- •3. Тензометрия. Электротензометрия
- •3.1. Проволочные датчики сопротивления и их конструкция
- •3.2. Крепление тензодатчиков и особенности технологии эксперимента
- •3.3. Физические основы электротензометрии
- •3.4. Тарировка датчика
- •3.5. Электрические цепи
- •3.5.1. Потенциометрическая схема
- •3.5.2. Мостовые схемы
- •3.5.3. Чувствительность электрических цепей
3.4. Тарировка датчика
Для определения коэффициента тензочувствительности ПДС необходимо провести их тарировку. Датчик наклеивают на консольную балку равного сопротивления (рис. 3.2, а) или на балку постоянного поперечного сечения, работающую на чистый изгиб (рис. 3.2, б).
Из курса сопротивления материалов известно, что в случае изгиба консольной балки треугольной формы продольные деформации на ее поверхности постоянны и определяются формулой:
, (3.5)
г
Рисунок
3.2 - Схема
тарировки тензорезисторов с помощью
консольной балки равного сопротивления
(а)
и с помощью балки постоянного поперечного
сечения,
работающей на чистый изгиб (б):
1
— балка; 2
—
индикатор
Таким образом, определение ε практически сводится к измерению прогиба, что осуществляется чаще всего индикатором часового типа или каким-либо другим измерительным устройством.
3.5. Электрические цепи
Датчики изменяют свое сопротивление под воздействием внешней нагрузки по формуле:
(3.6)
Величина может быть измерена двумя наиболее распространенными способами: мостовым и потенциометрическим.
3.5.1. Потенциометрическая схема
На рис. 3.3 представлена потенциометрическая схема включения тензодатчика в электрическую цепь, которая часто используется при изучении динамических явлений и преобразует изменение сопротивления в изменение напряжения . Здесь источник тока с напряжением V подключается к датчику R через добавочное балластное сопротивление r; изменение напряжения на датчике фиксируется с помощью измерительного прибора. Когда сопротивление прибора приблизительно в 100 раз превышает сопротивление тензорезистора, напряжение на датчике Е выражается следующей зависимостью:
(3.7)
Если сопротивление датчика вследствие деформации меняется на , то напряжение на выходе будет равно:
(3.8)
Вычитая эти равенства, получим:
(3.9)
Э
Рисунок 3.3 –
Потенциометрическая
схема
включения тензорезистора
. (3.10)
Величина Kп может быть интерпретирована как показатель качества или эффективности схемы; например, при изучении динамических процессов, когда измеряемые деформации, как правило, малы, чувствительность схемы должна достигать максимальных значений с тем, чтобы уменьшить степень усиления выходного сигнала.
На основании выражений (3.7 – 3.10) и закона Ома можно записать:
, (3.11)
где k - коэффициент тензочувствительности датчика; I - сила тока в цепи.
Это уравнение показывает, что чувствительность цепи определяется двумя независимыми параметрами и . Первый из них определяется выбором балластного сопротивления r и в пределе приближается к единице, что соответствует максимальной эффективности. Однако при очень больших r требуется весьма высокое напряжение и поэтому на практике эту величину принимают равной 9R, при этом отношение . Второй параметр оказывает существенное влияние на чувствительность схемы и в зависимости от типа датчика и тока цепи может изменяться в пределах от 3 до 700. Изменение выходного напряжения датчиков обычно незначительно и поэтому Kп имеет порядок 5-10 В.
Большим достоинством потенциометрических схем является их простота, но в то же время они обладают рядом существенных недостатков. Изменение выходного напряжения ΔЕ весьма мало по сравнению с Е. Поэтому эта схема применяется главным образом для измерения динамических деформаций с использованием усилителей переменного тока, которые реагируют только на изменение ΔЕ. При изучении статических деформаций в схему необходимо вводить температурные компенсаторы. Так как выход потенциометрической схемы ΔЕ прямо пропорционален напряжению источника питания V, то последний должен быть достаточно стабильным. В качестве источника тока обычно используются батареи.