Tenometri — trasduttori di misura tensometrici

Sensore estensimetrico: un trasduttore resistivo parametrico che converte la deformazione di un corpo rigido causata da uno stress meccanico applicato ad esso in un segnale elettrico.

Un manometro resistivo è una base con un elemento sensibile attaccato. Il principio della misurazione della deformazione utilizzando un estensimetro è che la resistenza dell'estensimetro cambia durante la deformazione. L'effetto del cambiamento di resistenza di un conduttore metallico sotto l'azione della compressione a tutto tondo (pressione idrostatica) fu scoperto nel 1856 da Lord Kelvin e nel 1881 da OD Hvolson.

Nella sua forma moderna, un estensimetro rappresenta strutturalmente un resistore di deformazione, il cui elemento sensibile è costituito da un materiale sensibile alla tensione (filo, lamina, ecc.), fissato con un legante (colla, cemento) sulla parte in esame (Figura 1). Per collegare l'elemento sensibile al circuito elettrico, l'estensimetro dispone di fili.Alcuni estensimetri sono progettati per facilitare l'installazione, hanno un tampone posizionato tra l'elemento sensibile e la parte in prova, nonché un elemento protettivo situato sopra l'elemento sensibile.

Figura 1 Schema dell'estensimetro: 1- elemento sensibile; 2- raccoglitore; 3- substrato; 4- particolare indagato; 5- elemento protettivo; 6- blocco per saldatura (saldatura); Cablaggio a 7 fili

Con tutta la varietà di compiti risolti utilizzando i trasduttori estensimetrici, si possono distinguere due aree principali del loro utilizzo:

— studio delle proprietà fisiche dei materiali, deformazioni e sollecitazioni in parti e strutture;

— l'uso di estensimetri per misurare i valori meccanici che vengono convertiti in deformazione di un elemento elastico.

Il primo caso è caratterizzato da un numero significativo di punti di misura della tensione, ampi intervalli di variazione dei parametri ambientali, nonché dall'impossibilità di calibrare i canali di misura. In questo caso, l'errore di misurazione è del 2-10%.

Nel secondo caso, i sensori sono calibrati in base al valore misurato e gli errori di misura sono compresi tra 0,5 e 0,05%.

L'esempio più eclatante dell'uso degli estensimetri è la bilancia. Le bilance della maggior parte dei produttori russi e stranieri sono dotate di estensimetri. Le bilance a celle di carico sono utilizzate in vari settori: metallurgia non ferrosa e ferrosa, chimica, edilizia, alimentare e altri.

Il principio di funzionamento delle bilance elettroniche si riduce alla misurazione della forza di gravità che agisce sulla cella di carico convertendo le variazioni risultanti, come la deformazione, in un segnale elettrico di uscita proporzionale.

L'ampio uso di resistori tensoriali è spiegato da una serie di loro vantaggi:

— dimensioni e peso ridotti;

— bassa inerzia, che consente l'uso di estensimetri per misure sia statiche che dinamiche;

— hanno una caratteristica lineare;

— consentire di effettuare misurazioni a distanza e in più punti;

— il metodo della loro installazione sulla parte esaminata non richiede dispositivi complessi e non distorce il campo di deformazione della parte esaminata.

E il loro svantaggio, che è la sensibilità alla temperatura, può essere compensato nella maggior parte dei casi.

Tipi di convertitori e loro caratteristiche di progettazione

Il funzionamento degli estensimetri si basa sul fenomeno dell'effetto deformazione, che consiste in una variazione della resistenza attiva dei fili durante la loro deformazione meccanica. La caratteristica dell'effetto di deformazione del materiale è il coefficiente di sensibilità alla deformazione relativa K, definita come il rapporto tra la variazione di resistenza e la variazione della lunghezza del conduttore:

k = er / el

dove er = dr / r - la variazione relativa della resistenza del conduttore; el = dl / l — la variazione relativa della lunghezza del filo.

Durante la deformazione di corpi solidi, la variazione della loro lunghezza è associata a una variazione di volume e cambiano anche le loro proprietà, in particolare il valore di resistenza. Pertanto, il valore del coefficiente di sensibilità nel caso generale dovrebbe essere espresso come

K = (1 + 2μ) + m

Qui, la quantità (1 + 2μ) caratterizza il cambiamento di resistenza associato a un cambiamento delle dimensioni geometriche (lunghezza e sezione trasversale) del conduttore, e - un cambiamento nella resistenza del materiale associato a un cambiamento nella sua fisica proprietà.

Se nella produzione del tensore vengono utilizzati materiali semiconduttori, la sensibilità è determinata principalmente dal cambiamento delle proprietà del materiale del reticolo durante la sua deformazione e K »m e può variare per materiali diversi da 40 a 200.

Tutti i convertitori esistenti possono essere suddivisi in tre tipi principali:

- filo;

- Foglio;

- un film.

I telemetri a filo sono utilizzati nella tecnica di misurazione di quantità non elettriche in due direzioni.

La prima direzione è l'uso dell'effetto di deformazione di un conduttore in uno stato di compressione volumetrica, quando il valore di ingresso naturale del trasduttore è la pressione del gas o del liquido circostante. In questo caso il trasduttore è una bobina di filo (solitamente manganina) posta nella zona della pressione misurata (liquido o gas). Il valore di uscita del convertitore è la variazione della sua resistenza attiva.

La seconda direzione consiste nell'utilizzare l'effetto di tensione del filo di tensione costituito da un materiale sensibile alla tensione. In questo caso, i sensori di tensione vengono utilizzati sotto forma di convertitori "liberi" e sotto forma di quelli incollati.

Gli estensimetri "liberi" sono realizzati sotto forma di uno o una fila di fili, fissati alle estremità tra le parti mobili e immobili e, di norma, svolgono contemporaneamente il ruolo di elemento elastico. Il valore di ingresso naturale di tali trasduttori è un movimento minimo della parte mobile.

Il dispositivo del tipo più comune di estensimetro a filo incollato è mostrato in figura 2. Un filo sottile con un diametro di 0,02-0,05 mm, disposto a zigzag, è incollato a una striscia di carta sottile o lamina di vernice. I fili di rame con piombo sono collegati alle estremità del filo. La parte superiore del convertitore è ricoperta da uno strato di vernice e talvolta sigillata con carta o feltro.

Il trasduttore è solitamente installato in modo che il suo lato più lungo sia orientato nella direzione della forza misurata. Tale trasduttore, incollato al provino, percepisce le deformazioni del suo strato superficiale. Pertanto, il valore di ingresso naturale del trasduttore incollato è la deformazione dello strato superficiale della parte a cui è incollato, e l'uscita è la variazione di resistenza del trasduttore proporzionale a questa deformazione. Generalmente, i sensori incollati vengono utilizzati molto più spesso di quelli non incollati.

Figura 2 - estensimetro a filo incollato: 1 - filo estensimetrico; 2- colla o cemento; 3- supporto in cellophane o carta; Fili a 4 fili

La base di misura del trasduttore è la lunghezza della parte occupata dal filo. I trasduttori più comunemente usati sono basi da 5-20 mm con una resistenza di 30-500 ohm.

Oltre al design dell'estensimetro di contorno più comune, ce ne sono altri. Se è necessario ridurre la base di misura del trasduttore (a 3 — 1 mm), si esegue con il metodo dell'avvolgimento, che consiste nell'avvolgere una spirale di filo sensibile al carico su un mandrino di sezione circolare su un tubo di carta sottile. Questo tubo viene quindi incollato, rimosso dal mandrino, appiattito e i fili vengono attaccati alle estremità del filo.

Quando è necessario ottenere una grande corrente da un circuito con un termoconvertitore, spesso usano estensimetri "potenti" con un filo a spirale... Sono costituiti da un gran numero (fino a 30 - 50) fili collegati in parallelo, differiscono in grandi dimensioni (lunghezza della base 150 — 200 mm) e consentono un aumento significativo della corrente che passa attraverso il convertitore (Figura 3).

Disegno 3- Tenometro a bassa resistenza ("potente"): 1 - filo estensimetrico; 2- colla o cemento; 3- supporto in cellophane o carta; Filo a 4 pin

Le sonde a filo hanno una piccola area di contatto con il campione (substrato), che riduce le correnti di dispersione ad alte temperature e porta a una maggiore tensione di isolamento tra l'elemento sensibile e il campione.

Le celle di carico a foglio sono la versione più diffusa delle celle di carico adesive. I trasduttori a lamina sono una striscia di lamina di 4-12 micron di spessore, su cui una parte del metallo viene selezionata mediante incisione in modo tale che il resto formi la griglia di piombo mostrata nella Figura 4.

Nella produzione di una tale griglia, è possibile prevedere qualsiasi schema della griglia, il che rappresenta un vantaggio significativo degli estensimetri a lamina. Nell'immagine 4, a mostra l'aspetto di un trasduttore a lamina progettato per misurare gli stati di sollecitazione lineare, in fig. 4, c - un trasduttore a lamina incollato all'albero per misurare le coppie, e in fig. 4, b — incollato alla membrana.

Disegno 4- Convertitori di lamina: 1- anelli di regolazione; 2- curve sensibili alle forze di trazione della membrana; 3- rotazioni sensibili alle forze di compressione del diaframma

Un serio vantaggio dei convertitori a lamina è la possibilità di aumentare la sezione delle estremità del convertitore; la saldatura (o brasatura) dei fili può essere eseguita in questo caso in modo molto più affidabile rispetto ai convertitori di fili.

I deformatori a lamina, rispetto a quelli a filo, hanno un rapporto più elevato tra la superficie dell'elemento sensibile e l'area della sezione trasversale (sensibilità) e sono più stabili a temperature critiche e carichi sostenuti. L'ampia superficie e la piccola sezione assicurano inoltre un buon contatto termico tra il sensore e il campione, riducendo l'autoriscaldamento del sensore.

Per la produzione di estensimetri a lamina vengono utilizzati gli stessi metalli utilizzati per i telenometri (costantana, nicromo, lega di nichel-ferro, ecc.) e vengono utilizzati anche altri materiali, ad esempio la lega di titanio-alluminio 48T-2, che misura deformazioni fino al 12%, così come un certo numero di materiali semiconduttori.

Tensori cinematografici

Negli ultimi anni è emerso un altro metodo per la produzione in serie di deformazioni a resistenza incollata, che consiste nella sublimazione sotto vuoto di un materiale sensibile alla deformazione e nella sua successiva condensazione su un substrato spruzzato direttamente sul pezzo. Tali trasduttori sono chiamati trasduttori a film.Il piccolo spessore di tali estensimetri (15-30 micron) offre un vantaggio significativo quando si misurano le deformazioni in modalità dinamica ad alte temperature, dove le misure di deformazione sono un'area di ricerca specializzata.

Un certo numero di estensimetri a film basati su bismuto, titanio, silicio o germanio sono stati realizzati sotto forma di un'unica striscia conduttiva (Figura 5).Tali trasduttori non presentano l'inconveniente di ridurre la sensibilità relativa del trasduttore rispetto alla sensibilità del materiale di cui è costituito il trasduttore.

Figura 5- Film estensimetrico: 1- film estensimetrico; 2- lamina laccata; Filo a 3 poli

Il coefficiente estensimetrico di un trasduttore a film metallico è 2-4 e la sua resistenza varia da 100 a 1000 ohm. I trasduttori realizzati sulla base di un film semiconduttore hanno un coefficiente dell'ordine di 50-200 e sono quindi più sensibili alla tensione applicata. In questo caso, non è necessario utilizzare circuiti di amplificazione, poiché la tensione di uscita del ponte a resistenza di deformazione a semiconduttore è di circa 1 V.

Sfortunatamente, la resistenza di un convertitore a semiconduttore varia con la tensione applicata ed è essenzialmente non lineare sull'intero intervallo di tensione, ed è anche fortemente dipendente dalla temperatura. Pertanto, sebbene sia necessario un amplificatore quando si lavora con un deformatore a film metallico, la linearità è molto elevata e l'effetto della temperatura può essere facilmente compensato.