Основы тензометрических измерений

Тензодатчик - один из наиболее полезных инструментов для точного измерения расширения или сжатия материала при приложении сил. Тензодатчики также полезны для косвенного измерения приложенных сил, если они ориентированы приблизительно линейно с деформацией материала.

Что такое тензодатчики

Тензодатчики - это датчики, электрическое сопротивление которых изменяется пропорционально степени деформации (деформации материала).

Идеальный тензодатчик изменит свое сопротивление пропорционально продольной деформации на поверхности, к которой прикреплен датчик.

Однако есть и другие факторы, которые могут повлиять на сопротивление, такие как температура, свойства материала и клей, который связывает датчик с материалом.

Тензодатчик состоит из параллельной сетки очень тонкой металлической проволоки или фольги, прикрепленной к деформируемой поверхности тонким изолированным слоем эпоксидной смолы. Когда склеиваемый материал деформируется, деформация передается через клей. Форма сетки разработана таким образом, чтобы обеспечить максимальное изменение сопротивления на единицу площади.

Как выбрать тензодатчик

При выборе тензодатчика для приложения следует учитывать три основных фактора: рабочая температура, характер деформации, которую необходимо обнаружить, и требования к стабильности.

Поскольку тензодатчик монтируется на деформированной поверхности, важно, чтобы тензодатчик был натянут наравне с поверхностью. Клейкий материал следует выбирать тщательно, чтобы надежно передавать напряжение на датчик в широком диапазоне температур и других условиях.

Значение сопротивления тензодатчика изменяется в зависимости от приложенной деформации в соответствии с: изменение R / R = S e, где R - сопротивление, e - деформация, а S - коэффициент чувствительности к деформации. Для датчиков из металлической фольги коэффициент чувствительности к деформации составляет около 2.

Приращения деформации обычно меньше 0,005 дюйма / дюйм и часто выражаются в единицах микродеформации. Из формулы видно, что сопротивление тензодатчика будет изменяться в очень малых количествах с заданной деформацией, порядка 0,1%.

Затем на этом резисторе можно снять показание напряжения в милливольтах на вольт (мВ / В), чтобы получить значение измерения деформации.

Коэффициент Пуассона - это мера утончения и удлинения, которые возникают в материале при его деформации. Если, например, к резистивной проволоке приложить растягивающее усилие, проволока станет немного длиннее, но в то же время станет тоньше. Это соотношение этих двух деформаций и есть коэффициент Пуассона.

Это основной принцип, лежащий в основе измерений тензодатчика, поскольку сопротивление провода будет пропорционально увеличиваться из-за эффекта Пуассона.

Как точно измерить выход тензодатчика

Чтобы точно измерить небольшое изменение сопротивления, тензодатчики почти всегда используются в мостовой конфигурации с источником возбуждения напряжения.

Обычно используется мост Уитстона, как показано на схеме. Мост сбалансирован, когда соотношения резисторов равны с обеих сторон, или R1 / R2 = R4 / R3. Очевидно, что при этом выходное напряжение равно нулю.

По мере изменения сопротивления тензодатчика (Rg) выходное напряжение (Vout) изменяется на несколько милливольт, и это напряжение затем усиливается дифференциальным усилителем, чтобы вернуть читаемое значение.

Эта схема Уитстона также хорошо подходит для температурной компенсации - она ​​может почти устранить влияние температуры. Иногда материал датчика предназначен для компенсации теплового расширения, но это не устраняет полностью тепловую чувствительность.

Для достижения лучшей термокомпенсации резистор, такой как R3, можно заменить аналогичным тензодатчиком. Это могло бы свести на нет температурные эффекты.

Фактически, все четыре резистора можно заменить тензометрическими датчиками для максимальной температурной стабильности. Два из них (R1 и R3) можно настроить для измерения сжатия, а два других (R2 и R4) - для измерения натяжения.

Это не только компенсирует температуру, но и в четыре раза увеличивает чувствительность. Тензометрические датчики с элементами электрического сопротивления на сегодняшний день являются наиболее распространенным типом датчиков для измерения деформации, так как они обладают преимуществами более низкой стоимости как хорошо известная.

Они доступны в небольших размерах и лишь умеренно подвержены влиянию температурных изменений, одновременно достигая погрешности менее +/- 0,10%. Тензодатчики сопротивления также очень чувствительны и могут использоваться для измерения как статической, так и динамической деформации.

Однако для определенных применений доступны другие типы, такие как пьезорезистивные, углеродно-резистивные, полупроводниковые, акустические, оптические и индуктивные.

Есть даже тензодатчики на основе конденсаторной схемы.