5 Задание

Включить термостат, предварительно измерив температуру (рисунок 3.10) контрольным термометром и термопарой (терморезистором). Полученные значения записать в таблицу.

По мере нагрева измерять температуру через каждые 10 °с,

контролируя по ртутному термометру и записывая полученные значения

температур в таблицу 3.3. Предельное значение температуры Т_maх - 250 "С. Такую же операцию произвести терморезистором Т_max - 130 °С.

По полученным данным построить графики.

Для термопары: Е_(TмВ) = f(T,°С)

Для терморезистора: R_T(кОм) = f(T,°С)

Данные, полученные для термопары, сравнить с таблицей 3.4.

Определить погрешность измерения.

Внимание!

При работе с термостатом соблюдать осторожность!

1 - подогреватель, 2 - корпус, 3 - контрольный термометр ртутный,

4. - термопара, 5 - терморезистор, 6 - контрольная лампа,

7 - измерительный прибор.

Рисунок 3.10- Схема измерительной установки

Таблица 3.3

Т°С по контрольному термометру	Т°С окруж. среды	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120	130	140	150	200
Т°С, мВ по термопаре
Т°С, Ом по герморезистору

Таблица 3.4 - Градуировочная таблица для термопары хромель-алюмель

Температура рабочего спая, °С	0	10	20	30	40	50	г 60	70	80	90
Электродвижущая сила, мВ
0	0	0,40	0,80	1,20	1,61	2,02	2,43	2,85	3,25	3,68
100	4,1	4,51	4,92	5.33	5,73	6.13	6,53	6,93	7,33	7.73
200	8.13	8,53	8,93	9,34	9,74	10.15	10.56	10,97	11,38	11,80
300	12,21	12,62	13,04	13,45	13,87	14,29	14,72	15.14	15,56	15,98
400	16,40	16,83	17,25	17,67	18,09	18,51	18,94	19,37	19,79	20,22
500	20,65	21,08	21,50	21,93	22,35	22,78	23,21	23,63	24,06	24,49
600	24,91	25,33	25,76	26,19	26,61	27,04	27,46	27,88	28,30	28.73
700	29,15	29,57	29,99	30,41	30,83	31,24	31,66	32,08	32,49	32,91
800	33,32	33,72	34,13	34,55	34,95	35,36	35,76	36,17	36,57	36,97
900	37,37	37,77	38.17	38,57	38,97	39,36	39 76	40,15	40.54	40,93
1000	41,32	41,71	42.09	42,48	42,87	43,26	43,64	44,02	44,40	44,78
1100	45,16

Лабораторная работа №4

Основы конструкции тензометрических датчиков и их использование для измерения неэлектрических величин с последующим преобразованием в цифровой сигнал

Введение

Под термином измерение понимается нахождение опытным путем с помощью технических средств, значений физической величины которые выбираются из принятой шкалы значений этой величины.

Следовательно, измерение всегда связано с одной стороны с кодированием измеряемой величины, с другой стороны, с ее квантованием.

Под термином измерительные преобразователи (датчики) подразумевается широкий класс устройств, преобразующих один (или несколько) видов энергии в другой вид. Однако следует заметить, что в этот класс входят и преобразователи, которые не преобразуют энергию, а только управляют ею.

Современные методы исследования сигналов и управления процессами предполагают использование аппаратно-программного комплекса, структурная схема которого приведена на рисунке 1.

1 - преобразуемая величина; 2- первичный преобразователь (датчик);

3 - канал; 4 - приемник; 5 - индикаторное устройство; 6 - усилитель;

7 - АЦП; 8 - ПК.

Рисунок 4.1 - Структурная схема аппаратно-программного комплекса

Итак, измерительный преобразователь (датчик) - это устройство, которое превращает физические входные величины в электрические выходные, причем соотношение между ними и временем должно происходить с определенной точностью.

1. В зависимости от принципа действия датчики разделяются на две группы; параметрические и генераторные.Конструкции тензодатчиков

Тензодатчики предназначаются для измерения деформаций деталей и машин, механизмов, конструкций и других измерений механических величин, однозначно связанных с деформацией.

Свойство материалов (металлов, полупроводников, растворов) изменять электрическое сопротивление или проводимость под действием приложенной силы лежит в основе работы тензодатчиков. Наиболее распространены тензодатчики, у которых при внешнем воздействии изменяется активное сопротивление чувствительного элемента - тензорезисторы.

1 - выводной проводник; 2 - место сварки решетки и вывода; 3 - чувствительный элемент; 4 - основа; 5 - связующая пленка; d- диаметр проволоки чувствительного элемента;1 -активная длина датчика;l' - габаритная длина датчика;

n- число нитей чувствительного элемента; а - шаг намотки;R- радиус петли;d’ - диаметр выводных проводников;L- длина выводных проводников;b' - толщина основы,h',b -габаритная ширина и высота.

Рисунок 4.3 - Конструкция тензодатчика общего назначения

Тензодатчики могут быть: - малобазные 1< 6 мм

• среднебазные 1=10...30 мм

• большебазные 1>30 мм

Длина выводов для различных тензодатчиков находится в пределах от 10 до 80 мм.

Тензодатчик обычно состоит из чувствительного элемента, выполненного в виде проволоки, фольги, полупроводниковой пленки или полупроводникового кристалла капиллярной трубки с электролитом.

Подложка служит для изготовления датчика, его хранения, наклейки и изоляции между чувствительными элементами и исследуемым изделием. Она должна быть прочной, электроизолирующей, гибкой, не разрушаться под действием связывающих компонентов и достаточно прочно соединяться с ними.

В качестве подложки используются бумага, лаковая плёнка, стеклоткань, ткань, целлофан, углепластик и т.д.

Подвесные тензодатчики и электролитические крепятся на специальных стойках.

1.1 Конструкция подвесного тензодатчика

2. Проволочные тензодатчики.

Простейшим из проволочных тензодатчиков может служить прямолинейный отрезок тонкой проволоки, закрепленной с помощью клея на контролируемой детали. При деформации детали одновременно будет деформироваться и наклеенная проволока (тензодатчик), изменится длина проводника, площадь поперечного сечения и удельное сопротивление материала проводника вследствие изменения структуры материала, в результате чего изменится сопротивление проводника. Характеристика такого тензодатчика реверсивная (меняющая знак производной при смене направления изменения измеряемой величины) и линейная для относительных деформаций, не превышающих 1...1,5%.

2. Фольговые тензодатчики

В отличие от проволочных фольговые тензодатчики изготавливаются травлением фольги, решетка имеет вид прямоугольного сечения и наносится на лаковую основу. Толщина фольговой решетки 5=4...12 мкм.

Теплоотдача фольгового тензорезистора выше, чем проволочного, за счёт большой плоскости соприкосновения, поэтому сила тока протекающего через тензорезистор может быть увеличена до 200 мА. В результате повышается чувствительность тензорезистора.

Фольговые тензометры по конструкции могут быть:

• прямоугольные - линейные деформации;

• розеточные - измерение крутящих моментов на круглых валах;

• мембранные - измерение деформаций на тонких пластинах и мембранах.

Толщина проволоки для тензорезисторов d=0,02...0,03 мм; d=0,012...0,025 мм. Толщина фольги для тензорезисторов h=0,02...0,012 мм.

Для тензометра принимают следующий ряд номинальных сопротивлений тензорезисторов

R-50; 80; 100; 120; 150; 200; 300; 400; 600 Ом.

Допустимая плотность тока для константовой проволоки: d=50 мкм Iдоп. 100 мА d=25 мкм Iдоп. 35 мА d=12 мкм Iдоп. 12,5 мА

Фольговые тензометры допускают плотность тока в 1,5...2

раза больше, чем проволочные.

Максимальная рабочая температура тензометров может достигать 500°С.

Удельное сопротивление константана р=0,5 Ом мм²/м.

Температурный коэффициент линейного расширения α=15*10 ^-6 1/град; σ=1000...1400 Н/мм²; относительное удлинение ΔL=0...1,3%; полное сопротивление 650 Ом/м.

2. Полупроводниковые тензодатчики

Изменение сопротивления при деформации полупроводниковых тензодатчиков происходит не за счет изменения удельного сопротивления. Их достоинствами являются: высокая чувствительность (примерно в сто раз выше, чем у проволочных), большой выходной сигнал, что позволяет часто не применять усилитель, а недостатками: малая механическая прочность (хрупкость), сильное влияние окружающей температуры, большой разброс параметров в одной партии датчиков (до 20%).

2. Эластичные тензосопротивления

Эластичные тензосопротивления изготавливаются из резинового или пластикового капилляра с внутренним диаметром 0,1...0,5 мм заполняются токопроводящим электролитом. Концы капиллярных трубок имеют проволочные выводы. Эластичные тензосопротивления позволяют измерять деформации до 40...50 %.

Полупроводниковые тензометры изготавливаются из кремния или германия р-n и n-р проводимости.

2. Тензолитные датчики

Тензолитные датчики (тензолиты) изготавливаются в виде лент или проволок из композиционных материалов, в состав которых входят связующие (смолы), наполнители (мел, тальк, кварц) и проводящие материалы (уголь, графит, сажа). Тензолитные датчики имеют большой температурный коэффициент.

2. Обозначение тензодатчиков

Первая буква указывает на технологию решётки (П-проволока, Ф- фольга).

Первая цифра указывает на предельную величину тензочувствительности.

Вторая буква - материал тензорешетки (к - константан).

Третья буква - основа (Б-бумажная, П-пленочная).

Вторая цифра - величина базы.

Третья цифра - величина номинального сопротивления.

X (Г) - температура наклейки не более 30°С.

(Г) - 180°С.

Пример маркировки датчика

2ПКБ-5-50 (X) Г, 2ФКБ-5-50 Г(Х)

Если форма тензодатчика отличается от простой, то после цифр ставятся буквы А, В, Г, Д - указывающие на конструктивные особенности. К таким особенностям можно отнести форму решетки: прямая, розеточная, мембранная и т.д.

2. Принцип работы тензорезистора (тензодатчика)

В основу работы тензорезистора положено свойство проводника длиной L и площадью сечения S изменять свое сопротивление под действием приложенной к нему силы.

Проводник длиной L и площадью сечения S имеет сопротивление току

где р - удельное сопротивление материала проволоки;

S - площадь сечения проводника;

V - объем проводника.

Пусть на проводнике действует сила Р, под действием этой силы длина проводника изменится на величину Δl и изменится величина сопротивления на ΔR

где К - коэффициент относительной чувствительности.

Величина изменения объема при деформации для каждого материала величина постоянная и характеризуется коэффициентом Пуассона

- относительная величина поперечной деформации;

b - поперечный размер проводника квадратного сечения (или радиус для круглого).

Коэффициент Пуассона для материалов μ=0,24...0,4.

Значение коэффициента тензочувствительности К для большинства материалов не должен выходить за пределы К=1,48...1,8.

При экспериментах обнаруживается, что деформация вызывает изменение физических свойств проводника, (кроме изменения размеров). Примером может служить изменение удельного сопротивления р. Поэтому для К=(1+2μ)+m выражение в скобках учитывает изменения, связанные с деформацией, a m - изменения, связанные с ρ ;

- изменение удельного сопротивления с изменением его

физических свойств для металлов составляет небольшую долю от (1+2μ), для полупроводников m>>(1+2μ), считая, что К≈m.

т,

Для электролитных тензодатчиков величина K=const и имеет порядок

2.

Проволочные, фольговые и пленочные тензорезисторы применяются при измерениях для l_max и диапазоне от 0,005...2%, полупроводниковые до

1. 1%. Тензорезисторы других типов используются в диапазоне от 6...10% до 30...50%. Рабочий диапазон по частоте от 0 до 120 кГц.

2. Ползучесть

Уменьшение приращения сопротивления наклеенного тензодатчика по сравнению с приращением сопротивления, устанавливающееся сразу после изменения деформации детали называется ползучестью

Ползучесть связана с явлением упругого последствия во времени.

Величина ползучести зависит от многих факторов, как физических, так и конструктивных и составляет от десятых долей процента до десятков процентов. Ползучесть во времени зависит от толщины изделия, на которое наклеен тензорезистор.

Ползучесть определяют при температурах, составляющих 25, 50, 75, 100% от предельной рабочей температуры тензорезисторов.

Изменение коэффициента тензочувствительности при заданных предельных температурах определяют относительно коэффициента тензочувствительности при нормальной температуре: