Глава 5

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

§5.1. Назначение. Типы тензодатчиков

Тензометрические датчики служат для измерения деформаций и ме­ханических напряжений в деталях машин и механизмов. Они могут также использоваться для измерения других механических величин (давления, вибрации, ускорения и др.), которые предварительно преобразуются в деформацию.

Работа тензодатчиков основана на изменении активного сопро­тивления материала при его механической деформации. В качестве материала тензодатчиков используются проводники (в виде прово­локи, фольги или пленки) и полупроводники.

данной главе рассматриваются проволочные, фольговые, пле­ночные и полупроводниковые тензодатчики, относящиеся к пара­метрическим датчикам. В них выходной сигнал формируется за счет изменения активного сопротивления. Поэтому их называют еще тензорезисторами. Для измерения деформаций используются и тен-зометрические датчики, основанные на других принципах: магнито-упругие датчики (рассмотрены в § 6.5) и струнные датчики (рас­смотрены в гл. 11).

§ 5.2. Принцип действия проволочных тензодатчиков

Принцип работы проволочного тензодатчика основан на изменении активного сопротивления проволоки при ее деформации. Измене­ние активного сопротивления проволоки происходит по двум при­чинам: во-первых, изменяются геометрические размеры проволоки (длина /, сечение s); во-вторых, при деформации изменяется удель­ное сопротивление р материала проволоки. А эти величины и опре­деляют активное сопротивление проволоки:

Рассмотрим (рис. 5.1) провод длиной /, радиусом г, сечением s = nr* и объемом V= яг²/, который при деформации (растяжении) под влиянием силы F получает удлинение dl и уменьшение радиуса dr. Следовательно, новый объем проволоки:

Пренебрегая бесконечно малыми высших порядков [вида (dr)², drd/J, получим

и где ц = —— — коэффициент Пуассона, характеризующий изменение ; d///

размеров проволоки при растяжении; для металлов ц = 0,24*0,5. Если бы материал не изменял объем при растяжении, то dK=0 и ц = 0,5. Таким образом, реальные металлы изменяют свой объем, а следовательно, они претерпевают и внутриструктурные изменения: очевидно меняется плотность материала и его удельное сопротивле­ние.

Для определения изменения сопротивления проволоки при рас­тяжении продифференцируем уравнение (5.1), полагая, что все вхо­дящие в него члены зависят от усилия F.

р Напомним формулу для дифференцирования произведения функций

Чувствительность проволочного тензодатчика определяем как отношение величины относительного изменения сопротивления по (5.9) к относительному изменению линейного размера:

Обозначим третье слагаемое в (5.10) через коэффициент т, учи­тывающий изменение удельного сопротивления, связанное с изме­нением размеров

—ч.

Слагаемое (1 + 2ц) для металлов может иметь максимальное зна­чение 1,8 (при ц = 0,4). Но чувствительность для некоторых сплавов превышает 2. Это как раз и означает, что т > 0, т. е. при деформа­ции изменяется удельное сопротивление.

В табл. 5.1 приведены характеристики некоторых сплавов, ис­пользуемых для проволочных тензодатчиков. Следует иметь в виду, что деформация не является единственной причиной изменения со­противления тензодатчика. Сопротивление меняется и в зависимо­сти от температуры. Это явление используется в термосопротивле­ниях (см. гл. 9). Очевидно, для уменьшения температурной погреш­ности тензодатчика его материал должен иметь высокую чувствительность S_R при малом температурном коэффициенте рас­ширения и малом значении термоЭДС при контакте с медными со­единительными проводами. В табл. 5.1 приведены пределы измене­ния характеристик материалов проволочных тензодатчиков, поско­льку эти характеристики зависят не только от состава сплава, но и от технологии изготовления.

Тензочувствительность полупроводников во много раз больше тензочувствительности металлов.