Использование тензометра: тензометрирование конструкций

Устройство и принцип действия тензометрических датчиков

Тензометрический датчик (тензодатчик) – конструктивно представляет собой металлическую конструкцию, внутри которой расположены резисторы с электросхемой. Тензодатчик связан с корпусом весового дозатора или весовой платформы, и, при изменении веса, корпус тензодатчика подвергается деформации, после чего результат деформации передается на тензорезисторы, а оттуда, информация о массе — на весовой терминал.

Принцип работы системы измерения веса с использованием тензодатчика предельно прост: под действием массы груза, в тензодатчике возникает механическая деформация, которую и учитывает датчик, преобразует её в электрический аналоговый или цифровой сигнал, и передаёт на индикатор веса, на котором и отображается масса взвешиваемого груза.

Современные тензодатчики прекрасно справляются со своей работой даже в достаточно жестких условиях, поскольку обладают хорошей влаго- и пылезащитой. Спектр применения тензометрического оборудования довольно широк — от самых простых весоизмерительных элементов, до сложнейших технологических промышленных комплексов динамического взвешивания.

Полупроводниковые тензометры

Кроме металлических датчиков деформации существуют и другие тензометры, использующие электрическое сопротивление. Принцип измерения полупроводниковых тензометров основан на пьезорезистивном эффекте полупроводников, открытом К.С. Смитом в 1954 году (рисунок 2).

Поначалу, в таких датчиках использовался германий, затем — кремний. По конструкции, полупроводниковые тензометры напоминают металлические тензометры.

Измеряющий элемент в них включает в себя полоску шириной в несколько десятых долей миллиметра и толщиной в несколько сотых долей миллиметра, закрепленную на изолированной подложке из фольги, и имеющую соединительные выводы.

Для подавления эффектов диодах используется тонкая золотая проволока, соединяющая полупроводниковый элемент и выводы. Полупроводниковые тензометры используются для измерения очень малых деформаций. Сигнал высокой мощности, получаемый датчиками этого типа, дает определенные преимущества при наличии полей сильных помех.

Рисунок 2. Схематическое представление полупроводникового тензометра

Тонкопленочные тензометры

Эти датчики изготавливаются с использованием технологии осаждения из паровой фазы. В данном случае измеряющий элемент непосредственно наносится в вакууме на точку измерения за счет испарения составных частей сплава. Применение таких тензометрических датчиков производством измерительных преобразователей.

Рисунок 3. Тонкопленочный тензометр на пружинном стержне преобразователя

Емкостные тензометры

Емкостные измерители деформации (рисунок 4) рассматриваются в качестве альтернативы традиционным тензометрам при использовании в условиях высокой температуры, выходящей за пределы, допустимые для металлических тензометров. В настоящее время известны три разновидности устройств такого типа:

Британская разработка, выполненная Центральными научно исследовательскими энергетическими лабораториями (C.E.R.L.) совместно с компанией Planer. В этом датчике используется плоский конденсатор, в котором расстояние между пластинами изменяется в зависимости от измеряемой деформации.
Американская разработка, выполненная компанией Boeing Aircraft, в которой используется дифференциальный конденсатор.
Разработка компании Interatom из Германии. В этом тензометре также используется плоский конденсатор. На исследуемом объекте при помощи точечной сварки фиксируются емкостные преобразователи. Этот датчик деформации обеспечивает получение хороших результатов при температуре, превышающей 500°C. Данный датчик рассчитан на работу при температуре в диапазоне до 800°C.

Рисунок 4. Схема емкостного тензометра

Пьезоэлектрические тензометры

Пьезоэлектрические тензометры относятся к активным устройствам. В качестве материала, воспринимающего деформацию, используется титанат бария.

По сравнению с пьезоэлектрическими преобразователями, в которых в качестве чувствительного к деформации материала используется кварц, тензометры создают электрический заряд на поверхности чувствительного материала, пропорциональный величине деформации, который может быть измерен с помощью электрометрического усилителя.

Фотоупругие тензометры

Полоска, изготовленная из активного материала, подвергшемуся оптическому давлению, демонстрирует изохроматическое поле в результате «замороженного», постоянно увеличивающегося напряжения. В результате деформации происходит изохромное смещение.

Степень смещения, которую можно определить по шкале, служит в качестве меры деформации. Такой тип тензометрических датчиков был разработан в США. Они не имеют каких-либо преимуществ, и в настоящее время уже не доступны для приобретения.

Механические тензометры

Хотя такие устройства встречаются не часто, они имеют давнюю традицию. Обычно они применяются только к крупным объектам в период строительства. Эффект деформации проявляется в виде следа, процарапанного на металлической пластине или на стеклянном цилиндре. Это след может быть изучен только в конце проведения испытаний, и виден лишь с использованием микроскопа. Недостатком таких тензометров является некоторое смещение следа, вызванное высокими температурами.

Рисунок 5. Механический экстензометр

Устройство и принцип работы

По типу воздействия на исполнительные элементы конструкции различают тактильные, резистивные, пьезорезонансные, пьезоэлектрические, магнитные и емкостные датчики.

Тактильные

Срабатывают в результате механического действия на чувствительную поверхность. Позволяют устанавливать минимальные деформации, но при неточных настойках могут подавать и ложный сигнал.

Резистивные

Наиболее распространенный тип датчиков. Требуют подключения к слаботочной управляющей цепи, поскольку включают в себя тензорезисторный контур. Надежны при любом состоянии окружающей среды.

Пьезорезонансные

Относятся к устройствам полупроводникового типа, нуждаются в надежном обслуживании и тонкой настройке. Работают по принципу сравнения эталонного сигнала с фактическим.

Пьезоэлектрические

По своему действию подобны измерителям предыдущего типа, но подают сигнал при изменении значений контактных деформаций, прикладываемых к чувствительному элементу.

Магнитные

Изготавливаются из сплавов с переменным значением коэрцитивной силы, используются при измерении усилий в узлах оборудования, работающих в сильных электромагнитных полях.

Емкостные

Предназначены для измерения малых механических напряжений в деталях со сложной конфигурацией, когда изменение длины токопроводящей проволоки изменяет ее электрическую емкость.

Наши продукты

Bruel & Kjaer

Bruel & Kjaer Sound and Vibration

Анализаторы спектра вибраций и шума

Анализаторы вибрации и шума LAN-XI
Бюджетные анализаторы вибрации и шума
Программное обеспечение для LAN-XI -анализаторов вибрации и звука

Датчики

Микрофоны и предусилители
Интенсиметрические зонды
Гидрофоны
Акселерометры
Датчики силы
Ударные молотки
Таходатчики
Симуляторы уха и голоса
Усилители сигнала
Электроакустика

Оборудование для калибровки

Лабораторные
Портативные
Источники звука

Вибростенды

Калибровочные вибростенды
Модальные вибростенды
Усилители мощности
Испытательные вибростенды LDS

Готовые решения

Импедансная труба
Симулятор головы и торса
Микрофонные решетки
Система для определения комплексного модуля упругости
Системы на основе анализатора LAN-XI

Bruel & Kjaer Vibro

Устройство и принцип работы

Основу тензодатчика составляет тензорезистор, оснащенный специальными контактами, закрепленными на передней части измерительной панели. В процессе измерения чувствительные контакты панели соприкасаются с объектом. Происходит их деформация, которая измеряется и преобразуется в электрический сигнал, передаваемый на элементы обработки и отображения измеряемой величины тензометрического датчика.

В зависимости от сферы функционального использования датчики различаются как по типам, так и по видам измеряемых величин. Важным фактором является требуемая точность измерения. Например, тензодатчик грузовых весов на выезде с хлебозавода совершенно не подойдет к электронным аптекарским весам, где важна каждая сотая часть грамма.

Рассмотрим более предметно виды и типы современных тензометрических датчиков.

Датчики крутящего момента

Датчики крутящего момента предназначены для измерения крутящего момента на вращающихся частях таких систем, как коленвал двигателя или рулевой колонки. Тензодатчики крутящего момента могут определять как статический, так и динамический момент контактным либо бесконтакным (телеметрическим) способом.

Тензодатчики балочного, консольного и кромочного типов

Эти типы датчиков изготавливают обычно на основе параллелограммной конструкции со встроенным элементом изгиба для высокой чувствительности и линейности измерений. Тензорезисторы в них закрепляются на чувствительных участках упругого элемента датчика и соединяются по схеме полного моста.

Конструктивно балочный тензодатчик имеет специальные отверстия для неравномерного распределения нагрузки и выявления деформаций сжатия и растяжения. Для получения максимального эффекта тензорезисторы по специальным меткам строго ориентируют на поверхности балки в ее самом тонком месте. Высокоточные и надежные датчики этого типа используют для создания многодатчиковых измерительных систем в платформенных или бункерных весах. Нашли они свое применение и в весовых дозаторах, фасовщиках сыпучих и жидких продуктов, измерителях натяжения тросов и других измерителях силовых нагрузок.

Схемы подключения

Конструкции тензометрических датчиков, в частности, их малая жесткость, вынуждают применять особые способы подключения рассматриваемых элементов. Например, участки проволочной решетки в местах возможного изгиба при деформации часто располагаются поперечно к направлению измерений. Они воспринимают составляющие удлинения, действующие именно в этом направлении, и поэтому недостаточно точно реагируют на силы и деформации продольного направления. Отношение чувствительности измерения удлинений в продольном и поперечном направлениях для датчиков проволочного исполнения находятся в пределах от -0,01 до +0,04.

Влияние описанного фактора уменьшается, если для измерения напряжений, крутящих моментов или усилий использовать фольговые силоизмерительные датчики. По аналогии с печатными схемами, измерительная фольговая решетка, которая расположена на пластмассовой подложке, может быть получена в результате травления тонкой металлической фольги. Кроме того, токовая нагрузка на тензометрические датчики фольгового типа больше, чем на проволочные, вследствие чего тепло от фольговых тензометров отводится лучше.

Тензорезисторы часто приклеиваются к исследуемому конструктивному элементу. Клеевое соединение обеспечивает постоянную передачу деформации через подложку на измерительную решетку. Поэтому к клеям предъявляется также и ряд особых требований:

Высокое сопротивление ползучести.
Отсутствие гистерезиса.
Влагостойкость.
Адгезионная способность.
Температуростойкость.

Наибольшую эксплуатационную надежность проявляют эпоксидные смолы холодного твердения. Для экспериментального определения многосторонней деформации используют розеточную систему данных устройств, которые образуют измерительный мост. При этом образованная схема состоит из не менее, чем четырех закрепленных на подложке датчиков, которые размещаются крестообразно, треугольником, т-образно, в виде звезды. Благодаря многолучевому размещению тензорезисторов их удлинения измеряются в двух, трех или четырех направлениях.

Тензорезистивный метод

Сейчас это наиболее удобный и чаще других используемый метод. При деформации электропроводящих материалов (металлов, полупроводников) происходит изменение их удельного электрического сопротивления и, как следствие, — изменение сопротивления чувствительного элемента датчика. В качестве проводящих материалов обычно используются металлические плёнки, напылённые на гибкую диэлектрическую подложку. В последнее время находят применение полупроводниковые датчики. Сопротивление чувствительного элемента измеряется тем или иным способом.

Конструкция типичного металлического датчика

Плёночный тензорезистор. На подложку через фигурную маску в вакууме напылена или сформирована методами фотолитографии плёнка металла. Для подключения электродов выполнены контактные площадки (снизу). Метки облегчают ориентацию при монтаже.

На диэлектрическую подложку (например, полимерную плёнку или слюду) в вакууме через напыляют плёнку металлического сплава, либо формируют проводящую конфигурацию на подложке фотолитографическими методами. В последнем случае на предварительно напылённую сплошную плёнку металла на подложке наносят слой фоторезиста и засвечивают его ультрафиолетовым излучением через фотошаблон. В зависимости от вида фоторезиста, либо засвеченные, либо незасвеченные участки фоторезиста смываются растворителем. Затем незащищённую фоторезистом металлическую плёнку растворяют (например, кислотой), формируя фигурный рисунок металлической плёнки.

В качестве материала плёнки обычно используются сплавы, имеющие низкий температурный коэффициент удельного сопротивления (например, манганин) — для снижения влияния температуры на показания тензометра.

При использовании тензорезистор подложкой приклеивают к поверхности исследуемого на деформации объекта или поверхности упруго-деформируемого элемента в случае применения в весах, динамометрах, торсиометрах, датчиках давления и др., так, чтобы тензорезистор деформировался вместе с деталью.

Чувствительность к деформации такого тензорезистора зависит от направления приложения деформирующей силы. Так, наибольшая чувствительность при растяжении и сжатии — по вертикальной по рисунку оси и практически нулевая при горизонтальной, так как полоски металла в зигзагообразной конфигурации сильнее изменяют своё сечение при вертикальной деформации.

Тензорезистор включается с помощью электрических проводников во внешнюю электрическую измерительную схему.

Измерительная схема

Измерительный мост с вольтметром в диагонали. Тензорезистор обозначен R_x.

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного напряжения (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора R₂ производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствии приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

При выполнении соотношения R₁ / R₂ = R_x / R₃ напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление R_x (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов R_x и R₃ (B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления R_x может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора R₃ включают такой же тензорезистор, как и R_x, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления (вызванного изменением температуры) равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие сервисные функции.

Сферы применения

Кроме определения удлинений, которые вызываются действием внешних нагрузок на конструктивные части оборудования, тензометрические датчики могут применяться для измерения собственных (остаточных) напряжений в момент их релаксации, это явление происходит при высверливании или разрезке некоторых конструктивных деталей и узлов.

Тонкопленочные датчики давления, которые изготавливаются путем осаждения из паровой фазы или распыления, используются для определения усилий, напряжений, крутящих моментов и деформаций в изоляционных элементах, которые размещаются непосредственно на полированных мембранах. Для калибровки резистивных элементов используется лазерная подгонка, повышающая точность замеров. Диффузионные полупроводниковые датчики давления могут проникать в кремниевую чувствительную к давлению диафрагму, и не связаны со свойствами поверхности. Это позволяет использовать их в технологиях миниатюрного тензометрирования.

Технология тонких пленок считается более современной и обеспечивает превосходную стабильность при нулевом температурном режиме и полной чувствительности, а также высокую долговечность.

Часто применяемые условия для использования тензодатчиков перечислены далее.

Измерение веса

Необходимо в системах напольного типа, при помощи которых определяют массу груза. Характеризуются минимальными требованиями к точности монтажа и наладки.

Измерение давления

Используется в технологических линиях обработки металлов давлением. Одновременно производится также измерение рабочих сил и упругих деформаций. Датчики снабжаются силоизмерительным устройством с цифровой индикацией.

Определение ускорения

Иногда используется в экспериментальных лабораториях, где занимаются проектированием и испытаниями высокоскоростной рельсовой и безрельсовой техники.

Контроль перемещения

Самые распространенные отрасли применения – сейсмологические станции и фундаменты высокоточного массивного оборудования, преимущественно энергетического.

Проволочные тензорезисторы

Наиболее простым примером является прямолинейный отрезок тонкой проволоки, который крепят на исследуемой детали. Его сопротивление составляет: r = pL/s, где p — удельное сопротивление, L — длина, s — площадь сечения.

Вместе с деталью упруго деформируется наклеенная проволока. При этом меняются ее геометрические размеры. При сжатии поперечное сечение проводника увеличивается, а при растяжении — уменьшается. Поэтому изменение сопротивления меняет знак в зависимости от направления деформации. Характеристика является линейной.

Низкая чувствительность тензорезистора привела к необходимости увеличения длины проволоки на небольшом участке измерения. Для этого его делают в виде спирали (решетки) из проволоки, оклеенной с обеих сторон пластинками изоляции из пленки лака или бумаги. Для подключения к электрической цепи устройство снабжено двумя медными выводными проводниками. Они привариваются или припаиваются к концам проволочной спирали и достаточно прочны, чтобы подключиться к электрической схеме. Тензорезистор крепится на упругом элементе или исследуемой детали с помощью клея.

Проволочные тензодатчики имеют следующие достоинства:

простота конструкции;
линейная зависимость от деформации;
небольшие размеры;
малая цена.

К недостаткам относятся низкая чувствительность, влияние температуры среды, потребность в защите от влаги, применение только в области упругих деформаций.

Проволока будет деформироваться в том случае, когда сила сцепления с ней клея значительно превосходит усилия, требуемые для ее растяжения. Отношение поверхности склеивания к площади поперечного сечения должно быть 160 к 200, что соответствует ее диаметру 0,02—0,025 мм. Допускается его увеличение до 0,05 мм. Тогда при нормальной работе тензорезистора клеевой слой не разрушится. Кроме того, датчик хорошо работает на сжатие, поскольку нити из проволоки составляют одно целое с пленкой клея и деталью.

Описание и назначение

При измерении деформаций, напряжений и усилий при помощи тензометрических датчиков используют изменение значений омического сопротивления материала, которое вызывается упругими деформациями металлической проволоки или полупроводников стержневого исполнения. Изменение сопротивления датчика передаётся при помощи кабеля или бесконтактным путем на измерительный мост. Там оно преобразуется в усиленные электрические сигналы, которые и фиксируются прибором.

Все типы тензометрических датчиков (или, иначе – тензорезисторов) используют зависимость между напряжениями и деформациями – закон Гука – который справедлив в области упругих деформаций. Согласно закону Гука изменение электросопротивления, отнесённое к исходному значению данного параметра до деформации, пропорционально изменению удлинения, отнесённому к первоначальной длине измерительного элемента. Применяя коэффициент пропорциональности, который зависит от диапазона измеряемых параметров и материала устройства, устанавливают зависимость между нагрузкой на датчик и его удлинением:

ΔR/R = k×Δl/l,

где:

R – исходное значение электрического сопротивления;

ΔR – изменение значения электрического сопротивления в процессе деформации;

k – коэффициент пропорциональности;

Δl – изменение длины при деформировании;

l – исходная длина измерительного элемента до приложения к нему эксплуатационной нагрузки.

Указанный тип устройств используется в весоизмерительной технике, поскольку относится к тензорным, определяющим усилия и внешние нагрузки.

Проволочные тензорезисторы

Сейчас наиболее простейшим примером следует назвать отрезок тонкой проволоки, которую необходимо установить на исследуемой детали. Сопротивление при этом можно подсчитать по обычной формуле.

Вместе с данной деталью следует еще установить проволоку, которая будет деформироваться. При этом нужно менять геометрические размеры, тогда усиливается сжатие и также увеличивается поперечное сечение. Если говорить о растяжении, то этот показатель уменьшится. Именно поэтому сопротивление будет менять знак в зависимости от того, какое действие производится. Характеристика при этом считается линейной.

Учитывая то, что тензометрический датчик имеет низкую чувствительность, придется увеличить длину проволоки на одном из участков при совершении измерения. Для этого нужно сделать спираль из нити, которая с обоих сторон будет обклеена пластинкой изоляции с лаком или бумагой. Для того чтобы отключить устройство от электрической цепи, нужно использовать два медных проводника. Их следует припаять или приварить к проволочной спирали, а также они должны быть достаточно прочными для того, чтобы подключиться к схеме. Тензорезисторы всегда закрепляют на упругом элементе либо же на детали, которая приклеивается при помощи обычного клея.

Проволочные тензометрические датчики имеют особые преимущества. Они получили простую конструкцию, маленькие размеры, небольшое сопротивление и также имеют линейную зависимость от вида деформации.

Если говорить о минусах, то следует отметить не особо хорошую чувствительность, влияние температуры, также прибор нужно защищать от влаги и применять только в области, где осуществляется упругая деформация.

Резистивный тензометр

Резистивные тензометры представляют популярную группу универсальных приборов для контроля растяжения или сжатия контролируемого изделия. В качестве чувствительного элемента в тензометрах этого типа используются тензорезисторы. Принцип действия тензорезистора базируется на изменении электрического сопротивления при деформации его вместе с изделием. Он представляет собой отрезок тонкой проволоки, уложенный змейкой на изоляционной основе. Для увеличения чувствительности в тензометрах используют по несколько тензорезисторов, включаемых по мостовой схеме.

Как и в механическом тензометре, во всех электрических тензометрах измеряется изменение базового расстояния. Тензодатчики встраиваются в конструкцию элементов тензометра воспринимающих воздействие деформирующих сил. Одна из конструкций тензометра, широко применяемая в строительстве и горном деле при заливке бетона, приведена на рис. 2.

Рис.2. Тензометр в исходном состоянии (а) и при действии растягивающих усилий (б).

Конструктивно тензометр состоит из мостовой схемы с тензорезисторами в ее плечах. Элементы схемы расположены внутри полого стержня 1 с базой равной расстоянию между силовоспринимающими фланцами 2 и 3 (рис. 2а) Внешние растягивающие силы внутри бетонной конструкции, воздействуя на фланцы, удлиняют стержень. Удлинение равно расстоянию перемещения фланца из положения 2 в положение 4 (рис. 2б). При этом изменяется сопротивление плеч моста и информация по кабелю 5 передается на средства обработки данных.

Преимуществом резистивных тензометров является простота изготовления, высокая точность при низкой стоемости. Недостатком же является изменение начального коэффициента передачи и рабочего коэффициента передачи при изменении температуры.

Характеристика

Для изготовления тензометрических датчиков необходимо использовать материалы проволок, относительное изменение сопротивления которых пропорционально удлинению в максимальном диапазоне деформаций. При этом коэффициент пропорциональности k должен иметь большие значения. Для компактных устройств со значительной чувствительностью приходится применять материалы, обладающие высоким удельным сопротивлением. При этом температурная зависимость удельного сопротивления при изменении внешних условий должна быть незначительной, а лучше и вовсе отсутствовать.

Условия оптимального использования тензорезисторов:

Малое различие между коэффициентами теплового расширения материала конструкции (или узла) и измерительной проволоки устройства.
Нечувствительность к термическим напряжениям, которые возникают при соединении измерительного элемента с контролируемой частью оборудования или конструкции (для такого присоединения чаще всего используют пайку).
Хорошая обрабатываемость паяных соединений, которая не изменяет эксплуатационные параметры оборудования.
Надежность соединения, учитывающая возможные динамические удары и перемещения.

На параметр пропорциональности k влияют коэффициент Пуассона ε (представляющий собой условную меру изменения поперечного сечения детали при приложении к ней растягивающих напряжений) и теплофизические параметры материала, из которого изготовлен тензометрический прибор.

Тензометрирование

Тензометрирование является одним из основных экспериментальных методов исследования напряженного и деформированного состояния конструкций при изучении поведения натурных — объектов в период пусконаладочных и эксплуатационных работ, а также исследования в лабораторных условиях напряженного состояния конструкций на моделях на стадии проектирования.

Тензометрирование позволяет определять также напряжения, возникающие в результате неточности сборки. При этом запись напряжений ведется по мере затяжки гаек при оборке.

Схема определения деформаций ротора.

Тензометрирование для этих целей неприемлемо по ряду причин и, в частности, из-за того, что в роторе необходимо делать специальные каналы для проводов, после чего он становится некондиционным.

Спектрограмма переменных напряжений в лопатках.

Предварительное тензометрирование на рабочих режимах ведут при кед-ленном изменении частоты вращения.

Тензометрирование ряда задвижек приводит к следующим выводам. В корпусе и крышке задвижки напряжения распределены неравномерно. Наибольшие напряжения в корпусе имеют место в его верхней части между линией оси трубопровода и средним фланцем. Фланцы и приливы упрочняют фасонную деталь. Напряжения в точках, расположенных на теле корпуса, по мере удаления их от фланцев и приливов возрастают.

Тензометрированием называется измерение деформаций образцов и конструкций, а тензометрами — приборы для их измерения.

Корпус ползуна водородного компрессора.

Тензометрированием установлено, что значение действующих напряжений в местах разрушений значительно ниже предела усталости.

Такое тензометрирование может быть применено при изучении деформированных состояний моделей и реальных конструкций в условиях различных уровней постоянных температур. Менее удобен этот метод для изучения термических неустановившихся напряжений, особенно в условиях быстрых нагревов до высоких температур. Иногда тензометрирование для этих целей оказывается вообще неприменимым.

Однако тензометрирование в полете воздушных судов гражданской авиации указывает на существенную роль двухосного напряженного состояния с переменным соотношением компонент главных напряжений от одного этапа полета к другому. Может одновременно меняться частота, форма цикла, температура окружающей среды и прочее. Следовательно, в эксплуатационных условиях необходимо осуществлять управление ростом трещин в условиях многокомпонентного или многопараметрического воздействия. Реакция материала на это воздействие в виде скачка трещины в цикле нагружения становится интегральной характеристикой энергетических затрат в условиях многопараметрического воздействия.

Для тензометрирования крышек применимы обычные проволочные датчики с базой 10 мм из константановой проролоки диаметром 30 мк и сопротивлением порядка 100 ом. Наклейка датчиков производится с помощью клея 192Т, который твердеет при нормальной температуре. Компенсационные датчики должны наклеиваться в непосредственной близости от рабочих датчиков, так как в процессе измерений температура исследуемых деталей может колебаться в диапазоне до 10 С.

Для тензометрирования подвижных объектов большое значение имеет сокращение мощности, потребляемой от источников питания. Радикальное решение этой задачи получается с применением полупроводниковых приборов. К настоящему времени разработан ряд образцов тензометрических усилителей на полупроводниковых триодах. Наибольшие затруднения при разработке таких приборов представляет получение стабильного коэффициента усиления при изменениях температуры окружающего воздуха.

Как выбрать тензодатчик?

При покупке тензодатчика следует учитывать следующие показатели:

Наибольший предел измерения (НПИ) — следует учитывать, что предполагаемая номинальная нагрузка на тензодатчик не должна превышать НПИ. Хотя фактически датчик имеет дополнительный запас прочности, некоторые конструкции весов требовательны к наличию дополнительного запаса НПИ.
Материал тензодатчика – как мы уже писали выше, наибольшее распространение получили тензометрические датчики из нержавеющей и легированной стали, а также алюминия. Как правило, только одноточечные тензодатчики изготавливаются из алюминия, все остальные выполнены из стали.
Класс точности тензодатчика – на практике класс точности тензодатчика может лежать в диапазоне от D1 до С6, хотя, в соответствии с OIML R 60, класс точности тензометрического датчика может быть и в более широком диапазоне. Наиболее распространен класс точности C3. Необходимость применения более точных датчиков требует обоснования, поскольку с классом точности цена растет в геометрической прогрессии.
Схема подключения тензодатчика – обычно для подключения тензодатчиков используется «четырехжильная» схема подключения. Однако в частных случаях, и в случаях, когда присутствует большая разница в сопротивлении кабелей смежных тензодатчиков, применяется «шестижильная» схема подключения.

Выбирая тип тензометрического датчика, также следует обратить внимание на следующие характеристики: рабочий диапазон температур, рабочий коэффициент передачи, класс защиты, диаметр и длину кабеля, входное и выходное сопротивление, рекомендуемое и максимальное напряжение питания

Физические принципы тензометрии

Предложено много различных способов измерения деформаций, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, поэтому выбор того или иного метода зависит от конкретной задачи.

Оптические

Основаны на измерении малых смещений поверхностей, которые регистрируются, например, интерференционными методами, методами муаровых узоров и др.

Отдельную группу оптических методов составляют оптоволоконные датчики, основанные на измерении деформации приклеенной к исследуемому объекту оптоволоконной нити, в которой сформирована Брегговская решётка.

Для исследования деформаций оптически прозрачных деталей применяют методы, основанные на эффекте возникновения двойного лучепреломления или вращении плоскости поляризации в нагруженных деталях — явление фотоупругости. При этом деталь помещают между скрещённых поляризаторов и в проходящем свете наблюдают визуализированную картину напряжений. При этом обычно изучают деформации оптически прозрачных макетов деталей.

Пневматические

Основаны на измерении давления сжатого воздуха в сопле, примыкающем к поверхности исследуемой детали. Изменение расстояния до сопла от поверхности вызывает регистрируемое изменение давления.

Акустические

При нагружении деталей изменяются акустические параметры материала, такие как скорость звука, акустическое сопротивление, затухание. Эти изменения могут быть измерены пьезоэлектрическими датчиками.

Также к акустическим методам относят датчики, при нагружении которых изменяется частота собственных колебаний чувствительного элемента — например, струнные.

Электрические

Используют изменение электрических параметров материала чувствительного элемента тензодатчика при нагружении, обычно изменения электрического сопротивления (тензорезистивные датчики) или генерирующие напряжения при деформациях (пьезоэлектрические). Недостаток последних — они непригодны для измерений статических деформаций, но имеют очень высокую чувствительность.

Условно к электрическим методам можно отнести различные электрические измерители малых смещений — ёмкостные, индукционные датчики и др.

Рентгеновские

При деформации материала изменяются межатомные расстояния в кристаллической решётке материала исследуемого объекта, что может быть измерено рентгеноструктурными методами.