Лекция 14. Тензодатчики

14.1 Вводные понятия

Суть тензодатчика можно объяснить областью их использования – «электронные весы», или с другим понятием – «датчики нагрузки». Датчик нагрузки – это, своего рода, конвертер, который преобразовывает обычную механическую силу в некие показания.

Механические весы используют два метода взвешивания: это был либо механизм балансировки, либо механизм определения силы, основанный на механических рычагах.

Несмотря на то, что первый тензодатчик был изобретен в 40-х годах прошлого века, их производство стало экономически и технически возможно только после того, как развитие электроники это позволило. С тех пор тензодатчики зарекомендовали себя как неотъемлемые компоненты механических весов и как независимые датчики нагрузки. На сегодняшний день, тензометрические датчики нагрузки доминируют в весо-измерительном оборудовании (рис. 14.1). Исключением стали лишь некоторые лаборатории, где все еще используются точные балансирующие весы.

Рис. 14.1

14.2 Физико-механические свойства металлов

Деформации – (от лат. deformatio – искажение) – изменение относительного положения частиц тела, связанное с их перемещением. Деформация представляет собой результат изменения межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Обычно деформация сопровождается изменением величин межатомных сил, мерой которого является упругое напряжение.

Деформацией твердого тела связано с изменением его размеров и объема. Деформация тела под действием приложенной силы называется растяжением или сжатием (рис. 14.2).

ε_l - относительная деформация

Рис. 14.2

Сжатие можно рассматривать как отрицательное растяжение. Деформация называется упругой, если она исчезает после прекращения действия силы. Неупругая деформация называется пластической.

Механическое напряжение – это мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле под влиянием внешних воздействий.

Механическое напряжение в точке тела измеряется отношением упругой силы, возникающей в теле при деформации, к площади малого элемента сечения, перпендикулярного к этой силе.

В пределах действия закона Гука наблюдается пропорциональная зависимость между силой F и деформацией ε_l или ΔL :     F ~ ε_l ~ ΔL.

Относительное продольное растяжение образца сопровождается его относительным поперечным сужением образца. Отношение относительного поперечного сужения к относительному продольному удлинению называется коэффициентом Пуассона:

Для стали коэффициент Пуассона имеет величину от 0,25 до 0,3.

Пределом упругости называется максимальное напряжение, при котором еще не получается остаточной деформации (после снятия приложенной силы).

Пределом текучести называется состояние деформируемого тела, при котором его удлинение происходит без увеличения приложенной сипы.

Пределом прочности называется напряжение, непосредственно предшествующее разрушению образца.

Относительное удлинение тензодатчика является безразмерной величиной и поскольку относительное удлинение измеряется тысячными и миллионными долями, то для удобства оперирования числами используются безразмерные единицы измерения, такие как мм/м, мкм/м, а в зарубежной литературе – микрос, равный 10^-6 .

Таким образом, естественной входной величиной таких преобразователей должна быть принята относительная деформация, естественной выходной – электрическое сопротивление проводника (с относительно малой величиной диаметра).

При воздействии на проводник длиной L и сопротивлением R механической нагрузкой F (растяжение или сжатие) происходит изменение его сопротивления на величину ±Δ R . Изменение сопротивления проводника объясняется двумя факторами: изменением геометрических размеров – длины и сечения и изменением удельного сопротивления (проводимости) материала проводника при его деформации.

Механические напряжения как в материале детали, так и в проволоке тензорезистора не должны превышать предела упругих деформаций, ибо, в противном случае, в материале произойдут необратимые деформации, которые могут привести к резкому изменению характеристик преобразователя. В связи с этим допустимую величину напряжений в материале деталей ограничивают 20 –30% предела упругости.

Подобный эффект наблюдается и при деформации элемента, выполненного из полупроводникового материала.