3. Электромеханические динамометры

3.1. Динамометры с тензодатчиками

Тензодатчик представляет собой резистор, сопротивление которого из-меняется при деформации. Его приклеивают к поверхности тестируемой дета-ли, так, чтобы он деформировался вместе с ней. Используются одиноч ные тен-зорезисторы или блоки тензорезисторов, соединѐнные по схеме моста или по-лумоста.

В качестве клея применяют при температуре до 50°С раствор целлулои-да в ацетоне, карбинольный клей; до 200°С бакелитно -фенольные клеи БФ-2, БФ-4; до 300°С жаростойкие цементы типа «Силикон»; до 700—800° С стек-лянные эмали и кремнийорганические лаки. Слой клея между деталью и тен-зометром должен быть не более нескольких сотых миллиметра, чтобы не ис-кажать величины измеряемых деформаций.

Чувствительным элементом тензорезистора (тензодатчика) является металлический проводник, наклеенный на массивную деталь, подвергающую-ся механической деформации. По изменению сопротивления тензорезистора в зависимости от прикладываемого усилия судят об измеряемом параметре.

Проволочный тензорезистор (рис. 3.1) состоит из проволоки диаметром 0,025... 0,05 мм, уложенной в ряд петель длиной 5...25 мм и шириной 3... 10 мм.

Петли наклеивают на пленку или бумажную прокладку 4 и сверху за-клеивают защитной бумажной полоской. Проволочный преобразователь на-клеивают на измеряемую поверхность 1, деформирующуюся под действием усилия. Деформация упругого элемента вызывает растяжение (сжатие) проволо-ки 2 тензорезистора и соответствующее изменение сопротивления тензорезисто-ра. Эта величина снимается и обрабатывается измерительной схемой.

Рис. 3.1. Схема проволочного тензорезистора (1 — измеряемая поверхность; 2 — прово-лока; 3 — выводы; 4 — бумажная прокладка)

Тензодатчик включается в измери-тельный мост в качестве одного из сопро-тивлений (например, R2) (рис. 3.2).

Рис.3.2. Измерительный мост с вольтметром с тензорезистором

Если все сопротивления, составляющие мост, равны между собой, то при любых зна-чениях напряжения между точками А и D токи через все резисторы по закону Ома будут равны между собой. Следовательно, напряжение между точками С и B будет равно нулю. Но если какое-либо сопротивление будет отличаться от трѐх других, то между точками C и B появится разность потенциалов (напряжение). Если же это сопротивление будет менять своѐ значение под воздействием какого-либо внешнего физического фактора (изменения температуры, светового по-тока извне и т. д.), то напряжение между точками C и B будет менять своѐ зна-чение в соответствии с изменением параметров внешнего физического факто-ра. Таким образом, внешний физический фактор является входным сигналом, а напряжение между точками C и B — выходным сигналом. Далее выходной сигнал после усиления (рис. 3.3) можно подавать на анализирующее устройст-во (например, на персональный компьютер), где специальные программы мо-гут его обрабатывать.

Рис. 3.3. Состав тензоизмерительного устройства

Схема тензорезисторного датчика типа ТВС приведена на рис. 3.4. Работа этого датчика основана на преобразовании деформации упругого элемента в электрический сигнал, пропорциональный измеряемой нагрузке.

Чувствительный элемент силоизмерителя заключен в герметичный кор-пус 4, который заполняется кремнийорганической жидкостью для защиты тен-зорезисторов от влаги и для смазки опорных поверхностей. Герметизация по-лости осуществляется посредством мембраны 2.

Рис. 3.4. Схема датчика ТВС:

1 — упругий элемент; 2 — защит-ная мембрана; 3 —подставка под упругий элемент; 4 — корпус; 5 — тензорезисторы

Датчики типа ТВС выпускаются на разные диапазоны измерения силы. Максимальная величина измеряемого усилия — 320 кН (32 тс). Номинальное выходное напряжение датчика — 50 мВ.

На практике находят применение проволочные, фольговые, пленочные, металлические преобразователи, а также преобразователи из монокристаллов полупроводников. Виды тензодатчиков:

1. Проволочные тензодатчики - проволочная решетка (рис.3.5) изготав-ливается из металлической нити диаметром 20-25 мкм из константана, манга-нина; простейшим из них может служить прямолинейный отрезок тонкой про-волоки, закрепленной с помощью клея на контролируемой детали или на уп-ругом элементе тензобалки

Рис.3.5. Тензорезистор НВМ

При растяжении детали сопротивление тензодатчика, наклеенного на нее, увеличивается а при сжатии уменьшается, т. е. относительное изменение сопротивления тензодатчика изменяет знак при изменении знака деформации (направления действующей силы ли момента). Характеристика тензодатчика, следовательно, реверсивная и линейная для относительных деформаций, не превышающих 1—1,5%.

Достоинствами проволочных тензодатчиков являются простота конструк-ции безъинерционность, линейная и реверсивная статическая характеристика. малая масса и небольшие габариты; невысокая стоимость. К их недостаткам следует отнести: невысокую чувствительность (необходимо применение усилителей); сильное влияние окружающей температуры; возможность использовать только в пределах упругих деформаций; необходимость влагозащиты одноразовое использование.

2. Фольговые тензодатчики. Их принцип действия и основные парамет-ры такие же, как и у проволочных. Различие между ними заключается в кон-струкции решетки и способе ее изготовления. Фольговые тензодатчики изго-тавливаются из ленточной фольги толщины 4 мкм. В качестве материала фольги используют константан, нихром, титан-алюминиевый или золотосе-ребряный спав. Решетку фольговых тензодатчиков делают методом фотолито-графии. Это позволяет получать решетки различной конфигурации (линей-ную, розеточную, мембранную), высокую повторяемость параметров у датчи-ков одного типа и автоматизировать процесс изготовления. По сравнению с проволочными тензодатчики из фольги имеют следующие достоинства: хоро-ший механический и тепловой контакт с контролируемой деталью; более вы-сокие чувствительность и точность за счет лучшей передачи деформации от детали к фольге и возможности пропускать через датчик больший измери-тельный.

3. Полупроводниковые тензодатчики. Наибольшее практическое приме-нение получили полупроводниковые тензодатчики из кристаллических полу-проводниковых материалов — кремния, германия, арсенида галлия, антимо-нида индия и др. В отличие от проволочных и фольговых тензодатчиков изме-нение сопротивления при деформации у полупроводниковых тензодатчиков происходит основном за счет изменения не геометрических размеров а удель-ного сопротивления. Достоинствами полупроводниковых тензодатчиков яв-ляются высокая чувствительность (при, мерно в сто раз выше, чем у прово-лочных); большой выходной сигнал, что позволяет часто не применять усили-тель. К их недостаткам следует отнести малую механическую прочность (хрупкость); сильное влияние окружающей температуры; большой разброс параметров в одной партии датчиков (до ±20 %).