Tenometreler — tensometrik ölçüm transdüserleri

Gerinim ölçer sensörü — rijit bir cismin kendisine uygulanan mekanik stresin neden olduğu deformasyonunu elektrik sinyaline dönüştüren parametrik dirençli bir dönüştürücü.

Dirençli bir basınç göstergesi, hassas bir elemanın bağlı olduğu bir tabandır. Bir gerinim ölçer kullanarak gerinim ölçümünün prensibi, gerinim ölçerin direncinin gerinim sırasında değişmesidir. Çok yönlü sıkıştırma (hidrostatik basınç) etkisi altında metalik bir iletkenin direnç değişiminin etkisi, 1856'da Lord Kelvin ve 1881'de OD Hvolson tarafından keşfedildi.

Modern haliyle, gerinim ölçer, yapısal olarak, incelenen parça üzerine bir bağlayıcı (tutkal, çimento) ile sabitlenmiş, gerilime duyarlı bir malzemeden (tel, folyo, vb.) yapılmış hassas elemanı olan bir gerinim direncini temsil eder. (Şekil 1). Algılama elemanını elektrik devresine bağlamak için gerinim ölçerin telleri vardır.Bazı gerinim ölçerler daha kolay kurulum için tasarlanmıştır, hassas eleman ile test edilen parça arasına yerleştirilmiş bir pedin yanı sıra hassas elemanın üzerinde bulunan bir koruyucu elemana sahiptirler.

Şekil 1 Gerinim ölçerin şeması: 1- hassas eleman; 2- bağlayıcı; 3- substrat; 4- incelenen detay; 5- koruyucu eleman; 6- lehimleme bloğu (kaynak); 7 telli kablolama

Gerinim ölçer transdüserleri kullanılarak çözülen tüm çeşitli görevlerle, kullanımlarının iki ana alanı ayırt edilebilir:

— malzemelerin fiziksel özelliklerinin, parça ve yapılardaki deformasyonların ve gerilmelerin incelenmesi;

— elastik bir elemanın deformasyonuna dönüştürülen mekanik değerleri ölçmek için gerinim ölçerlerin kullanılması.

İlk durum, önemli sayıda voltaj ölçüm noktası, çevresel parametrelerdeki geniş değişiklik aralıkları ve ayrıca ölçüm kanallarını kalibre etmenin imkansızlığı ile karakterize edilir. Bu durumda ölçüm hatası %2-10'dur.

İkinci durumda sensörler ölçülen değere göre kalibre edilir ve ölçüm hataları %0,5-0,05 aralığındadır.

Gerinim ölçer kullanımının en çarpıcı örneği terazidir. Çoğu Rus ve yabancı üreticinin terazisi gerinim ölçerlerle donatılmıştır. Yük hücresi terazileri çeşitli endüstrilerde kullanılmaktadır: demir dışı ve demir dışı metalurji, kimya, inşaat, gıda ve diğer endüstriler.

Elektronik terazilerin çalışma prensibi, deformasyon gibi ortaya çıkan değişiklikleri orantılı bir çıkış elektrik sinyaline dönüştürerek yük hücresine etki eden yerçekimi kuvvetini ölçmeye indirgenmiştir.

Tensör dirençlerinin geniş kullanımı, bir takım avantajları ile açıklanmaktadır:

— küçük boyut ve ağırlık;

— hem statik hem de dinamik ölçümler için gerinim ölçerlerin kullanımına izin veren düşük atalet;

— doğrusal bir özelliğe sahip;

— ölçümlerin uzaktan ve birçok noktada yapılmasına izin verin;

— incelenen parçaya montaj yöntemi, karmaşık cihazlar gerektirmez ve incelenen parçanın deformasyon alanını bozmaz.

Ve sıcaklık hassasiyeti olan dezavantajları çoğu durumda telafi edilebilir.

Dönüştürücü çeşitleri ve tasarım özellikleri

Gerinim ölçerlerin çalışması, mekanik deformasyonları sırasında tellerin aktif direncindeki bir değişiklikten oluşan deformasyon etkisi olgusuna dayanır. Malzemenin deformasyon etkisinin özelliği, dirençteki değişikliğin iletken uzunluğundaki değişikliğe oranı olarak tanımlanan bağıl deformasyon duyarlılığı K katsayısıdır:

k = er / el

er = dr / r - iletkenin direncindeki nispi değişiklik; el = dl / l — telin uzunluğundaki bağıl değişiklik.

Katı cisimlerin deformasyonu sırasında uzunluklarındaki değişiklik, hacimdeki bir değişiklikle ilişkilidir ve özellikleri, özellikle direnç değeri de değişir. Bu nedenle, genel durumdaki duyarlılık katsayısının değeri şu şekilde ifade edilmelidir:

K = (1 + 2μ) + m

Burada miktar (1 + 2μ), iletkenin geometrik boyutlarındaki (uzunluk ve enine kesit) bir değişiklikle ilişkili dirençteki değişikliği ve - fiziksel yapısındaki bir değişiklikle ilişkili malzemenin direncindeki bir değişikliği karakterize eder. özellikler.

Tensörün üretiminde yarı iletken malzemeler kullanılıyorsa, hassasiyet esas olarak kafes malzemesinin deformasyonu sırasındaki özelliklerindeki değişim ve K »m ile belirlenir ve farklı malzemeler için 40 ila 200 arasında değişebilir.

Mevcut tüm dönüştürücüler üç ana türe ayrılabilir:

- tel;

- folyo;

- bir film.

Tel telemetreler, elektriksel olmayan miktarları iki yönde ölçme tekniğinde kullanılır.

İlk yön, dönüştürücünün doğal giriş değeri çevreleyen gaz veya sıvının basıncı olduğunda, hacim sıkıştırma durumunda bir iletkenin deformasyon etkisinin kullanılmasıdır. Bu durumda, dönüştürücü, ölçülen basınç (sıvı veya gaz) alanına yerleştirilmiş bir tel bobinidir (genellikle manganin). Dönüştürücünün çıkış değeri, aktif direncindeki değişikliktir.

İkinci yön, gerilime duyarlı bir malzemeden yapılmış gergi telinin gerilim etkisini kullanmaktır. Bu durumda voltaj sensörleri "serbest" dönüştürücüler ve yapıştırılmışlar şeklinde kullanılır.

"Serbest" gerinim ölçerler, hareketli ve hareketsiz parçalar arasındaki uçlara sabitlenmiş bir veya bir sıra tel şeklinde yapılır ve kural olarak aynı anda elastik bir elemanın rolünü yerine getirir. Bu tür transdüserlerin doğal giriş değeri, hareketli parçanın çok az hareket etmesidir.

En yaygın bağlı tel gerinim ölçer tipi cihaz şekil 2'de gösterilmiştir. Zigzag deseninde yerleştirilmiş 0,02-0,05 mm çapında ince bir tel, bir ince kağıt şeridine veya lake folyoya yapıştırılır. Kurşunlu bakır teller telin uçlarına bağlanır. Dönüştürücünün üstü bir vernik tabakasıyla kaplanır ve bazen kağıt veya keçe ile kapatılır.

Dönüştürücü genellikle en uzun kenarı ölçülen kuvvet yönünde olacak şekilde kurulur. Test örneğine yapıştırılan böyle bir dönüştürücü, yüzey tabakasındaki deformasyonları algılar. Böylece yapıştırılan dönüştürücünün doğal girdi değeri yapıştırıldığı parçanın yüzey tabakasının deformasyonu, çıktısı ise bu deformasyonla orantılı olarak dönüştürücünün direncindeki değişimdir. Genel olarak, yapıştırılmış sensörler, yapıştırılmamış olanlardan çok daha sık kullanılır.

Şekil 2 - bağlı tel gerinim ölçer: 1 - gerinim ölçer tel; 2- yapıştırıcı veya çimento; 3- selofan veya kağıt destek; 4 telli teller

Dönüştürücünün ölçüm tabanı, telin kapladığı kısmın uzunluğudur. En sık kullanılan dönüştürücüler, 30-500 ohm dirençli 5-20 mm tabanlardır.

En yaygın kontur gerinim ölçer tasarımına ek olarak başkaları da vardır. Dönüştürücünün ölçüm tabanını (3 - 1 mm'ye) azaltmak gerekirse, bu, bir tüp üzerindeki dairesel kesitli bir mandrel üzerine yüke duyarlı bir tel spiralinin sarılmasından oluşan sarma yöntemiyle yapılır. ince kağıt. Bu tüp daha sonra yapıştırılır, mandrelden çıkarılır, düzleştirilir ve teller telin uçlarına bağlanır.

Termo dönüştürücülü bir devreden büyük bir akım elde etmek gerektiğinde, genellikle sarmal telli "Güçlü" gerinim ölçerler kullanırlar... Paralel bağlanmış çok sayıda (30-50'ye kadar) kablodan oluşurlar, farklı büyük boyutlarda (taban uzunluğu 150 - 200 mm) ve dönüştürücüden geçen akımda önemli bir artış sağlar (Şekil 3).

Çizim 3- Düşük dirençli ("güçlü") tenometre: 1 — gerinim ölçer tel; 2- yapıştırıcı veya çimento; 3- selofan veya kağıt destek; 4 iğneli tel

Tel problar, yüksek sıcaklıklarda kaçak akımları azaltan ve hassas eleman ile numune arasında daha yüksek bir izolasyon voltajına yol açan, numuneye (substrat) küçük bir temas alanına sahiptir.

Folyo yük hücreleri, yapışkan yük hücrelerinin en popüler versiyonudur. Folyo dönüştürücüler, metalin bir kısmının Şekil 4'te gösterilen kurşun ızgarayı oluşturacak şekilde dağlama yoluyla seçildiği 4-12 mikron kalınlığında bir folyo şerididir.

Böyle bir ızgaranın üretiminde, folyo gerinim ölçerlerin önemli bir avantajı olan ızgaranın herhangi bir deseni öngörülebilir. Resim 4'te a, şekil 2'de lineer gerilim durumlarını ölçmek için tasarlanmış bir folyo dönüştürücünün görünümünü göstermektedir. 4, c - torkları ölçmek için mile yapıştırılmış bir folyo dönüştürücü ve Şek. 4, b — zara yapıştırılmış.

Çizim 4- Folyo dönüştürücüler: 1- ayar halkaları; 2- Membran çekme kuvvetlerine duyarlı bükülmeler; 3- Diyaframın sıkıştırma kuvvetlerine duyarlı dönüşler

Folyo dönüştürücülerin ciddi bir avantajı, dönüştürücünün uçlarının enine kesitini artırma olasılığıdır; tellerin kaynaklanması (veya lehimlenmesi) bu durumda tel dönüştürücülere göre çok daha güvenilir bir şekilde yapılabilir.

Folyo deforme ediciler, tel olanlara kıyasla, hassas elemanın yüzeyinin kesit alanına (hassasiyet) oranı daha yüksektir ve kritik sıcaklıklarda ve sürekli yüklerde daha kararlıdır. Geniş yüzey alanı ve küçük kesit, sensör ile numune arasında iyi bir sıcaklık teması sağlar ve bu da sensörün kendi kendine ısınmasını azaltır.

Folyo gerinim ölçerlerin üretimi için, telenometrelerle aynı metaller (konstantan, nikrom, nikel-demir alaşımı, vb.) Kullanılır ve diğer malzemeler de kullanılır, örneğin titanyum-alüminyum alaşımı 48T-2 % 12'ye kadar gerinimlerin yanı sıra bir dizi yarı iletken malzeme.

Film tensörleri

Son yıllarda, gerilmeye duyarlı bir malzemenin vakumla süblimleştirilmesinden ve ardından doğrudan iş parçası üzerine püskürtülen bir alt tabaka üzerinde yoğunlaştırılmasından oluşan, bağlı dirençli gerinimlerin seri üretimi için başka bir yöntem ortaya çıkmıştır. Bu tür dönüştürücülere film dönüştürücüler denir.Bu tür gerinim ölçerlerin küçük kalınlığı (15-30 mikron), gerinim ölçümlerinin özel bir araştırma alanı olduğu yüksek sıcaklıklarda dinamik modda gerinimleri ölçerken önemli bir avantaj sağlar.

Bizmut, titanyum, silikon veya germanyum bazlı bir dizi film gerinim ölçer, tek bir iletken şerit şeklinde yapılmıştır (Şekil 5).Bu tür dönüştürücüler, dönüştürücünün yapıldığı malzemenin duyarlılığına kıyasla dönüştürücünün göreli duyarlılığını azaltma dezavantajına sahip değildir.

Şekil 5- Film gerinim ölçer: 1- gerinim ölçer film; 2- lake folyo; 3 pinli kablo

Metal film tabanlı bir dönüştürücünün gerinim ölçer katsayısı 2-4'tür ve direnci 100 ila 1000 ohm arasında değişir. Yarı iletken film temelinde yapılan dönüştürücüler, 50-200 mertebesinde bir katsayıya sahiptir ve bu nedenle uygulanan gerilime karşı daha duyarlıdır. Bu durumda, yarı iletken gerinim direnci köprüsünün çıkış voltajı yaklaşık 1 V olduğundan, amplifikatör devrelerinin kullanılmasına gerek yoktur.

Ne yazık ki, bir yarı iletken dönüştürücünün direnci, uygulanan gerilime göre değişir ve esas olarak tüm gerilim aralığı boyunca doğrusal değildir ve ayrıca büyük ölçüde sıcaklığa bağımlıdır. Bu nedenle, metal film deforme edici ile çalışırken bir amplifikatör gerekli olmasına rağmen, doğrusallık çok yüksektir ve sıcaklık etkisi kolayca telafi edilebilir.