膯W. 8 MOSTKI OPPOROWE, MOSTKI TENSOMETRYCZNE,
WZORCOWANIE I POMIAR
I. CEL
佛 Poznanie sposob贸w wykorzystania mostk贸w technicznych w celu pomiaru drga艅
II. ZESTAW OPRZYRZDOWANIA DO 膯WICZENIA
佛 Techniczny mostek Wheatstone a TMW - 5,
佛 Mostek tensometryczny,
佛 Oscyloskop,
佛 Falownik.
III. SPOS脫B POSTEPOWANIA
佛 pod艂膮czy膰 mostek Wheatstone a TMW 5 do zr贸d艂a zasilania sieciowego 230V
i wcisn膮膰 odpowiedni przycisk wyboru zr贸d艂a zasilania.
Rys. 3.1. Wygl膮d zewn臋trzny mostka
佛 ~ 230 V - gniazdo do pod艂膮czenia przewodu sieciowego
佛 Z - gniazda do pod艂膮czenia zewn臋trznego zasilacza pr膮du sta艂ego
佛 G - gniazda do pod艂膮czenia zewn臋trznego galwanometru
佛 ~ 230 V, Z - przyciski wyboru yr贸d艂a zasilania
佛 G - przycisk w艂膮czaj膮cy galwanometr i zasilanie mostka
佛 P - prze艂膮cznik zakresu pomiarowego
佛 Rp - pokr臋t艂o potencjometru
1
佛 Zw - zwieracz obwodu galwanometru
Prostym sposobem oceny czu艂o艣ci mostka jest zmiana warto艣ci wskazywanej o warto艣膰
dopuszczalnego b艂臋du; odpowiednia zmiana wskazania galwanometru powinna by膰 nie mniejsza ni偶
1 dzia艂ka.
佛 je偶eli wymagana jest du偶a czu艂o艣膰 wskaznika r贸wnowagi do gniazd G mo偶na przy艂膮czy膰
r贸wnie偶 zewn臋trzny wskaznik r贸wnowagi; je偶eli korzysta si臋 z galwanometru
wewn臋trznego do艂膮czony do mostka zwieracz powinien by膰 umieszczony we w艂a艣ciwych
gniazdach.
佛 pod艂膮czy膰 mierzony rezystor Rx do zacisk贸w pomiarowych mostka - wg rys. 3.1
佛 prze艂膮cznik P ustawi膰 na zakres, w kt贸rym mie艣ci orientacyjnie warto艣膰 mierzonej
rezystancji (sprawdzi膰 warto艣膰 spodziewanej rezystancji tensometru na opakowaniu
fabrycznym),
佛 naciskaj膮c przycisk G na obudowie mostka, pokr臋ca膰 ga艂k膮 potencjometru Rp do chwili
zr贸wnowa偶enia mostka (odchylenie galwanometru sprowadzi膰 na kresk臋 zerowa);
佛 odczyta膰 z tarczy podzia艂kowej potencjometru warto艣膰 mierzonej rezystancji.
W przypadku gdy pokr臋canie ga艂k膮 potencjometru Rp nie pozwala zr贸wnowa偶y膰 mostka,
nale偶y odpowiednio zmieni膰 zakres pomiarowy prze艂膮cznikiem P.
Odwr贸cenie biegunowo艣ci zasilaj膮cego zr贸d艂a napi臋cia sta艂ego nie uniemo偶liwia pomiaru,
ale pogarsza w艂asno艣ci ergonomiczne mostka, gdy偶 kierunek obrotu tarczy potencjometru
i odchylenia wskaz贸wki galwanometru staj膮 si臋 wtedy przeciwne.
佛 Powt贸rzy膰 pomiar przy nacisku w d贸艂 na blach臋 pomiarow膮 (rys. 3.1), na kt贸rej na sta艂e
jest przyklejony tensometr, oraz przy wygi臋ciu w g贸r臋 badanie napr臋偶e艅 statycznych.
2
Rys. 3.1. Nacisk wywierany podczas pr贸by rozci膮gania (艣ciskania) na blach臋 pomiarow膮
佛 Za艂膮czy膰 oscyloskop, nastawi膰 na odpowiedni zakres, pozwalaj膮cy na ocen臋
napr臋偶e艅 dynamicznych wywo艂anych dzia艂aniem falownika na tensometr,
佛 Odczyta膰 z opakowania tensometr贸w wykorzystanych w 膰wiczeniu czu艂o艣膰 K oraz
materia艂 z kt贸rego zosta艂y wykonane,
佛 Zarejestrowa膰 obraz z oscyloskopu,
IV. WSTP TEORETYCZNY
4.1. Przetwarzanie wielko艣ci nieelektrycznych na elektryczne
Przyrz膮dy i metody pomiarowe stosowane do pomiaru wielko艣ci elektrycznych znajduj膮
szerokie zastosowanie przy pomiarach wielu wielko艣ci fizycznych. Fakt ten uzasadniaj膮 takie zalety
elektrycznych metod pomiarowych jak: mo偶liwo艣膰 dokonywania pomiar贸w ci膮g艂ych i rejestracji
wielko艣ci mierzonej, mo偶liwo艣膰 wykonywania pomiar贸w zdalnych, istotnych zw艂aszcza przy
automatyzacji proces贸w produkcyjnych. Ponadto metody te charakteryzuj膮 si臋 stosunkowo du偶膮
dok艂adno艣ci膮 i czu艂o艣ci膮 pomiaru, szerokim zakresem pomiaru, a tak偶e s艂abym oddzia艂ywaniem na
badany obiekt.
Rys. 4.1. Og贸lna zasada dzia艂ania czujnika
3
Y wyj艣ciowa wielko艣膰 elektryczna
X badana wielko艣膰 fizyczna
Do przetworzenia mierzonej wielko艣ci nieelektrycznej na elektryczn膮 s艂u偶y element zwany
czujnikiem (spotykana jest te偶 nazwa przetwornik wej艣ciowy). Ide臋 dzia艂ania czujnika ilustruje
rys. 4.1, pomiar wyj艣ciowej wielko艣ci elektrycznej Y, zwi膮zanej z badan膮 wielko艣ci膮 fizyczn膮 X
zale偶no艣膰:
(4.1)
pozwala wyznaczy膰 warto艣膰 wielko艣ci X.
Czujniki pomiarowe mo偶na podzieli膰 na czujniki parametryczne (bierne) oraz czujniki
generatorowe (czynne).
Czujniki parametryczne dzia艂aj膮 na zasadzie zmian parametru elektrycznego pod wp艂ywem
zmian mierzonej wielko艣ci fizycznej. Wp艂yw ten mo偶e nast臋powa膰 na zasadzie bezpo艣redniej
zale偶no艣ci fizycznej mi臋dzy wielko艣ci膮 mierzon膮 (temperatur膮, ci艣nieniem itd.), okrer艣lonym
parametrem elektrycznym czujnika (rezystancj膮, indukcyjno艣ci膮, sta艂膮 dielektryczn膮 itd.).
Przyk艂adem mo偶e by膰 termometr rezystancyjny. Zmiana parametru elektrycznego mo偶e te偶
wyst膮pi膰 na skutek wp艂ywu mechanicznego na czujnik i zmian臋 jego rezystancji, pojemno艣ci,
indukcyjno艣ci itd. Przyk艂adem mo偶e by膰 pomiar wyd艂u偶enia przez pomiar zmiany po艂o偶enia
suwaka na rezystorze.
Zmiana parametru mo偶e wreszcie wyst臋powa膰 w wyniku kompensacji (r臋cznej lub
automatycznej) mierzonej wielko艣ci fizycznej, przetworzon膮 wielko艣ci膮 elektryczn膮 (pr膮dem,
napi臋ciem). Przyk艂adem jest pirometr optyczny.
Z licznej grupy czujnik贸w parametrycznych zostan膮 przedstawione czujniki rezystancyjne,
indukcyjne i pojemno艣ciowe.
Czujniki generatorowe dzia艂aj膮 na zasadzie przetwarzania energii wielko艣ci mierzonej
(mechanicznej, chemicznej, cieplnej itd.) na energi臋 elektryczn膮, powstaj膮c膮 wielko艣ci膮 elektryczn膮
mo偶e by膰 si艂a elektromotoryczna, pr膮d, 艂adunek.
Spo艣r贸d czujnik贸w generatorowych przedstawione zostan膮 termoelementy i czujniki
dynamiczne.
4.2. Czujniki rezystancyjne
4
W czujnikach rezystancyjnych zmian臋 rezystancji osi膮ga si臋 przez: zmian臋 po艂o偶enia styku
艣lizgowego na rezystorze, w艂膮czenie lub wy艂膮czenie rezystor贸w w obwodzie pomiarowym, przez
zmian臋 rezystancji czujnika przy 艣ciskaniu go, rozci膮ganiu lub przy zmianach temperatury.
4.2.1. Czujniki 艂膮cznikowe
Czujniki te zmieniaj膮 rezystancj臋 w uk艂adzie pomiarowym przez zamykanie lub otwieranie
zestyku mi臋dzy punktami A i B (rys. 4.2a) zale偶nie od wysoko艣ci obiektu umieszczonego pod
czujnikiem. Czujnik z rys. 4.2a pozwala na kontrol臋 granic tolerancji zwiera styki A i B po
przekroczeniu dopuszczalnej odchy艂ki dolnej, a styki A i C po przekroczeniu odchy艂ki g贸rnej.
Rys. 4.2. Czujniki 艂膮cznikowe: a) jednopo艂o偶eniowy, b) dwupo艂o偶eniowy
4.2.2. Czujniki rezystancyjne
Rezystancja tych czujnik贸w zale偶y od po艂o偶enia styku 艣lizgowego. Na rysunku 4.3a
przedstawiono czujnik s艂u偶膮cy do pomiaru wyd艂u偶enia pr贸bki. Rezystancja tego czujnika mi臋dzy
punktami A i B zale偶y od odleg艂o艣ci x styku 艣lizgowego od pocz膮tku rezystora
(4.2)
Przy r贸wnomiernym nawini臋ciu drutu zmienno艣膰 rezystancji jest jednostajna i zale偶no艣膰
rezystancji od odleg艂o艣ci x jest liniowa. Na rysunku 4.3b przedstawiono czujnik do pomiaru k膮ta
skr臋cenia; rezystancja R mi臋dzy punktami A i B zale偶y od po艂o偶enia suwaka, a wi臋c od k膮ta 膮
5
Rys. 4.3 Czujniki rezystancyjne: a) liniowy, b) obrotowy
(4.3)
Przy jednostajnej zmienno艣ci rezystancji zale偶no艣膰 ta jest liniowa.
4.2.3. Czujniki tensometryczne
W czujnikach tych wykorzystuje si臋 zmian臋 rezystancji drutu pod wp艂ywem jego
rozci膮gania. Uwzgl臋dniaj膮c we wzorze (4.4) na rezystancj臋 przewodnika, 偶e przy wyd艂u偶eniu drutu
o "l zmienia si臋 jego przekr贸j o "S, i rezystywno艣膰 o ", rezystancja przewodnika zmieni si臋 o
(4.4)
oznaczaj膮c przez 藕 liczb臋 Poissona
(4.5)
otrzymujemy wyra偶enie na wzgl臋dn膮 zmian臋 rezystancji:
(4.6)
gdzie: K- wsp贸艂czynnik czu艂o艣ci tensometru, - wyd艂u偶enie wzgl臋dne ( = "l/l)
Czujnik tensometryczny sk艂ada si臋 z cienkiego drutu naklejonego mi臋dzy dwie ta艣my
papieru lub folii celuloidowej. Na rysunku 4.4 przedstawiono dwa typy tensometr贸w stosowane
w praktyce: tensometr w臋偶ykowy i tensometr kratowy. Rozwi膮zanie typu kratowego jest lepsze,
6
gdy偶 eliminuje b艂臋dy spowodowane odkszta艂ceniami poprzecznymi do d艂ugich osi p臋tlic. Czu艂o艣膰
najcz臋艣ciej stosowanych tensometr贸w zmienia si臋 w granicach: K = 2 3 przy czym dla:
Rys. 4.4. Czujniki tensometryczne: a) w臋偶ykowy, b) kratowy
W zale偶no艣ci od warunk贸w pracy (materia艂 badany, temperatura) do przyklejania
tensometr贸w stosuje si臋 kleje celuloidowe, bakelitowe, cementowe i inne.
Opr贸cz tensometr贸w metalowych s膮 r贸wnie偶 stosowane tensometry p贸艂przewodnikowe
(monokryszta艂y germanu i krzemu). Zmiana rezystancji tych tensometr贸w przy rozci膮ganiu
(艣ciskaniu) jest spowodowana g艂贸wnie zmian膮 koncentracji no艣nik贸w 艂adunku wskutek zwi臋kszenia
(zmniejszenia) odleg艂o艣ci mi臋dzyatomowych. Wzgl臋dne zmiany rezystancji tensometr贸w
p贸艂przewodnikowych s膮 znacznie wi臋ksze ni偶 metalowych (dla krzemu K = 膮 60 膮 175).
4.3. Pomiary tensometryczne
Czujniki tensometryczne pozwalaj膮 na wyznaczenie wyd艂u偶enia wzgl臋dnego na podstawie
zmiany rezystancji. Korzystaj膮c z prawa Hooke a mo偶emy wtedy wyznaczy膰 napr臋偶enie
(4.7)
7
gdzie: E - modu艂 Younga, "R/R wzgl臋dna zmiana rezystancji, K sta艂a tensometru (czu艂o艣膰).
Mo偶na tak偶e wyznaczy膰 si艂臋 F rozci膮gaj膮c膮 obiekt o przekroju S
(4.8)
W pomiarach tensometrycznych z regu艂y stosuje si臋 mostek Wheatstone a. Sam pomiar
odbywa si臋 metod膮 zerow膮 lub odchy艂ow膮. Schemat mostka do pomiaru metod膮 zerow膮
przedstawiono na rys. 4.5. R贸wnowa偶enia mostka dokonuje si臋 przez regulacj臋 rezystancji, np.
ga艂臋zi trzeciej. R贸wnolegle do rezystora R3 jest przy艂膮czony regulowany rezystor R`3 o du偶ej
rezystancji, co przy zastosowaniu czu艂ego galwanometru umo偶liwia pomiar ma艂ych zmian
rezystancji czujnika. W metodzie odchy艂owej pr膮d w galwanometrze zale偶y od wyd艂u偶enia
wzgl臋dnego, czyli ig = f().
W pomiarach tensometrycznych stosuje si臋 r贸wnie偶 uk艂ad r贸偶nicowy podany na rys. 4.6.
Rys. 4.5. Pomiar napr臋偶e艅 metod膮 zerow膮 Rys. 4.6. Pomiar napr臋偶e艅 w uk艂adzie r贸偶nicowym
W przypadku, gdy rezystancja czujnika jest r贸wna rezystancji R2, przez galwanometr pr膮d nie
p艂ynie i uk艂ad znajduje si臋 w r贸wnowadze. W przypadku zmiany rezystancji R1 przez galwanometr
p艂ynie pr膮d:
(4.9)
Przy ma艂ych zmianach rezystancji czujnika pr膮d ten jest proporcjonalny do zmiany rezystancji R1, a
wi臋c do wyd艂u偶enia wzgl臋dnego
(4.10)
8
Rys. 4.7. Uk艂ady z kompensacj膮 temperatury otoczenia: a) uk艂ad z dwoma czujnikami (jednym nie
pracuj膮cym), b) uk艂ad z dwoma czujnikami pracuj膮cymi
W omawianych uk艂adach nale偶y stosowa膰 kompensacj臋 wp艂ywu tempera tury. Zmiany
rezystancji przy pracy tensometr贸w s膮 z regu艂y ma艂e i nawet niewielkie zmiany temperatury
otoczenia, rz臋du kilku dziesi膮tych C, mog膮 mie膰 wp艂yw na warto艣膰 mierzonej rezystancji.
Wp艂yw ten jest spowodowany wzrostem rezystancji czujnika przy zmianie temperatury (dla
konstantanu wsp贸艂czynnik temperaturowy rezystancji 膮k = 膮 40 10-6 癈-1) i przy r贸偶nicy
temperaturowych wsp贸艂czynnik贸w wyd艂u偶alno艣ci badanego przedmiotu i czujnika (np. dla stali
FC = 11 10-6, dla konstantanu K = 15 10-6 . Uwzgl臋dnienie tego wp艂ywu jest bardzo k艂opotliwe.
W praktyce, w celu kompensacji wp艂ywu temperatury, obok w艂a艣ciwego czujnika nakleja si臋
drugi czujnik R2 nie pracuj膮cy (rys. 4.7a) lub pracuj膮cy, ale doznaj膮cy napr臋偶enia przeciwnego
znaku. Czujnik dodatkowy mo偶e by膰 naklejony po drugiej stronie zginanej belki (rys. 4.7b). Je艣li
oba czujniki znajduj膮 si臋 w tej samej temperaturze, to zmiany ich rezystancji w funkcji temperatury
kompensuj膮 si臋 i nie maj膮 wp艂ywu na pr膮d w galwanometrze.
Przy pomiarach napr臋偶e艅 szybko zmieniaj膮cych si臋 w czasie, a wi臋c przy pomiarach
dynamicznych, zamiast galwanometru przy艂膮cza si臋 odpowiedni przyrz膮d rejestruj膮cy np.
oscylograf p臋tlicowy lub katodowy.
4.4. Pomiary odkszta艂ce艅 za pomoc膮 oscyloskopu
Przez zastosowanie ta艣mowych tensometr贸w oporowych i oscyloskopu mo偶liwy jest pomiar
odkszta艂ce艅 dynamicznych, jakie wyst臋puj膮 pod wp艂ywem udar贸w, wibracji i r贸偶nych si艂
dynamicznych. Zastosowanie oscyloskopu ma t臋 przewag臋 nad przyrz膮dami rejestruj膮cymi,
偶e bezw艂adno艣膰 oscyloskopu jest najmniejsza, co pozwala na pomiar zjawisk bardzo szybkich.
Dogodnym do pomiar贸w przebieg贸w jednorazowych jest oscyloskop z lamp膮 pami臋taj膮c膮.
9
Pe艂ny uk艂ad pomiarowy powinien spe艂nia膰 nast臋puj膮ce wymagania:
佛 charakterystyka cz臋stotliwo艣ciowa: od zera do cz臋stotliwo艣ci przekraczaj膮cej z zapasem
spodziewan膮 najwi臋ksz膮 cz臋stotliwo艣膰 odkszta艂cenia,
佛 uk艂ad powinien zapewnia膰 dobr膮 liniowo艣膰 od tensometru pocz膮wszy, na oscyloskopie
sko艅czywszy.
Je偶eli te warunki s膮 spe艂nione, wtedy statyczna kalibracja uk艂adu pomiarowego pozostaje s艂uszna
dla przebieg贸w dynamicznych.
Uk艂ad blokowy pomiaru odkszta艂ce艅 przedstawiono na rys. 4.8. Si艂a F dzia艂aj膮ca na badany
element konstrukcji powoduje powstanie napr臋偶e艅 , w wyniku kt贸rych element odkszta艂ca si臋.
Przymocowany do badanego elementu tensometr zamienia odkszta艂cenia na zmian臋 rezystancji
"R/R, kt贸ra wp艂ywa na zmian臋 napi臋cia steruj膮cego oscyloskop, proporcjonalnie do wielko艣ci
odkszta艂cenia.
Rys. 4.8. Schemat blokowy pomiaru odkszta艂ce艅
Tensometry konstantanowe umo偶liwiaj膮 pomiar odkszta艂ce艅 1%, co dla wi臋kszo艣ci
materia艂贸w stanowi warto艣膰 powy偶ej granicy elastyczno艣ci. Jednak偶e chc膮c z tego samego
tensometru uzyska膰 powtarzalne wyniki, nie powinno si臋 przekracza膰 = 0,2%. W takim zakresie
odkszta艂ce艅 zale偶no艣膰 mi臋dzy "R a jest liniowa.
Dok艂adno艣膰 pomiaru i jego prawid艂owa interpretacja zale偶y od wyboru w艂a艣ciwego
tensometru i prawid艂owego umocowania go. Powierzchnia, do kt贸rej przykleja si臋 tensometr,
powinna by膰 lekko szorstka i dobrze oczyszczona, np. acetonem lub czterochlorkiem w臋gla. Do
klejenia stosuje si臋 偶ywice epoksydowe, kleje syntetyczne lub bakelitowe.
Dla zilustrowania metody pomiarowej rozpatrzmy nast臋puj膮cy przyk艂ad. Nale偶y zmierzy膰
si艂y dynamiczne przenoszone przez pr臋t stalowy o 艣rednicy 12 mm. Spodziewany zakres si艂:
od 10 kG do 500 kG.
10
1. Obliczamy przekr贸j:
2. Przy obci膮偶eniu 10 kG napr臋偶enie wyniesie:
3. Odkszta艂cenie wyniesie:
4. Ustalenie uk艂adu mostka. Pojedynczy tensometr przy tak ma艂ych odkszta艂ceniach ma
nast臋puj膮ce wady:
佛 ma艂a czu艂o艣膰,
佛 brak kompensacji temperaturowej,
佛 dodatkowe napr臋偶enia w samym tensometrze mog膮 zak艂贸ca膰 w艂a艣ciwy odczyt.
Znacznie lepszym rozwi膮zaniem jest zastosowanie dw贸ch tensometr贸w, kt贸rych wp艂ywy si臋
zsumuj膮. Najlepszy uk艂ad tworz膮 cztery tensometry umieszczone jak na rys. 4.9
Rys. 4.9a. Uk艂ad z czterema tensometrami, uk艂ad mostka pr膮du sta艂ego
11
Rys. 4.9b. Uk艂ad z czterema tensometrami. uk艂ad mostka pr膮du zmiennego z demodulatorem
fazoczu艂ym
Rys. 4.9c. Spos贸b umocowania tensometr贸w. Uk艂ad z czterema tensometrami. Tensometry A i C
reaguj膮 na wyd艂u偶enie pr臋ta. Tensometry D i B umieszczone s膮 neutralnie. Kompensuj膮
one wp艂yw temperatury i reaguj膮 na efekt Poissona
Tensometry D i B kompensuj膮 uk艂ad temperaturowo i wykorzystuj膮 zjawisko Poissona
(zmniejszenie 艣rednicy przy wyd艂u偶eniu). Liczba Poissona dla stali wynosi 0,28. Zatem sumaryczny
wynik pomiaru b臋dzie:
5. Uk艂ad odczytu. Mostek pomiarowy mo偶e by膰 zasilany napi臋ciem sta艂ym lub zmiennym.
12
Uk艂ad pr膮du sta艂ego powinien spe艂nia膰 nast臋puj膮ce wymagania:
佛 czu艂o艣膰 oscyloskopu: na tyle du偶a, aby m贸c odczyta膰 najmniejsze interesuj膮ce nas
odkszta艂cenia,
佛 pasmo: od zera do cz臋stotliwo艣ci przekraczaj膮cej najwi臋ksz膮 spodziewan膮
cz臋stotliwo艣膰 odkszta艂ce艅 dynamicznych,
佛 mostek nale偶y zasili膰 z zewn臋trznego zr贸d艂a oraz po艂膮czy膰 z uk艂adem zerowania i
kalibracji.
Napi臋cie wyj艣ciowe z mostka pr膮du sta艂ego okre艣lamy z zale偶no艣ci:
(4.11)
gdzie:
Uwy - napi臋cie wyj艣ciowe [藕V],
calk - sumaryczne odkszta艂cenie s wszystkich tensometr贸w [10-6],
E - napi臋cie zasilaj膮ce mostek [V]
K - wsp贸艂czynnik czu艂o艣ci odkszta艂ceniowej (zazwyczaj K 1,8 2,3).
W obliczonym przyk艂adzie przy E = 12 V i K = 2,2 mamy dla 10 kG obci膮偶enia:
Dla obci膮偶enia maksymalnego 500 kG, Uwy = 50 70 = 3500 藕V. Przy wsp贸艂czynniku
odchylania oscyloskopu 500 藕V/cm, przy maksymalnym obci膮偶eniu plamka wychyli si臋 o 7 cm,
przy minimalnym o 1,4 mm.
Wad膮 mostka pr膮du sta艂ego jest:
佛 konieczno艣膰 przeliczania odkszta艂cenia na napi臋cie wed艂ug (4.11),
佛 wra偶liwo艣膰 uk艂adu na zak艂贸cenia, t臋tnienia, sygna艂y stacji radiowych itp., wprowadzanie
przez SEM ogniw termoelektrycznych dodatkowego b艂臋du.
Zalet膮 mostka pr膮du sta艂ego jest szersze pasmo (do 100 kHz), podczas gdy typowe pasmo
mostka pr膮du zmiennego z detektorem fazoczu艂ym wynosi 0 6 kHz. Ponadto na wynik pomiaru
znacznie mniejszy wp艂yw wykazuj膮 pojemno艣ci.
13
Zalet膮 mostka pr膮du zmiennego wsp贸艂pracuj膮cego z demodulatorem fazoczu艂ym (np.
wk艂adki firmy Tektronix typu Q lub 3 C66) jest bezpo艣redni odczyt odkszta艂cenia na ekranie oraz
wi臋ksza czu艂o艣膰 (rys. 4.9 b). Kalibracj臋 mostka przeprowadza si臋 przez odczyt na oscyloskopie
napi臋cia po przy艂o偶eniu do badanej pr贸bki znanej si艂y lub przez w艂膮czenie r贸wnolegle do jednego z
tensometr贸w rezystora Rkal (rys. 4.9a, b) o takiej warto艣ci, 偶e zmiana napi臋cia wyj艣ciowego
odpowiada okre艣lonej sile. Je偶eli rezystor ten jest w艂膮czony w ga艂膮z A, odpowiada to ujemnemu
odkszta艂ceniu. Warto艣膰 rezystora Rkal oblicza si臋 z nast臋puj膮cej zale偶no艣ci:
(4.12)
gdzie: R nominalna rezystancja tensometru [],
K wsp贸艂czynnik czu艂o艣ci odkszta艂ceniowej,
calk sumaryczne odkszta艂cenie wszystkich tensometr贸w w mostku.
W przypadku gdy F = 100 kG wytwarza sumaryczne odkszta艂cenie to:
st膮d
Rezystor kalibruj膮cy mo偶na wykorzysta膰 do wyskalowania oscyloskopu zar贸wno w /cm,
jak i w kG/cm.
Wyskalowanie w /cm
W艂膮czenie do mostka rezystora Rkal symuluje odkszta艂cenie = - 105,8 10-6. Je偶eli czu艂o艣膰
uk艂adu pomiarowego wraz z oscyloskopem wynosi 10 10-6/cm, wtedy po w艂膮czeniu rezystora Rkal
= 0,517 M plamka na ekranie powinna si臋 odchyli膰 o 10,58 cm. Je偶eli odchylenie jest inne, nale偶y
skorygowa膰 wzmocnienie uk艂adu pomiarowego, tak by odchylenie plamki wynios艂o 10,58 cm.
14
Rys. 4.10. Graniczna d艂ugo艣膰 fali dynamicznego odkszta艂cenia, przy kt6rej rezystancja tensometru
nie ulega zmianie
Wyskalowanie w kG/cm
Dzia艂aj膮ca si艂a 100 kG przy czu艂o艣ci uk艂adu 10 10-6/cm powinna odchyli膰 plamk臋 na
ekranie o 10,58 cm. Je偶eli nieco zmniejszymy wzmocnienie uk艂adu pomiarowego, tak by plamka po
w艂膮czeniu Rkal = 0,517 M odchyli艂a si臋 dok艂adnie o 10 cm, wtedy otrzymujemy podzia艂k臋
odpowiadaj膮c膮 sile 10 kG/cm.
Maksymalna cz臋stotliwo艣膰 dynamicznych zmian odkszta艂ce艅, jakie mog膮 by膰 zmierzone,
zale偶y od pasma uk艂adu pomiarowego i wymiar贸w tensometru. Je偶eli d艂ugo艣膰 fali dynamicznego
odkszta艂cenia jest r贸wna d艂ugo艣ci tensometru, to rezystancja tensometru nie ulegnie zmianie
(rys. 4.10)
Przy fali nieco kr贸tszej od granicznej tensometr zn贸w zaczyna reagowa膰. Zjawisko to jest
podobne do ograniczenia pasma przez lamp臋 oscyloskopow膮 na skutek sko艅czonego czasu przelotu
elektron贸w mi臋dzy p艂ytkami odchylaj膮cymi.
Cz臋stotliwo艣膰 graniczna, przy kt贸rej tensometr nie zmienia swej rezystancji, wynosi:
(4.13)
gdzie:
- pr臋dko艣膰 dzwi臋ku w mierzonym o艣rodku [cm/s]. Dla stali i aluminium = 5,1 l05 [cm/s],
- d艂ugo艣膰 fali [cm],
l - d艂ugo艣膰 aktywnej cz臋艣ci tensometru [cm].
Je偶eli chcemy, aby uchyb nie przekroczy艂 1 % cz臋stotliwo艣膰 maksymalna 艂max powinna by膰
15
oko艂o 20 razy mniejsza od granicznej:
(4.14)
Dla spadku charakterystyki tensometru o 3 dB mamy:
(4.15)
Tak np. dla tensometru typu FK-12 d艂ugo艣膰 czynna wynosi 1,2 cm. Zatem dla stali:
Pasmo uk艂adu pomiarowego z艂o偶onego z dwu szeregowych cz艂on贸w, ka偶dy o ograniczonym
pa艣mie, wyniesie:
(4.16)
gdzie:
艂u -wypadkowe pasmo uk艂adu,
艂g1, 艂g2 - graniczne (3 dB) pasmo uk艂adu pierwszego i drugiego.
Tak np. je偶eli tensometr typu FK-12 wsp贸艂pracuje z oscyloskopem o pasmie 150 kHz, otrzymuje si臋
Czas narastania uk艂adu pomiarowego, wyra偶ony jako odpowiedz na si艂臋 skokow膮 przy艂o偶on膮 w
niesko艅czenie kr贸tkim czasie, wynosi:
(4.17)
gdzie: tn - czas narastania [s],
艂u - pasmo uk艂adu pomiarowego [Hz].
W opisany spos贸b mo偶na mierzy膰 dynamiczne wyd艂u偶enia skr臋tne, reakcje p艂yt i pr臋t贸w na
16
ugi臋cia itp.
4.4.1 Pomiar charakterystyki elastyczno艣ci gumy
Uk艂ad pomiarowy sk艂ada si臋 z tensometrycznego miernika si艂y, pr贸bki badanego materia艂u,
zasilacza napi臋cia sta艂ego i oscyloskopu r贸偶nicowego. Badana pr贸bka jest przymocowana jednym
ko艅cem do elastycznego pr臋ta metalowego, kt贸ry dzi臋ki umieszczeniu na nim dw贸ch tensometr贸w
oporowych A i B (rys. 4.11a) s艂u偶y jako miernik si艂y. Napi臋cie wyj艣ciowe z mostka steruje wej艣cie
r贸偶nicowe oscyloskopu (wsp贸艂czynnik odchylania: 0,5 mV/cm), daj膮c w kierunku osi Y odchylenie
plamki proporcjonalne do si艂y rozci膮gaj膮cej badany odcinek gumy. Drugi koniec gumy
przymocowany jest do osi potencjometru, z kt贸rego napi臋cie steruje o艣 X, daj膮c odchylenie plamki
proporcjonalne do odkszta艂cenia gumy. Na rysunku 4.11b i c przedstawiono przebiegi dla dwu
r贸偶nych gatunk贸w gum. Guma czarna charakteryzuje si臋 szerok膮 p臋tl膮 histerezy, podczas gdy 偶贸艂ta
jest jej prawie pozbawiona.
Rys. 4.11a. Uk艂ad do pomiaru charakterystyki elastyczno艣ci gumy, schemat ideowy
17
Rys. 4.11b, c. Uk艂ad do pomiaru charakterystyki elastyczno艣ci gumy; b - obrazy na ekranie dla gumy
czarnej; o艣 X: wsp贸艂czynnik odchylania 0.1 V/cm, odchylenie proporcjonalne do
odkszta艂cenia gumy, o艣 Y: wsp贸艂czynnik odchylania 0,5 mV/cm, odchylenie proporcjonalne
do si艂y, c - obraz na ekranie dla gumy 偶贸艂tej; o艣 X i o艣 Y jak w b
V. OPRACOWANIE WYNIK脫W
佛 Zestawi膰 wyniki wyznaczone za pomoc膮 TMW 5,
佛 Opisa膰 obraz z oscyloskopu napr臋偶e艅 dynamicznych,
佛 Dobra膰 rezystor kalibruj膮cy dla K =1,93 (czu艂o艣膰 tens.), "R = 10 , R = 120.
VI. ZAGADNIENIA DO ZALICZENIA 膯WICZENIA
佛 Na czym polega zjawisko Poissona,
佛 Tensometry zastosowanie, zasady dzia艂ania,
佛 Zastosowanie mostk贸w Thompsona w celu pomiaru napr臋偶e艅,
佛 Zastosowanie mostk贸w Wheatstone a w celu pomiaru napr臋偶e艅.
VII. LITERATURA
1. B. Miedzi艅ski Elektrotechnika podstawy i instalacje elektrotechniczne PWN Warszawa 2000
2. H. Rawa Elektryczno艣膰 i magnetyzm w technice PWN Warszawa 2001
3. S. Idzi Pomiary elektryczne. Obwody pr膮du sta艂ego PWN Warszawa 1999
4. G. Aomnicka-Przyby艂owska Pomiary elektryczne. Obwody pr膮du zmiennego PWN
Warszawa 2000
5. S. Bolkowski Teoria obwod贸w elektrycznych WNT, Warszawa 2001
6. A Chwaleba M. Poni艅ski, A Siedlecki Metrologia elektryczna WNT Warszawa 2000
18
19
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
TENSOMETRIA OPOROWA POMIAR TENSOMETRYCZNY SI艁Y I ODKSZTA艁CENIA08 tensometria oporowamostkimostkitensometria oporowaMostki termiczne w stalowym budownictwie szkieletowym4 Mostki ITensometria oporowa, zasada budowy i dzia艂ania, uk艂ady pomiarowemostki termiczneTensometria oporowaimostki itpPoprawki do wspolczynnika przenikania ciepla z uwagi na mostki termiczneMostki5wi臋cej podobnych podstron