plik


Tensometria oporowa 1. Opis zjawiska fizycznego W przewodniku poddanym dziaBaniu zewntrznych siB wystpuj napr\enia w kie- runku dziaBania siBy, zmiany wymiarw geometrycznych oraz wBasno[ci elektrycznych. Zmiany wymiarw geometrycznych wyra\aj si zmian dBugo[ci i pola przekroju poprzecz- nego. Wynikiem tych zmian jest zmiana rezystancji przewodnika. W przypadku pBprzewod- nikw napr\enia mog spowodowa zmiany siatki krystalicznej i rezystywno[ci krysztaBu. Zjawisko to znane jest pod nazw piezorezystywno[ci. W zjawisku tym zmiany geometryczne nie odgrywaj wikszej roli, poniewa\ o zmianie rezystancji decyduje zmiana rezystywno[ci. Je\eli rozpatrzmy element o dBugo[ci l poddany dziaBaniu siBy P (rys. 1) to na podstawie teorii Rysunek 1. Sposb okre[lenia napr\eD w przewodniku wytrzymaBo[ci materiaBw mo\na zapisa, i\ napr\enia wyra\aj si zale\no[ci: P  = (1) A a wydBu\enie wzgldne jest okre[lone zale\no[ci (2): "l  = (2) l WedBug prawa Hooke a mo\na zapisa (3): "l P   = = = (3) l E " A E Wynikiem wydBu\enia elementu jest zmniejszenie przekroju poprzecznego. Stosunek wzgldnej zmiany przekroju dA/A do wydBu\enia okre[la liczba Poisoona  wyra\ona zale\no[ci (4): dA dA - - A A  = = (4) dl 2 " 2" l Na przykBad dla przekroju koBowego wzgldna zmiana przekroju jest okre[lona nastpujcy- mi rwnaniami (5 i 6): 1 2" "D"dD dA 2 4 = = "dD (5) A "D2 D 4  " 2 dA= d D2 = " "D "dD (6) 4 4 Rezystancj R przewodnika wyra\a funkcja (7): l R =  " (7) A gdzie: - rezystywno[ przewodnika. Elementarn zmian oporu przewodnika wyra\a si jako r\niczk zupeBn funkcji (7) i okre[la rwnaniem (8): R R R dR = " dl + " d + " dA (8) l  A Dla przewodnika z rys. 1 poszczeglne pochodne czstkowe funkcji (7) wyra\aj si (9): R  R l R -  "l = ; = ; = (9) l A  A A A2 Po podstawieniu pochodnych czstkowych (9) do rwnania (8) i podzieleniu go przez R mo\na okre[li zale\no[ (10): R l  A = + - ( 10 ) R l  A PrzeksztaBcajc rwnanie (10) przez zastpienie skBadnikw dl/l z (2) i dA/A z rwnania (6) otrzymujemy zale\no[ (11): R   =  + + 2 " " =  "(1+2 " )+ (11) R   W teorii tensometrii rwnanie to jest przedstawiane w postaci (12):  R  R k = = (1+ 2* )+ (12)   Wielko[ k nazywana jest staB ( czuBo[ci ) tensometru, ktra uwzgldnia: " wpByw zmian wymiarw geometrycznych tensometru, " wpByw zmian temperatury przy dziaBaniu napr\eD oraz wpByw piezorezystywno[ci na czuBo[ odksztaBcenia tensometru. Dla przykBadu dla tensometru wykonanego z konstanta- nu osiga ona warto[ci 2,02,1. 2. Konstrukcje i wBa[ciwo[ci tensometrw 2 2.1. Tensometry w\ykowe Tensometry te, ktrych schemat przedstawiono na rys. 2 wykonuje si z drutu oporowego uBo\onego na podBo\u izolacyjnym ( papier, folia celulozowa, \ywica i inne ). W celu uzyskania du\ej rezystancji drut ukBada si na podkBadce b o ksztaBcie w\yka. Doprowadzenia wykonane s z drutu lub folii miedzianej. CaBo[ przykryta jest paskiem papieru. DBugo[ uBo\enia lt drutw pomiarowych nazywa si baz pomiarow tensometru. W tensometrach przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach stosuje si druty ze stopu niklu i chromu oraz platyny i indu. Stopy \elaza, chromu czy alumi- nium mog by stosowane w zakresie [rednich temperatur. Niekiedy stosuje si druty manganinowe o bardzo maBej Rysunek 2. Schemat tensometru drutowego: czuBo[ci rzdu 0,5 przy stosunkowo du\ej a - siatka oporowa, b - podkBadka izolacyjna, wra\liwo[ci na odksztaBcenia poprzeczne c, d - wyprowadzenia, e - nakBadka, f - warstwa do kierunku mierzonych odksztaBceD. kleju, g - element badany. 2.2. Tensometry kratowe Tensometr kratowy skBada si z rwnolegle uBo\onych drutw oporowych poBczonych spawanym mostkiem z grubego drutu lub ta[my miedzianej. Odznacza si maB wra\liwo[ci na odksztaBcenia poprzeczne do kierunku mierzonych odksztaBceD. Rysunek 3. Schemat tensometru kratowego 2.3. Tensometry foliowe Wykonywane s z cienkiej folii metalowej ( 38 mm ). Schemat tensometru foliowego przeznaczonego do pomiaru momentu skrcajcego przedstawia rys. 4. Technolo- gia wytwarzania tensometrw foliowych jest nastpujca. Folia metalowa przyklejona do elastycznego, izolacyjnego no[nika pokrywana jest z jednej strony specjaln Rysunek 4. Schemat tensometru foliowego emulsj [wiatBoczuB. [dany wzr siatki oporowej wraz z doprowadzeniami nanoszony jest na emulsj metod fotograficzn a po na[wietleniu cz[ folii zostaje poddana chemicznemu trawieniu. Tak technologi mo\na wykonywa tensometry o dowolnym ksztaBcie, dobrze przystosowanym do \danego zadania pomiarowego. DBugo[ bazy wynosi min. 0,3 mm. 3 2.4. Tensometry zygzakowate Tensometry zygzakowate odznaczaj si maB zmian wspBczynnika czuBo[ci odksztaBceniowej na odksztaBcenia poprzeczne. CzuBo[ ta wynosi kilka procent warto[ci czuBo[ci w kierunku podBu\nym. Schemat takiego tensometru Rysunek 5. Schemat tensometru zygzakowatego przedstawia rys. 5. 2.5. Tensometry pBprzewodnikowe Czujniki te s wykonywane m.in. z monokrysztaBw germanu lub krzemu. W zwizku z du\ warto[ci wspBczynnika czuBo[ci odksztaBceniowej czujniki nazywane rwnie\ czujnikami napr\no - rezystancyjno pBprzewodnikowymi s chtnie stosowane w tensometrii, zwBaszcza w tych przypadkach, w ktrych chodzi o uzyskanie du\ej czuBo[ci czujnika. S one jednakowo Rysunek 6. Schemat tensometru pBprzewodnikowego skuteczne przy pomiarach statycz- nych jak i dynamicznych. Praca pBprzewodnikowych czujnikw napr\no-rezystancyjnych jest zwizana z przechodzeniem elektronw na r\ne dozwolone poziomy energetyczne, a poniewa\ przechodzenie to odbywa si w czasie 10-12s, wic czujniki te mog by stosowane w du\ym zakresie czstotliwo[ci. 2.5. WBa[ciwo[ci tensometrw Typowe charakterystyki statyczne tensometrycznych czujnikw wykonanych z r\nych metali przedstawiono na rys. 7. Podstawowe dane techniczne tensometrw meta- lowych i pBprzewodnikowych zamieszczono w tablicy 1. Rysunek 7. Charakterystyki statyczne czujnikw tensome- trycznych Tablica 1. Podstawowe dane techniczne tensometrw Rodzaj tensometru DRUTOWE FOLIOWE PAPRZEWODNIKOWE 4 MateriaB siatki Konstantan (60%Cu+40%Ni) Ge+domieszki n,p Nichrom (80%NI+20%Cr) Si+ domieszki n Elinwar (36%Ni+8%Cr+55%Fe+..) fd=1250mm Folia 38mm 120, 300, 350, 500, 600, 1000 rezystancja [&!] 10 100000 DBugo[ bazy 3150 0.2150 0.220 pomiarowej lt [mm] CzuBo[ 2.1 - Konstantan - 100200 K 2.1 - Nichrom 3.6 - Elinwar Liniowo[ [%] 0.1 dla <40 , 1 dla <100 , 1 przy <10 Prg czuBo[ci 0.1 0.1 0.001 odksztaBceD  [ D ]* Zakres mierzonych 3 5 ~ 5 5 6 odksztaBceD [ 0 ] Dopuszczalne 1 przy lt<5mm 3 dla lt<5mm 0.5 odksztaBcenie 12 - lt>5mm 34 dla lt>5mm  [0 ] CzuBo[ poprzeczna - 4 0.1 - 0.2 +2 0.1 [ 0 ] (lt=256 mm) (lt=230.75mm) TrwaBo[ dla 107 107 106  = 100 m/m WspBczynnik (-3.9-6)*10-6 10-5 6*10-4-3*10-3 temperaturowy rezystancji [&!/&!/deg] WspBczynnik ~5*10-6 - 6*10-5-3.3*10-3 temperaturowy nie zmienia si dla czuBo[ci konstantanu przy [1/deg] T=150573 K * - D - mikrodeformacja ( odpowiada ona Dl/l = 10-6 ) 5 Istotnym problemem w czasie pracy tensometru jest wpByw temperatury otoczenia na jego parametry. Wraz ze zmiana temperatury otoczenia zmienia si w sposb mniej lub bardziej znaczcy oporno[ tensometru. Zmian oporno[ci naklejonego czujnika tensometrycznego pod wpBywem temperatury okre[la rwnanie (13). R = k " + [r + k "( p -t )] " "T ( 13 ) R gdzie: k - staBa tensometru,  - odksztaBcenie wzgldne, r - temperaturowy wspBczynnik zmiany rezystancji siatki, p - temperaturowy wspBczynnik liniowej rozszerzalno[ci materiaBu podBo\a, t - temperaturowy wspBczynnik liniowej rozszerzalno[ci materiaBu siatki, "T - przyrost temperatury. Warunkiem kompensacji temperatury jest rwno[ (14): +k "( p -t )= 0 ( 14 ) r Ni\ej wymieniono niektre sposoby kompensacji temperatury: " samokompensacja siatka wykonana jest ze stopw rezystancyjnych i przeznaczona do przyklejania na [ci[le okre[lone podBo\e, wtedy zachodzi rwno[ wspBczynnikw ap=at, " doBczanie tensometrw kompensacyjnych w ukBadzie pB lub peBnego mostka Weatsto- ne a, " montowanie mikrotermoelementw w bezpo[rednim ssiedztwie tensometrw, ktrych napicie dodajc si do napicia wyj[ciowego mostka kompensuje wpByw temperatury. Innym istotnym parametrem tensometru jest jego czstotliwo[ graniczna. Wzgldn zmian mierzonego odksztaBcenia w zale\no[ci od czstotliwo[ci reprezentowanej poprzez dBugo[ fali pobudzenia spr\ystego rozchodzcego si w badanym podBo\u przedstawia rys. 8. Rysunek 8. BBd pomiaru a czstotliwo[ graniczna tensometru ( - dBugo[ fali pobudzenia spr\ystego rozchodzcego si w badanym podBo\u). Natomiast czstotliwo[ graniczn danego tensometru mo\na wyrazi rwnaniem (15):  f = "  "6 ( 15 ) g  "lt gdzie:  - prdko[ dzwiku w materiale podBo\a, 6  - przyjty dopuszczalny bBd pomiaru. 3. Mostek pomiarowy Tensometry w technice pomiarowej pracuj w ukBadzie tzw. mostka pomiarowego. Mo\e to by ukBad np. mostka Wheatshone a. Celem poznania zale\no[ci charakteryzujcych ukBad mostkowy nale\y wyprowadzi zale\no[ci okre[lajce prd w przektnej mostka lub napicie w tej przektnej jako funkcj rezystancji poszczeglnych ramion oraz napicia lub prdu zasilajcego. Schemat mostka pomiarowego przedstawia rys. 9. Rysunek 9. Schemat mostka pomiarowego Warunkiem rwnowagi mostka jest rwnanie (16): " = " (16) R R R R 1 4 2 3 Je\eli miernik nierwnowagi mostka ma oporno[ wej[ciow bardzo du\ (Rw >>0) oraz Rw >>Ri ( Ri - oporno[ tensometru w i-tej gaBzi), oraz zakBadajc, \e E=const i RB=0, to wtedy napicie nierwnowagi wyra\a si przybli\on zale\no[ci (17): " - " R R R R 1 4 2 3 = E " (17) U CD ( + )"( + ) R R R R 1 2 3 4 Pod wpBywem mierzonej wielko[ci zmienia si jedna lub wicej rezystancji w gaBziach mostka. W oglnym przypadku rezystancj Ri w gaBzi i-tej mostka mo\na wyrazi jako sum warto[ci staBej Ri0 i przyrostu "R - rwnanie (18): 7 " R i = + " = "1+ (18) R R R R i i0 i0 i0 R i0 W ukBadzie tzw. peBnego mostka, poszczeglne rezystancje mo\na okre[li zale\no[ciami podanymi w rwnaniu (19): (19) = + " R R R 1 10 1 = + " R R R 2 20 2 = + " R R R 3 30 3 = + " R R R 4 40 4 Podstawiajc rwnania (19) do (17) otrzymuje si zale\no[ (20): 1 E " " " " R R R R 1 2 3 4 = " " - - + (20) U CD " 2 R i R R R R 1 2 3 4 2+" R i dla maBych przyrostw "R mo\na pomin pewne skBadniki w rwnaniu (20) a wtedy przyjmuje ono posta (21): E " " " " R R R R 1 2 3 4 = " - - + (21) U CD 4 R R R R 1 2 3 4 Zale\no[ (21) mo\na rwnie\ przedstawi w postaci (22): E = "( - -3+4) (22) U   CD 1 2 4 3.1. Stosowane ukBady pomiarowe Na rys. 10 przedstawiono szereg schematw konstrukcyjnych, w ktrych okre[lony sposb naklejania tensometru umo\liwia powikszenie sygnaBu wyj[ciowego przy niezmiennej wielko[ci odksztaBcenia. W praktyce pomiarowej mog by stosowane r\ne ich kombinacje. 8 UkBad wier-mostka: je\eli R1=R2 i R4=RT to: Mo\e by wykorzystany np. do pomiaru zginania i E "RT = - U rozcigania: 4 RT + "RT 2 R1 F RT+"R RT+"R mV E R2 R4 E "RT Mo\e by wykorzystany np. do pomiaru rozcigania UkBad pB-mostka: = - U 2 RT (w poni\szym ukBadzie nieczuBym na zginanie): R1 RT+"R RT+"R F mV E RT+"R R4 RT+"R "RT UkBad peBnego mostka: = -E U RT Mo\e by wykorzystany np. do pomiaru zginania (w poni\szym ukBadzie nieczuBym na rozciganie): RT+"R F RT-"R RT+"R b c a b mV E a d c d RT-"R RT+"R RT-"R Rysunek 10. Podstawowe ukBady pomiarowe czujnikami tensometrycznym 9 4. UkBady aparatury tensometrycznej Podstawowy schemat mostka Wheatstone a jest jednakowy zarwno dla pomiarw re- alizowanych przy zasilaniu go prdem staBym, jak i przemiennym. Nie przeprowadzajc szczegBowej analizy, oraz zakBadajc, \e w przypadku pomiarw staBoprdowych ukBad mostka skBada si z rezystancji (oporw czynnych) za[ dla ukBadw zmiennoprdowych - z impedancji ( oporw zespolonych), mo\na stwierdzi, \e je[li wszystkie cztery oporniki s jednakowe, to wyprowadzone w pkt. 3 zale\no[ci s sBuszne zarwno dla prdu staBego, jak i zmiennego. 4.1. UkBad zmiennoprdowy W ukBadzie zmiennoprdowym, na skutek przemienno[ci kierunku przepBywu prdu, wpByw termo ogniw jest eliminowany, a wic pod tym wzgldem ma on istotn przewag nad ukBadem staBoprdowym. Uwzgldniajc ponadto prostsz konstrukcj i znacznie ni\szy koszt wzmacniacza prdu zmiennego, oczywiste staj si powody, wobec ktrych przez szereg lat wikszo[ pomiarw tensometrycznych byBa realizowana w ukBadzie prdu zmiennego. UkBady prdu zmiennego nie s oczywi[cie caBkowicie wolne od wad. Podstawow ich wad jest ograniczenie (od gry) czstotliwo[ci mierzonych przebiegw dynamicznych. Wynika to z faktu, \e w pomiarze prdem zmiennym, mierzone przebiegi dynamiczne nakBadaj si, jako tzw. fala modulujca na przebieg o czstotliwo[ci podstawowej ( napicia zasilajcego). Aby przebieg mierzony daBo si z powrotem wyodrbni, ich czstotliwo[ci musz znacznie r\ni si midzy sob. W praktyce pomiarowej zaleca si, aby czstotliwo[ przebiegw mierzonych nie przekraczaBa warto[ci 0,10,3 czstotliwo[ci fali no[nej. PeBny schemat blokowy aparatury tensometrycznej do pomiarw statycznych i dynamicznych pracujcych metod mostka niezrwnowa\onego, w ukBadzie prdu zmiennego na tzw. fali no[nej pokazano na rys. 11. Rysunek 11. Schemat blokowy tensometrycznej aparatury wzmacniajcej pracujcej z fal no[n 10 Nale\y zwrci uwag, \e urzdzenia tensometryczne pracujce metod mostka niezrwno- wa\onego stosowane s zarwno do pomiarw statycznych jak i dynamicznych. Aparatura do pomiarw dynamicznych przenosi zarwno skBadow staB, jak i skBadow zmienn mierzo- nych przebiegw. Generator podaje zmienne napicie - o czstotliwo[ci no[nej - do separato- ra. W separatorze sygnaB zostaje rozdzielony i skierowany do wzmacniacza mocy zasilania mostka pomiarowego i wzmacniacza detektora. Napicie o czstotliwo[ci no[nej zostaje wzmocnione we wzmacniaczu i doprowadzone do przektnej zasilania mostka pomiarowego. SygnaB wyj[ciowy z mostka jest modulowanym amplitudowo sygnaBem fali no[nej. SygnaB wypadkowy jest wzmacniany, a nastpnie kierowany do ukBadu regulacji czuBo[ci, zapewnia- jcy regulacj wielko[ci prdu i napicia wyj[ciowego z aparatury. Z kolei sygnaB powtrnie wzmocniony zostaje wprowadzony do ukBadu regulujcego wzmocnienie. Po wyj[ciu z ukBadu regulacji wzmocnienia i przej[ciu przez wzmacniacz mocy stopnia koDcowego, sygnaB kierowany jest do demodulatora i detektora. Detektor sterowany jest sygnaBem, ktry dociera do niego z generatora przez seperator i wzmacniacz mocy detektora. Zadaniem demodulatora i detektora jest usunicie czstotliwo[ci no[nej z przebiegu mierzonego oraz identyfikacja jego polaryzacji. Wszystkie dotychczasowe operacje obrbki sygnaBu byBy wykonywane w ukBadzie prdu zmiennego o ksztaBcie fali no[nej, zmodulowanej przebiegiem mierzonym. W dyskryminatorze i detektorze fala no[na zostaje usunita, za[ przebieg mierzony po dodatkowym odfiltrowaniu zostaje podany do wskaznika wbudowanego do przyrzdu, bdz te\ mo\e by, w formie sygnaBu napiciowego lub prdowego, przekazany do urzdzenia rejestrujcego. 4.2. UkBad staBoprdowy Istotn wad ukBadu staBoprdowego byBa jego wra\liwo[ na zmiany temperatury oto- czenia. Nie dotyczy to wra\liwo[ci samych tensometrw na temperatur, gdy\ ten czynnik, wystpujcy zarwno dla ukBadu staBoprdowego jak i zmiennoprdowego, jest kompensowa- ny przez odpowiednie zaprojektowanie ukBadu pomiarowego, lecz tworzenia si termoogniw w miejscach poBczenia metali o r\nych wBa[ciwo[ciach termoelektrycznych. Tensometry, z uwagi na bardzo maBy wspBczynnik termicznej zmiany rezystancji, s z reguBy wykonywane z konstantanu. Elektryczne przewody Bczeniowe wykonuje si z miedzi. MateriaB: miedz-konstantan tworz termopar o stosunkowo du\ej sile termoelektrycznej, wynoszcej ok. 0,5 mV/10oC. Wielko[ ta jest porwnywalna z sygnaBem wyj[ciowym mostka Wheatsto- ne a. CaBkowite skompensowanie wpBywu temperatury w pomiarach staBoprdowych nie jest mo\liwe. Udaje si to jedynie w ograniczonym zakresie, przez wprowadzenie, w ukBadzie mostka Wheatstone a, dodatkowych elementw kompensacyjnych. WspBczesne przetworniki tensometryczne s z reguBy wyposa\one w tak kompensacj, zapewniajc z okre[lon dokBadno[ci poprawno[ ich pracy w wymaganym zakresie temperatur. Schemat blokowy tensometrycznej aparatury pracujcej metod mostka niezrwnowa\onego w ukBadzie staBoprdowym, pokazano na rys. 12. Mostek pomiarowy, zasilany z zasilacza prdu staBego, poBczono z ukBadem rwnowa\enia. 11 Rysunek 12. Schemat blokowy staBoprdowej aparatury wzmacniajcej Powstajcy podczas pomiaru sygnaB niezrwnowa\enia mostka jest kolejno wzmacniany, regulowany stosownie do zakresu pomiarowego i przez koDcowy wzmacniacz mocy kierowa- ny do wskaznika lub do przyrzdu rejestrujcego. Jak wida ze schematu jest on znacznie prostszy od ukBadu zmiennoprdowego. Przez szereg lat podstawow trudno[ci byBo zbudowanie wzmacniacza o stosunkowo du\ym wzmocnieniu (ok. 104) oraz o du\ej stabilno[ci. Problem ten zostaB obecnie rozwizany i wspBczesne urzdzenia tensometryczne z powodzeniem pracuj w rwnie\ w ukBadach staBoprdowych. 5. Rwnowa\enie mostkowych ukBadw tensometrycznych W oglnym przypadku mo\liwe s dwa rodzaje wykorzystania sygnaBu wyj[ciowego: " metoda mostka zrwnowa\onego, polegajca na skompensowaniu sygnaBu niezrwno- wa\enia " metoda mostka niezrwnowa\onego, polegajca na bezpo[rednim odczytaniu sygnaBu niezrwnowa\enia ( np. przy wykorzystaniu wskaznika wychyBowego). Obydwie metody s wspBcze[nie wykorzystywane w tensometrii, przy czym ka\da z nich ma swoj specyfik, ktra rekomenduje j do okre[lonego typu pomiarw. Chronologicznie pierwsz byBa metoda mostka zrwnowa\onego. Zasada jej, polega na skompensowaniu niezrwnowa\enia mostka, spowodowanego zmian rezystancji jednego lub kilku tensometrw tak, aby przyrzd wBczony na przektnej pomiarowej wskazywaB ponownie stan rwnowagi. Organ kompensacyjny mo\e by umieszczony np. w jednej z gaBzi mostka w formie opornika o zmiennej rezystancji. UkBad taki przedstawiono na rys. 13a. Zmiana rezystancji jednego z opornikw (tensometru) o warto[ "R mo\e by skompen- sowana przez zmian wielko[ci opornika Rzm . Je[li z kolei opornik ten jest przyrzdem skalowanym, to nieznana warto[ rozstrojenia "R mo\e by bezpo[rednio odczytana na jego skali. 12 Rysunek 13. Sposoby rwnowa\enia mostka tensometrycznego Poniewa\ mierzone zmiany "R s bardzo maBe (0.011&!), wic ich pomiar , wymagajcy analogicznych co do wielko[ci zmian rezystancji opornika Rzm, jest trudny do zrealizowania. Mo\liwe s dwa podstawowe schematy: zmiana rezystancji w ukBadzie szeregowym (rys. 13b), bdz te\ rwnolegBym ( rys. 13c). Realizacja zmian rezystancji w ukBadzie szeregowym jest trudna pod wzgldem technicznym. Du\ rol odgrywaj tutaj trudne czsto do wyra\enia rezystancji doprowadzeD, stykw, itp. sumujce si w szereg z rezystancj opornika nastawia- nego Rzm. W praktyce realizowany jest schemat przedstawiony na rys. 13c. Omwiony sposb nosi czsto nazw pomiaru metod zerow. Jest on niestety obarczony zasadnicz wad, polegajc na tym, \e dla dokonania kompensacji ukBadu pomiarowego niezbdne jest, aby przez pewien okres czasu wielko[ mierzona pozostawaBa niezmieniona. Nadaje si, wic tylko do pomiarw statycznych. Wady tej pozbawiona jest metoda mostka niezrwnowa\one- go zwana czsto metod wychyBow. Polega ona na bezpo[rednim pomiarze niez- rwnowa\enia mostka pomiarowego przy wykorzystaniu odpowiedniego przyrzdu. 6. Pomiar wielko[ci mechanicznych Oglnie mo\na stwierdzi, \e pomiar wielko[ci mechanicznej metod tensometryczn sprowadza si do pomiaru odksztaBceD spowodowanych przez t wielko[. Pomiar wielko[ci mechanicznych metod tensometryczn wymaga, zatem doboru odpowiedniej konstrukcji ukBadu przetwarzajcego wielko[ mierzon na odksztaBcenie elementu pomiarowego. Wykonane t metod przetworniki s proste i tanie, a czsto bardziej dokBadne od przetwor- nikw opartych na innych zasadach pomiaru. W celu zrealizowania metod tensometryczn pomiaru dowolnej wielko[ci mechanicznej nale\y opracowa przetworniki, ktre bd realizowaBy cig przeksztaBceD przedstawiony na rys. 14. Rysunek 14. Cig przeksztaBceD realizowany przez przetwornik tensometryczny Wielko[ mierzona wywoBuje proporcjonalne odksztaBcenie elementu spr\ystego. Na elemencie spr\ystym jest naklejony tensometr ( lub tensometry). Tensometr odksztaBca si w ten sam sposb, jak element spr\ysty. Przy zachowaniu odpowiednich warunkw odno[nie konstrukcji elementu spr\ystego, zmiana rezystancji tensometru jest wprost proporcjonalna 13 do wielko[ci mierzonej. SygnaB zmiany rezystancji jest przekazywany do urzdzenia pomiarowego. 6.1. Pomiar siBy Najprostszym przykBadem pomiarw wielko[ci mechanicznej przy wykorzystaniu techniki tensometrycz- nej jest pomiar siBy. Schemat takiego ukBadu przedstawio- no na rys. 15. Mierzona siBa powoduje odksztaBcenie elementu spr\ystego o przekroju koBowym, cylindrycz- nym lub prostoktnym. Na elemencie tym jest naklejony tensometr. OdksztaBcenia tensometru s takie same, jak odksztaBcenia elementu, na ktrym tensometr jest naklejony, za[ odksztaBcenia elementu s proporcjonalne do warto[ci dziaBajcej siBy. W koDcowym efekcie zmiana rezystancji tensome- tru jest proporcjonalna do warto[ci dziaBajcej siBy. Rysunek 15. Schemat przetworni- Parametry te s zwizane ze sob w formie funkcji ka do pomiaru siBy w ukBadzie P=f("R) lub P=f("R/R), stanowicej u\ytkow charakte- [ciskanym rystyk przetwornika do pomiaru siBy. 6.2. Pomiar ci[nienia Jest on zapo\yczony z typowych manometrw mechanicznych. Miejsce skomplikowa- nego ukBadu mechanicznego, przetwarzajcego ugicie membrany na wychylenie wskazwki, zajmuje tensometr naklejony bezpo[rednio na membra- nie. Zmiana rezystancji tensometru jest proporcjonalna do odksztaBceD membrany, a te z kolei - do warto[ci mierzonego ci[nienia. UkBad konstrukcyjny umo\liwia zarwno pomiar warto[ci ci[nienia w stosunku do ci[nienia otoczenia, jak rwnie\ r\nicy ci[nieD. W Rysunek 16. Schemat przetwornika pewnych przypadkach, omawiany ukBad (rys. 16) mo\e do pomiaru ci[nienia z elementem by przeksztaBcony w ukBad przedstawiony na rys. 17. spr\ystym w ksztaBcie membrany WywoBane dziaBaniem ci[nienia ugicie membrany pomiarowej jest przenoszone, za po[rednictwem sztywne- go trzpienia, na element zginany. Tensometry s naklejone na elemencie spr\ystym o ksztaBcie belki zginanej, utwierdzonej jednostronnie. W stosunku do schematu przedstawionego na rys. 16, ukBad ten ma nastpujce zalety: " umo\liwia utworzenie pewnego rodzaju przeBo\enia, dziki mo\liwo[ci stosowania elementw spr\ystych o odpowiedniej sztywno[ci; stosunkowo niewielkie ugicie membrany powodowa mo\e odpowiednio du\e odksztaBcenia elementu zginanego; Rysunek 17. Schemat przetwornika " w przypadku pomiaru ci[nienia czynnika o wysokiej do pomiaru ci[nienia z elementem temperaturze istnieje mo\liwo[ oddalenia wra\liwych po[rednim na temperatur elementw, jakimi s tensometry. 14 6.3. Pomiar momentu obrotowego Z teorii wytrzymaBo[ci materiaBw wynika, \e w walcowym elemencie skrcanym, maksymalne odksztaBcenia wystpuj pod ktem 45o do gBwnej osi skrcania. Zasada ta mo\e by wykorzystana w przetwornikach momentu obrotowego. Na rys. 18 przedstawiono spr\ysty element skrcany, na ktrym naklejono tensometr pod ktem 45o do osi skrcania w celu uzyskania maksymalnego sygnaBu wyj[ciowego. Zmiana rezystancji tensometru jest proporcjonalna do wielko[ci momentu skrcajcego. UkBad ten jest stosowany rwnie\ w pomiarach momentw skrcajcych w elementach wirujcych. Rysunek 18. Schemat ukBadu do pomiaru momentu obrotowego 6.4. Pomiar przemieszczeD Do pomiaru przemieszczeD wykorzystywany jest m.in. ukBad belki jednostronnie utwierdzonej. RozkBad napr\eD w belce zginanej jest praktycznie, w pewnym zakresie, proporcjonalny do jej strzaBki ugicia. Tensometry naklejane w pobli\u miejsca utwierdzenia przeka\ sygnaB proporcjonalny do strzaBki ugicia koDca belki. Przetworniki tensometryczne Batwo realizuj pomiar przemieszczenia lub przyspieszenia. Prdko[ w ruchu drgajcym mo\e by, przy wykorzystaniu metody tensometrycznej, okre[lona jedynie przez zastosowanie odpowiednich ukBadw elektronicznych r\niczkujcych przemieszczenie lub caBkujcych przyspieszenie. UkBad z utwierdzon belk posiada ujemn cech, a mianowicie, stanowi on dodatkow wiz spr\yst, ktra sw obecno[ci mo\e w pewnych przypadkach wpBywa na parametry mierzonego ruchu. Wady powy\szej nie posiada ukBad przedstawiony na rys. 19. Jest to tzw. ukBad sejsmiczny. Tensometry naklejone s na elemencie spr\ystym ( pBaska spr\yna ) obci\onym z jednej strony ci\arem o okre[lonej masie, a z drugiej - sztywno zamoco- wanym. Rysunek 2. Schemat ukBadu z mas sejsmiczn 15 6.6. Pomiar nat\enia przepBywu Pomiar ten polega na wykorzystaniu zginanego elementu spr\ystego oraz faktu od- dziaBywania siB aerodynamicznych na profil umieszczony pod ktem do kierunku napBywaj- cego strumienia. Schemat konstrukcji przetwornika pokazano na rys. 20. Ci[nienie dynamicz- ne przepBywajcego pBynu powoduje powstawanie siBy zginajcej element spr\ysty na ktrym naklejone s tensometry. SiBa zginajca jest tym wiksza im wiksza jest prdko[ przepBywu. Przy staBej prdko[ci przepBywu siBa ta bdzie tym wiksza im wikszy kt tworzy pBaszczyzna elementu spr\ystego z kierunkiem napBywu strugi. UkBad zatem pozwala na ewentualne zmiany zakresu pomiarowego. Jednak nale\y zwrci uwag, i\ siBa gnca jest proporcjonalna do kwadratu prdko[ci czynnika, a wic Rysunek 3. Schemat ukBadu do pomiaru charakterystyka przetwornika jest nieliniowa. nat\enia przepBywu 16

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
TENSOMETRIA OPOROWA POMIAR TENSOMETRYCZNY SIŁY I ODKSZTAŁCENIA
tensometria oporowa
Tensometria oporowa, zasada budowy i działania, układy pomiarowe
08 tensometria oporowa
08 mostki oporowe, mostki tensometryczneidu85
przykład rysunku ściany oporowej rysunek konstrukcyjny(zbrojenie)
cw12 tensometry
05 Modele matematyczne charakterystyk przepływowych oporów pneumatycznychidU73
WSPÓŁCZYNNIKI OPORÓW LOKALNYCH PRZY PRZEPŁYWIE CIECZY W RUROCIĄGACH
Zastosowanie gruntu zbrojonego geosiatkami do konstrukcji oporowych na terenach górniczych (2)
Wyznaczanie współczynników oporów miejscowych
Pom Tensometryczne
What s a strain gage (czujnik tensometryczny)

więcej podobnych podstron