3.2. Датчики деформаций

Большинство задач экспериментального исследования работы элементов конструкций и силовой установки под нагрузкой сводится к оценке их напряженного состояния. Однако непосредственное измерение механических напряжений сопряжено с большими трудностями, что заставляет прибегать к косвенным методам и исследовать сопутствующие им физические характеристики, в частности, деформации.

Для измерения деформаций наибольшее распространение получил метод электротензометрии, основанный на тензорезистивном эффекте, т.е. свойстве проводников и полупроводников изменять свое сопротивление при деформировании. При этом в качестве измерительного преобразователя линейной деформации в изменение активного сопротивления применяются тензорезисторы. Таким образом, структурная схема датчика деформации может быть представлена двумя последовательно соединенными измерительными преобразователями: тензорезистором и измерительной цепью.

Классификация тензорезисторов для летных испытаний приведена на рис. 2. Чувствительным элементом тензорезистора, т.е. элементом его конструкции, преобразующим деформацию в изменение сопротивления, являются проволока диаметром 0,03 мм или фольга толщиной 0,005 мм. При этом наибольшее распространение получили проводниковые материалы: константан, никель–молибденовые и нихромовые сплавы.

Рис. 2. Классификация тензорезисторов для летных испытаний.

Конструктивное исполнение как проволочных, так и фольговых тензорезисторов разнообразно. Проволочный тензорезистор представляет собой уложенную зигзагообразно между двумя электроизоляционными подложками тонкую тензочувствительную проволоку. К концам проволоки присоединены (пайкой или сваркой) выводные проводники. Для упрочнения места закрепления делают разгрузочную петлю. Электроизоляционные подложки выполняют из папиросной бумаги, лаковой пленки или цемента, скрепляемых между собой клеем, лаком или цементом. Тензорезисторы называют соответственно бумажными, лаковыми или цементными. Зигзагообразную часть тензорезистора называют решеткой, а ее длину – базой. Фольговые тензорезисторы представляют собой тонкую ленту из фольги, на которой часть металла выбрана (например, травлением) таким образом, что оставшаяся часть образует решетку с выводами. Эта решетка закрепляется между бумажной или лаковой электроизоляционными подложками.

Основным способом крепления тензорезистора к исследуемому объекту является приклейка. Выбор приклеиваемых тензорезисторов обусловлен рядом их положительных свойств, однако решающим из них является отсутствие механического вмешательства в конструкцию объекта. Основным недостатком способа приклейки является применение термической обработки конструкции объекта с тензорезисторами (общей или локальной), вызванной необходимостью полимеризации связующего тензорезисторов. В качестве компромисса применяется умеренная термическая обработка и последующая сушка приклеенных тензорезисторов.

Основными характеристиками тензорезистора являются:

• сопротивление,

• статическая характеристика преобразования,

• чувствительность,

• температурная характеристика сопротивления.

Статическая характеристика преобразования тензорезистора, т.е. зависимость относительного изменения сопротивления тензорезистора от деформации при нормальной температуре может быть представлена известной формулой или , где – коэффициент тензочувствительности; – коэффициент Пуассона. Коэффициент тензочувствительности всегда больше единицы и определяется свойствами материала тензорезистора и способностью его при деформировании изменять геометрические размеры (длину, сечение) и удельное сопротивление . У проводниковых материалов , у полупроводниковых материалов .

Свойства приклеенного тензорезистора, представляющего собой преобразователь разового действия, значительно отличаются от свойств неприклеенного. Поэтому градуировку неприклеенного тензорезистора не осуществляют, а градуируют другие тензорезисторы партии, приклеиваемые на балке постоянного сечения из материала, изготовленного, по возможности, по той же технологии, которая принята для объекта измерения. Партии тензорезисторов присваивают усредненные (типовые) характеристики, полученные на образцах этой партии.

Выполнение датчика деформации по известной мостовой схеме и обеспечение идентичности его приклейки позволяют получить погрешность датчика, лежащую в пределах 2%. Дальнейшее уменьшение погрешности датчиков деформации может быть достигнуто применением градуируемых тензорезисторов. Возможность проведения предварительной градуировки обеспечивается применением тензорезисторов, например, на стеклошифоновой основе, а для их приклейки – полиамидного клея. Применяемая технология позволяет осуществить снятие тензорезисторов после градуировки без повреждения и последующую их установку на объект. Погрешность таких датчиков может составлять 1%. Для защиты тензорезисторов от воздействия влажности окружающей среды и обеспечения устойчивости к механическим влияющим факторам тензорезисторы и монтажную схему покрывают специальным герметизирующим составом.

Для измерения деформаций при повышенных температурах используются проволочные и фольговые тензорезисторы, специально подбираемые к конкретным материалам элементов исследуемой конструкции. При измерении деформаций лопаток газовых турбин применяют проводниковые проволочные (сплавы хрома) и пленочные тензорезисторы. Пленки образуются из платины, платинородия, композиции платина–керамика и др. В качестве связующего применяются высокотемпературные цементы и эмали. При измерении деформаций в условиях нестационарного нагрева требуется тонкий методический подход, так как при повышении рабочих температур снижается уровень допустимых напряжений и усложняются условия работы датчиков деформации.

Тензорезистор на летательном аппарате в полете в условиях нагрева изменяет сопротивление под действием ряда факторов:

(1)

Первый член правой части формулы характеризует изменение сопротивления за счет деформирования чувствительного элемента, вызванного напряжениями от внешних нагрузок и температурными напряжениями конструкции объекта.

Второй член формулы представляет собой так называемое температурное приращение сопротивления (температурную характеристику) тензорезистора.

Температурное приращение тензорезистора может достигать весьма большой величины. Полную температурную компенсацию можно осуществить лишь в сравнительно узком диапазоне температур. Применяются различные методы и средства, позволяющие уменьшить влияние температуры на сопротивление тензорезистора. Известное применение получили самотермокомпенсированные тензорезисторы, в которых использован метод регулирования температурного коэффициента сопротивления тензометрических проволок и фольги путем присадки к медноникелевому сплаву (константану) специально подобранного количества железа и марганца. Другим способом является рациональный подбор режима отжига проволоки или фольги перед изготовлением тензорезистора для различных материалов объекта измерения. Используется также схемная температурная компенсация тензорезисторов, основанная на соответствующем включении в мостовую измерительную цепь рабочих тензорезисторов (при измерении изгибных и моментных деформаций), а также рабочих и компенсационных тензорезисторов (при измерении деформаций растяжения – сжатия) и работе их на летательном аппарате в условиях одинаковых температур. В этом случае погрешность будет определяться, в основном, величиной разброса индивидуальных градуировочных характеристик тензорезисторов. Наконец, применяется метод внесения поправок на температурное приращение сопротивления тензорезистора, который особенно эффективен, если одиночный тензорезистор расположен в горячей зоне объекта измерений. Изменение сопротивлений выводных и монтажных проводников сводится к минимуму включением тензорезистора в мостовую измерительную цепь по известной трехпроводной схеме. Вместе с тем этот метод требует измерения температуры тензорезистора на объекте.

В практике летных испытаний самолетов на прочность в условиях нагрева широко распространено сочетание методов внесения поправок и применения самотермокомпенсированных тензорезисторов. Деформация и температура синхронно измеряются с помощью тензотерморезистора, выполненного в единой конструкции, и вносятся поправки при определении значения измеряемой деформации. Чаще применяется структурная схема датчика деформации с одним рабочим тензотерморезистором, вынесенным в зону измерения.

Термочувствительный элемент датчика включается в неравноплечий измерительный мост, выполненный из катушек сопротивления, бифилярно намотанных из манганиновой проволоки. Тензочувствительный элемент включается в равноплечий измерительный мост, выполненный из компенсационных одноименных тензорезисторов, приклеенных на специальную пластину, которая устанавливается в термостатированном блоке вместе с измерительной аппаратурой. Время стабилизации температуры в блоке определяется его конструкцией. Температурная погрешность компенсационных тензорезисторов не превышает ± 2,5-10^-5 единиц относительной деформации при окружающей блок температуре ± 40⁰С.

Технология препарирования объектов измерений датчиками деформации играет определяющую роль при получении достоверных результатов. Подготовка поверхности для приклейки тензорезисторов, приклейка и термическая обработка тензорезисторов, монтаж электрических цепей, их защита от влажной среды должны выполняться на высоком профессиональном уровне. Следует строго выполнять методические и технологические рекомендации. При работе с клеевыми соединениями из эпоксидных смол и электрическими проводами с фторопластовой изоляцией необходимо соблюдение инструкций по технике безопасности и промышленной санитарии.