3.2. Крепление тензодатчиков и особенности технологии эксперимента

В качестве основания тензорезисторов может служить бумага или пластмассовая панель. Пластмассы, применяемые в качестве оснований тензодатчика, обычно более теплопроводны, чем бумага, однако толщина основа­ния из пластмассы часто бывает больше толщины бумажного осно­вания. Наклейка тензометров с основанием из пластмассы с помощью клеев с испаряющимся растворителем требует больше времени, так как для полного высыхания клея под основанием тензометра, почти не пропускающим паров растворителя, часто требуется несколько суток. В то же время тензометр с бумажным основанием бывает готов для измерений не позднее 24 часов после наклейки.

Для предохранения проволоки тензодатчика от механических повреждений проволоку закрывают полоской фетра или полностью утапливают проволоку в основание датчика. Эти мероприятия одно­временно обеспечивают защиту проволоки от быстрых изменений тем­пературы в результате охлаждения местным потоком воздуха или нагревания при кратковременном действии теплового излучения.

Проволока наклеенного на деталь стандартного тензодатчика сопротивления обычно обладает электрической емкостью по отно­шению к металлической детали порядка 50 пф (пикофарад). Если деталь находится под напряжением переменного тока относительно земли, то благо­даря наличию этой емкости на проволоке тензометра могут появ­ляться довольно значительные напряжения — помехи, которые часто не удается полностью устранить, несмотря на наличие в измеритель­ной схеме фильтров и выпрямителей. В этих случаях оказывается полезной полная экранировка проволоки датчика. Для такой экранировки тензометр оклеивают обмоткой из тонкой медной ленты (например, сечением 20,01 мм), спрессовывают, изолируют и в таком виде наклеивают на исследуемую деталь. Витки экрани­рующей обмотки пропаивают вдоль осевой линии тензодатчика и после наклейки тензодатчика экранирующую обмотку соединяют с экра­нирующей оплеткой кабеля, соединяющего тензометр с измерителем.

Для обозначения положения проволоки тензометра на его поверх­ности наносят две взаимно-перпендикулярные осевые линии.

Наивыгоднейшие значения омического сопротивления тензодатчика лежат в области 100-1000 Ом.

3.3. Физические основы электротензометрии

Явление, положенное в основу электротензометрии, основано на изменении электри­ческого сопротивления при деформации металлического провод­ника. Известно, что омическое сопротивление R проводника длиной l площадью поперечного сечения F и удельным сопротив­лением ρ изменяется по следующему закону:

. (3.1)

Дифференцируя равенство (3.1) и деля его на общее сопротив­ление, получим

(3.2)

Величина dF определяет изменение поперечного сечения про­водника в результате деформации и равна:

, (3.3)

где μ- коэффициент Пуассона.

Подставляя (3.3) в (3.2), будем иметь

, (3.4)

где k- коэффициент тензочувствительности материала провод­ника;

dR/R- относительное изменение сопротивления проволоки;

dl/l - относительная деформация;

dρ/ρ - относительное изме­нение удельного сопротивления.

Из экспериментальных данных, приведенных в табл. 3.1, видно, что эта величина для большинства используемых материалов из­меняется в пределах от -12 до +5.

Таблица 3.1 – Характеристика материалов тензодатчиков

Материал	Состав, %	Коэффи-циент тен-зочувстви-тельности	Удельное сопротив-ление, Ом∙см	Предельная рабочая температура, ˚С
Константан	60 Cu + 40 Ni	2,0	0,48	400
Нихром	80 Ni + 20 Cr	2,2	1,30	1000
Манганин	84 Cu + 12 Mn + 4 Ni	0,5	0,42	─
Платиноиридиевый сплав	80 Pt + 20 Ir	5,1	0,36	1300
Платиновольфрамовый сплав	92 Pt + 8W	4,0	─	─
Никельмолибденовый сплав	28 Mo + 72 Ni	2,5	1,40	650
Никельхромовый сплав	20 Cr + 2Cu + + 2,6Al + 75,4 Ni	2,0	1,16	1000
Железохромалюминиевый сплав	22,3Cr + 4,8Al + 0,35C+остальное	+2,8	1,50	1250
Никель	Ni	-12,1	─	─
Серебро	Ag	2,9	─	─
Медь	Cu	2,6	─	─
Платина	Pt	6,0	0,10	1300

Анализ уравнения (3.4) показывает, что коэффициент k зависит от двух факторов: изменения размеров проводника, связанного с коэффициентом Пуассона, и изменения удельного сопротив­ления. Величина (1+2μ) для разных металлов и сплавов может быть принята равной 1,6-1,8. Второе слагаемое в этом уравнении может изменяться в довольно широких пределах и от него в основ­ном зависит чувствительность датчика.

Из (3.4) видно, что для повышения чувствительности ПДС целесообразно использовать материалы с большим коэффициентом тензочувствительности.

Для обеспечения нормальной работы и чувствительности материал тензорезистора должен отвечать следующим основным требованиям:

1. обладать линейной связью между деформацией и изменением сопротивления в достаточном диапазоне деформаций, так как это позволяет упростить тарировку и использовать датчик в упругой, а иногда и в пластической областях;

2. иметь высокое удельное сопротивление, что позволяет уменьшить размеры ПДС при сравнительно высоком сопротивлении;

3. обладать высокими прочностными характеристиками;

4. должен отсутствовать гистерезис, так как наличие его сказывается на воспроизводимости результатов;

5. иметь хорошую термостабильность.

В ряде случаев к проволочным датчикам могут предъявляться дополнительные требования, относящиеся к его герметичности, инерционности, экономичности и пр. Наиболее полно этим требованиям отвечает медноникелевый сплав - константан.

Следующим важным параметром датчика является его база. Обычно она лежит в пределах от 1 до 20 мм. В настоящее время разработана серия датчиков с меньшей базой.

Выбор базы определяется рядом факторов. С одной стороны, ее увеличение приводит к большим погрешностям измерения в случае неоднородного поля деформаций, так как датчик дает осредненную величину деформации на его базе. С другой стороны, уменьшение базы позволяет приблизиться к измерению в точке, но при этом падает омическое сопротивление тензорезистора и, следовательно, точность изме­рения. Кроме того, на выбор базы влияет конфигурация поверх­ности исследуемой детали и удобство его монтажа.

В последние годы появились сведения о практическом исполь­зовании полупроводниковых датчиков, которые обладают чрез­вычайно высокой чувствительностью (k > 100). Принципиальное отличие работы этих датчиков по сравнению с датчиками сопротивления заключается в том, что коэффициент тензочувствительности материала зависит главным образом от изменения удель­ного сопротивления, а не от изменения линейных размеров.

Не­достатками этих датчиков являются нарушение линейной связи при измерении больших деформаций и высокая чувствительность к изменению температуры.