1. Датчики на основе тензометров

Тензометрические схемы служат основой для самых различных датчиков, включенных по полной мостовой схеме, например, таких, как датчики нагрузки, силы, момента и давления.

Основой всех конфигураций тензометров является понятие моста Уитстона, который состоит из четырех резистивных плеч. В одно или несколько плеч могут быть включены активные чувствительные элементы. Принципиальная схема моста Уитстона приведена на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1. Принципиальная схема моста Уитстона

Мост Уитстона электрически эквивалентен двум параллельно включенным делителям напряжения, один из которых состоит из резисторов R₁ и R₂, а другой – из резисторов R₄ и R₃. Выходное напряжение измеряется между средними точками этих делителей.

При изменении деформации или температуры образца изменяется сопротивление чувствительных элементов, включенных по схеме моста Уитстона. Эта схема применяется при измерении малых изменений сопротивления чувствительных элементов, обусловленных изменениями физического состояния исследуемого образца.

Конфигурации тензодатчиков различаются выполнением моста Уитстона. Датчик состоит из всех активных элементов моста Уитстона. Известны три типа конфигураций тензодатчика: четвертьмостовая, полумостовая и полномостовая. Тип конфигурации моста определяется количеством плеч моста Уитстона, в которые включены активные элементы. В таблице 8.1 приведено количество активных элементов для каждой конфигурации.

Таблица 8.1.

Конфигурации тензодатчиков

Конфигурация	Количество активных элементов
четвертьмостовая	1
полумостовая	2
полномостовая	4

Каждая из этих конфигураций бывает нескольких типов в зависимости от ориентации активных элементов и вида измеряемой деформации. Наиболее часто применяются семь типов конфигурации мостов, которые будут подробно разобраны ниже. Они позволяют измерять как по отдельности, так и совместно, продольную деформацию и деформацию изгиба. Некоторые похожие типы конфигураций позволяют измерять деформацию кручения.

На принципиальных схемах конфигураций мостов и рисунках применяются следующие обозначения:

• Transducer – датчик;

• Jumper not required when using SCB – перемычка не нужна при использовании SCB;

• Shunt Cal A – калибровочный шунт A;

• Shunt Cal B – калибровочный шунт B;

• Axial – продольная деформация;

• Bending – деформация изгиба;

• R₁, R₂ и R₃ – резисторы для мостовой схемы, которые могут быть как пассивными дополняющими (четвертьмостовая схема), так и активными тензочувствительными (полумостовая (R₃) и полномостовая схемы);

• R₄ – активный тензочувствительный элемент, измеряющий деформацию растяжения (+ε);

• V_EX – напряжение питания моста;

• R_L – сопротивление соединительной линии (если длина линий большая, R_L может значительно повлиять на погрешность измерений).;

• V_CH – измеряемое выходное напряжение моста;

• R_S – сопротивление калибровочного шунта (А или B);

• R_g – номинальное сопротивление датчика, которое должно быть указано изготовителем;

• ε – измеренная деформация (+ε – деформация растяжения, -ε – деформация сжатия);

• ε_S – симулируемая деформация;

• GF – коэффициент тензочувствительности датчика, который должен быть указан изготовителем;

• U – отношение ожидаемого значения выходного напряжения моста к напряжению питания при включенном калибровочном шунте;

• ν – коэффициент Пуассона, определяется как взятое со знаком минус отношение поперечной деформации к продольной деформации (этот коэффициент является свойством материала, из которого изготовлен исследуемый образец).

Четвертьмостовые тензометрические схемы бывают 2-х типов: с R₃ в качестве дополняющего нагрузочного резистора и в качестве термочувствительного элемента.

Четвертьмостовая тензометрическая схема с встроенным нагрузочным дополняющим резистором типа I предназначена для измерения либо продольной деформации, либо деформации изгиба. На рисунке 8.2 показано, как располагать тензорезистор при измерении и той, и другой деформации, а на рисунке 8.3 приведена схема моста этого типа конфигурации.

Рисунок 8.2. Установка тензометрических резисторов измерения продольной деформации (Axial) и деформации изгиба (Bending) для четверть-мостовой схемы типа I

Четвертьмостовая тензометрическая схема типа I характеризуется следующим:

1. Единственный активный тензочувствительный элемент монтируется вдоль главного направления деформации, продольной или деформации изгиба.

2. Требуется пассивный дополняющий резистор и дополняющий полумост.

3. Вариации температуры образца приводят к увеличению погрешности измерений.

4. Чувствительность при относительной деформации 1000 με примерно равна 0,5mV_out/V_EX (питание на входе моста).

Значение дополняющего четвертьмостовой датчик резистора R₃ должно быть равным номинальному сопротивлению тензочувствительного элемента. Рекомендуется использовать резистор с допуском 0,1%. При использовании резистора меньшей точности калибровка по компенсации смещения нуля выполняется неточно.

а) б)

Рисунок 8.3. Четверть-мостовая тензометрическая схема типа I:

а) упрощенная, б) реальная принципиальная электрическая.

Для уменьшения погрешностей из-за температурного дрейфа, тензодатчик должен иметь коэффициент температурной коррекции, которыйсоответствует коэффициенту теплового расширения материала, из которого изготовлен исследуемый образец. Датчики с температурной коррекцией обладают температурной чувствительностью, которая компенсирует коэффициент теплового расширения образца. Коэффициент температурной коррекции приблизительно равен отношению изменения деформации к вызвавшему его изменению температуры, и выражается в относительных единицах деформации (με) на градус. Если, например, образец изготовлен из алюминия, необходимо использовать датчик с коэффициентом температурной коррекции 13.0. Если образец стальной, следует применять датчик с коэффициентом температурной коррекции 6.0.

Чтобы уменьшить погрешности из-за температурного дрейфа в соединительных линиях, используется трехпроводная схема подключения датчика (рис. 8.3,б). В линиях, присоединенных к зажимам P+ (Pin 2) и QTR/SCB (Pin 9), течет одинаковый ток, причем они находятся на противоположных сторонах одного и того же элемента моста. Таким образом, выходное напряжение V_CH остается неизменным за счет компенсации любых изменений падения напряжения на сопротивлении соединительной линии R_L, обусловленных колебаниями температуры.

Поскольку падение напряжения на сопротивлении соединительной линии в четвертьмостовой схеме типа I не компенсируется на аппаратном уровне, необходимо точно определить значение этого сопротивления. Если мост откалиброван с помощью шунта или соединительные линии очень короткие (менее 3 м), то сопротивлениями соединительных линий R_L можно пренебречь.

Четвертьмостовая тензометрическая схема с внешным нагрузочным дополняющим резистором типа II также предназначена для измерения либо продольной деформации, либо деформации изгиба. На рисунке 8.4 показано, как располагать тензорезистор при измерении и той, и другой деформации, а на рисунке 8.5 приведена схема моста этого типа конфигурации.

Рисунок 8.4. Установка тензометрических резисторов измерения продольной деформации (Axial) и деформации изгиба (Bending) для четверть-мостовой схемы типа II

Четвертьмостовая тензометрическая схема типа II отличается от типа I тем, что в одно ее плечо включается активный тензочувствительный элемент (R₄), а в соседнее плечо – термочувствительный элемент (пассивный датчик – R₃). Тензочувствительный элемент устанавливается вдоль главного направления продольной деформации или деформации изгиба. В свою очередь, пассивный датчик обычно монтируется перпендикулярно главной оси деформации, причем он находится в тесном тепловом контакте с деформируемым образцом, но не прикреплен к нему. Пассивный элемент датчика датчик крепится на поверхности из такого же материала, что и активный датчик, однако он не должен подвергаться деформации. Температура пассивного элемента датчика должна точно отслеживать температуру активного элемента датчика. Номинальное сопротивление пассивного датчика R₃ равно сопротивлению активного датчика R₄. Допускается несоответствие коэффициента температурной коррекции датчиков типу материала, из которого изготовлен образец.

а)

б)

Рисунок 8.5. Четвертьмостовая тензометрическая схема с термочувствительный резистором R₃ (тип II):

а) упрощенная, б) реальная принципиальная электрическая.

Полумостовые тензометрические схемы также бывают двух типов: тип I – для измерения продольной деформации и деформации изгиба, тип II – для измерения только деформации изгиба.

Четвертьмостовую схему типа II часто путают с более распространенной полумостовой схемой типа I. Однако имеются принципиальные различия схем этих двух типов. В полумостовой схеме типа I R₃ является активным и связан с деформируемым образцом для измерения деформации с учетом коэффициента Пуассона. В четвертьмостовой схеме типа II R₃ необязательно связан с поверхностью образца, но должен находится в тесном тепловом контакте с деформируемым образцом или с другим элементов из того же материала и находящимся в тех же температурных условиях. В полумостовой схеме типа I R₄ монтируется вдоль главной оси поля напряжений, а R₃ – перпендикулярно главной оси. Эту конфигурацию применяют в приложениях, где отсутствует напряжение вдоль оси датчика поперечной деформации.

Номинальные значения R₃ и R₄ равны R_g. Коэффициент температурной коррекции тензодатчиков необязательно должен соответствовать типу материала тестируемого образца.

Рисунок 8.6. Установка тензометрических резисторов для полумостовой схемы типа I, где R₃ – резистор, который измеряет деформацию сжатия, обусловленную эффектом Пуассона (±νε).

а)

б)

Рисунок 8.7. Полумостовая тензометрическая схема типа I:

а) упрощенная, б) реальная принципиальная электрическая.

Полумостовая тензометрическая схема типа I характеризуется следующим:

1. Состоит из двух активных тензочувствительных элементов: один из тензодатчиков монтируется по направлению продольной деформации, а другой – в качестве измерителя деформации с учетом коэффициента Пуассона – перпендикулярно главной оси деформации.

2. Дополняющие резисторы образуют дополняющий полумост.

3. Обладает чувствительностью и к продольной деформации, и к деформации изгиба.

4. Компенсируются вариации температуры испытуемого образца.

5. Компенсируется совокупное влияние коэффициента Пуассона для материала, из которого изготовлен образец, на измерение основной деформации.

6. Чувствительность при относительной деформации 1000 με примерно равна 0.65mV_out/V_EX (питание на входе моста).

Полумостовая тензометрическая схема типа II измеряет только деформацию изгиба (Bending), и не воспринимает продольную деформацию. В ней требуется, чтобы один тензодатчик подвергался деформации растяжения, а другой тензодатчик – деформации сжатия, равной по величине деформации растяжения. Эта конфигурация используется для измерения деформации изгиба, причем тензодатчики монтируются с противоположных сторон балки. Электрически она полностью идентична схеме типа I.

Рисунок 8.8. Установка тензометрических резисторов для полумостовой схемы типа II, где R₃ и R₄ – резисторы, которые измеряют деформацию сжатия, обусловленную эффектом Пуассона (±νε).

Полумостовая тензометрическая схема типа II отличается от типа I следующим:

1. Два активных тензометрических элемента: один из активных элементов монтируется по направлению деформации изгиба на одной стороне деформируемого образца (сверху), а другой активный элемент – в том же направлении с противоположной стороны (снизу).

2. Обладает чувствительностью к деформации изгиба.

3. Не воспринимает продольную деформацию.

4. Компенсируются вариации температуры испытуемого образца.

5. Чувствительность при относительной деформации 1000 με примерно равна 1mV_out/V_EX (питание на входе моста).

Полномостовые тензометрические схемы бывают трех типов: тип I и II – для измерения только деформации изгиба (различаются установкой тензорезисторов), тип III – для измерения только продольной деформации. Электрически все они полностью идентичны.

Полномостовая тензометрическая схема типа I характеризуется следующим:

1. Четыре активных тензометрических элемента: два активных элемента монтируются по направлению деформации изгиба на одной стороне деформируемого образца (сверху), а два других – в том же направлении с противоположной стороны (снизу).

2. Обладает высокой чувствительностью к деформации изгиба.

3. Не воспринимает продольную деформацию.

4. Компенсируются вариации температуры испытуемого образца; обеспечивается компенсация сопротивления соединительной линии.

5. Чувствительность при относительной деформации 1000 με примерно равна 20mV_out/V_EX (питание на входе моста).

Рисунок 8.9. Установка тензометрических резисторов для полномостовой схемы типа I

а)

б)

Рисунок 8.12. Полномостовая тензометрическая схема

а) упрощенная, б) реальная принципиальная электрическая.

Полномостовая тензометрическая схема типа II отличается от типа I следующим:

1. Четыре активных тензометрических элемента. Два активных элемента монтируются по направлению деформации изгиба, причем один из них крепится на одной стороне деформируемого образца (сверху), а другой – на противоположной стороне (снизу). Остальные два элемента используются, как датчики деформации с учетом коэффициента Пуассона, и крепятся перпендикулярно к главной оси деформации, причем один из них располагается на одной стороне деформируемого образца (сверху), а другой – на противоположной стороне (снизу).

2. Компенсируется совокупное влияние коэффициента Пуассона для материала, из которого изготовлен образец, на измерение основной деформации.

3. Чувствительность при относительной деформации 1000 με примерно равна 1,3mV_out/V_EX (питание на входе моста).

Рисунок 8.10. Установка тензометрических резисторов для полномостовой схемы типа II

Рассматриваемый мост применяется для измерения деформации изгибающихся балок. Тензорезисторы R₃ и R₄ располагаются вдоль оси балки на ее противоположных сторонах, а R₁ и R₂ располагаются поперек оси балки на ее противоположных сторонах. Номинальные значения сопротивлений R₁, R₂, R₃ и R₄ равны R_g. Коэффициент температурной коррекции тензодатчиков необязательно должен соответствовать типу материала тестируемого образца.

Полномостовая тензометрическая схема типа III отличается от типа II следующим:

1. Четыре активных тензометрических элемента. Два активных элемента монтируются по направлению деформации изгиба, причем один из них крепится на одной стороне деформируемого образца (сверху), а другой – на противоположной стороне (снизу). Остальные два элемента используются, как датчики деформации с учетом коэффициента Пуассона, и крепятся перпендикулярно к главной оси деформации, причем один из них располагается на одной стороне деформируемого образца (сверху), а другой – на противоположной стороне (снизу).

2. Не воспринимает деформацию изгиба.

Рисунок 8.11. Установка тензометрических резисторов для полномостовой схемы типа III