ЭОТб-11-2 / 3.1. Тензометрический метод / 3.1.Фоминых

Современные достижения в конструкциях тензометрических датчиков, использованные вкупе со стандартной проверенной тензорезисторной технологией, позволяют создавать компактные и точные датчики из различных материалов с широкой сферой применения и могут быть использованы в различных типах весовых систем и устройств, обеспечивая высокую эффективность, точность и экономичность решений.

Принцип работы тезодатчика

Работа тензодатчика основана на простых принципах механики. Если на механическую конструкцию действуют внешние силы, она изменяет свою форму таким образом, чтобы противостоять воздействию этих сил. Такие изменения могут быть значительными и явными, как в случае изгиба удочки при вытаскивании пойманной рыбы или могут быть микроскопическими, например – прогиб большого моста при проезде по нему автомобиля. Если в данной металлической конструкции сделать небольшое отверстие, оно будет деформироваться в эллипс при деформации самой конструкции, прямо пропорционально приложенной к конструкции силе. Если в это отверстие вклеить пленочный тензорезистор, можно с большой точностью измерить эту деформацию или нагрузку. Таким образом, тензорезистор эффективно превращает всю конструкцию в датчик для измерения силы, нагрузки или положения.

Точность тензоизмерений

Максимальная нагрузка на тензодатчик зависит от конструкции: существующие системы имеют пределы взвешивания от нескольких грамм до сотен тысяч тонн. При этом обеспечивается минимальная чувствительность к колебаниям температуры за счет схемотехнических решений. В современных тензодатчиках используется двойной мост (мост Кельвина), что позволяет снизить ошибки нелинейности, повторяемости и гистерезиса. Определенная степень тщательности должна быть обеспечена при выборе места установки и в процессе самой установке датчиков в конструкцию (устройство). Необходимо учитывать, что на точность полученной системы влияют количество датчиков, нагрузка на каждый датчик, материал самой конструкции. Отметим, что минимального уровня ошибок можно достичь только при правильной инсталляции датчиков в конструкцию.

Срок службы тензодатчиков

Тензодатчики для производств бетона изготавливаются из нержавеющей стали и полностью герметичны (IP68), что обеспечивает их длительную эксплуатацию практически в любых внешних условиях, включая высокую температуру, прямое попадание воды, снег, туман, высокую влажность и прямые солнечные лучи. Диапазон рабочих температур – от -40° до 80°C, с минимальными температурными изменениями характеристик. Используя соответствующий вторичный прибор, тензоизмеритель, с помощью тензодатчиков можно измерять вес, деформацию, объем и другие физические параметры.

Тензодатчик (тензорезистор, тензометрический датчик) — это приспособление для измерения напряжённого состояния в металле. Конструктивно представляет проводник особой формы, который подсоединяется к измеряемому изделию. Если известно сопротивление датчика в недеформированном состоянии, то по изменению сопротивления можно вычислить степень деформации. До появления тензодатчиков для взвешивания в промышленности применялись в большинстве случаев весы, основанные на механических рычагах.

Несмотря на то, что первый тензодатчик был изобретен в 40-х годах прошлого века, его 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. Легкость подключения датчиков к тензометрической станции позволяет собирать целые измерительные комплексы. Использование интеллектуальных тензометрических датчиков позволяет получать на выходе непосредственно значение измеряемой величины, избавляя пользователя от необходимости настройки измерительных каналов.

Тензометрия – способ экспериментальной оценки напряженно-деформированного состояния конструкции. Используется для измерения фактических значений напряжений в конструкции и автоматизации процесса идентификации вида дефекта по данным акустико-эмиссионного контроля и других методов контроля, применяемых в системе диагностического мониторинга.

 

Области применения тензометрии:

• Тензометрия элементов конструкций (измерение деформаций элементов конструкций, расчет напряжений)

• Определение нагрузок, приложенных к элементам конструкций (определение сил и моментов)

Основные цели организации систем диагностического мониторинга:

• своевременное обнаружение дефектов;

• сбор, хранение и анализ данных технического диагностирования и прогнозирование изменения технического состояния объектов во времени;

• автоматизация технического диагностирования и устранение человеческого фактора при оценке результатов диагностирования.

Датчики, используемые для оценки напряженно-деформированного сосотояния

Датчиками деформации и смещения в классическом виде называются датчики, фиксирующие микродеформации и смещения в  диапазоне 0,01-10 мкм., которые возникают в различных материалах, деталях машин, элементах конструкций и т.п., при воздействии на них различных физических факторов (давления, силы, температуры и т.п.). Регистрируя микродеформации, можно косвенно судить о физическом воздействии на объект исследования. На этом принципе строятся датчики силы, давления, ускорения, моментов, сейсмодатчики и т.п.

тензометрические датчики можно разделить на металлические тензодатчики (к которым относятся проволочные тензодатчики, фольговые тензодатчики, пленочные тензодатчики) и полупроводниковые тензодатчики.

Наиболее распространенными, благодаря малым габаритам, массе и низкой стоимости, являются металлические  и полупроводниковые тензодатчики и пъезодатчики.

Металлические тензодатчики

Работа металлических тензодатчиков основана на изменении сопротивлении материала проводника при деформации под действием прикладываемой нагрузки (тензоэффекте).

В простейшем случае тензорезистор представляет собой тонкий металлический проводник (кусок проволоки) жестко закрепленный на деформируемой детали.

Деформация детали ведет к деформации проволоки, изменяется ее длина, сечение и удельное электрическое сопротивление, что в конечном счете ведет к изменению электрического сопротивления всего учатка проволоки.

Сопротивление металлического проводника

Не будем углубляться в рассмотрение зависимостей относительного изменения удельного сопротивления материала под действием деформаций, запишим конечную формулу

 

Где КТ  - коэффициент тензочувствительности (для большинства металлических материалов 2÷2,5, для сплава "пермаллой-вольфрам" - 4,1).

Таким образом, изменение сопротивления металлических проводников в пределах упругих деформаций пропорционально продольной деформации.

Линейность приведенного соотношения сохраняется  при

Рассмотрим проволочный и фольговый вариант исполнения тензодатчиков.

В проволочном тензодатчике для большей продольной чувствительности проволока диаметром 20-50 мкм. выполняется в виде меандра (10-20 звеньев) и наклеивается на тонкую (до 0,1мм) подложку из специального материала.

Фольговые и пленочные тензодатчики выполняются с использованием методов фотолитографии и напыления. Для уменьшения поперечной тензочувствительности в топологии фольговых тензодатчиков делаются утолщения. при этом обычно поперечная чувствительность не превышает 0,1-0,2% от продольной.

Фольговые тензодатчики выполняются с высокой точностью и могут быть оптимизированы для решения задач определенного типа. Например, могут применяться тензодатчики с решетками, оси чувствительности которых ортогональны друг другу, что позволяет путем анализа соотношения изменения сопротивлений решеток судить о деформации плоскости образца в любом направлении.

Тензодатчики и датчики, построенные на использования тензометрического принципа действия могут быть использованы как для решения статических, так и для динамических задач.

При этом при выборе размера тензодатчика l0 исходят из того, что датчик должен иметь размер точечного зонда, чтобы регистрировать информацию в локальной точке образца. Следовательно его размеры должны быть меньше, чем деформационная волна в контролируемом образце:

 , где      - длина деформационной волны, V - скорость распространения ультразвука, f - частота колебаний. Для металла V составляет порядка  5 000 м/с, f max примем равным 50кГц, следовательно l0 должно быть меньше либо равно 10 мм.

При динамических деформациях величины продольных деформаций должны быть существенно ниже, чем при статических измерениях, исходя из соображений усталостной прочности материала.

На тензодатчики, и соответственно на точность измерений, проводимых с их использованием, существенное влияние оказывает температура.

Это обусловлено следующими факторами:

• зависимостью удельного сопротивления материала тензодатчика от температуры;

• зависимостью коэффициента объемного расширения материала от температуры;

• разностью коэффициентов температурного расширения датчика, подложки, материала исследуемого образца.

Таким образом, сопротивление тензодатчика изменяется с изменением температуры даже при отсутствии воздействия сил на исследуемый образец.

Для решения задачи защиты от температурного воздействия используются различные методы термокомпенсации.

При изготовлении тензорезистров, фирмы производители используют специальные сплавы, минимизирующие влияние температурных воздействий в заданных интервалах температур.

Еще одним фактором, существенно влияющем на точность измерений в тензометрии, является способ крепления тензодатчика на образце. В настоящее время широкое распространение получила наклейка тензорезисторов. Для наклейки тензорезисторов используются специальные безусадочные клеи: циакрин, из отечественных - ВН-15Т, В-58Т, зарубежные фирмы предлагают специальные клеи для решения самого широкого спектра задач все они обладают хорошей адгезией в широком диапазоне температур.

В настоящее время также используются привариваемые тензорезисторы (в основном высокотемпературные), с использованием точечной сварки.

Тензорезисторы могут также заливаться в образец (в строительстве тензорезисторы могут заливаться в бетонные конструкции).

 В целом, следует отметить, что сегодня тензометрия является высокоточной и высокотехнологичной областью измерений, нашедшей свое применение во многих областях науки и экспериментальной механики.

Грамотное построение тензометрического измерительного комплекса требует сегодня не только поверхностных знаний основных принципов действия датчиков и измерительных усилителей, но и опыта в их использовании.

Тензодатчики используются в различных отраслях машиностроения транспорта, строительства и мониторинга конструкций, в испытаниях автомобилей, в научных исследованиях. Тензометрический датчик, или сокращённо тензодатчик, в качестве чувствительного элемента имеет мост из тензорезисторов. Тензодатчик может быть с выходом по напряжению и по току. Сигнал с тензодатчика поступает на измерительный усилитель (тензоусилитель) или систему сбора данных (тензостанцию) для последующего анализа, в том числе с использованием фирменного программного обеспечения KYOWA.

Тензодатчик подразделяется на датчик силы, измеряющий усилия и нагрузки, датчик давления, применяемый в различных средах, датчик перемещения используемый в том числе в мониторинге строительных конструкций, акселерометр (тензодатчик ускорения) и датчик крутящего момента.