3. Электромеханические динамометры
3.1. Динамометры с тензодатчиками
Тензодатчик представляет собой резистор, сопротивление которого изменяется при деформации. Его приклеивают к поверхности тестируемой детали, так, чтобы он деформировался вместе с ней. Используются одиноч ные тензорезисторы или блоки тензорезисторов, соединѐнные по схеме моста или полумоста.
В качестве клея применяют при температуре до 50°С раствор целлулоида 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 стеклянные эмали и кремнийорганические лаки. Слой клея между деталью и тензометром должен быть не более нескольких сотых миллиметра, чтобы не искажать величины измеряемых деформаций.
Чувствительным элементом тензорезистора (тензодатчика) является металлический проводник, наклеенный на массивную деталь, подвергающуюся 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 заклеивают защитной бумажной полоской. Проволочный преобразователь наклеивают на измеряемую поверхность 1, деформирующуюся под действием усилия. Деформация упругого элемента вызывает растяжение (сжатие) проволоки 2 тензорезистора и соответствующее изменение сопротивления тензорезистора. 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 значениях 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 значение в соответствии с изменением параметров внешнего физического фактора. 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 устройство (например, на персональный компьютер), где специальные программы могут 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 корпус 4, который заполняется кремнийорганической жидкостью для защиты тензорезисторов от влаги и для смазки опорных поверхностей. Герметизация полости осуществляется посредством мембраны 2.
Рис. 3.4. Схема датчика ТВС:
1 — упругий элемент; 2 — защитная 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) изготавливается из металлической нити диаметром 20-25 мкм из константана, манганина; простейшим из них может служить прямолинейный отрезок тонкой про-волоки, закрепленной с помощью клея на контролируемой детали или на упругом 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 конструкции без инерционность, 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 параметры такие же, как и у проволочных. Различие между ними заключается в конструкции решетки и способе ее изготовления. Фольговые тензодатчики изготавливаются из ленточной фольги толщины 4 мкм. В качестве материала фольги используют константан, нихром, титан-алюминиевый или золотосеребряный спав. Решетку фольговых тензодатчиков делают методом фотолитографии. Это позволяет получать решетки различной конфигурации (линейную, розеточную, мембранную), высокую повторяемость параметров у датчиков одного типа и автоматизировать процесс изготовления. По сравнению с проволочными тензодатчики из фольги имеют следующие достоинства: хороший механический и тепловой контакт с контролируемой деталью; более высокие чувствительность и точность за счет лучшей передачи деформации от детали к фольге и возможности пропускать через датчик больший измерительный.
3. Полупроводниковые тензодатчики. Наибольшее практическое применение получили полупроводниковые тензодатчики из кристаллических полу-проводниковых материалов — кремния, германия, арсенида галлия, антимонида индия и др. В отличие от проволочных и фольговых тензодатчиков изменение сопротивления при деформации у полупроводниковых тензодатчиков происходит основном за счет изменения не геометрических размеров а удельного сопротивления. Достоинствами полупроводниковых тензодатчиков являются высокая чувствительность (при, мерно в сто раз выше, чем у проволочных); большой выходной сигнал, что позволяет часто не применять усилитель. К их недостаткам следует отнести малую механическую прочность (хрупкость); сильное влияние окружающей температуры; большой разброс параметров в одной партии датчиков (до ±20 %).