1. PODSTAWOWE ZASTOSOWANIA TENSOMETRII OPOROWEJ

Tensometry oporowe służą do pomiarów odkształceń liniowych na powierzchni badanego obiektu. Po przyklejeniu tensometru w miejscu, w którym należy przeprowadzić pomiar i połączeniu go z aparaturą pomiarową odkształcenie określa się pośrednio przez pomiar zmiany oporu tensometru. W celu określenia odkształcenia ε
potrzebne są dwa pomiary, jeden przed przyłożeniem obciążenia do obiektu, a drugi po jego przyłożeniu. Jeżeli długość odcinka pomiarowego oznaczymy przez L, wtedy odkształcenie :

ε =
[bezwymiarowy]

gdzie:

L - długość odcinka pomiarowego [mm]

L - zmiana długości odcinka [mm]
Ze znanego odkształcenia ε można wyliczyć naprężenie σ materiału obiektu w tym miejscu z zależności :
α=E ⋅ ε

E - moduł sprężystości

Wartości modułu sprężystości dla szeregu materiałów konstrukcyjnych można znaleźć w literaturze, trzeba jednak dodać, że obserwuje się pewne różnice w danych, które świadczą, że nie można polegać na ich ścisłości. Dla niektórych materiałów podaje się w tabeli nr l wartości przybliżone.

Tabela nr l Wartość modułu sprężystości E
niektórych materiałów konstrukcyjnych ,

Materiał	E	Materiał	E
Stal węglowa Żeliwo szare Inwar 36% Ni Elektron	210 000 120 000 145 000 44 000	Dural (PA6) Mosiądz (MO59) Brąz (B10) Plexi	72 000 80 000 100 000 ok.3 000

Dla dokładniejszego obliczenia naprężenia σ konieczna by była znajomość dokładnej wartości modułu sprężystości E, na przykład na podstawie osobnego badania lub atestu wytwórcy.

Typowe urządzenia pomiarowe stosowane w tensometrii oporowej umożliwiają pomiar odkształceń w zakresie wystarczającym dla wyznaczenia największych spotykanych w praktyce naprężeń. Widoczne to jest z tabeli nr 2.

W innych zastosowaniach tensometrii oporowej z odkształcenia w miejscu pomiaru można obliczyć wartość obciążenia siłą względnie momentem, które odkształcenie to spowodowało. W tym celu trzeba uprzednio określić odkształcenie przy znanej wartości obciążenia lub lepiej przy jego paru wartościach.

Można wreszcie użyć tensometrów jako dokładnych wskaźników przemieszczeń określonych punktów odkształcalnej konstrukcji oczywiście po uprzedniej kalibracji wzorcowej.

Tabela nr 2

'
Wartości naprężenia σ
dla niektórych materiałów konstrukcyjnych przy paru wartościach odkształcenia ε

σ ε	Stal węglowa	Żeliwo (średnio)	Inwar 36% Ni	Elektron	Dural (PA6)	Mosiądz (MO56)	Brąz (B10)	Plexi
0,01⋅10^-3	2,1	1,2	1,45	0,44	0,72	0,8	1	0,03
0,1⋅10^-3	21	12	14,5	4,4	7,2	8	10	0,3
1⋅10^-3	210	120	145	44	72	80	100	3
5⋅10^-3	1050	600	725	220	360	400	500	15
10⋅10^-3	2100	1200	1450	440	720	800	1000	30
15⋅10^-3	3150	1800	2175	660	1080	1200	1500	45

.

2. ZASADA POMIARÓW

Wśród wielu spotykanych rozwiązań obecnie najbardziej rozpowszechniony jest typ tensometru kratowego (rys. 1). Czynną jego częścią jest kilka drucików, najczęściej konstantanowych o średnicy ok. 0,025 mm ułożonych równolegle i połączonych w końcach grubszymi łącznikami.

Po przyklejeniu tensometru do powierzchni badanego obiektu długość tych drucików ulega zmianom wraz ze zmianami długości badanego obiektu (w tym miejscu) pod wpływem obciążeń długości zewnętrznych.

Zmiany długości drutu oporowego powodują zmianę jego oporu. Zależność to wyraża się wzorem :

=K⋅
=K⋅ε [bezwymiarowy]

gdzie :

R - oporność początkowa tensometru [Ω]

R - zmiana oporu tensometru [Ω]

K - współczynnik czułości tensometru [bezwymiarowy]Wartość współczynnika czułości K dla tensometrów kratowych wynosi zazwyczaj 2,00÷2,15 .

Wytwórca tensometrów podaje na opakowaniu wartość współczynnika czułości K z dokładnością do drugiego miejsca po przecinku. Na każdym tensometrze wytwórca podaje ponadto wartość jego oporu z dokładnością do pierwszego miejsca po przecinku.

Inne konstrukcje tensometrów charakteryzują się odmiennymi wartościami współczynnika K. Na przykład dla tensometrów pół-przewodnikowych współczynnik K wynosi do 200.

Ostatecznie więc naprężenie w mierzonym miejscu można obliczyć w zależności:

σ=

Większość tensometrycznych urządzeń pomiarowych jest wyskalowana wprost w wartościach mierzonego odkształcenia (dla określonej wartości współczynnika czułości K) i dlatego w praktyce ostatni wzór nie znajduje zastosowania.

3. PODSTAWOWY UKŁAD POMIAROWY

Rys. 2. Schemat mostka pomiarowego w uproszczeniu:

B - bateria, R₁ - R₄ - oporniki zmienne (Ω), G - galwanometr, E - napięcie zasilania (V),

I_g - prąd płynący przez galwanometr (A).

W pomiarach tensometrycznych stosuje się obecnie dla określenia wartości
prawie wyłącznie układy mostkowe oparte na konstrukcji mostka Wheatstone'a. Na rysunku 2 przedstawiono układ zasadniczy klasycznego mostka Wheatstone'a z zasilaniem prądem stałym z baterii. Rozwiązanie to bywa stosowane obecnie, jakkolwiek bardziej rozpowszechnione są mostki zasilane prądem zmiennym, o bardziej skomplikowanym układzie.

W klasycznym mostku Wheatstone'a przystosowanym do celów tensometrii oporowej dobiera się oporniki parami R₁ = R₂ oraz R₃ = R₄. Początkowo przez galwanometr G nie płynie żaden prąd I_g ponieważ na powstałych z R_Ł i R₂ oraz R₃ i R₄ dzielnikach napięć powstają jednakowe spadki napięć.

Mostek Wheatstone'a może być wykorzystany do pomiarów w dwojaki sposób:

Pierwszy to metoda zerowa polegająca na takiej zmianie oporu oporników R₁ - R₄, by przez galwanometr nie płynął prąd. Sprowadza się to do spełnienia, warunku, by

=
czyli R₁R₄ = R₂R₃

Można wykazać, że dla wartości
<< R (co ma właśnie miejsce w przypadku tensometrii oporowej) ostatni wzór prowadzi do zależności:

czyli inaczej
+
=
+

-
=
-

Ponieważ w stanie początkowym R₁ = R₂ oraz R₃=R₄ to będzie ostatecznie

Zatem pomiar,
będzie równoznaczny z takim nastawieniem
R₃ -
R₄ by I_g=0. Wartość
odczytuje się w tej metodzie z różnicy położeń organów regulacyjnych dzielnika oporu R₃, R₄.

Drugi sposób, to metoda wychyłowa polegająca na odczycie prądu I_g płynącego przez galwanometr po wyprowadzeniu mostka z równowagi przez zmianę oporu oporników. Wykorzystuje się w tym przypadku zależność

I_g = E

Wzór ten jest ważny dla przypadku, gdy opór wewnętrzny źródła zasilania mostka jest równy zeru. Praktycznie opór ten ma skończoną wartość, jednakże jest tak mały w porównaniu z wartościami R₁- R₄, że można go pominąć. Dalej przyjmuje się, że opór galwanometru R_g jest bardzo duży, czyli wybiera się przypadek

R_g>>

Wtedy dla
R<<R wartość prądu płynącego przez galwanometr

I_g≅E

W położeniu początkowym równowagi, gdy R₁ = R₂ oraz R₃=R₄ licznik prawej strony jest równy zeru. Przypuśćmy, że tylko R₁ zmieni wartość do R₁+
R₁ Wtedy licznik prawej strony będzie równy

(
R₁+
R₁)R₄-R₂R₃=
R₁R₄

Zatem ostatecznie prąd płynący przez galwanometr I_g jest proporcjonalny do
R₁ czyli do zmiany oporu gałęzi mostka.

Metoda wychyłowa jest mniej dokładna od zerowej, ale ma tę zaletę, że umożliwia pomiary dynamiczne, czyli pomiary odkształceń zmiennych w czasie.

Trzeba dodać, że często układ mostka Wheatstone'a zostaje rozbudowany przez dodanie drugiego podobnego mostka zbudowanego z precyzyjnych dzielników napięć. Z niego czerpie się napięcie służące do zrównoważenia napięcia nierównowagi mostka zasadniczego, zestawionego w części lub w całości z tensometrów oporowych.

Taki układ zwany jest mostkiem w układzie kompensacyjnym i jest stosowany we wszystkich typach tensometrycznych urządzeń pomiarowych produkcji Spółdzielni „WAMEL".

W przypadku zasilania mostka prądem zmiennym a nie stałym układ pomiarowy jest bardziej rozbudowany, o czym będzie mowa dalej. Na razie należy jedynie dodać, że we wzorach podanych wyżej należy zastąpić opór R przez impedancje Z.

Impedancja Z jest sumą wektorową oporu R i reaktancji X czyli oporu jaką prądowi zmiennemu stawia pojemność i indukcyjność. Ta ostatnia przy pomiarze tensometrami oporowymi od-grywa niewielką rolę, a wchodzi w wyraźnym stopniu przy zastosowaniu czujników indukcyjnych. Pojemności pojawiają się w każ-dym układzie pomiarowym wskutek włączenia kabli pomiarowych, a ponadto istnieją już w samym układzie mostka jako tzw. pojemności montażowe.

Po podstawieniu we wzorach dla mostka Wheatstone'a w miejsce R impedancji

Z=R+jx=Ze^jϕ

otrzymamy po przekształceniach w miejsce jednego równania równowagi układ dwóch równań, które muszą być spełnione równocześnie

Z₁⋅Z₄=Z₂⋅Z₃

ϕ₁+ϕ₄=ϕ₂+ϕ₃

gdzie:

Z - wartość bezwzględna impedancji [Ω]

ϕ- kąt przesunięcia fazowego [rad]

Wynika stąd konieczność podwójnego równoważenia mostka, w każdym razie przy pomiarach dynamicznych organami regulacji oporowej R oraz regulacji pojemnościowej C. W niniejszym opracowaniu zrezygnujemy z omawiania praktycznej realizacji tego problemu.

4. WŁĄCZANIE TENSOMETRÓW DO MOSTKA POMIAROWEGO

Włączenie jednego tensometru T₁ w miejsce jednego z oporników mostka np. w miejsce R₁ umożliwia wykonanie pomiaru zmian jego oporu. Wtedy R₂ musiałby być opornikiem o stałym oporze równym oporowi nominalnemu tensometru T₁. Oporniki R₃ i R₄ wchodzą wtedy w skład przyrządu pomiarowego. Jednakże w czasie dokonywania pomiarów temperatura obiektu wraz z naklejonym na nim tensometrem T₁ może z różnych powodów zmienić się o
t [°C].

Z tego powodu pojawi się odkształcenie termiczne tensometru

, ε_t = (α₁ + α₂)
t
gdzie:

α₁- współczynnik cieplnej rozszerzalności liniowej materiału obiektu mierzonego,

α₂ - współczynnik cieplnej rozszerzalności liniowej tensometru.

Odkształcenie termiczne tensometru ujawni się jako zmiana oporu sugerująca rzekomą zmianę naprężeń w mierzonym obiekcie. Celem uniknięcia tego błędu stosuje się w miejscu opornika R₂ drugi tensometr T₂ naklejony na nie obciążony kawałek materiału identycznego z materiałem obiektu i umieszczony w tych samych warunkach cieplnych w bezpośredniej bliskości tensometru R₁. Tensometr T₂ nazywany jest tensometrem kompensacyjnym i eliminuje wpływ zmian temperatury obiektu przez dodanie w obu gałęziach mostka tej samej wartości przyrostu oporu. Opisany wyżej sposób włączenia tensometrów do mostka oznaczono w instrukcjach obsługi mostków .Spółdzielni „WAMEL" symbolem PP1.

Istnieją dalsze dwie możliwości włączenia tensometrów do mostka oznaczone przez PP2 i PP4 w zależności od ilości czynnych tensometrów. Łącznie z poprzednio omówionym sposobem opis ich zebrano w poniższym zestawieniu.

a) PP1 - Jeden czynny tensometr

Opornik R₁ mostka zastąpiono czynnym tensometrem T₁ a opornik R₂ tensometrem kompensacyjnym T₀. Układ umożliwia pomiar naprężeń rozciągających lub ściskających.

Rys. 3

b) PP2 - Dwa czynne tensometry

Oporniki R₁ i R₂ zastąpiono dwoma czynnymi tensometrami T₁ i T₂. Gdy jeden z nich naklejono na części rozciąganej obiektu, drugi musi być naklejony na ściskanej. Wtedy zmiany oporu
R₁ i
R₂ mają znaki przeciwne i układ umożliwia pomiar naprężeń (momentów) gnących lub skręcających. Jeżeli 
R₁ = [
R₂] to czułość układu jest dwa razy wyższa niż w przypadku połączenia PP1.

c) PP4 - Cztery czynne tensometry

Wszystkie cztery oporniki mostka zastąpiono tensometrami czynnymi T₁, T₂, T₃₎ T₄. Tensometry T₁ i T₄ podlegają odkształceniu o znaku przeciwnym niż T₂ i T₃.

Jeżeli R₁ = R₂ = R₃ = R₄ wtedy czułość mostka rośnie 4-krotnie w stosunku do połączenia PP1. Wkład możliwy jest w praktycznej realizacji najlepiej w połączeniu z mostkami typu kompensacyjnego. Połączenia PP1 i PP2 zwane są również układem półmostka, a PP4 układem pełnego mostka.

6. PRZYKŁADY WYZNACZANIA PROSTSZYCH STANÓW ODKSZTAŁCENIA

Zastosowanie tych połączeń podano w tabeli rysunkowej (rys. 3).

Dwa pierwsze sposoby pomiaru nie wymagają omówienia.

Pozycja 3

Pomiar odkształcenia wywołanego siłą osiową przy jednoczesnym występowaniu momentu gnącego, np. w wyniku działania siły pod kątem a do osi pręta. Można wykazać, że układ ten jest czuły jedynie na odkształcenia wywołane składową osiową.

Pozycja 4

Pomiar odkształcenia wywołanego momentem gnącym przy jednoczesnym występowaniu siły osiowej , np. w wyniku nie prostopadłego kierunku działania siły wywołującej moment gnący. Tensometry połączone w układzie PP2. Można wykazać że układ ten mierzy w tym przypadku tylko odkształcenia wywołane momentem gnącym.

Pozycja 5

Układ ten służy do pomiaru odkształcenia wywołanego momentem gnącym. Siła osiowa ewentualnie występująca jednocześnie nie ma wpływu na pomiar podobnie jak poprzednio.
Tensometry połączone są w układzie PP4.

Pozycja 6 '

Pomiar siły gnącej przeprowadza się w połączeniu tensometrów PP2 z tym, że oba tensometry naklejono po stronie rozciąganej belki. Potrzebne zależności podane są na rysunku. Siła osiowa i w tym przypadku nie ma wpływu na wynik pomiaru. Zależności podane na rysunku są ścisłe w przypadku, gdy moment gnący jest liniową funkcją położenia.

Pozycja 7

Układ ten w połączeniu PP2 służy do pomiaru odkształcenia wy-wołanego czystym momentem skręcającym tylko w prętach o przekroju kołowym lub pierścieniowym. Tensometry naklejone są dokładnie pod kątem 45° do osi pręta i pod kątem 90° wzajem-nie do siebie. Układ nie jest czuły na obecność siły osiowej, nato-miast obecność momentu gnącego może spowodować powstanie błędu pomiaru w zależności od kierunku działania tego momentu.

Pozycja 8

Układ w połączeniu PP4 służy do pomiaru odkształcenia wywołanego momentem skręcającym również tylko w prętach o przekroju kołowym lub pierścieniowym. Układ nie jest czuły na obecność momentu gnącego lub siły osiowej. Specjalnie nadaje się on do pomiaru odkształceń skręcających w ciałach wirujących ponieważ skończona wartość oporu przejścia między wirującymi pierścieniami ślizgowymi a szczotkami zbierającymi nie powoduje błędu pomiaru przeprowadzonego w tym układzie.

Pozycja 9

Układ w połączeniu PP2 przystosowany jest do pomiaru odkształcenia wywołanego momentem gnącym. Jeżeli pręt ma przekrój kołowy, a tensometry naklejono dokładnie równolegle do osi pręta i na przeciwległych włóknach odkształcenia wywołane jednocześnie występującym momentem skręcającym nie zostaną wykazane. To samo dotyczy siły osiowej

Pozycja 10

Układ w połączeniu PP2, ale po dwa tensometry połączone w szereg w każdej z dwu gałęzi czynnych mostka. Układ mierzy siłę osiową i nie jest wrażliwy na moment gnący lub skręcający w przypadku pręta o przekroju kołowym.

Pozycja 11

Układ w połączeniu PP4 w zastosowaniu do dynamometru pierścieniowego.

6. POMIAR ZA POMOCĄ ROZET TENSOMETRYCZNYCH

Wykonanie pomiarów służących do określenia płaskiego stanu naprężeń sprowadza się do pomiaru odkształceń w dwu głównych kierunkach. Nie zawsze jednak kierunki te są znane. Stosuje się wtedy tzw. rozety tensometryczne, czyli zestawy trzech lub czterech tensometrów ustawionych wzajemnie pod określonymi kąta-mi na wspólnej podkładce. Rysunek 4 przedstawia parę typowych rozet potrójnych i poczwórnych.

.

Rys. 4. Typowe rozety tensometryczne

Jeżeli odkształcenia w nieznanych prostopadłych do siebie kierunkach głównych oznaczone zostaną przez

ε_max i ε_min

to odkształcenie w dowolnym kierunku ε_i będzie ruwne

ε_i =

W równaniu tym α_i jest kątem nachylenia kierunku ε_i względem ε_max .Dla trzech kierunków odkształceń rozety układa się trzy równania tworzące układ równań, z którego można wyznaczyć ε_max ,ε_min oraz kąt α₁. Podobnie postępuje się w przypadku rozet poczwórnych. Na rysunku 5 zebrano wzory potrzebne do przeliczeń wyników pomiarów czterema typami rozet.

Przy pomiarach rozetami potrzebny jest zestaw pomiarowy trzech lub czterech mostków tensometrycznych lub mostek wielokrotny. Nie należy natomiast stosować kolejnego przełączania mostka na poszczególne tensometry rozety, ponieważ związane by to było z wielokrotnym obciążaniem i odciążaniem mierzonego obiektu. Nie można wtedy spodziewać się uzyskania powtarzalności stanu obciążeń, która byłaby warunkiem koniecznym uzyskania prawidłowych wyników. Rozety tensometryczne można stosować tylko tam gdzie spodziewane gradienty odkształceń są niewielkie ,czyli tam gdzie pole odkształceń jest w przybliżeniu jednorodne . W miejscach ostrych koncentracji naprężeń rozety zawodzą z powodu znacznych ich rozmiarów . W takich miejscach trzeba stosować inne metody eksperymentalnej analizy naprężeń. .

7. UPROSZCZONY OPIS PEŁNEGO UKŁADU POMIAROWEGO

Najwcześniejsze konstrukcje mostków tensometrycznych, dotąd zresztą produkowane, były zasilane prądem stałym. Rozwiązanie to umożliwia bezpośredni odczyt napięcia pomiarowego (w metodzie wychyłowej) pomoc czułego galwanometru. Brak jakichkolwiek wzmacniaczy z jednej strony przyczynia się do zwiększenia dokładności pomiaru, ale z drugiej strony ogranicza możliwość rejestracji zmian napięcia pomiarowego przy przebiegach zmiennych w czasie.

: Rys. 6. Zmodulowana w mostku Wheatstone'a fala nośna przed

wyprostowaniem

Potrzeba rejestracji przebiegów dynamicznych stała się przyczyną wprowadzenia konstrukcji mostków o zasilaniu prądem zmiennym. Zasadniczy mostek wraz z włączonymi tensometrami służy do zmodulowania amplitudy napięcia zasilania. Częstotliwość prądu zmiennego zasilania jest parokrotnie wyższa od najwyższej częstotliwości mierzonego przebiegu. Po wzmocnieniu zmodulowanej fali nośnej we wzmacniaczu prądu zmiennego zostaje ona wyprostowana w prostowniku tzw. fazoczułym, a potem ulega odfiltrowaniu w filtrze dolnoprzepustowym. Na wyjściu te-go filtru pozostaje zatem tylko wzmocnione napięcie pomiarowe z mostka Wheatstone'a. Uproszczony schemat blokowy pełnego mostka pomiarowego do pomiarów dynamicznych przedstawia rys. 7.

Rys. 7. Schemat blokowy mostka tensometrycznego

Wzmocnienie wzmacniacza dobiera się tak, by napięcie i zapas mocy stopnia końcowego były wystarczające do wysterowania normalnie spotykanych urządzeń rejestrujących. Niekiedy jednak może zaistnieć konieczność włączenia pomiędzy mostek pomiarowy a rejestrator dodatkowego wzmacniacza mocy. Ma to miejsce wtedy, gdy urządzenie rejestrujące wymaga zasilania stosunkowo dużym prądem np. w przypadku oscylografów pętlicowych z rnałoczułymi pętliczkami do rejestracji przebiegów szybko-zmiennych. Wzmacniacz mocy musi być wtedy tzw. wzmacniaczem prądu stałego.

Dla pomiarów czysto statycznych w zasadzie stosowana jest tylko metoda zerowa, w której przyrząd wskazujący służy do stwierdzenia braku przepływu prądu przez niego.

Jakkolwiek możliwe jest i często się stosuje bezpośrednie włączenie galwanometru do mostka i zasilanie prądem stałym, to z szeregu przyczyn ubocznych, a głównie dla uniknięcia tzw. pełzania zera, rozpowszechniło się i w metodzie zerowej rozwiązanie z falą nośną.

Pełzanie zera jest to powolna utrata równowagi mostka powstająca głównie na skutek pojawienia się, w układzie pomiarowym ,,pasożytniczych" sił elektromotorycznych na połączeniach lutowanych i z powodu różnic temperatur pomiędzy różnymi punktami układu. Przy stałym kierunku przepływu prądu powstaje zjawisko powolnego narastania ładunku elektrycznego w układzie co powoduje wyprowadzenie go z równowagi. Przy zasilaniu mostka prądem zmiennym pełzanie zera zmienia kierunek w takt częstotliwości nośnej, czyli średnio w czasie pozostaje równe zeru. W praktyce mimo to pozostaje zawsze pewne szczątkowe pełzanie zera, spowodowane nieuniknioną niewielką asymetrią układu pomiarowego. Wartość jego może sprawiać pewien kłopot dopiero przy bardzo długotrwałym pomiarze statystycznym np. utrzymanie obciążenia badanej konstrukcji przez kilka dni z włączoną cały czas aparaturą pomiarową.

8. WYBRANE PROBLEMY TECHNIKI PRZYGOTOWANIA

POMIARU

W układzie pomiarowym, szczególnie przy pomiarze wielopunktowym (z przełączaniem punktów pomiarowych) należy stosować tensometry jednego wytwórcy, tego samego typu i z jednej partii produkcyjnej.

Dopuszczalne różnice oporów tensometrów we wszystkich przypadkach połączeń PP1, PP2 i PP4 wynoszą średnio ± 1%, jeżeli żądamy dokładności pomiaru
ε = 0,005‰ a najmniejszy możliwy odczyt wynosi
ε = 0,002 ‰.

Dopuszczalna różnica współczynnika czułości K jest różna w zależności od materiału mierzonego obiektu (przy założeniu, że wytwórca podaje wartość K z błędem ± 2%). Należy dobierać tensometry dla pomiarów:

a) na aluminium - K - jednakowe

b) na mosiądzu - max AK = 0,03

c) na stali - max AK =0,05

Charakterystyki tensometrów

Wytwórcy na ogół podają zakres dopuszczalnych odkształceń, graniczne temperatury pracy, dopuszczalny prąd, który może płynąć przez tensometr oraz tolerancje wykonawcze (lub selekcji) produkowanych przez siebie tensometrów. Jako dane orientacyjne można przyjąć, że producent wykonuje tensometry z tolerancjami

- opór nominalny R ± 2%

- współczynnik czułości K ± 2%

- max. częstotliwość mierzalna f_g≤50000 Hz

- max. temperatura (zależy od materiału podkładki i drutu oporowego)

- liniowość
do ε = 15÷20‰

- powrót do zera prawidłowy (brak histerezy) do ε = 3‰

- dopuszczalny prąd max

przy pomiarach statycznych I_max = 20mA

przy pomiarach dynamicznych I_max=34mA

Klejenie tensometrów

Pomiary dokonywane tensometrami mają sens tylko gdy tensometry stanowią jedną całość z mierzonym obiektem: W tym celu konieczne jest bardzo staranne ich przyklejenie klejem, który powinien tworzyć warstewkę jak najcieńszą, ale jednocześnie zapewniającą doskonałą izolację elektryczną pomiędzy czujnikiem a obiektem.

Klejenie i następujące po nim suszenie ma więc zasadnicze znaczenie. Najlepiej jest przestrzegać w tym względzie możliwie dokładnie wskazówek producenta tensometrów i stosować kleje przez niego polecane. Takie postępowanie oszczędza wiele wydatków i straty czasu z powodu błędnych wyników.

nakfadka ochronna

Rys. 8. Połączenie tensometru z przewodami

Ogólne wskazówki odnośnie postępowania przy klejeniu tensometrów są następujące:

a) oczyścić powierzchnię obiektu drobnym płótnem ściernym,

b) umyć i dobrze odtłuścić to miejsce i okolicę acetonem,

c) nie dotykać tak przygotowanego miejsca palcami,

d) nałożyć równomiernie cienką warstwę kleju i wysuszyć,

e) nałożyć taką samą warstewkę kleju na odwrotną stronę tensometru i zaraz przyłożyć na przedmiot w miejscu i w kierunku pomiaru,

f) wycisnąć bańki powietrza spod tensometrów uważając by nie przesunąć, nie naciągnąć lub nie sfałdować tensometru,

g) docisnąć silnie tensometr do podłoża np. klockiem gumowym,

h) suszyć minimum 6 godzin, najlepiej pod promiennikami podczerwieni (dla poważnych wielodniowych pomiarów suszenie trwa do 24 godzin),

i) bezpośrednio po suszeniu zabezpieczyć naklejony tensometr przed wilgocią np. przez pokrycie roztopionym woskiem.

Przed połączeniem naklejonych tensometrów z mostkiem na-leży sprawdzić ich opór. Tensometry, których opór wzrósł o więcej niż 2% w stosunku do oporu przed klejeniem nie nadają się do pomiaru. Trzeba je usunąć i klejenie przeprowadzić ponownie. Przy oznaczaniu przyrostu oporu tensometru nie należy brać za podstawę oporu nominalnego, ani też podanego przez producenta ponieważ posiadane przez nas urządzenie pomiarowe najprawdopodobniej obarczone jest błędem systematycznym odmiennym od urządzenia wytwórcy. Dlatego należy sprawdzić opór tensometru przed naklejeniem i tym samym urządzeniem - po naklejeniu. Tylko taka procedura zapewnia względnie dokładny pomiar.

Następnie należy sprawdzić za pomocą megomierza opór izolacji pomiędzy tensometrem a obiektem. Opór ten powinien wynosić 50 ÷ 200 MΩ i nie powinien spaść poniżej 30 MΩ. Przy krótkotrwałych pomiarach dynamicznych dopuszcza się opory mniejsze. Jednakże opór mniejszy niż 10 MΩ świadczy o wadliwym na-klejeniu tensometru.

Nie wolno do pomiaru stosować megomierzy induktorowych napędzanych ręcznie, ponieważ wytworzone przez nie dość wysokie napięcie może uszkodzić tensometr.

Połączenie tensometrów z mostkiem

Przewody łączące tensometr z mostkiem trzeba silnie umocować do obiektu w bezpośredniej bliskości przyklejonego tensometru. Końce przewodów należy przylutować do końcówek tensometrów używając do tego celu tinolu tj. rurki cynowo-ołowiowej z rdzeniem z kalafonii. Nie wolno stosować past lutowniczych a tym bardziej kwasu do lutowania. Końcówki tensometru należy przed lutowaniem uformować w postaci wężyków lub na kształt litery omega i przed połączeniem odgrodzić od obiektu dodatkową przekładką np. z przylepca lekarskiego, jak na rysunku 8.

Taki sposób połączenia zabezpiecza przed mechanicznymi uszkodzeniami tensometrów. Można również wykonać pomocnicze „koziołki" z żywicy epoksydowej (Epidian) z zalanymi dwoma kawałkami sztywnego srebrzonego drutu miedzianego. Koziołki te przylepia się żywicą epoksydową do obiektu w pobliżu tensometru (w razie samodzielnego wykonywania „koziołków" formę trzeba wykonać z miękkiego polietylenu). Do wspomnianych drutów lutuje się z jednej strony końcówki tensometrów, a z drugiej prze-wody łączące z mostkiem. Sposób ten stosuje się przy pomiarach dynamicznych.

Przewody łączące powinny być jednakowej długości o prze-kroju co najmniej l mm² w dobrej izolacji. Zaleca się wzajemne splecenie przewodów celem usunięcia wpływu pól obcych zmian indukcyjności i pojemności. W przypadku obecności silnych pól obcych może być konieczne, szczególnie przy pomiarach dynamicznych zastosowanie kabli ekranowanych. Kable te nie powinny mieć oporu większego niż 0,05Ω na l m długości oraz pojemność własną nie większą niż 40-45 pF na l m. Zawsze stosuje się kable ekranowane przy przewodach dłuższych niż 20 m. Wymagania stawiane kablom ekranowanym łatwo uzasadnić jeśli zdamy sobie sprawę, że wprowadzają one do układu równolegle do oporu tensometru - dodatkową pojemność oraz w szereg z nią - dodatkowy opór.

9. UWAGI KOŃCOWE I LITERATURA

Powyższe opracowanie zostało napisane z myślą o wprowadzeniu początkujących w problematykę pomiarów tensometrami oporowymi.

Nie może mieć ono pretensji do wartości naukowej, a ma spełnić jedynie pewną rolę dydaktyczną. Osoby pragnące poważniej poświęcić się eksperymentalnej analizie naprężeń przy wykorzystaniu techniki tensometrii oporowej powinny opanować w szerszym zakresie podstawy teorii sprężystości i wytrzymałości materiałów korzystając z literatury źródłowej. Jeśli chodzi o samą technikę pomiarową, odsyłamy zainteresowanych do opracowań książkowych:

1. Zimmermann: „Pomiary naprężeń i drgań metodami elektrycznymi", Warszawa, PWT 1959 r.

2. Z. Roliński: „Zarys elektrycznej tensometrii oporowej", Warszawa, WNT 1962 r.

---