамометров, которые требуют специальных креплений на месте (точки вставки), машины для испытания на растяжение имеют индивидуальные зажимы для испытуемого материала, соответствующие его физическим характеристикам. Кроме того, современные электрические машины измеряют предел прочности на разрыв и могут отслеживать напряжение / растяжение материала в режиме реального времени.
	Прессы … Очень часто они оснащаются тензометрическим оборудованием для измерения силы. При этом тензометрическое оборудование позволяет не только измерять, но и контролировать давление в системе, регулируя основные параметры пресса.

Больше информации

• Мостовые схемы для подключения тензодатчиков
• Тензодатчики: маркировка, подбор
• Тензодатчики: описание и принципы работы

Конструкция типичного металлического датчика

Осциллограф: концепция и конструкция прибора

Тензодатчик выполняется с помощью металлопленочных датчиков. Их делают по-разному, но дизайн остается прежним. В одном случае на полимерную пленку наносится трафарет (маска), а сверху напыляется тонкий слой металлического сплава.

По-другому, токопроводящая форма резистора создается методом фотолитографии. На поверхность наплавленного металла наносится фоторезист. Поверхность отполирована ультрафиолетом по фотографическому трафарету. В зависимости от типа фоторезиста передержанные участки или необлученные поверхности смываются растворителем. Открытый металлизированный слой смывают кислотой, получая профилированную металлическую пленку.

Модель датчика деформации напоминает сжатую пружину на виде сверху. Чтобы снизить влияние температуры на показания тензодатчика, для печатной формы датчика используются металлические сплавы с низким коэффициентом удельного сопротивления.

Цепь металлического датчика

Датчики имеют самоклеящуюся основу. Пленки наклеиваются на поверхность предметов в студии: это могут быть лестницы из балок, динамометры, отсеки автомобилей, отрезки труб. Аналогичным образом измеряется степень деформации вала и опорных подшипников в машиностроении и т.д.

Примечание! Чувствительность тензодатчика зависит от ориентации датчика в направлении приложения нагрузки к объекту. Если деталь сжимается или растягивается, продольные линии тензодатчика следует располагать вдоль оси приложения нагрузки. В противном случае чувствительность датчика будет равна нулю.

Измерительная схема

Амперметр — что это такое и устройство прибора

В измерительную схему тензодатчика входит так называемый сбалансированный мост Уинстона. На рисунке ниже он показан с диагонально интегрированным вольтметром. Провод A — D замкнут на источник постоянного напряжения.

Тензометрический измерительный мост

Переменный резистор R2 на холостом ходу снижает напряжение до нуля. Диагональный вольтметр B — C показывает изменение уровня напряжения в цепи при наличии нагрузки, приложенной к испытуемому объекту. Параллельно сигнал с линии B — C через дифференциальный усилитель направляется на тензодатчик.

Схемы подключения

Конструкции тензодатчиков, в частности их малая жесткость, требуют применения специальных способов соединения рассматриваемых элементов. Например, участки проволочной сетки, где она может изгибаться во время деформации, часто размещают поперек направления измерения. Они воспринимают компоненты удлинения, действующие в этом направлении, и поэтому не реагируют точно на силы и деформации в продольном направлении. Коэффициент чувствительности для измерения удлинения в продольном и поперечном направлениях для датчиков с проволочной обмоткой находится в диапазоне от -0,01 до +0,04.

Влияние описанного фактора уменьшается, если датчики силы фольги используются для измерения напряжений, крутящих моментов или сил. По аналогии с печатными платами, измерительную решетку из фольги, расположенную на пластиковой подложке, можно получить путем травления тонкой металлической фольги. Кроме того, токовая нагрузка на тензодатчики из фольги выше, чем на тензодатчики из проволоки, поэтому тепло от тензодатчиков из фольги лучше отводится.

К рассматриваемому элементу конструкции часто приклеивают тензодатчики. Клеевое соединение обеспечивает постоянную передачу деформации через подложку на измерительную сетку. Поэтому к клеям также предъявляется ряд особых требований:

• Высокая стойкость к ползучести.
• Без гистерезиса.
• Влагостойкость.
• Умение придерживаться.
• Устойчивость к температуре.

Эпоксидные смолы холодного отверждения — самые надежные в эксплуатации. Для экспериментального определения многосторонней деформации используется система розеток этих устройств, образующих измерительный мост. В этом случае сформированная схема состоит как минимум из четырех закрепленных на подложке датчиков, расположенных поперечно, треугольной, Т-образной, звездообразной формы. Благодаря многолучевому расположению тензодатчиков их удлинение измеряется в двух, трех или четырех направлениях.

Примеры использования тензометров

Один из примеров — максимальное натяжение пильного полотна. Также заслуживает внимания контроль железобетонных конструкций, которые производятся с помощью тензодатчиков, фиксирующих степень напряжения арматуры в бетонной массе.

Применение тензометрии

Постоянный ток — понятие и виды постоянного тока

Тензометрия — неотъемлемая часть испытаний экспериментальных моделей и образцов, проектируемых ответственных строительных конструкций, изделий авиационной промышленности, космической техники и т.д. Здания и сооружения, в которых выявлены нарушения целостности конструкции, подвергаются тензометрии.

Измерительные приборы разработаны и изготовлены на основе принципов тензометрии. К ним относятся весы, динамометры, ториометры (датчики крутящего момента). Тензодатчики играют важную роль в предупреждении и предотвращении возможных аварийных ситуаций, связанных с разрушением строительных конструкций, различного оборудования тяжелой промышленности и т.д.

Методы измерения тензодатчика

Сферы применения

Помимо определения удлинений, вызванных действием внешних нагрузок на конструктивные части оборудования, тензодатчики могут использоваться для измерения собственных (остаточных) напряжений в момент их релаксации, это явление возникает при сверлении или резке некоторые конструктивные детали и узлы.

Тонкопленочные датчики давления, изготовленные методом осаждения из паровой фазы или распыления, используются для обнаружения сил, напряжений, крутящих моментов и деформаций в изоляционных элементах, размещенных непосредственно на гладких мембранах. Для калибровки резистивных элементов используется лазерная резка, повышающая точность измерения. Диффузионные полупроводниковые датчики давления могут проникать через кремниевую чувствительную к давлению диафрагму и не имеют отношения к свойствам поверхности. Это позволяет использовать их в миниатюрных тензодатчиках.

Основным преимуществом тонкопленочных преобразователей является устранение нестабильности, вызванной клеем.

Тонкопленочная технология считается более совершенной и обеспечивает стабильность при температуре выше нуля и полную чувствительность, а также высокую долговечность.

Ниже перечислены обычно применяемые условия использования тензодатчиков.

Измерение веса

он нужен в напольных системах, с помощью которых определяется вес груза. Для них характерны минимальные требования к точности монтажа и ввода в эксплуатацию.

Измерение давления

Применяется в технологических линиях деформации металла. Одновременно производится измерение рабочих сил и упругих деформаций. Датчики снабжены силоизмерительным устройством с цифровой индикацией.

Измерение крутящего момента

Используется для испытательного оборудования станций технического обслуживания автотранспорта.

Определение ускорения

Иногда его используют в экспериментальных лабораториях, где занимаются проектированием и испытаниями высокоскоростного безрельсового железнодорожного оборудования.

Контроль перемещения

Наиболее распространенные области применения — сейсмологические станции и фундаменты высокоточного массивного оборудования, в основном в энергетике.

Устройство и принцип работы

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

Тактильные

Они активируются при механическом воздействии на чувствительную поверхность. Они позволяют выставить минимальные деформации, но при неточных настройках могут дать ложный сигнал.

Резистивные

Самый распространенный тип датчика. Они требуют подключения к слаботочной цепи управления, поскольку включают в себя цепь тензодатчика. Надежен в любых условиях.

Пьезорезонансные

Они относятся к приборам полупроводникового типа и требуют надежного обслуживания и настройки. Они работают по принципу сравнения опорного сигнала с реальным.

Пьезоэлектрические

По своему действию они аналогичны измерителям предыдущего типа, но выдают сигнал при изменении значений контактных деформаций, приложенных к чувствительному элементу.

Магнитные

Они изготовлены из сплавов с переменным значением коэрцитивной силы и используются для измерения сил в узлах оборудования, работающего в сильных электромагнитных полях.

Емкостные

Предназначен для измерения низких механических напряжений в деталях сложной конфигурации, когда изменение длины токопроводящего провода изменяет его электрическую емкость.

Принцип действия тензометра

Чтобы понять принцип работы тензодатчика, необходимо вернуться к рассмотрению схемы измерения, представленной выше. Когда происходит деформация, тензодатчик Rx изменяет свое сопротивление, вызывая падение потенциала в точке схождения R3 и Rx. Это изменяет напряжение моста B на C. На изменение сопротивления тензодатчика Rx может влиять в поперечном направлении температура окружающей среды. После получения результатов испытаний данные корректируются путем внесения поправок на изменения температуры.

Виды тензометров

Для измерения деформаций различных объектов были созданы тензодатчики, различающиеся принципами действия и областями применения. По этим причинам измерительное оборудование делится на следующие типы:

• механик;
• резистивный;
• веревка;
• емкостный;
• индуктивный.

Механические

Измерения основаны на регистрации изменения длины объекта под нагрузкой. Задача механического тензодатчика — определить зависимость удлинения тела от напряжения в поперечном сечении.

Резистивные

Пленочные тензодатчики, наклеенные в разных направлениях на тело объекта, при сжатии или растяжении изменяют свое электрическое сопротивление вместе с объектом. Точность измерения деформации обеспечивается работой не датчика, а группы тензодатчиков.

Пленочные тензодатчики

Струнные

Канатный вариант представляет собой стальную проволоку (канат), ее натягивают между опорами, которые закреплены на поверхности объекта. Суть измерений заключается в определении отношения частоты колебаний струны к степени ее натяжения при изменении длины исследуемого тела под действием нагрузки.

Ёмкостные

В качестве датчика используется конденсатор переменной емкости. Деформация объекта вызывает изменение пространства между пластинами конденсатора, что отражается на характеристике тока в измерительной цепи прибора.

Индуктивные

Устройство основано на использовании индуктора с подвижным сердечником. Он находится в прямом контакте с поверхностью объекта. При малейшей деформации поверхности сердечник перемещается в катушку. Изменяемые параметры индуктора регистрируются устройством через электрическую цепь.

Что такое тензометрия

Измерение деформации (от латинского tenus — напряжение и от греческого μετρέω — мера) — это отрасль деятельности, изучающая механическое напряжение и деформацию материала, детали, а также изменение его физических свойств под воздействием нагрузка.

Среди методов, которые использует тензометрия для определения степени деформации объекта:

• Шина

  … На основе измерения давления газа, подаваемого на поверхность деформируемого материала.

• Акустический

  … Измеряет изменение физических параметров звуковых волн, а также частоту собственных колебаний тела.

• Оптика

  … На основе измерения малых смещений поверхности.

• Рентгеновский снимок

  … Запишите изменение атомной решетки.

• Электрический

  … Измеряет физические параметры объекта, когда механическое напряжение изменяется или возникает в результате деформации.

Тензометрию нельзя назвать наукой в ​​чистом виде; скорее, это сфера человеческой деятельности и индустрии, основные принципы которой основаны на физических свойствах материала и объекта, то есть на изменении физических свойств материального тела при его деформации.

Четырехпроводная схема измерения деформации с 1 тензорезистором

где это находится:
R — сопротивление тензодатчика;
Rs — эталонное сопротивление;
r1 ~ r4 — сопротивление провода и сопротивление контакта;
i — ток, протекающий через сопротивление тензодатчика и эталонное сопротивление;
E — напряжение возбуждения;
V — напряжение на сопротивлении тензодатчика;

Влияние сопротивления контактов отсутствует

Обычно для протяжки проводов и подключения их к измерительному прибору используют припой или специальные разъемы. Поскольку четырехпроводная схема с тензодатчиком вообще не подвержена влиянию контактного сопротивления, можно использовать модульную вилку. Модульный штекер делает растягивание и соединение кабелей экономичным и эффективным, предотвращая ошибки при подключении и устраняя необходимость в бессвинцовой пайке в соответствии с Директивой об ограничении содержания опасных веществ.

Сравнение трехпроводной четвертьмостовой схемы и четырехпроводной схемы с одним тензорезистором:

Сопротивление проводов

В обычной схеме рекомендуется использовать как можно более толстые и короткие провода, чтобы их сопротивление было низким. Поскольку сопротивление проводов не влияет на четырехпроводную схему с тензодатчиками, к тензодатчикам можно подключать тонкие и длинные провода.

Сравнение трехпроводной четвертьмостовой схемы и четырехпроводной схемы с одним тензорезистором:

Тензорезисторы с проводами и модульным штекером

Большинство наших тензодатчиков могут поставляться с предварительно смонтированной четырехпроводной и модульной вилкой (RJ12), которые составляют нашу запатентованную однопроводную четырехпроводную систему тензодатчиков. Поскольку модульная вилка подходит к концам провода, нет необходимости паять или прикручивать счетчик, но счетчик должен быть модели TML. Жилы трех проводов покрыты полипропиленовой смолой, которая не выделяет вредных газов даже при воздействии пламени.

«> Измерение деформации с помощью тензодатчиковripdf, 668 КБ

Измерение деформации с помощью тензорезисторов

pdf, 668 КБ

Характеристика

Для изготовления тензодатчиков необходимо использовать проволочные материалы, относительное изменение сопротивления которых пропорционально удлинению в максимальном диапазоне деформаций. В этом случае коэффициент пропорциональности k должен иметь большие значения. Для компактных устройств со значительной чувствительностью необходимо использовать материалы с высоким удельным сопротивлением. В этом случае температурная зависимость сопротивления от изменения внешних условий должна быть незначительной, а точнее полностью отсутствовать.

Условия оптимального использования тензодатчиков:

• Небольшая разница между коэффициентами теплового расширения конструкционного (или монтажного) материала и измерительного провода прибора.
• Нечувствительность к термическим напряжениям, возникающим при подключении измерительного элемента к управляемому оборудованию или конструкции (для такого соединения часто используется сварка).
• Хорошая обрабатываемость сварных соединений, не влияющая на работу оборудования.
• Надежность связи с учетом возможных ударов и динамических движений.

На параметр пропорциональности k влияют коэффициент Пуассона ε (который является условной мерой изменения поперечного сечения детали при приложении к ней растягивающих напряжений) и теплофизические параметры материала, из которого изготовлен тензодатчик.

Настройка тензометра

Регулировка тензодатчика выполняется с помощью компьютерной программы Tensometer. Операционная система позволяет проводить измерения с использованием тензометрических датчиков силы, крутящего момента на основе мостовых и полумостовых схем в тензометрической станции ZET 017-T. С его настройкой вы можете измерить силу, крутящий момент, вес и смещение.

Регистратор программ показывает фиксированные результаты каждый час. Статистика чтения отображается в графическом и табличном виде.

Параметры

Набор измерений формируется путем выбора необходимых характеристик в поле «Параметры» интерфейса программы. Это включает:

• источник питания;
• показания;
• единица измерения;
• шлифование;
• исправление;
• инверсия данных.

Тензорезистор

Для его настройки воспользуйтесь окном программы — «Экстензометр». Для выбора процесса измерения используйте раздел «Калибровочный файл». Поле «Показания» выделено. Содержит данные датчика.

Тензодатчик

Воспользуйтесь программным полем — «Тензодатчик». Для регулирования используются два параметра: чувствительность и предел измерения.

Многоканальный

Программа поддерживает многоканальные режимы измерения. Они используются при установке группы датчиков на объекте.