2.3. Перетворювачі механічних величин в електричні

Перетворювач механічної величини в електричну є одним із головних елементів вимірювальної системи. Вибір перетворювача визначає вибір схеми підсилювача та блоку живлення.

За принципом дії перетворювачі поділяють на дві головні групи : активні (генераторні) і пасивні (параметричні).У першій групі вхідна величина безпосередньо перетворюється в електричний сигнал, а в другій групі - вихідними електричними величинами є зміна опору, ємності, частоти тощо. До перших належать, наприклад, п’єзоелектричні та індукційні, до других - ємнісні, індуктивні та інші перетворювачі.

Перетворювач повинен задовольняти цілу низку вимог: мати достатню чутливість і задовільну стабільність, широкий діапазон зміни вхідної величини, зручне узгодження з вимірювальною апаратурою і не повинен впливати на вимірювану величину.

Для вимірювання однієї і тієї ж механічної величини можна використовувати давачі, робота яких ґрунтується на різних принципах перетворення. В подальшому розглянемо тільки ті принципи, які є найперспективнішими і найпоширенішими.

2.3.1. Резистивні перетворювачі

Резистивні перетворювачі є найпростішим видом перетворювачів. До них належать реостатні, тензоелектричні, тензолітові контактні та інші. Для вимірювальних цілей з перелічених найбільше поширення отримали перші два типи.

Реостатним перетворювачем називають реостат, повзунок якого переміщується згідно із значенням вимірюваної неелектричної величини. Таким чином, вхідною величиною реостатних перетворювачів є переміщення повзунка, яке може бути або лінійним, або кутовим. Якщо переміщення повзунка є наслідком дії на нього будь якого допоміжного елемента (наприклад, мембрани, чи поршня), то вхідною величиною може бути тиск, зусилля, тощо. Вхідною величиною реостатних перетворювачів є активний опір, розподілений на шляху повзунка лінійно чи за деяким законом.

Тензодавачі - вимірювальні перетворювачі, принцип роботи яких базується на властивості матеріалів змінювати свій електричний опір в залежності від їх деформації, тобто під дією прикладеної до них сили розтягу чи стиску.

Тензодавачі набули поширення завдяки малим розмірам та маси, а також можливості вимірювати за їхньою допомогою не лише статичні але й динамічні деформації.

Розроблені дротяні, фольгові і напівпровідникові тензодавачі. Розглянемо кожну групу цих тензодавачів.

2.3.2. Дротяні тензодатчики (дт)

Дротяний тензодатчик масового вжитку - це плоска петляста дротяна обмотка прямокутної форми (ґратка), до кінців якої припаяні або приварені, відносно товсті, виводи з мідного лудженого дроту чи фольги. Дротяна ґратка (ДГ) за допомогою спеціального клею закріплюється на тонкому прямокутнику з паперу або лакової плівки, що служить для неї основою. Конструкцію ДТ показано на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Конструкція дротяного тензорезистора:

(1 – основа; 2 – дротяні нитки чутливої ґратки; 3- шар клею; 4- вивідні провідники).

Основа ДТ утримує на собі тензочутливу ґратку та ізолює її від матеріалу досліджуваної деталі. Вона повинна бути еластичною, механічно міцною, добре приклеюватись до різних матеріалів, володіти доброю вологотривкістю і високими ізолюючими якостями, не змінювати своїх властивостей у заданому інтервалі температур. За роботи в умовах нормальної вологості і температури до70 - 90С такими властивостями володіє тонкий (товщиною не більше 0.05 мм) папір. У вітчизняних тензорезисторах використовують креслярський прозорий папір, креслярський пергамін і папіросний папір.

Якіснішими (менша повзучість, краща вологотривкість і більший опір ізоляції) є тензорезистори на основі з плівки. Для виготовлення плівкової основи використовуються клеї або лаки, наприклад, клеї БФ-2 і ВС-10Т , електроізоляційний лак ВЛ-4 або ВЗ-931, акрилові, поліамідні, епоксидні, епоксидно-фенольні смоли та ін. матеріали.

У тензорезисторах, що призначені для використання у діапазоні підвищених температур (до 250С), як основу використовують спеціальний жаростійкий папір (з додатком азбестових волокон) або папіросний папір , просякнутий термостійким клеєм.

Високотемпературні тензорезистори, що призначені для використання за температур 400 - 800С, виготовляють у вигляді ДГ, закріпленої за допомогою спеціального жаростійкого цементу на фользі з нержавіючої сталі або взагалі без основи.

Не мають основи і не наклеювані ДТ, що застосовуються для вимірювання переміщень і зусиль. Переваги не наклеюваних тензорезисторів полягають у тому, що в них відсутні поперечна чутливість, повзучість, майже немає гістерезису. Гранична величина вимірюваних переміщень становить .

Матеріал дроту, що використовується для виготовлення тензочутливої ґратки, повинен задовольняти таким вимогам:

а) мати високий питомий опір, бо від нього залежить величина відносної зміни

пору на одиницю вимірюваного видовження, а отже, і чутливість дротяної ґратки до деформації;

б) володіти високою і стабільною чутливістю до деформації;

в) зміна його опору повинна відбуватись за лінійним законом у досить широкому діапазоні зміни деформацій, тобто він повинен мати велике відношення межі текучості до модуля пружності;

г) його характеристики повинні бути нечутливими до впливу температури;

д) температурні коефіцієнти лінійного розширення матеріалу дроту і матеріалу деталі, що досліджуються, повинні збігатися або різнитися незначно;

е) володіти технологічністю, яка дає змогу протягнути дріт до мікронної товщини;

ж) стопи, що використовуються для виготовлення високотемпературних терморезисторів, повинні добре протистояти окислювальній дії навколишнього середовища.

Серед відомих матеріалів та їх стопів немає жодного, який би міг повністю відповідати цим висунутим вимогам. Найпридатнішими матеріалами для виготовлення тензочутливого дроту визнані міднонікелеві стопи (константан, адваанс), ніхроми і нікель-хромозалізні стопи (елінвари).

Вітчизняні ДТ масового вжитку виготовляють з м’якого випаленого константану марки НММЦ 58.5-1.5 ГОСТ 492-52. Основні його недоліки - низький коефіцієнт тензочутливості і велика температурна р.р.с. у парі з міддю.

Константанові тензорезистори можна використовувати за температур до 200С. Для роботи в умовах високих температур (до 900С) дротяні ґратки виготовляються з ніхрому чи деяких інших стопів.

Для того, щоб деформації дротяної ґратки точно відтворювали деформації деталі поверхні, на яку наклеєно тензорезистор, дріт повинен бути дуже тонким. Найвигіднішим вважається діаметр дроту d=0.02…0.025мм. За звичай, застосовують дріт діаметром 0.02..0.05 мм. За такої товщини дроту деформації, що приводять до руйнування (розтріскування ) шару клею , набагато перебільшують звичайні вимірювані деформації і тензорезистор працює нормально навіть під час деформацій, що перебільшують межу текучості металів.

Чутливість ДГ, практично, однакова як за розтягу, так і за стиску.

Вивідні провідники повинні мати достатню механічну міцність, добре контактувати з кінцями ДГ і бути зручними для під’єднання до них дротів вимірювальної схеми. Тому для виводів використовують мідний луджений дріт чи фольгу. Виводи приварюють чи приклеюють до кінців ґратки.