3.2 Вимірювання механічних напружень

Найпоширенішим способом визначення механічних напружень є вимірювання деформації поверхні досліджуваного об'єкта. Діапазон вимірюваних деформацій дуже широкий - від часток мікрометра в металах та твердих пластмасах до десятків сантиметрів у зразках еластич­них матеріалів з великим видовженням.

Найпростішим та найпоширенішим методом вимірювань деформацій є так званий тензометричний метод, в якому як первинні перетворювачі деформації використовують тензорезистори. Металеві тензорезистори застосовують при вимірюванні відносних деформацій від 0,002 до 1... 2 %, напівпровідникові - до 0,1... 0,2 %, навісні металеві - до 10 %, а еластичні (гнучкі каучукові трубки, заповнені електролітом) - до 30... 50 %. Тензорезистори практично безінерційні і використовуються для вимірювань, зокрема, змінних деформацій в діапазоні частот до 100 кГц.

Для вимірювання деформацій чи величин, попередньо перетворених у деформацію пружного перетворювального елемента, тензорезистор наклеюють на досліджувану деталь. Для температур до 200 °С застосовують бакеліто-фенольні клеї (БФ), бакелітовий лак, а для вищих температур - жаростійкі кремнійорганічні цементи та цементи на основі рідкого скла.

Особливістю приклеюваних тензорезисторів є те, що вони не мо­жуть бути переклеєні з об'єкта на об'єкт. Тому дійсна функція перетворення робочого тензорезистора не може бути визначена, а для її оцінки знаходять функцію перетворення аналогічного, так званого градуювального тензорезистора з цієї партії. А оскільки властивості окремих тензорезисторів із певної їх партії, а також умови їх приклеювання загалом дещо різні, то відзначається деяка неоднозначність дійсної та номінальної функцій перетворення. Досвід свідчить, що похибка від неідентичності функцій перетворення при акуратному приклеюванні тензорезисторів з достатньо однорідної партії не перевищує 1,5 %

Вихідним інформативним параметром тензорезисторів є зміна їх опору і тому здебільшого вимірювальними колами тензорезистивних перетворювачів є мостові вимірювальні кола. Тензорезистор може бути увімкненим в одне з плеч моста, в два плеча або мостове коло може бути складене повністю із тензорезисторів.

Оскільки відносна зміна опору тензорезисторів дуже мала , то суттєвий вплив на результат вимірювань може мати темпе­ратура довкілля. Отже, необхідно передбачити температурну компенсацію. Зокрема, якщо використовують мостове коло з одним робочим тензорезистором то для температурної компенсації не­обхідний інший неробочий тензорезистор аналогічний робо­чому , який був би в однакових температурних умовах з робочим. Тоді зміна опорів двох ідентичних (робочого та компенсаційного) тензорезисторів, зумовлена зміною температури довкілля при незмін­ному значенні вимірюваної деформації, не викликає зміни вихідної напруги. Дійсно, якщо, наприклад = 0 та

, (3.1)

тут - температурний коефіцієнт опору тензорезистора.

Якщо таке мостове коло при відсутності вимірюваної деформації буде в рівновазі, тобто = то внаслідок дії вимірюваної деформації і відповідно зміни опору робочого тензорезистора на рівновага порушується, а вихідна напруга за умови, що внутрішній опір джерела живлення нехтовно малий, буде дорівнювати

(3.2)

де - відносна зміна опору тензорезистора; - функція перетворення робочого тензорезистора.

Для метричного моста, коли , a матимемо

(3.3)

Як видно з останнього виразу, функція перетворення такого мостового кола, тобто залежність від чи нелінійна. Однак при невеликих змінах (у металевих тензорезисторах ці зміни не перевищують 1 %), коли <0,01, можна вважати

. (3.4)

Оскільки відношення відносної зміни опору до відносної деформації характеризується коефіцієнтом відносної тензочутливості , то залежність вихідної напруги від вимірюваної деформації запишеться як

. (3.5)

Якщо первинними перетворювачами сили (тиску) в деформацію є консольні (мембранні) перетворювальні елементи, то як робочі можна використати два ідентичні тензорезистори, наклеєні з протилежних сторін чутливого елемента так, що один сприймає деформацію розтягу, а інший деформацію стискування, то можливе диференціальне їх увімкнення в мостове коло.