Принцип действия и конструкция проволочных тензорезисторов

Введение

Первичные измерительные преобразователи нашли широкое применение во многих отраслях техники оборонного и общепромышленного производства. Они внесли неоценимый вклад в развитие новой техники и каждого конкретного технического направления и отрасли.

При разработке любого технического объекта необходима экспериментальная отработка и проверка заложенных проектных решений и расчетов. Наиболее ответственная роль в этом случае отводится первичным преобразователям. Они должны наиболее точно соответствовать условиям измерениям, воспринять и правильно воспроизвести действительное значение измеряемого параметра, чтобы при дальнейших преобразованиях в информационно-измерительной системе минимизировать значение погрешности результата измерения в допустимых пределах.

В данной работе проводится исследование тензорезистивных, терморезистивных, реостатных, пьезоэлектрических, индукционных и термоэлектрических преобразователей неэлектрических величин.

Во всех рабочих программах по курсам, связанным с изучением измерительной техники, и в частности датчикопреобразующей аппаратуры, рассматриваются вопросы физических основ работы первичных измерительных преобразователей неэлектрических величин. По всем специальностям факультета электроники и системотехники МГУЛ предусмотрено проведение лабораторных работ по изучению первичных преобразователей студентами 2 ^х -3 ^х курсов.

Разработанный комплекс лабораторных работ рассчитан на студентов младших курсов и посвящен изучению преобразователей таких широко распространенных параметров как угловое перемещение, деформация, вибрация, число оборотов и температура.

Лабораторные стенды были разработаны достаточно давно, но к настоящему моменту возникла необходимость их модернизации и составления новых описаний лабораторных работ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 20

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ И СХЕМ ИХ ВКЛЮЧЕНИЯ

Цель и содержание работы

Цель настоящей работы - изучение металлических (проволочных или фольговых) тензорезисторов, схем их включения и метода измерения механических напряжений при статических нагрузках.

Работа состоит из следующих разделов:

1. изучение экспериментальной установки и определение ее метрологических характеристик;

2. определение коэффициента тензочувствительности тензо-резисторов;

3. исследование мостовых схем включения тензорезисторов;

4. определение деформаций и напряжений в консольной балке при статических нагрузках.

Принцип действия и конструкция проволочных тензорезисторов

Принцип действия проволочных тензорезисторов основан на изменении сопротивления металлической проволоки под влиянием деформации. Естественной входной величиной для этих преобразователей является механическая деформация, а выходом - изменение активного сопротивления.

Чаще всего тензорезисторы подвергаются чистому сжатию или растяжению. При этом величину воздействия можно оценить по изменению линейных размеров преобразователя - базы тензорезистора оцениваемой в относительных единицах.

где - база преобразователя (рис. 1);

- удлинение преобразователя под воздействием приложенного усилия. Сопротивление тензорезистора находится из следующего соотношения:

где - удельное сопротивление проволоки, ;

- длина проволоки, M;

S - поперечное сечение, мм².

При деформации изменяются как геометрические размеры проволоки, из которой изготовлен тензорезистор, так и ее удельное сопротивление. Полное изменение сопротивления тензорезистора будет равно

а относительное изменение сопротивления

Рис.1. Проволочный преобразователь.

Рис. 2. Мостовая схема включения тензопреобразователей:

R_пр1 - тензопреобразователь, работающий на растяжение;

R_пр2 - тензопреобразователь, работающий на сжатие;

R₁, R₂ - постоянные резисторы;

P - регистрирующий прибор.

Так как ( - радиус поперечного сечения проволоки), то

При одноосном напряженном состоянии проволоки относительное изменение ее радиуса связано с относительным изменением длины соотношением

где - коэффициент Пуассона, значение которого колеблется

для различных металлов в пределах 0,24-0,4.

Тогда

. (1)

Основной характеристикой тензорезистора является коэффициент тензочувствительности, представляющий собой отношение относительного изменения сопротивления преобразователя к относительному изменению его длины, за счет которого произошло изменение сопротивления

(2)

или, имея в виду выражение (1),

, (3)

где .

Зная величину и измерив относительное изменение сопротивления тензорезистора, мы сможем вычислить относительную деформацию на поверхности детали в месте, где наклеен проволочный преобразователь. Второй член равенства (3) лежит в пределах 0,2-1,4, а до манганина он имеет даже знак минус.

Обычно значение колеблется в пределах 1,7-2,2.

Так как деформация металлических деталей в пределах упругих деформаций обычно не превосходит , то не превосходит , т.е. 0,5%. В большинстве случаев относительные деформации получаются значительно меньшими. Исходя из этого, проволочные преобразователи изготавливаются из проволок очень малых сечений (от 10 до 30 микрон) с большим значением .

В атом случае, включая проволочные преобразователи в мостовую схему, удается замерить малые изменения сопротивления с достаточной точностью.

Для устранения температурной погрешности и получения большей величины применяется включение двух идентичных проволочных преобразователей в соседние плечи мостовой схемы (рис. 2). Два другие плеча мостовой схемы изготавливаются из манганиновой проволоки, либо образуются аналогичными проволочным преобразователями.

Несмотря на то, что проволочный преобразователь изготавливается из тонкой проволоки и материала с большим , общая длина проволоки получается больше 100 мм, поэтому в проволочном преобразователе проволока укладывается виде петель (рис.1).

Величина выходного тока с мостовой схемы, образованной из проволочных датчиков сопротивления, определяется из выражения

, (4)

где - напряжение питания мостовой схемы;

- сопротивление измерительного прибора.

Если предположить, что , то

, .

т.е. всего 12,5 микроампер, если же требуется отсчитывать деформации ( кг/мм для стали), тогда

, а .

Работать с такими чувствительными приборами даже в лабораторных условиях весьма неудобно, поэтому для работы с проволочными преобразователями в производственных условиях применяют электронные усилители.