Принцип дії та конструкція дротяних тензорезисторів
Вступ
Первинні вимірювальні перетворювачі знайшли широке застосування у багатьох галузях техніки оборонного та загальнопромислового виробництва. Вони зробили неоціненний внесок у розвиток нової техніки та кожного конкретного технічного спрямування та галузі.
При розробці будь-якого технічного об'єкта необхідне експериментальне відпрацювання та перевірка закладених проектних рішень та розрахунків. Найбільш відповідальна роль цьому випадку відводиться первинним перетворювачам. Вони повинні найбільш точно відповідати умовам вимірювань, сприйняти і правильно відтворити дійсне значення параметра, що вимірювається, щоб при подальших перетвореннях в інформаційно-вимірювальній системі мінімізувати значення похибки результату вимірювання в допустимих межах.
У цій роботі проводиться дослідження тензорезистивних, терморезистивних, реостатних, п'єзоелектричних, індукційних та термоелектричних перетворювачів неелектричних величин.
У всіх робочих програмах з курсів, пов'язаних із вивченням вимірювальної техніки, і зокрема датчикоперетворювальної апаратури, розглядаються питання фізичних основ роботи первинних вимірювальних перетворювачів неелектричних величин. За всіма спеціальностями факультету електроніки та системотехніки МДУЛ передбачено проведення лабораторних робіт з вивчення первинних перетворювачів студентами 2х-3хкурсів.
Розроблений комплекс лабораторних робіт розрахований на студентів молодших курсів та присвячений вивченню перетворювачів таких широко поширених параметрів як кутове переміщення, деформація, вібрація, кількість обертів та температура.
Лабораторні стенди були розроблені досить давно, але зараз виникла потреба їхмодернізації та складання нових описів лабораторних робіт.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 20
ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕНЗОРОЗИСТОРІВ І СХЕМ ЇХ ВКЛЮЧЕННЯ
Мета справжньої роботи - вивчення металевих (дротяних або фольгових) тензорезисторів, схем їх включення та методу вимірювання механічних напруг при статичних навантаженнях.
Робота складається з наступних розділів:
1. вивчення експериментальної установки та визначення її метрологічних характеристик;
2. визначення коефіцієнта тензочутливості тензо-резисторів;
3. дослідження мостових схем включення тензорезисторів;
4. визначення деформацій та напруг у консольній балці при статичних навантаженнях.
Принцип дії та конструкція дротяних тензорезисторів
Принцип дії дротяних тензорезисторів ґрунтується на зміні опору металевого дроту під впливом деформації. Природною вхідною величиною цих перетворювачів є механічна деформація, а виходом - зміна активного опору.
Найчастіше тензорезистори піддаються чистому стиску чи розтягуванню. При цьому величину впливу можна оцінити щодо зміни лінійних розмірів перетворювача - бази тензорезистора, що оцінюється у відносних одиницях.
,
де – база перетворювача (рис. 1);
- подовження перетворювача під впливом прикладеного зусилля. Опір тензорезистора виходить із наступного співвідношення:
,
де - Питомий опір дроту, ;
- Довжина дроту, M;
S - поперечний переріз, мм2.
При деформації змінюються як геометричні розміри дроту, з якого виготовлений тензорезистор, і його питомий опір. Повна змінаопору тензорезистора дорівнюватиме
,
а відносна зміна опору
.
Рис.1. Дротовий перетворювач.
Мал. 2. Мостова схема включення тензоперетворювачів:
Rпр1- тензоперетворювач, що працює на розтяг;
Rпр2- тензоперетворювач, що працює на стиск;
P- реєструючий прилад.
Так як (- радіус поперечного перерізу дроту), то
.
При одновісному напруженому стані дроту відносна зміна її радіусу пов'язана з відносною зміною довжини співвідношенням
,
де - коефіцієнт Пуассона, значення якого коливається
для різних металів у межах 0,24-0,4.
. (1)
Основною характеристикою тензорезистора є коефіцієнт тензочутливості, що є відношенням відносної зміни опору перетворювача до відносної зміни його довжини, за рахунок якого відбулася зміна опору
(2)
або, маючи на увазі вираз (1),
, (3)
де.
Знаючи величину та вимірявши відносну зміну опору тензорезистора, ми зможемо обчислити відносну деформацію на поверхні деталі в місці, де наклеєний дротяний перетворювач. Другий член рівності (3) лежить у межах 0,2-1,4, а до манганіну він має навіть знак мінус.
Зазвичай значення коливається не більше 1,7-2,2.
Оскільки деформація металевих деталей не більше пружних деформацій зазвичай перевершує , те перевищує , тобто . 0,5%. Найчастіше відносні деформації виходять значно меншими. Виходячи з цього, дротяні перетворювачі виготовляються із дротів дуже малих перерізів (від 10до 30 мікрон) з великим значенням.
В цьому випадку, включаючи дротяні перетворювачі в бруківку, вдається заміряти малі зміни опору з достатньою точністю.
Для усунення температурної похибки та отримання більшої величини застосовується включення двох ідентичних дротяних перетворювачів до сусідніх плечей мостової схеми (рис. 2). Два інші плечі бруківки виготовляються з манганинового дроту, або утворюються аналогічними дротяним перетворювачами.
Незважаючи на те, що дротяний перетворювач виготовляється з тонкого дроту і матеріалу з великим загальна довжина дроту виходить більше 100 мм, тому в дротяному перетворювачі дріт укладається у вигляді петель (рис.1).
Величина вихідного струму з бруківки, утвореної з дротяних датчиків опору, визначається з виразу
, (4)
де - напруга живлення бруківки;
- Опір вимірювального приладу.
Якщо припустити, що , то
, .
,
тобто. всього 12,5 мікроампер, якщо ж потрібно відраховувати деформації (кг/мм для сталі), тоді
, а.
Працювати з такими чутливими приладами навіть у лабораторних умовах дуже незручно, тому для роботи з дротяними перетворювачами у виробничих умовах застосовують електронні підсилювачі.