plik


ÿþUNIWERSYTET TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY w BYDGOSZCZY WydziaB In|ynierii Mechanicznej ZakBad In|ynierii Biomedycznej Sensory i pomiary wielko[ci nieelektrycznych INSTRUKCJA DO WICZEC NR 4, 5 TENSOMETRIA OPOROWA. POMIAR TENSOMETRYCZNY SIAY I ODKSZTAACENIA Wprowadzenie 1. Zasada pomiarów tensometrycznych Metody tensometryczne s podstawowym sposobem okre[lania napr|eD w wybranych punktach na powierzchni konstrukcji. Metody te opieraj si na pomiarze przemieszczeD na wybranym odcinku pomiarowym zwanym baz pomiarow o ustalonej dBugo[ci. L0, za pomoc urzdzeD zwanych tensometrami. Typy tensometrów (ang. strain gauges): 1. mechaniczne (tensometr Huggenbergera, tensometry zegarowe), 2. ekstensometry (mechaniczne, elektryczne, fotooptyczne), 3. czujniki elektooporowe, 4. indukcyjne, 5. optyczne. 2. Tensometria oporowa Na rys. 1 przedstawiono zasad pomiaru odksztaBcenia prta tensometrem oporowym. Podstawowym elementem czujnika jest drut oporowy. Charakteryzuje si on tym |e podczas zmiany dBugo[ci drutu zmienia si jego opór elektryczny. Zale|no[ ta powinna by liniowa i [ci[le okre[lona. Rys. 1. Zasada pomiaru siBy dziaBajcej na rozcigany prt: a) schemat pogldowy, b) schemat elektryczny 2 Na rys.1b przedstawiono schemat elektryczny omawianego ukBadu. Metalowy element badany jest poddany dziaBaniu rozcigajcej siBy F w zakresie odksztaBceD spr|ystych. Do jego koDców jest przymocowany czujnik z cienkiego drutu o oporno[ci R poBczony szeregowo w zamknitym obwodzie ze zródBem napicia i woltomierzem. Pod wpBywem siB dziaBajcych na rozcigany element rozcigniciu ulega czujnik  jego dBugo[ L wzrasta a pole przekroju A zmniejsza si. WpByw tych zmian na rezystancj drutu opisuje wzór: gdzie: R  rezystancja drutu oporowego, &!, Á  rezystywno[, opór elektryczny wBa[ciwy, &! ‡m, L  dBugo[ przewodnika, m, A  powierzchnia przekroju przewodnika, m2. Jak wynika z powy|szego wzoru rezystancja drutu wzrasta pod wpBywem siBy. Powodujc wzrost napicia UR na odcinku pomiarowym zgodnie z prawem Ohma: Poniewa| w obwodzie jest staBe napicie zasilajce UZ zmiana napicia na czujniku UR powoduje zmian wskazaD napicia UW wskazywanego przez miernik: gdzie: UZ = const  napicie zasilania, UR  napicie na czujniku, UW  napicie wskazywane na mierniku. 3 Napicie UW maleje, a jego zmiana jest proporcjonalna do odksztaBcenia elementu rozciganego. Przy zapewnieniu proporcjonalno[ci (liniowo[ci) przyrostu oporu elektrycznego do przyrostu wydBu|enia otrzymujemy proste lecz precyzyjne narzdzie zamiany odksztaBceD mechanicznych na sygnaB elektryczny. Zakres siBy dziaBajcej na drut pomiarowy musi zawiera si w zakresie odksztaBceD spr|ystych materiaBu z którego jest wykonany, gdy| po jednorazowym przekroczeniu granicy plastyczno[ci rozciganego drutu jego parametry nie powróciByby do pierwotnych warto[ci - czujnik ulegBby uszkodzeniu. Dlatego istotny jest dobór odpowiednich stopów metali na czujniki, aby uzyska jak najlepsze ich parametry u|ytkowe. 3. Nowoczesne czujniki tensometryczne Rys. 2. Budowa tensometru Nowoczesne czujniki tensometryczne dziaBaj w taki sam sposób jak pierwowzór zBo|ony z jednego rozciganego drutu ale ich wymiary zmniejszono poprzez zastosowanie innego ksztaBtu drutu oporowego uBo|onego w charakterystyczn w|ykowat mozaik zwan te| drabink pomiarow (rys. 2). Dziki umieszczeniu na no[niku z papieru (lub tworzywa sztucznego) wielokrotno[ci maBego odcinka pomiarowego L wymiary gabarytowe czujnika s mniejsze a zmiany oporno[ci s w przybli|eniu takie same jak drutu wyprostowanego. Zmniejsza si dziki temu wielko[ czujnika (tzw. baza pomiarowa) a jego u|ycie staje si Batwiejsze. 4 Czujnik mocuje si do powierzchni badanej za pomoc kleju, tak aby jego o[ symetrii pokrywaBa si z osi dziaBania siBy x-x (rys. 2). Dziki temu najwiksze zmiany oporno[ci uzyskujemy w kierunku zgodnym z poBo|eniem odcinków pomiarowych o dBugo[ci L. PodziaB czujników tensometrycznych ze wzgldu na ilo[ osi pomiarowych: 1. tensometry 1-osiowe, 2. tensometry 2-osiowe, stosowane tam gdzie istnieje potrzeba mierzenia siB w dwóch kierunkach - np. powierzchnia zewntrzna pBaszcza naczyD cylindrycznych  rozstaw osi 90º (rys. 3a), do pomiaru momentu skrcajcego przenoszonego przez waBy pdne - rozstaw osi 45º wzgldem osi waBu, 3. tensometry 3-osiowe (rys. 3b), tzw. rozety tensometryczne  pomiar trzech siB w osiach co 120 stopni  np. do pomiaru odksztaBceD na membranach lub stosowane do[wiadczalnie w polu napr|eD o nieznanych kierunkach, 4. tensometry 4-osiowe (rys. 3c), do pomiaru napr|eD stycznych, do pomiaru odksztaBceD i ugi membran poddanych dziaBaniu ci[nienia, 5. tensometry drabinkowe (rys. 3d), do pomiaru niejednorodnych napr|eD wystpujcych na maBej powierzchni (np. na powierzchni spawu). Rys. 3. Rodzaje czujników tensometrycznych  podziaB ze wzgldu na ilo[ osi pomiarowych 4. Parametry techniczne tensometrów Do podstawowych parametrów technicznych tensometrów nale|: ·ð baza pomiarowa - jest to dBugo[ czujnika oznaczona liter L, ·ð rezystancja  opór elektryczny czujnika. Rezystancje typowych czujników wynosz np. 120, 270, 350,1000 &!. Warto[ci te s dobrane wg typoszeregów w zale|no[ci od tego w jakiej dziedzinie tensometrii s stosowane, 5 ·ð staBa tensometryczna k  opisuje bezwymiarowo wBasno[ci metrologiczne tensometru (zale|ne od materiaBu i technologii). Warto[ standardowa wynosi od 2 do 3. Czym wy|sza staBa tensometryczna tym wy|sza czuBo[ tensometru, ·ð zakres pomiarowy - definiuje zdolno[ pomiarow czujnika pomidzy minimaln a maksymaln warto[ci odksztaBceD przy których czujnik nie dozna uszkodzenia, ·ð czuBo[ pomiarowa - wyra|a przyrost napicia na rezystancji czujnika podczas odksztaBcenia równego maksymalnej warto[ci (przypadajcego na 1V zasilania). Na charakterystyce mo|emy j zdefiniowa jako nachylenie charakterystyki czujnika. CzuBo[ tensometru wyra|a si w mV/V, ·ð dopuszczalny prd pomiarowy  okre[la warto[ prdu dla prawidBowej pracy czujnika (zbyt du|a warto[ prdu powoduje samonagrzewanie czujników co ma istotny wpByw na dokBadno[ pomiaru, w ekstremalnym przypadku mo|e nastpi zniszczenie czujnika np. poprzez przypadkowe podBczenie zbyt du|ego napicia). Standardowe warto[ci zawieraj si w granicach od kilku do kilkudziesiciu mA (specjalne wykonania pracuj nawet z prdem kilkuset mA), ·ð zakres temperatur pracy w którym tensometr zachowa swoje wBasno[ci metrologiczne (specjalne wykonania dopuszczaj temperatury nawet do 1000Ú C). 5. Rodzaje tensometrów Rozró|niamy trzy podstawowe typy tensometrów ze wzgldu na technologi wykonania: ·ð drucikowe (drut o [rednicy od 0,02 do 0,05 mm)  odporne na wysok temperatur (w|ykowe lub kratowe), ·ð foliowe (folia metalowa o grubo[ci od 0,002 do 0,02 mm)  u|ywane najcz[ciej, ·ð napóBprzewodnikowe (wysoka staBa k, od 100 do 150), silny wpByw temperatury, delikatne. 6. Wymagania stawiane czujnikowi tensometrycznemu ·ð liniowa zale|no[ midzy zmian oporu a przemieszczeniem, ·ð wysoki wspóBczynnik czuBo[ci (staBa tensometryczna) k, ·ð wysoka oporno[ wBa[ciwa pozwalajca budowa czujniki o maBych wymiarach, ·ð niski wspóBczynnik termicznej zmiany oporno[ci, 6 ·ð dobra przewodno[ cieplna (dobre odprowadzenie z czujnika ciepBa wytworzonego przez pByncy prd), ·ð niewra|liwo[ na odksztaBcenia poprzeczne do kierunku odksztaBceD mierzonych, ·ð wysoka oporno[ izolacji. 7. Zalety czujników tensometrycznych ·ð du|a dokBadno[, ·ð mo|liwo[ stosowania w miejscach trudno dostpnych, ·ð rozBczno[ czujnika i ukBadu rejestrujcego, ·ð mo|liwo[ pomiarów statycznych i dynamicznych. 8. Wady czujników tensometrycznych ·ð podatno[ na wpBywy temperatury i wilgoci, ·ð wysoka cena czujników (czujniki raz naklejone nie mog by usunite i ponownie u|yte), ·ð rozBczno[ czujnika i ukBadu rejestrujcego, ·ð zdalny pomiar, ·ð kosztowne badania (kwalifikowana obsBuga). 9. GBówne zastosowanie czujników tensometrycznych ·ð analiza napr|eD powstajcych w elementach konstrukcji podczas ich pracy w obiekcie lub podczas prób w laboratorium, ·ð analiza napr|eD wBasnych w elementach konstrukcji nie poddanych obci|eniom (np. metod wierconego otworu), ·ð budowa przetworników wielko[ci mechanicznych  wówczas tensometry naklejone s na materiaB o znanych parametrach wytrzymaBo[ciowych i o okre[lonym ksztaBcie (np. belka zginana - przetworniki siBy lub wagi, membrana  przetworniki ci[nienia). 7 10. Kompensacja wpBywu temperatury Podczas pracy czujników tensometrycznych, du|y wpByw na wynik pomiaru ma temperatura otoczenia. Do kompensacji tego wpBywu stosuje si nastpujce sposoby: ·ð zastosowanie tensometrów samokompensujcych zawierajcych element kompensujcy zintegrowany z czujnikiem (do [cie|ki oporowej tensometru jest dodany odcinek z innego metalu, np. z platyny), ·ð dobór tensometrów o wikszej rezystancji lub zastosowanie mniejszego napicia zasilania - poniewa| jednym z czynników wpBywajcych na dokBadno[ jest samonagrzewanie czujnika podczas pracy  mo|na to wyeliminowa przez zmniejszenie prdu pByncego przez czujnik zmniejszajc napicie lub zwikszajc rezystancj, ·ð dobranie czujników o wspóBczynniku rozszerzalno[ci cieplnej równej lub zbli|onej do materiaBu badanego (np. innych dla stali, aluminium, |eliwa czy betonu), ·ð zastosowanie mostka tensometrycznego, ·ð poprzez eliminacj wpBywu rezystancji doprowadzeD (np. dodatkowe przewody kompensujce), ·ð zastosowanie termometru w czujniku pomiarowym podBczonego oddzielnymi przewodami do wzmacniacza pomiarowego (kompensacja nastpuje we wzmacniaczu pomiarowym), ·ð zastosowanie ochronnej warstwy lub obudowy na czujniki lub mostki np. pokrycie czujnika ochronn ta[m, klejem, zabudowanie metalow puszk ochronn z izolacj termiczn. W niektórych przypadkach stosuje si podgrzewanie czujników wraz z elementem badanym np. gdy element pracuje w bardzo niskiej temperaturze. 11. UkBady pomiarowe stosowane w pomiarach tensometrycznych Mostek Wheastone'a Zmiana rezystancji pojedynczego tensometru pod wpBywem odksztaBceD jest stosunkowo maBa i trudna do zmierzenia dlatego do pomiarów stosuje si znany z elektrotechniki ukBad mostka elektrycznego (tzw. mostek Wheastona - rys. 4) zBo|ony z 4 elementów rezystancyjnych. W miejsce oporników wBcza si elementy czynne - tensometry. Rodzaj mostka zale|y od ilo[ci elementów czynnych tzn. tych na które dziaBa mierzona siBa. W wiermostku (rys. 5) jest to 1 element czynny, w póBmostku 2 (rys. 6), a w peBnym mostku 4 elementy czynne (rys. 7). Zalet dwóch ostatnich 8 rozwizaD jest samo kompensacja temperaturowa i wiksza czuBo[ pomiarowa. W ukBadzie peBnego mostka 4 elementy tensometryczne s poBczone i naklejone na badany materiaB lub na czujnik w taki sposób, |e w mostku panuje równowaga elektryczna tzn. na wyj[ciu mostka jest napicie zerowe. Rys. 4. Mostek Wheastone'a UkBad wiermostka Rys. 5. UkBad wier mostka 9 UkBad póBmostka Rys. 6. UkBad póB mostka UkBad peBnego mostka Rys. 7. UkBad peBnego mostka 10 12. Cel wiczenia laboratoryjnego Celem wiczenia jest pomiar siBy i odksztaBcenia. Pomiar ten odbywa si bdzie przez zdjcie warto[ci napicia z siBomierza i ekstensometru. wiczenie wykonane zostanie na maszynie wytrzymaBo[ciowej Instron 8874. 13. Przebieg wiczenia Próba polega na rozcigniciu i powrocie do pierwotnej dBugo[ci próbki w zakresie odksztaBceD spr|ystych materiaBu próbki. Po zamocowaniu próbki w maszynie wytrzymaBo[ciowej nale|y zaBo|y na ni ekstensometr. Próbk napr|amy pocztkow siB równ F0=100 N, któr to warto[ przyjmujemy jako umowne zero. Nastpnie obci|enie zwikszamy o zadan warto[. Po osigniciu okre[lonej warto[ci wydBu|enia lub siBy próbk odci|amy z t sama prdko[ci do punku pocztkowego. Podczas próby odczytujemy na mierniku w okre[lonych przedziaBach czasowych warto[ sygnaBu (napicia) podawanego z siBomierza i ekstensometru. 14. Próbki do badaD Próbka stalowa lub aluminiowa o ksztaBcie przekroju koBowym lub prostoktnym. 15. Czynno[ci przed badaniem Przed rozpoczciem próby nale|y: 1. ustali rodzaj materiaBu próbki, 2. wstpnie ustali przybli|on warto[ granicy plastyczno[ci, 3. narysowa i zwymiarowa próbk, 4. ustali warto[ pocztkowej siBy rozcigajcej F0, 5. ustali warto[ kalibracji wyj[cia napiciowego przyrzdów, 6. zamocowa próbk w maszynie wytrzymaBo[ciowej, 7. napr|y próbk siB F0 = 100N, 8. zamocowa ekstensometr na próbce i ustawi jego wskazania na zero, 9. ustali dBugo[ bazy pomiarowej L0 (odcinka wyznaczonego przez ostrza tensometrów, na którym dokonywany jest pomiar wydBu|enia ”L próbki). 16. Czynno[ci podczas badania W czasie próby nale|y: 1. W okre[lonych przedziaBach czasowych zapisywa warto[ci napicia otrzymane z 11 siBomierza i ekstensometru, 2. dodatkowo mo|na notowa wielko[ci siBy rozcigajcej oraz odksztaBcenie lub przemieszczenie z komputera sterujcego maszyn wytrzymaBo[ciow. 17. Sprawozdanie z wykonania wiczenia Sprawozdanie z wykonania wiczenia powinno zawiera: 1. opis badanego materiaBu, 2. rysunek przedstawiajcy ksztaBt i wymiary próbki, 3. warto[ci parametrów próby, 4. tabelk z warto[ciami napi, 5. wykres ptli otrzymanej z warto[ci napi w funkcji czasu (po odpowiedniej modyfikacji), 6. wykres warto[ci napi dla gaBzi obci|ania i odci|ania próbki w funkcji czasu, 7. wykres otrzymanej ptli (na osi odcitych x  warto[ napicia z ekstensometru, na osi rzdnych y  warto[ napicia z siBomierza), 8. porównanie moduBów spr|ysto[ci otrzymanych z wykresów napi obu gaBzi ptli (podobnie jak w wiczeniach 4,5), 9. analiz wyników i wnioski. 12

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
50 Pomiary przyspieszenia siły ciężkości
Krasiński Sieńko badania pali z pomiarem dystrybucji sily darlowek 10
cw3 pomiar masy sily
1 MDM lab Pomiar odkształceń elementów konstrukcji metodą tensometriiid?44
Tensometria oporowa, zasada budowy i działania, układy pomiarowe
08 mostki oporowe, mostki tensometryczneidu85
wykłady cz 1 pomiary tensometryczne MWNE 13
tensometria oporowa
Cw 1 Zastosowanie metod tensometrycznych w pomiarach przemyslowych ver2
Tensometria oporowai
Tensometryczne pomiary momentu skręcającego
statyczne pomiary tensometryczne

więcej podobnych podstron