Метод тензометрирования

Наиболее универсальным методом, обеспечивающим проведение и змерений в различных условиях, является электрический тензометр с тензорезисторами, с автоматизацией измерений и их обработки. Такие системы при дистанционности и многоточечности измерений наилучшим образом обеспечивают выполнение натурной тензометрии деталей и конструкций, работающих при переменных режимах в сложных температурных условиях.

Электрические тензометры сопротивления обладают достаточной линейной зависимостью электросопротивления от степени деформации, высокой тензочувствительностью, малой длиной контакта с деталью или образцом и малой массой.

Наибольшее распространение в экспериментальных исследованиях получил проволочный датчик омического сопротивления – тензорезистор (англ.: tensos – сила и resistor – сопротивление).

В основе этого метода лежит зависимость омического сопротивления материала (специального сплава: константана или манганина) от геометрических размеров элемента, изготовленного из этого материала.

Константан – сплав меди (60%) и никеля (40%), манганин – сплав меди (84%), никеля (4%) и марганца (12%).

Чувствительным элементом датчика (рисунок 7) является тонкая константановая или манганиновая проволока 2, зигзагообразно уложенная между полосками тонкой бумаги или фольги 3, и приклеенная к ней. 4 – выводные проводники. Длина зигзагообразного участка S называется базой тензорезистора.

 

 

Рисунок 7. Схема проволочного тензорезистора

 

 

Тензорезисторы используются также для измерения других механических величин (сил, ускорений, перемещений, давлений), однозначно связанных с деформацией. На рисунке 8 показаны некоторые конструкции тензорезистров.

Рисунок 8. Некоторые конструкции тензорезистров

 

Этот метод используется также и в конструкциях силоизмерительных тензорезисторных преобразователей и датчиков, например показанный на рисунке 9 тензометрический датчик деформации ДДТ. Он предназначен для измерения деформации образцов материалов при испытании на растяжение/сжатие и относится к датчикам контактного типа (навесным).

Относительное изменение омического сопротивления тензорезистора при растяжении и сжатии прямо пропорционально его относительной деформации ∆ℓ ∕ ℓ;, т.е.

где k – коэффициент тензочувствительности тензорезистора, является постоянной безразмерной величиной, которая обычно равна 1,8 … 2,3.

 

 

Рисунок 9. Тензометрический датчик деформации ДДТ

 

 

Тензорезисторы наклеиваются на поверхность образца и деформируются вместе с ним. При этом изменение сопротивления тензорезистора может быть зарегистрировано с помощью моста сопротивлений, как изменение электрического тока.

Мост сопротивления содержит четыре сопротивления: R₁, R₂, R₃, R₄, соединенных в виде квадрата (рисунок 10).

 

Рисунок 10. Мост сопротивлений (мост Уитстона)

 

Диагональ моста ВД является измерительной, в нее включен чувствительный гальванометр. Диагональ ЕС является питающей, так как к ней подводится напряжение от батареи или выпрямителя. Сопротивление R₁ представляет собой рабочий тензорезистор, наклеенный на исследуемый образец. Сопротивление R₂ равно по величине R₁ и является компенсационным тензорезистором, наклеенным на такой же материал, что и R₁ и находящийся рядом с рабочим датчиком, т. е. при таких же температурных условиях. Сопротивления R₁ и R₂ образуют внешний полумост, благодаря которому компенсируются температурные деформации, которые могут возникнуть в рабочем датчике и повлиять на точность измерения. Одинаковые по величине сопротивления R₃ и R₄ образуют внутренний полумост, смонтированный внутри измерительного прибора.

Переменное сопротивление в точке Д называется реохордом и служит для балансировки моста. В этом случае до приложения нагрузки ток в измерительной диагонали ВД будет отсутствовать. При деформации образца сопротивление тензорезистора R₁ изменится на некоторую величину ∆R, которая будет зафиксирована.

Для определения действительных величин деформаций производится тарировка измерительного прибора, т.е. определяется цена одного деления шкалы или цена одной единицы показаний на табло прибора. Для этого производят одновременное измерение деформации в том же месте другими средствами, например рычажным тензометром.

В данной лабораторной работе на поверхность образца в продольном и поперечном направлении приклеены два тензометрических датчика ПКБ-20-200 (проволочный константановый тензорезистор на бумажной основе с базой 20 мм и сопротивлением 200 Ом). Каждый датчик включен в мостовую схему измерения (см. рисунок 10). Выходные сигналы датчиков обрабатываются при помощи прибора ИДЦ-1 (измерителя деформации цифрового). Так как ИДЦ-1 не имеет устройства для балансировки мостовой схемы, то при подключении даже ненагруженного тензорезистора на табло появляется число, которое следует считать нулевой отметкой. Разность между последующим и предыдущим показанием прибора () является величиной, пропорциональной измеряемой деформации:

, ,

где m – цена одного деления или тарировочный коэффициент ИДЦ-1.