1 Основа датчика; 2 проволочная решетка;
3 Бумага; 4 выводы датчика
Существуют также тензодатчики с металлической подложкой-основанием (толщиной 0,10,2 мм), на котором закреплена петлевая проволока при помощи отвердевающего раствора. Такие датчики применяются для установки на металл конструкций, работающих при высоких температурах. Так, применяемые в данной лабораторной работе тензодатчики НМТ-450 имеют верхнюю допустимую температуру применения 450° С. Такие датчики крепят к исследуемому металлу при помощи точечной приварки металлической подложки. Точки сварки располагают с шагом 1,52 мм по всему периметру подложки. Приварку начинают с середины пластинки, затем двигаются к краю, придерживаясь симметрии при нанесении точек сварки, что позволяет минимизировать деформацию подложки от теплового воздействия сварки, и, таким образом, обеспечить надежное сцепление подложки с металлом конструкции.
Проволока для решетки тензорезисторов выполняется из сплавов, обладающих большим коэффициентом тензочувствительности:
, (1)
где 
относительное изменение электросопротивления
тензорезистора;
относительная деформация тензорезистора.
Зная К и R для закрепленных на исследуемом объекте тензорезисторов, и измерив изменение сопротивления R, можно найти деформацию в месте установки датчика, и по закону Гука перейти к напряжениям:
. (2)
Для изготовления тензорезисторов наибольшее применение находит константановая проволока (60% Cu + 40% Ni), для которой среднее значение К = 2. Диаметр проволоки обычно составляет 1230 мкм.
Рис. 3. Схема измерения напряжения с помощью моста Уитстона
Для замера деформаций обычно используется мостовая схема (рис. 3). Она включает в себя два балластных сопротивления Rб1 и Rб2, рабочие (активные) Rа1…Rаn и компенсационный Rк тензорезисторы. Мостовая схема измерений позволяет повысить чувствительность измерения изменения сопротивления R. Ведь само это изменение относительно начального сопротивления R может быть ничтожно мало, что приведет к грубому измерению этой величины. В мостовой схеме изменение сопротивления R измеряется не прямым, а косвенным способом.
Схема работает следующим образом. При подаче в одну из диагоналей моста напряжения питания Uпит в плече моста Rб1-Rб2 начнет протекать ток
, (3)
который создаст на сопротивлении Rб1 падение напряжения
. (4)
Аналогично
. (5)
Напряжение в измерительной диагонали моста
. (6)
Отсюда следует, что напряжение на выходе измерительной мостовой схемы зависит как от величины питающего напряжения (чем выше напряжение питания, тем больше сигнал на выходе), так и от соотношения всех 4 сопротивлений, входящих в измерительный мост. Очевидно также, что при некотором условии напряжение на выходе схемы равно нулю, так как в нуль обращается выражение в скобках формулы (6). Это условие называется условием баланса моста:
. (7)
Если перед началом измерений мост сбалансировать, то возникающий при деформациях активного тензодатчика разбаланс моста приводит к появлению на выходе измерительной схемы напряжения, прямо пропорционального относительной деформации металла . Для баланса моста изменяют сопротивление Rб1 или Rб2 до отсутствия напряжения на выходе измерительной схемы. Современная измерительная аппаратура позволяет производить автоматическую балансировку мостовых схем перед измерениями путем подбора и запоминания одного из указанных сопротивлений. Ранее пользовались ручной балансировкой при помощи переменного сопротивления. Используемая при проведении экспериментального определения напряжений в стержнях фермы аппаратура – тензостанция СИИТ-3 не имеет возможности автоматической балансировки моста, так как разрабатывалась в 80-х годах прошлого века. Поэтому при проведении измерений необходимо вычислять изменение сигнала разбаланса моста под действием нагрузки на ферму, что приводит к некоторой погрешности измерений, несущественной для целей данной лабораторной работы.
В мостовой схеме тензорезисторы Rа и Rк выбираются из одной партии датчиков с равными сопротивлениями, один из них (Rа) крепится на исследуемый объект, второй (Rк) на тарировочную пластину с таким же модулем Юнга и находящуюся в таких же температурных условиях. Рабочий и компенсационный тензорезисторы включают в одно плечо измерительного моста. Назначение компенсационного тензодатчика – автоматическая компенсация влияния температуры металла на результаты измерений, так как при изменении температуры одинаково будут изменяться удельные электрические сопротивления активного и компенсационного датчиков. Компенсационный датчик не должен воспринимать деформацию металла от нагрузок.
Существует 3 разновидности мостовых схем:
четвертьмостовая схема – лишь 1 из 4 датчиков является активным, т.е. воспринимает деформацию; преимущества данной схемы – минимальное количество используемых датчиков, недостаток – наименьшая чувствительность измерений;
полумостовая схема – 2 из 4 датчиков являются активными, при этом они включаются в противоположные или смежные позиции моста; преимущества данной схемы – чувствительность измерений повышается в 2 раза, недостаток – количество используемых датчиков также удваивается;
полномостовая схема – все 4 датчика являются активными; преимущества данной схемы – чувствительность измерений повышается в 4 раза, недостатки – количество используемых датчиков возрастает в 4 раза, а также невозможно регистрировать деформацию от продольной силы в металле, которая одинаково изменяет сопротивления всех датчиков, и таким образом не нарушается величина разбаланса моста;
Для исключения влияния изгибающих моментов на показания в измерительной точке с разных сторон металла устанавливается 2 тензодатчика, включаемых в измерительную цепь последовательно, либо включаемых в разные плечи моста.
Для измерений деформаций металла при одноосном напряженном состоянии, что имеет место в стержнях исследуемой фермы, достаточно установить один тензодатчик по известному направлению усилия (вдоль стержня в нашем случае). Если напряженное состояние двухосное, и при этом известно направление действия усилий, то в каждой измерительной точке устанавливают 2 тензодатчика перпендикулярно друг другу. Если же направление действия усилий неизвестно, то в каждой точке устанавливается 3 тензодатчика, повернутых друг относительно друга на угол 45° или 60°. В этом случае направление действия усилий можно определить по теоретическим формулам.