Лекція 3

Вимірювання механічних зусиль

3.1 Загальні відомості

Із механічних величин, які вимірюються найчастіше, основними є механічні зусилля, які поділяються на зосереджені, зокрема спрямовані Лінійно (механічні сили) та обертові (крутні моменти), а також розподілені зовнішні зусилля (тиск) та внутрішні розподілені зусилля, що виникають в тілі досліджуваного об'єкта (механічні напруження).

Діапазон вимірюваних механічних зусиль дуже великий. Так, під час наукових досліджень доводиться вимірювати сили, починаючи від Н (і навіть менші), а під час промислових вимірювань - до Н. Внутрішні напруження в деталях різних конструкцій лежать в межах до 2000 МПа. Оскільки вимірювання внутрішніх напружень необхідне насамперед для дослідження міцнісних властивостей, то вимірювання механічних напружень, менших від 10 МПа, трапляються рідко. Діапазон вимірювань тиску знаходиться в межах від 0 до майже Па, а поріг чутливості сучасних манометрів досягає  Па. Верхня границя вимірювань крутних моментів сягає 10⁹ Н м.

Методи вимірювань різних видів механічних зусиль мають багато спільного. Їх можна поділити на чотири групи, що базуються на вимірюванні:

• деформацій досліджуваного об'єкта або деформацій пружного елемента, які виникають під дією вимірюваного зусилля;

• параметрів або властивостей перетворювачів (електричний чи магнітний опір, частота власних коливань, виникнення електричного заряду тощо), що змінюються під дією досліджуваних зусиль;

• безпосередньо властивостей досліджуваного об'єкта чи середови­щі (наприклад, швидкості розповсюдження звуку, теплопровідності Ішу, електричної провідності, магнітної проникності тощо), які іалсжать від зусиль, що діють на них;

• зусиль методом зрівноважувального перетворення, при якому вимірюване зусилля зрівноважується компенсуючим зусиллям.

Перша група методів найширше застосовується для визначення механічних напружень вимірюванням деформації поверхні досліджуваного об'єкта, а також у приладах для вимірювання сил, крутних моментів та тиску, що попередньо перетворюються в деформацію первинного пружного перетворювального елемента.

Друга група методів використовується у засобах вимірювань, основаних на застосуванні п'єзоелектричних та магнітопружних пере­творювачів, безпосередньою вхідною величиною яких є досліджуване зусилля.

На залежності властивостей чи параметрів досліджуваного об'єкта від зусиль, що діють на них, основані, наприклад, ультразвуковий, магнітопружний, термопружний та інші методи вимірювань механічних напружень.

Метод зрівноважувального перетворення використовується для побудови точних засобів вимірювань сил, крутних моментів, тиску.

3.2 Вимірювання механічних напружень

Найпоширенішим способом визначення механічних напружень є вимірювання деформації поверхні досліджуваного об'єкта. Діапазон вимірюваних деформацій дуже широкий - від часток мікрометра в ме­талах та твердих пластмасах до десятків сантиметрів у зразках еластич­них матеріалів з великим видовженням.

Найпростішим та найпоширенішим методом вимірювань деформа­цій є так званий тензометричний метод, в якому як первинні перетворю­вачі деформації використовують тензорезистори. Металеві тензорезистори застосовують при вимірюваннях відносних деформацій від 0,002 до 1... 2 %, напівпровідникові - до 0,1... 0,2 %, навісні металеві - до 10 %, а еластичні (гнучкі кавчукові трубки, заповнені електролітом) - до ЗО... 50 %. Тензорезистори практично безінерційні і використовуються для вимірювань, зокрема, змінних деформацій в діапазоні частот до 100 кГц.

Для вимірювання деформацій чи величин, попередньо перетворе­них у деформацію пружного перетворювального елемента, тензорезистор наклеюють на досліджувану деталь. Для температур до 200 °С за­стосовують бакеліто-фенольні клеї (БФ), бакелітовий лак, а для вищих температур - жаростійкі кремнійорганічні цементи та цементи на основі рідкого скла.

Особливістю приклеюваних тензорезисторів є те, що вони не мо­жуть бути переклеєні з об'єкта на об'єкт. Тому дійсна функція перетворення робочого тензорезистора не може бути визначена, а для її оцінки знаходять функцію перетворення аналогічного, так званого градуювального тензорезистора з цієї партії. А оскільки властивості окремих тензорезисторів із певної їх партії, а також умови їх приклеювання загалом дещо різні, то відзначається деяка неоднозначність дійсної та номінальної функцій перетворення. Досвід свідчить, що похибка від неідентичності функцій перетворення при акуратному приклеюванні тензорезисторів з достатньо однорідної партії не перевищує 1,5 %

Вихідним інформативним параметром тензорезисторів є зміна їх опору і тому здебільшого вимірювальними колами тензорезистивних перетворювачів є мостові вимірювальні кола. Тензорезисгор може бути увімкненим в одне з плеч моста, в два плеча або мостове коло може бути складене повністю із тензорезисторів.

Оскільки відносна зміна опору тензорезисторів дуже мала , то суттєвий вплив на результат вимірювань може мати темпе­ратура довкілля. Отже, необхідно передбачити температурну компенса­цію. Зокрема, якщо використовують мостове коло з одним робочим тензорезистором то для тмпературної компенсації не­обхідний інший неробочий тензорезистор аналогічний робо­чому , який був би в однакових температурних умовах з робочим. Тоді зміна опорів двох ідентичних (робочого та компенсаційного) тензорезисторів, зумовлена зміною температури довкілля при незмін­ному значенні вимірюваної деформації, не викликає зміни вихідної напруги. Дійсно, якщо, наприклад = 0 та

(3.1)

Тут - температурний коефіцієнт опору тензорезистора.

Якщо таке мостове коло при відсутності вимірюваної деформації буде в рівновазі, тобто = то внаслідок дії вимірюваної деформації і відповідно зміни опору робочого тензорезистора на рівновага порушується, а вихідна напруга за умови, що внутрішній опір джерела живлення нехтівно малий, буде дорівнювати

(3.2)

де -відносна зміна опору тензорезистора; функція перетворення робочого тензорезистора.

Для метричного моста, коли , a матимемо

(3.3)

Як видно з останнього виразу, функція перетворення такого мостового кола, тобто залежність від чи нелінійна. Однак при невеликих змінах (у металевих тензорезисторах ці зміни не перевищують 1 %), коли <0,01, можна вважати

(3.4)

Оскільки відношення відносної зміни опору до відносної деформації характеризується коефіцієнтом відносної тензочутливості , то залежність вихідної напруги від вимірюваної деформації запишеться як

(3.5)

Якщо первинними перетворювачами сили (тиску) в деформацію є консольні (мембранні) перетворювальні елементи, то як робочі можна використати два ідентичні тензорезистори, наклеєні з протилежних сто­рін чутливого елемента так, що один сприймає деформацію розтягу, а інший деформацію стиску, то можливе диференціальне їх увімкнення в мостове коло.