Tenometers - đầu dò đo độ căng

Cảm biến đo biến dạng — một bộ chuyển đổi điện trở tham số chuyển đổi biến dạng của một vật thể cứng do ứng suất cơ học tác dụng lên vật thể đó thành tín hiệu điện.

Đồng hồ đo áp suất điện trở là một đế có gắn một bộ phận nhạy cảm. Nguyên tắc đo biến dạng bằng máy đo biến dạng là điện trở của máy đo biến dạng thay đổi trong quá trình biến dạng. Ảnh hưởng của sự thay đổi điện trở của một dây dẫn kim loại dưới tác động của lực nén toàn phần (áp suất thủy tĩnh) được phát hiện vào năm 1856 bởi Lord Kelvin và vào năm 1881 bởi OD Hvolson.

Ở dạng hiện đại, máy đo biến dạng có cấu trúc đại diện cho một điện trở biến dạng, phần tử nhạy cảm của nó được làm bằng vật liệu nhạy cảm với lực căng (dây, lá, v.v.), được cố định bằng chất kết dính (keo, xi măng) trên bộ phận được điều tra (Hình 1). Để kết nối phần tử cảm biến với mạch điện, máy đo biến dạng có dây dẫn.Một số thiết bị đo biến dạng được thiết kế để lắp đặt dễ dàng hơn, chúng có một miếng đệm nằm giữa phần tử nhạy cảm và bộ phận được kiểm tra, cũng như phần tử bảo vệ nằm phía trên phần tử nhạy cảm.

Hình 1 Sơ đồ của máy đo biến dạng: 1- phần tử nhạy cảm; 2- chất kết dính; 3- chất nền; 4- tra chi tiết; 5- phần tử bảo vệ; 6- khối hàn (hàn); dây 7 dây

Với tất cả các nhiệm vụ khác nhau được giải quyết bằng cách sử dụng đầu dò đo biến dạng, có thể phân biệt hai lĩnh vực sử dụng chính của chúng:

— nghiên cứu các tính chất vật lý của vật liệu, biến dạng và ứng suất trong các bộ phận và kết cấu;

— việc sử dụng máy đo biến dạng để đo các giá trị cơ học được chuyển đổi thành biến dạng của phần tử đàn hồi.

Trường hợp đầu tiên được đặc trưng bởi một số lượng đáng kể các điểm đo điện áp, phạm vi thay đổi rộng của các thông số môi trường, cũng như không thể hiệu chỉnh các kênh đo. Trong trường hợp này, sai số đo là 2-10%.

Trong trường hợp thứ hai, các cảm biến được hiệu chuẩn theo giá trị đo được và sai số đo nằm trong khoảng 0,5-0,05%.

Ví dụ nổi bật nhất về việc sử dụng máy đo biến dạng là sự cân bằng. Cân của hầu hết các nhà sản xuất Nga và nước ngoài đều được trang bị máy đo biến dạng. Cân cảm biến tải trọng được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau: luyện kim màu và kim loại đen, hóa chất, xây dựng, thực phẩm và các ngành công nghiệp khác.

Nguyên lý hoạt động của cân điện tử được giảm xuống để đo lực hấp dẫn tác động lên cảm biến tải trọng bằng cách chuyển đổi các thay đổi kết quả, chẳng hạn như biến dạng, thành tín hiệu điện đầu ra tỷ lệ thuận.

Việc sử dụng rộng rãi điện trở tenxơ được giải thích bởi một số ưu điểm của chúng:

- kích thước và trọng lượng nhỏ;

- quán tính thấp, cho phép sử dụng máy đo biến dạng cho cả phép đo tĩnh và động;

- có đặc tính tuyến tính;

- cho phép thực hiện các phép đo từ xa và tại nhiều điểm;

- phương pháp cài đặt của chúng trên bộ phận được kiểm tra không yêu cầu các thiết bị phức tạp và không làm biến dạng trường biến dạng của bộ phận được kiểm tra.

Và nhược điểm của chúng, đó là độ nhạy nhiệt độ, có thể được bù đắp trong hầu hết các trường hợp.

Các loại bộ chuyển đổi và tính năng thiết kế của chúng

Hoạt động của máy đo biến dạng dựa trên hiện tượng hiệu ứng biến dạng, bao gồm sự thay đổi điện trở chủ động của dây trong quá trình biến dạng cơ học của chúng. Đặc trưng của hiệu ứng biến dạng của vật liệu là hệ số độ nhạy biến dạng tương đối K, được định nghĩa là tỷ lệ của sự thay đổi điện trở với sự thay đổi chiều dài của dây dẫn:

k = er / el

trong đó er = dr / r — sự thay đổi tương đối về điện trở của dây dẫn; el = dl / l — sự thay đổi tương đối về chiều dài của dây.

Trong quá trình biến dạng của vật rắn, sự thay đổi chiều dài của chúng có liên quan đến sự thay đổi về thể tích và đặc tính của chúng, đặc biệt là giá trị điện trở, cũng thay đổi. Do đó, giá trị của hệ số độ nhạy trong trường hợp chung phải được biểu thị bằng

K = (1 + 2μ) + m

Ở đây, đại lượng (1 + 2μ) đặc trưng cho sự thay đổi điện trở liên quan đến sự thay đổi kích thước hình học (chiều dài và mặt cắt ngang) của dây dẫn và — sự thay đổi điện trở của vật liệu liên quan đến sự thay đổi tính chất vật lý của nó. của cải.

Nếu vật liệu bán dẫn được sử dụng để sản xuất tenxơ, thì độ nhạy chủ yếu được xác định bởi sự thay đổi tính chất của vật liệu mạng trong quá trình biến dạng và K »m của nó và có thể thay đổi đối với các vật liệu khác nhau từ 40 đến 200.

Tất cả các bộ chuyển đổi hiện có có thể được chia thành ba loại chính:

- dây điện;

- giấy bạc;

- một bộ phim.

Máy đo từ xa dây được sử dụng trong kỹ thuật đo các đại lượng phi điện theo hai hướng.

Hướng đầu tiên là sử dụng hiệu ứng biến dạng của dây dẫn ở trạng thái nén thể tích, khi giá trị đầu vào tự nhiên của đầu dò là áp suất của khí hoặc chất lỏng xung quanh. Trong trường hợp này, đầu dò là một cuộn dây (thường là manganin) được đặt trong khu vực đo áp suất (chất lỏng hoặc chất khí). Giá trị đầu ra của bộ chuyển đổi là sự thay đổi điện trở hoạt động của nó.

Hướng thứ hai là sử dụng tác dụng căng của dây căng làm bằng vật liệu nhạy cảm với lực căng. Trong trường hợp này, các cảm biến điện áp được sử dụng ở dạng bộ chuyển đổi "miễn phí" và ở dạng dán.

Máy đo biến dạng "miễn phí" được chế tạo dưới dạng một hoặc một hàng dây, được cố định ở hai đầu giữa các bộ phận di động và bất động và theo quy luật, đồng thời thực hiện vai trò của một phần tử đàn hồi. Giá trị đầu vào tự nhiên của các bộ chuyển đổi như vậy là rất ít chuyển động của bộ phận chuyển động.

Thiết bị của loại máy đo biến dạng dây ngoại quan phổ biến nhất được thể hiện trong hình 2. Một sợi dây mỏng có đường kính 0,02-0,05 mm, được đặt theo hình ngoằn ngoèo, được dán vào một dải giấy mỏng hoặc giấy sơn mài. Dây đồng pha chì được nối với các đầu của dây. Mặt trên của bộ chuyển đổi được phủ một lớp vecni và đôi khi được niêm phong bằng giấy hoặc nỉ.

Đầu dò thường được lắp đặt sao cho cạnh dài nhất của nó hướng theo hướng của lực đo được. Một đầu dò như vậy, được dán vào mẫu thử, sẽ cảm nhận được sự biến dạng của lớp bề mặt của nó. Do đó, giá trị đầu vào tự nhiên của đầu dò được dán là biến dạng của lớp bề mặt của bộ phận mà nó được dán và đầu ra là sự thay đổi điện trở của đầu dò tỷ lệ với biến dạng này. Nói chung, cảm biến dán được sử dụng thường xuyên hơn nhiều so với cảm biến không dán.

Hình 2 - Máy đo sức căng dây ngoại quan: 1 - dây máy đo sức căng; 2- keo hoặc xi măng; 3- giấy bóng kính hoặc giấy bồi; dây 4 dây

Cơ sở đo của đầu dò là chiều dài của phần chiếm bởi dây. Các bộ chuyển đổi được sử dụng phổ biến nhất là các đế 5-20 mm với điện trở 30-500 ohms.

Ngoài thiết kế máy đo biến dạng đường viền phổ biến nhất, còn có những thiết kế khác. Nếu cần giảm đế đo của đầu dò (xuống 3 - 1 mm), thì điều đó được thực hiện bằng phương pháp cuộn dây, bao gồm cuộn một dây xoắn ốc nhạy cảm với tải trên một trục gá có tiết diện tròn trên một ống giấy mỏng. Sau đó, ống này được dán, loại bỏ khỏi trục gá, làm phẳng và các dây được gắn vào các đầu của dây.

Khi cần thu được dòng điện lớn từ mạch có bộ biến nhiệt, người ta thường sử dụng máy đo biến dạng "Mạnh mẽ" với dây cuộn... Chúng bao gồm một số lượng lớn (tối đa 30 — 50) dây nối song song, khác nhau ở kích thước lớn (chiều dài của đế 150 — 200 mm) và cho phép tăng đáng kể dòng điện đi qua bộ chuyển đổi (Hình 3).

Bản vẽ 3- Tenometer có điện trở thấp ("mạnh mẽ"): 1 — dây đo biến dạng; 2- keo hoặc xi măng; 3- giấy bóng kính hoặc giấy bồi; dây 4 chân

Đầu dò dây có diện tích tiếp xúc nhỏ với mẫu (chất nền), làm giảm dòng điện rò rỉ ở nhiệt độ cao và dẫn đến điện áp cách ly cao hơn giữa phần tử nhạy cảm và mẫu.

Cảm biến tải trọng dạng lá là phiên bản phổ biến nhất của cảm biến tải trọng dạng dính. Đầu dò lá là một dải lá dày 4-12 micron, trên đó một phần kim loại được chọn bằng cách ăn mòn sao cho phần còn lại của nó tạo thành lưới chì như trong Hình 4.

Trong quá trình sản xuất một lưới như vậy, có thể thấy trước bất kỳ dạng lưới nào, đây là một lợi thế đáng kể của máy đo biến dạng lá. Trong hình 4, a cho thấy sự xuất hiện của bộ chuyển đổi lá kim loại được thiết kế để đo các trạng thái ứng suất tuyến tính, trong hình. 4, c — một bộ chuyển đổi dạng lá được dán vào trục để đo mô-men xoắn, và trong hình. 4, b — dán vào màng.

Bản vẽ 4- Bộ chuyển đổi lá: 1- vòng điều chỉnh; 2- uốn cong nhạy cảm với lực kéo màng; 3- quay nhạy cảm với lực nén của màng ngăn

Một lợi thế nghiêm trọng của bộ chuyển đổi lá là khả năng tăng tiết diện của các đầu của bộ chuyển đổi; hàn (hoặc hàn) dây có thể được thực hiện trong trường hợp này đáng tin cậy hơn nhiều so với bộ chuyển đổi dây.

Bộ biến dạng lá, so với bộ biến dạng dây, có tỷ lệ bề mặt của phần tử nhạy cảm với diện tích mặt cắt ngang (độ nhạy) cao hơn và ổn định hơn ở nhiệt độ tới hạn và tải trọng duy trì. Diện tích bề mặt lớn và tiết diện nhỏ cũng đảm bảo tiếp xúc nhiệt độ tốt giữa cảm biến và mẫu, giúp giảm hiện tượng tự làm nóng cảm biến.

Để sản xuất máy đo biến dạng lá, các kim loại tương tự được sử dụng như đối với máy đo từ xa (hằng số, nichrom, hợp kim niken-sắt, v.v.), và các vật liệu khác cũng được sử dụng, ví dụ, hợp kim nhôm-titan 48T-2, để đo biến dạng lên đến 12%, cũng như một số vật liệu bán dẫn.

máy kéo phim

Trong những năm gần đây, một phương pháp khác để sản xuất hàng loạt các biến dạng kháng liên kết đã xuất hiện, bao gồm sự thăng hoa chân không của vật liệu nhạy cảm với biến dạng và sự ngưng tụ sau đó của nó trên một chất nền được phun trực tiếp lên phôi. Các đầu dò như vậy được gọi là đầu dò màng.Độ dày nhỏ của các máy đo biến dạng như vậy (15-30 micron) mang lại lợi thế đáng kể khi đo các biến dạng ở chế độ động ở nhiệt độ cao, trong đó các phép đo biến dạng là một lĩnh vực nghiên cứu chuyên biệt.

Một số máy đo biến dạng màng dựa trên bismuth, titan, silicon hoặc gecmani đã được chế tạo ở dạng một dải dẫn điện đơn (Hình 5).Những đầu dò như vậy không có nhược điểm là làm giảm độ nhạy tương đối của đầu dò so với độ nhạy của vật liệu chế tạo đầu dò.

Hình 5- Màng đo biến dạng: 1- màng đo biến dạng; 2- lá sơn mài; dây 3 chân

Hệ số đo biến dạng của đầu dò dựa trên màng kim loại là 2-4 và điện trở của nó thay đổi từ 100 đến 1000 ôm. Các bộ chuyển đổi được chế tạo trên cơ sở màng bán dẫn có hệ số vào khoảng 50-200 và do đó nhạy cảm hơn với điện áp đặt vào. Trong trường hợp này, không cần sử dụng mạch khuếch đại, vì điện áp đầu ra của cầu điện trở biến dạng bán dẫn xấp xỉ 1 V.

Thật không may, điện trở của bộ chuyển đổi bán dẫn thay đổi theo điện áp đặt vào và về cơ bản là không tuyến tính trên toàn bộ dải điện áp và cũng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Do đó, mặc dù cần có bộ khuếch đại khi làm việc với bộ biến dạng màng kim loại, nhưng độ tuyến tính rất cao và hiệu ứng nhiệt độ có thể được bù một cách dễ dàng.