книги / Тензодатчики для экспериментальных исследований
..pdfтельное значение. Однако если тензодатчик наклеен на тонкую балку, сопротивление тензодатчика во времени после приложения нагрузки может изменяться в ту же сторону, что и сопротивление от задаваемой деформации, и ползучесть имеет положительные значения. Это явле ние связано с тем, что в случае тонких балок, сечение которых соизмеримо с сечением слоя связующего, начи нает сказываться влияние упруго-вязких свойств связу ющего на деформацию самой балки [32]. При этом деформация самой балки увеличивается, что пере дается через связующее чувствительному элементу, и его деформация также увеличивается во времени. Уве личение деформации складывается с уменьшением де формации во времени за счет собственной ползучести тензодатчика, и в результате величина наблюдаемой пол зучести может быть положительной.
Расчетным путем получить величину ползучести за труднительно, так как ползучесть зависит от многих фак торов [20]: от упруго-вязких свойств связующего и осно вы, от геометрических и механических параметров чувствительного элемента тензодатчика и балки, на ко торую тензодатчик наклеен, от предварительной термооб работки тензодатчиков после наклейки, от температуры окружающей среды, с ростом которой ползучесть увели чивается, и др.
В зависимости от перечисленных факторов ве личина ползучести составляет от десятых долей процента до десятков процентов от задаваемой величины деформации. Поэтому ползучесть определяется экспери ментально для каждой партии тензодатчиков, отличаю щихся материалом, размером и формой чувствительной решетки, составом связующего, основой, технологией изготовления и наклейки тензодатчиков. Б случае приме нения тензодатчиков в измерительных устройствах (ди намометры, датчики давления и др.) с тонкими балками (толщиной 1 мм и менее) ползучесть тензодатчиков дол жна определяться на балках такой же толщины.
Для определения ползучести тензодатчики наклеива ют на балку, котдрой с помощью какого-либо приспо собления можно быстро задавать деформацию. Дефор мация балки в течение заданного времени остается постоянной. Обычно для определения ползучести исполь зуются те же установки, приборы и схемы, что .и при
определении чувствительности. Если ср0 обозначен отсчет, взятый по прибору, измеряющему относительное прира щение сопротивления тензодатчика, когда балка недеформирована, ср—отсчет, снятый сразу после сообщения пластине деформации е, а срт — отсчет, снятый по исте чении времени т после установления заданной деформа ции, то абсолютное значение ползучести определяется как
|
|
|
( П ) |
где S э — постоянная прибора в единицах AR |
а отно |
||
сительное значение ползучести определяется как |
|
||
П-1 |
Я_____ Ух—У |
( 12) |
|
/Д_Я\ |
100%. |
||
|
У — Уо |
|
\R h
Вкачестве характеристики ползучести партии тензо
датчиков принимается среднее значение Я, найденное для выборки тензодатчиков:
2 n i |
|
i=i |
(13) |
|
где п — число тензодатчиков в_выборке; а также макси
мальное Яшах и минимальное Ят щ значения относитель ной ползучести тензодатчиков, наблюдаемые в выборке пр.имерно из 20 тензодатчиков.
В некоторых случаях партия тензодатчиков характе ризуется средним значением ползучести в выборке и аб солютным среднеквадратичным отклонением значений ползучести отдельных тензодатчиков от среднего значе ния ползучести в партии:
|
|
|
(/7j —ПУ |
(14) |
Величина оп |
Gп |
± |
П— 1 |
|
рассчитывается |
для партии в случае, |
|||
когда величина |
ползучести тензодатчиков |
значительна |
и при исследовании конструкций используют метод вне сения поправки на ползучесть по се средней для партии величине.
Гистерезисом принято считать разницу в относитель ных изменениях сопротивления, наблюдаемых при одном и том же уровне деформации при нагрузке 1 и разгруз ке 2 наклеенного тензодатчика (рис. 3).
Обычно за характеристику гистерезиса тензодатчика выбиэают ширину петли при Р = О
?"=(1 г ! на р и с - 3
Гистерезис тензодатчиков определяется его ползучестью. Следовательно, величина гисте резиса зависит также и от ве личины и времени действия нагрузки (числа ступеней на грузки, времени выдержки на каждой ступени) и других фак торов, определяющих величину ползучести.
Величину гистерезиса мож но определить эксперименталь но или при известном значении ползучести рассчитать по фор муле [20]
Рис. 3. Схематическая диа-
грамма изменения R
зодатчика в случае гистере зиса:
/—при нагрузке; 2—при раз грузке
i ^ y |
(15) |
где II м— значение ползучести тензодатчиков при макси мальной нагрузке Рм за время, равное времени нагружения пластины от 0 до Рм;
г| — константа, характеризующая поведение связу
ющего при релаксации; |
которыми |
нагружена |
|
к — число равных грузов, |
|||
балка |
до максимальной |
нагрузки |
Рм\ |
i — текущее число грузов. |
|
|
|
Так же как |
ползучесть, гистерезис может состав |
лять величину от десятых долей процента до нескольких процентов, так же как ползучесть, гистерезис может быть положительным и отрицательным по значению.
5. ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПРИРАЩЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Температурным приращением сопротивления тензо датчика называется относительное изменение сопротив-
13
ления наклеенного тензодатчика при изменении его тем пературы.
Температурное приращение сопротивления тензодат-
чика |
можно записать в виде |
|
|
|
|
|
|
|
( 16) |
|
л> |
|
|
|
где |
р* — текущее значение температурного |
коэффици |
||
|
ента -сопротивления чувствительного элемента |
|||
|
тензодатчика; |
|
коэффици |
|
aM — текущее значение температурного |
||||
|
ента расширения материала пластины; |
|
||
ant — текущее значение температурного коэффициен |
||||
|
та расширения материала |
чувствительного |
||
|
элемента тензодатчика; |
|
|
эле |
|
S n — тензочувствительность чувствительного |
|||
|
мента; |
|
|
|
|
t0— начальная температура; |
|
|
|
|
t — конечная температура. |
|
|
когда |
В случае небольшого диапазона температур, |
||||
можно считать, что величины Р/, aM |
и ant постоянны, |
можно пользоваться более простой формулой 1:
где р, ам, ап — осредненные значения температурных ко эффициентов в заданном диапазоне температур (/ — 10).
Температурные коэффициенты сопротивления и рас ширения в большой степени зависят от степени накле па, предварительной тепловой обработки и от изменений в составе сплава. Поэтому использование справочных
данных при вычислении |
может привести к зна |
чительным погрешностям.
Для определения влияния температуры на изменение сопротивления тензодатчика более целесообразно поль
1 В условиях неустановившихся процессов натрева, когда темпе ратура детали и чувствительного элемента может быть различной, температурное приращение сопротивления будет определяться более сложной формулой, учитывающей изменение сопротивления тензодат чика за счет этой «р азиаты (см. гл. V).
зоваться экспериментально определенными кривыми тем пературного пр-иращения сопротивления тензодатчиков, наклеенных на балки из того же материала, что и деталь, деформация которой будет определяться в дальнейшем.
Темпе1ратурное приращение сопротивления =
= / (t) одного тензодатчика характеризуется приращени
ем ординаты Atl = (
\ R Iи
ращения сопротивления при изменении температуры от t0 до U и производной .кривой температурного прираще ния сопротивления при данной температуре U\
Ви = |
= Р + (aM— an ) Sn• |
( 18) |
|
Зависимость |
= / (t) |
для партии тензодатчи |
|
ков, кроме средних |
значений |
At и Ви характеризуется |
также абсолютными среднеквадратичными отклонениями значений А И отдельных тензодатчиков от среднего зна чения в партии ± 6 а и абсолютными среднеквадратич ными отклонениями производной отдельных тензодатчи ков от среднёго значения в партии ±ав-
Для определения температурного приращения сопро тивления выборка тензодатчиков в количестве 10— 15 шт., наклеенных на балку из того же материала, что и исследуемая деталь, помещается в какое-либо нагрева тельное устройство, в котором заданная температура устанавливается ступенями. В процессе нагрева балка с тензодатчиками должна иметь возможность свободно расширяться.
Исследуемые тензодатчики Д г- включаются в активное плечо внешнего полумоста измерительной схемы (рис. 4, а и б), а в компенсационное плечо — постоянный резистор М (например, магазин сопротивлений), находя щийся при неизменной, обычно комнатной, температуре. Резистор г предназначен для компенсации температур ных приращений сопротивления выводных и монтажных проводников тензодатчиков. Он изготовляется из тех же материалов, что и выводные и монтажные проводники, такого же сечения и длины и размещается в печи при той же температуре, что и тензодатчики.
Схема, представленная |
на |
рис. |
4, б, отличается |
от |
схемы, приведенной на рис. |
4, а, |
тем, |
что в ней для |
ба |
лансировки .измерительных полумостов -с тензодатчиками в пределах шкалы прибора предусмотрены магазины Мш, шунтирующие резистор М. Схема на рис. 4,6 при меняется в случаях исследования тензодатчиков для из-
о)
|
а, б—для |
определения |
температурного |
|||||
|
приращения |
сопротивления |
тензодатчи |
|||||
|
ков; в—для |
определения |
влияния влаж |
|||||
|
|
|
ности |
|
|
|
сопро |
|
|
Д,— тензодатчики; |
М — магазин |
||||||
|
тивлений; |
|
г ■—сопротивление, компен |
|||||
|
сирующее |
температурное |
приращение |
|||||
|
сопротивления выводных |
и |
монтажных |
|||||
6) |
проводников тензодатчиков; М ш |
ма |
||||||
газины |
сопротивлений, |
|
шунтирующие |
|||||
|
сопротивление М\ |
А, |
|
О, |
К—клеммы |
|||
|
электронного измерителя деформаций |
мерительных устройств высокой точности. В схеме воз
можно использовать более чувствительные приборы |
(цена |
|||
деления |
шкалы S3 =2-10“6 ед. |
В |
этом |
случае |
балку |
с наклеенными тензодатчиками |
помещают |
в жидкостной ультратермостат, обеспечивающий задание
нужной температуры и поддержание ее |
постоянства |
в пределах десятых долей градуса Цельсия. |
|
Температурное приращение сопротивления для каж |
|
дого тензодатчика определяется как |
|
= (? « — Т«/)5Э , |
(19) |
где ф*г-, ф„г — отсчеты по прибору для г-х тензодатчиков при заданной температуре и при начальной температуре.
Средние значения A t и Bt в выборке, а также средне-
квадратичные отклонения этих величин от средних опре деляются для выборки как
At = |
(20) |
п |
|
В* = 1=1 |
(21) |
2 (A u -A tf |
|
_ t Ÿ/Ï E :- B tf |
(22) |
(23) |
|
где n — число тензодатчиков в выборке.6 |
|
6. НОМИНАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ |
|
Сопротивление тензодатчика — это |
величина его |
электрического сопротивления, измеренная между вывод ными проводниками. Сопротивления ненаклеенного и на клеенного тензодатчиков могут отличаться, так как, во-первых, при термообработке тензодатчиков происхо дит усадка клея и основы и чувствительный элемент при этом сжимается, а, во-вторых, если после наклейки про изводится тепловая обработка тензодатчиков, то в ре зультате может измениться сопротивление самого чув ствительного элемента. Практически при этих процессах изменения сопротивления отдельных тензодатчиков в группе наклеенных тензодатчиков из одной партии поч ти одинаковы.
Величина сопротивления тензодатчика зависит от ма териала и размеров чувствительного элемента, степени совершенства соединения с выводными проводниками и от того, насколько высоки электроизоляционные свой ства основы и связующих. Партия тензодатчиков, одно-
временно изготовленных, характеризуется номинальным сопротивлением, разбросом сопротивления в партии и разностью сопротивлений до и, после' наклейки.
7. СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ
Под сопротивлением изоляции Ru тензодатчика пони мается величина сопротивления, измеренная между выводным.и проводниками тензодатчика и поверхностью, на которую он наклеен. Величина Ru зависит от изоляцион ных свойств основы и связующих и степени их механиче ской целостности. Повышение температуры и влажности среды ведет к понижению сопротивления изоляции тен зодатчика. Конструктивные характеристики тензодатчика (база, размеры чувствительного элемента, толщина тен зодатчика и др.) влияют на сопротивление изоляции. Увеличение базы и активной площади чувствительного элемента уменьшает сопротивление изоляции; увеличе ние толщины слоя связующего и основы приводит к уве личению сопротивления изоляции.
Малое сопротивление изоляции тензодатчиков, накле енных на деталь, может вызвать погрешность в измере нии деформаций.
Минимальное допустимое значение сопротивления изоляции Rudon зависит от начального сопротивления изоляции Ruо, от номинального сопротивления тензодат чика Rд и от допустимого значения изменения сопротив-
ления тензодатчика |
/ |
дя\ |
за счет снижения сопро- |
\ |
---- |
||
|
R /и ('on |
||
тивления изоляции, которое |
определяется требованием |
||
точности эксперимента и применяемой аппаратурой: |
|||
Ru доп — |
|
|
(24) |
Обычно сопротивление изоляции измеряют мегометром или тераометром при питании током постоянного на пряжения.
Измерение сопротивления изоляции осложняется тем, что в диэлектриках имеет место явление абсорбции тока [44], которое проявляется в том, что при приложении к диэлектрику постоянного электрического напряжения
18
ток, проходящий через диэлектрик, будет уменьшаться во времени до какого-то установившегося остаточного значения.
В теории диэлектриков подробно изучаются явления уменьшения тока и соответственно повышения электри ческого сопротивления во времени для различных ди электриков. Для технических диэлектриков время, за ко торое ток практически устанавливается, мало и лежит в пределах 0,1—3 мин. Величина остаточного тока зави сит от электропроводности данного материала диэлек трика. Поэтому при измерении сопротивления изоляции тензодатчика отсчет по шкале прибора следует брать по истечении 1—2 мин после подключения тензодатчика к прибору.
8. ВЛАГОСТОЙКОСТЬ
Под влагостойкостью тензодатчика понимается свой ство тензодатчика сохранять свои измерительные харак теристики в условиях повышенной влажности воздуха (до 100%).
Влага, проникая в связующие и основу тензодатчика, ухудшает их механические и электроизоляционные свой ства. При этом изменяются объем связующих и основы вследствие их набухания, а также изменяется их прово димость. В результате величина сопротивления тензодат чика изменяется. Увеличение объема связующих вызыва ет увеличение сопротивления тензодатчиков, а увеличение проводимости — уменьшение сопротивления тензодатчи ка [29].
Под влиянием влаги чувствительность тензодатчиков уменьшается, а ползучесть увеличивается [29].
В зависимости от толщины основы и слоев связую щих и от наличия микропор в связующих влага оказыва ет на тензодатчики неодинаковое действие, вследствие этого схемную компенсацию от влияния влаги осущест вить нельзя. Поэтому тензодатчики, которые применяют ся в условиях с повышенной влажностью, необходимо защищать от влаги с помощью специальных влагостой ких покрытий [29, 34].
Для исследования влияния влажности на тензодатчи ки применяют специальную гигрокамеру, в которой со здается 100%-пая влажность. Тензодатчики, наклеивают ся на балку, которая помещается в камеру. Для соедине-
ния тензодатчиков внутри гигрокамеры применяются влагостойкие провода и клеммники. Для того чтобы со противление изоляции какого-либо одного тензодатчика не влияло на сопротивление изоляции других, тензодат чики соединяют по схеме, представленной на рис. 4, в.
Начальные отсчеты фHi по измерительному прибору записывают при температуре 20° С и влажности 40—60%. Приращение сопротивления от влияния 100%-ной влаж ности для каждого тензодатчика определяется как
где фв г — отсчет по прибору для /-го тензодатчика при пребывании в условиях 100%-ной влажности в течение т н\
Фni — начальный отсчет при влажности 40—60%. Влагостойкость партии тензодатчиков характеризует
ся средней величиной
а |
также |
максимальным |
и |
минимальным |
|
|
значениями в выборке. |
|
|
9. |
ВЛИЯНИЕ ВАКУУМА |
|
|
|
|
При изменении давления |
от 10,1-104 до (0,07— |
||
0,13) • 104 |
н\м2 сопротивление |
наклеенных |
на балку тен |
зодатчиков несколько изменяется, хотя деформация бал ки при этом остается неизменной {30].
Особенно заметно изменение давления сказывается на сопротивлении тензодатчиков, под основой которых есть участки, не приклеенные к поверхности балки. Было замечено также, что после нанесения на тензодатчики влагозащитных покрытий влияние давления ца сопротив ление тензодатчиков уменьшается [17, 30].
Для исследования влияния вакуума балку с Закле енными на нее тензодатчиками помещают в Камеру, -в ко торой можно создавать необходимый вакуум [30]. Тензо датчики соединяются по схеме, приведенной на ри^. 4>а.
20