2.1.6. Пьзоэлектрические преобразователи

Действие таких тензометров основано на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, открытого в 1880 г. Ж. и П. Кюри, заключающегося в возникновении поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (возникновение механических деформаций под действием электрического поля называют обратным пьезоэлектрическим эффектом). Пьезоэлектрическим эффектом обладают кристаллы некоторых природных минералов, таких как кварц или турмалин. Широкое применение в тензометрах получила пьезокерамика из сегнетоэлектриков – титат бария и его композиции, которая обладает высоким пьезомодулем и характеризуется высокой механической прочностью.

Пьезокерамические датчики главным образом используют для измерения параметров быстропротекающих процессов. Их основным преимуществом перед другими типами преобразователей являются высокая чувствительность и жесткость, простота конструкции, низкая стоимость, высокая надежность и очень большой диапазон конструктивных возможностей. К недостаткам можно отнести то, что в обычном исполнении они не могут применяться при статическом нагружении, так как электрический заряд, возникающий на электродах пьезоэлемента, стекает с них по экспоненциальному закону на всех сопротивлениях утечки.

Пьезоэлемент 5 ( рис. 2.8) укреплен условно на неподвижной части корпуса 4. К его концу присоединен магнит 3, к торцу подвижной части корпуса 2 второй магнит 1 соосно с первым. Если магниты направлены друг к другу одноименными полюсами, то при деформировании поверхности объекта 9, на котором установлен тензометр с помощью призмы 8, цилиндрические части корпуса 2 и 4 будут взаимно смещаться, на пьзоэлемент начнет действовать сжимающее усилие, пропорциональное расстоянию между магнитами. Динамический режим работы пьезоэлемента при его колебаниях на резонансной частоте обеспечивается генератором 7, а измерение электрического тока в цепи – прибором 6.

Рис. 2.8. Пьезоэлектрический преобразователь контактного типа

2.1.7. Магнитоупругие преобразователи

Принцип действия тензометров с преобразователями этого типа заключается в изменении магнитных свойств (магнитной проницаемости или индукции) в ферромагнитных телах под действием нагрузок, вызываемых взаимным перемещением деталей тензометра при деформации исследуемого объекта.

Изменение магнитной проницаемости сердечника в преобразователях дроссельного типа приводит к изменению полного электрического сопротивления катушки дросселя.

В преобразователях трансформаторного типа выходной переменной величиной является взаимная индуктивность.

Магнитоупругие преобразователи (рис. 2.9) в основном применяют для измерений в условиях высокой влажности, когда требуется высокая надежность работы датчика при не очень высокой точности измерений.

Рис. 2.9. Магнитоупругие преобразователи дроссельного (а)

и трансформаторного (б) типов (В – индукция)

2.1.8. Трансформаторные преобразователи

Являются модификацией индуктивных преобразователей. Принцип их действия основан на учете изменения взаимной индуктивности двух обмоток при перемещении ферромагнитного сердечника, пропорционального исследуемой деформации. Взаимную индуктивность двух намотанных на сердечник обмоток изменяют вследствие изменения магнитного сопротивления преобразователя при варьировании воздушного зазора или площади магнитопровода в преобразователях с переменным зазором и переменной площадью (рис. 2.10), в преобразователях соленоидного типа – при перемещении якоря внутри обмоток.

Рис. 2.10. Схема трансформаторного преобразователя

с переменным зазором

Якорь 1, жестко связанный с подвижной опорой тензометра, при деформировании объекта перемещают относительно статора 2, укрепленного на корпусе тензометра. При этом изменяют воздушный зазор 5 и взаимную индуктивность первичной и вторичной обмоток, что сопровождается увеличением или уменьшением ЭДС на концах вторичной обмотки. Измеряя ЭДС прибором 3, можно по тарировочной кривой определить перемещение или деформацию объекта на базе тензометра.

Данные преобразователи чувствительны к колебаниям напряжения и частоты электрического тока, а также к изменению температуры окружающей среды.

2.2. Тензорезисторы сопротивления и измерительные схемы

2.2.1. Тензорезисторы сопротивления

Принцип измерения деформаций с помощью тензорезисторов состоит в том, что при деформации изменяется его активное сопротивление. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был обнаружен в 1856 г. лордом Кельвином и в 1881 г. О.Д. Хвольсоном. Однако пионерами применения этого эффекта для измерения деформаций являются Е.Е. Симонс (Калифорнийский технологический институт) и Л.С. Руже (Массачусетский технологический институт), которые в 1938 г. изготовили и применили первые образцы приклеиваемого тензорезистора.

В нашей стране тензорезисторы начали применяться в 40-х годах прошлого столетия. Они практически полностью заменили механические тензометры, открыли новые возможности в исследовании прочности различных машиностроительных конструкций. Применение тензорезисторов в качестве вторичных преобразователей различных измерительных устройств обеспечивало последним необходимую точность и надежность при длительных испытаниях.

В современном виде тензорезистор конструктивно представляет собой чувствительный элемент из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали (рис. 2.11). Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники.

Рис. 2.11. Схема тензорезистора: 1– подложка; 2 – наполнитель;

3 – чувствительный элемент; 4 – выводные проводники

Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного.

Деформация исследуемой конструкции, переданная с помощью связующего чувствительному элементу, приводит к изменению его сопротивления. Чувствительность тензорезистора к деформации, характеризующую степень проявления тензорезистивного эффекта, оценивают с помощью коэффициента тензочувствительности, который устанавливает связь между относительным изменением сопротивления и относительной деформацией в направлении измерений в виде

. (2.3)

Для прямолинейной проволоки зависимость полного омического сопротивления от ее размеров описывают соотношением

, (2.4)

где – удельное сопротивление; – площадь поперечного сечения.

Если проволоку растянуть, то ее длина, площадь поперечного сечения и удельное сопротивление изменятся. Тогда на основании формулы (2.4) для малого приращения относительного сопротивления можно записать

. (2.5)

Так как деформация , а объем проволоки для изменения объема можно записать

. (2.6)

При изменении объема материала его плотность изменяется и вызывает изменение удельного сопротивления, поэтому с учетом выражения (2.6) получим

. (2.7)

Подставив в уравнение (2.5) выражение (2.7), получим изменение сопротивления, определяемое только деформацией и равное ее удвоенному значению

. (2.8)

Гипотеза, описанная уравнением (2.7), справедлива не для всех материалов, и изменение удельного сопротивления не всегда пропорционально изменению объема, поэтому более правильна запись выражения (2.7) в виде, аналогичном выражению (2.8):

. (2.9)

Кроме того, в реальном тензорезисторе с петлевой решеткой имеются криволинейные участки реостатной проволоки, которые практически не чувствительны к осевой деформации. Их сопротивление изменяется только при деформировании датчика в поперечном направлении. Поэтому значение , относящееся ко всему тензорезистору, для датчика с петлевой решеткой ниже, чем для прямолинейной проволоки.

Значения коэффициента тензочувствительности для наиболее распространённых проводниковых и полупроводниковых материалов приведены в таблицах. Значение коэффициента проволочного тензорезистора существенно зависит от материала проволоки.

Материал проволоки должен быть химически нейтральным по отношению к материалу связующего и не иметь термоэлектрических эффектов в местах пайки с соединительными проводами. В наибольшей степени этим требованиям при умеренных температурах отвечают сплавы с никелем – константан и эдванс, а при высоких – сплав никеля с хромом –нихром. Эти сплавы характеризуются достаточно высокой и стабильной чувствительностью к деформациям в широком интервале их значений.

Материал основы должен удовлетворять жестким требованиям по таким свойствам, как прочность, гибкость, влагостойкость, сопротивление ползучести, обеспечивать надежную электрическую изоляцию проволоки и сохранять в рабочем температурном интервале высокую стабильность перечисленных свойств. Этим требованиям в нормальных условиях удовлетворяет тонкая папиросная бумага (0,05 – 0,10 мм) или пленки, изготовленные из полимеризующих клеев и лаков. Как основу при температурах до 525 К используют специальную жаростойкую бумагу, пропитанную жаростойким клеем.

К основным характеристикам тензорезистора относится его сопротивление и база, от которых зависит чувствительность и точность измерений. Наиболее широко распространены проволочные тензорезисторы с базой 1 – 20 мм и фиксированными сопротивлениями 50, 80, 100, 120, 150, 200, 300, 400 и 600 Ом. Масса тензорезистора с базой 1 – 20 мм не превышает 0,05 г.

Чувствительный элемент тензорезистора – решетка – может иметь различную конфигурацию: петлевую, беспетлевую многопроволочную и однопроволочную, плоскую и двухслойную. Различают одноэлементные и многоэлементные тензорезисторы (рис. 2.12).

Беспетлевые тензорезисторы по сравнению с петлевыми имеют более высокие метрологические характеристики благодаря лучшим условиям передачи деформации к резисторной проволоке, которые реализуются в связи с тем, что эти тензорезисторы свободны от поперечной чувствительности. Размеры базы беспетлевых тензорезисторов не имеют ограничений по технологическим и метрологическим причинам.

а б

в г д

Рис. 2.12. Типы решеток

Многоэлементные тензорезисторы применяют, когда в одной точке необходимо измерить деформации в нескольких направлениях. Они образуются из двух, трех или четырех тензочувствительных элементов, объединенных общей основой; их называют розетками (рис. 2.13).

а б в

Рис. 2.13. Розетки тензорезисторов

Фольговые тензорезисторы. Получили широкое распространение в последние годы. Их чувствительный элемент (решетка) изготавливается из тонкого металла (фольги) толщиной 0,002 – 0,10 мм. В массовом производстве для фольговых датчиков используют те же материалы, что и для проволочных – константан для нормальных условий и нихром для повышенных температур. Основой тензорезистора является пленка из синтетической смолы.

Фольговые тензорезисторы по сравнению с проволочными имеют лучшие метрологические характеристики и позволяют создавать тензорезисторы с любой конфигурацией чувствительной решетки. В отличие от проволочных фольговые тензорезисторы содержат чувствительный элемент (решетку) не круглого, а прямоугольного сечения при малой толщине. Это позволяет увеличить площадь контакта с поверхностью исследуемого объекта, что делает более прочным соединение тензорезистора с объектом исследования, улучшает передачу деформации к чувствительной решетке, повышает стабильность и надежность производимых измерений. Типичный пример фольгового тензодатчика приведен на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Фольговые тензорезисторы: 1 – чувствительный элемент;

2 – выводы; 3 – наполнитель; 4 – подложка

Фольговые тензорезисторы изготавливают с базами 0,3 мм и более, причем процесс производства фольговых датчиков отличается большой точностью, а чувствительный элемент (решетка) – травлением решетки на тонкой металлической фольге или штамповкой из фольги прецизионным вырубным штампом.

Для измерения больших (до 9 – 11%) пластических деформаций в агрессивных средах при температуре до 600 К применяют тензорезисторы с решеткой из фольги титанового сплава, коэффициент тензочувствительности которых составляет 0,2.

Полупроводниковые тензорезисторы. Тензорезисторы этого типа применяют в тех случаях, когда на выходе измерительной схемы необходимо получить мощный электрический сигнал непосредственно от датчика при небольшом уровне деформации. Такой эффект обеспечивается благодаря тому, что в полупроводниковых тензорезисторах в качестве чувствительного элемента используют пластину из монокристалла полупроводника (толщина 0,02 – 0,05 мм, ширина до 0,5 мм и длина 2 – 12 мм), изменение удельного сопротивления которой в десятки раз больше, чем у резисторной проволоки, а выходной сигнал может достигать нескольких вольт. Наибольшее распространение для использования в качестве чувствительных элементов тензорезисторов получили кремний и в меньшей степени германий.

Основное применение полупроводниковые тензорезисторы, имеющие очень высокие коэффициенты тензочувствительности, находят при измерении малых деформаций, а также в качестве чувствительных элементов в различных преобразователях механических величин.