Метода с пятью лабораторными работами по дисциплине Тех. измерения и приборы (ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА1)

Посмотреть архив целиком

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

«ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ С ТЕНЗОРЕЗИСТОРАМИ»


1. ВВЕДЕНИЕ.

Техническому прогрессу в общем и специальном машино­строении способствовало широкое использование современных методов и средств тензометрии, которые позволили на высоком уровне решать задачи, связанные с созданием новых машин. Сложность конструктивных форм узлов и деталей современных машин, многообразие действующих на них нагрузок в подавляю­щем большинстве случаев не позволяет определять напряженное состояние расчетным путем или моделированием.

Для экспериментального определения напряженно деформи­рованного состояния узлов машин применяются методы и сред­ства, использующие различные измерительные преобразователи, среди которых важное место занимают тензопреобразователи.

Тензопреобразователи относятся к разряду преобразовате­лей, в которых наблюдается изменение сопротивления при изме­нении механической деформаций или температуры. Одной из главных трудностей в их применении является перекрестное влияние этих двух эффектов, т.е. тензопреобразователи оказы­ваются чувствительными не только к механической деформации, но и к температуре.

Для того, чтобы обеспечить высокую точность измерений, необходимо скомпенсировать влияние температуры на выходной сигнал.



2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕН3ОРЕЗИСТОРОВ.

Начнем рассмотрение тензопреобразователей с проволочных тензорезисторов.

Он состоит из тонкой проволоки (константан) диаметром 20 ÷ 30 мкм, уложенной в форме решетки, что необходимо для получения более высокого сопротивления.

Решетка наклеивается на исследуемую деталь с изолирую­щим слоем между ними. Слой клея передает поверхностную дефор­мацию детали проволоке, тем самым вызывая изменение сопротив­ления проволоки, которое пропорционально деформации.

Решетка проволочного тензорезистора имеет определен­ную ширину B, что приводит к поперечной чувствительности, т.е. к изменению сопротивления тензорезистора на закруглениях решетки под действием поверхностных деформаций, направление которых перпендикулярно к главным рабочим деформациям. Боль­шое отношение длины к ширине (l/B) и тесное расположение проводников обеспечивает малое значение поперечной чувстви­тельности.



Рисунок.1 Конструкция проволочных тензорезисторов


1 - выводы;

2 - решетка из тонкой проволоки;

3 - слой изоляции и клей;

4 - изгибаемая деталь.


3. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ЛИНЕЙНОСТЬ.

Сопротивление проволоки тензорезистора в исходном состоянии равно.


,


где: ρ – удельное сопротивление;

l – длина проволоки;

Sплощадь поперечного сечения проволоки;

Если по всей длине проволоки к ней приложено равномерное напряжение σ; то изменение сопротивления составит:


.


Разделив оба части уравнения на исходное сопротивле­ние R, получим:


,


что свидетельствует о том, что при конечном изменении напряжения σ изменение сопротивления вызывается изменением длины , изменением площади сечения (или диаметра проволоки ), изменением удельного сопротивления .


При коэффициенте Пуассона μ изменение площади сече­ния составит:


,


а изменение сопротивления,


.


Тензочувствйтельностъ (или чувствительность к деформации):


.


Так как для большинства металлов μ = 0,3, то К = 1,6 + .



4. КОНСТРУКЦИИ И НАКЛЕЙКА

Рассматривая конструкции проволочных тензорезисторов, (Рисунок.2) выделим следующие моменты:

а) материал проволоки;

б) форма преобразователей;

в) подложка;

г) клей;

д) токоподводы;

е) защита преобразователей.

Материал должен обладать высокой прочностью на растя­жение.

Распространение формы показаны на Рисунке 2. Плоская кон­струкция (Рисунке 2,а) находит преимущественное применение, т.к. решетка 2 ближе к поверхности деформируемой детали.

Намотанный на сплюснутую трубку 7 тензорезистор (Рисунок 2,б) проще в производстве при l < 10мм.




а)


Рисунок 2




б)




в)





г)


Тканый тип (Рисунок 2,в) применяется при измерении дефор­маций в тканях (в пряже 10).

Преобразователь из травленной фольги (Рисунок 2,г) имеет по сравнению с проволочными тензорезисторами: меньшую попе­речную чувствительность, более высокую допустимую плотность тока, более сложный профиль рисунка, массовость производст­ва.

Подложка 6 не должна нарушать прочной связи между иссле­дуемой деталью и решеткой. Ее выбор зависит, в основном, от клея 4, который в свою очередь должен подходит к материалу детали и материалу преобразователя.

Токопроводящие провода 3 могут быть причиной нестабиль­ности преобразователя. Точка соединения между решеткой из тонкой проволоки и более толстыми проводами является наибо­лее вероятным местом усталостного излома.

Главной проблемой защиты проволочных преобразователей при нормальной температуре является влажность. Защитным сло­ем служит клей.



5. МАРКИРОВКА ТЕНЗОПРЕ0БРА30ВАТЕДЕЙ.

Маркировка тензопреобразователей осуществляется многоэлементным шифром. Расшифровка каждого из элементов будет по­нятна из следующих примеров:


I

II

III

IV

V

VI

VII

2

П

К

Б

10

200

Х(Г)

2

Ф

К

ПА

10

200

Х(Г)

2

Ф

К

MB

30

200

Х(Г)


I – цифра "2" - означает, что основа бумажная, пропитанная клеем БФ2;

II – буква – характеризует тип тензопреобразователя (п – проволочный, ф – фольговый);

III – буква – характеризует материал проволоки (к – константан);

IV – буква – характеризует форму тензопреобразователя (П – прямоугольная, Р- розеточная, М – мембранная).

Буквы А,Д,В,Г характеризуют подтип фольговых тензопреобразовате­лей.

Для проволочных тензопреобразователей буквы: Б – бумажная основа, П – пленочная основа);

V – число – характеризует длину базы в мм;

VI – число – характеризует номинальное сопротивление решет­ки в Ом;

VII –буквы – характеризуют температуру наклейки тензопреобра­зователя (X - температура = 30°С; Г - температура = 180°С)


6. ИЗМЕРТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ С ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ.

Проволочные тензопреобразователи почти всегда использу­ются в мостовых цепях. Общая схема тензометрического моста показана на Рисунке 2а, где А, В, С, Д – плечи моста с сопротив­лениями R1, R2, R3 и R4. На вход подается напряжение пита­ния моcта Е, а к выходу подключается отсчетно - регистрирую­щее устройство (нагрузка). В тензомост может быть включен один, два или четыре тензопреобразователя.

Возможные схемы расположения тензопреобразователей на испытуемой детали, показаны на Рисунке 3

На Рисунке 3,б – единственный активный преобразователь. Это простое устройство пригодно только для динамических измерений вследствие значительного влияния температуры окружающей среды на равновесие моста, согласно которому выходной ток обращается в нуль только при R1 * R4 = R2 * R3.

Однако сопротивление R1 тензопреобразователя A подвержено влиянию температуры, которая вызовет разбаланс моста. Если сопротивление плеч равны, т.е.

R2 = R3 = R4 = R1 = R, внутреннее сопротивление источника питания пренебрежимо мало, а сопротивление: нагрузки велико, то выходной сигнал:


,


где κ - тензочувствительность;

ε1 - относительное изменение сопротивления R1.

На Рисунке 3,в – один активный преобразователь А и компенсирующий (холостой) преобразователь B. Холостой преобразователь монтируется так, чтобы на него не влияли главнее деформации. Когда передача деформации совершенно недо­пустима, холостые преобразователи монтируются на неплотно прикрепленных планках, но необходимо чтобы температуры активного и холостого преобразователей были одинаковыми. В это случае изменение температуры приведет к одинаковому изменению сопротивлений, R1 и R2 и равенство: R1 * R4 = R2 * R3 не нарушится до тех пор, пока не будут действовать главные деформации. Выходной сигнал равен:

На Рисунке 3,г – два активных тензопреобразователя с со­противлениями R1*R4 и два холостых, обеспечивающих тем­пературную стабилизацию. Выходной сигнал равен:


,


где ε1 = ε4; ε4 – относительное изменение сопротивле­ния R4.

На Рисунке3,д – два активных тензопреобразователя с со­противлениями R1*R2, образующих дифференциальную пару. Температурная компенсация имеется, т.к. активные тензопреобразователи находятся в смежных плечах моста. Выходной сигнал равен:

.

На Рисунке3.е – два активных тензопреобразователя толь­ко для продольных напряжений. Температурная компенсация от­сутствует. Выходной сигнал равен:

.

На Рисунке3.ж – два активных тензопреобразователя для продольных напряжений и два холостых тензопреобразователя. Температурная компенсация имеется. Выходной сигнал равен:

.

На Рисунке 3.з – четыре активных тензопреобразователя для изгибных напряжений образуют двойные дифференциальные пары. Температурная компенсация имеется. Выходной сигнал наибольший:

где |ε1| = |ε2| = |ε3| = |ε4|, т.е. относительные измене­ния сопротивлений R1, R2, R3, R4 тензорезисторов А,В,С,Д численно равны. Эта схема является наиболее желательным включением тен­зорезисторов. Во многих случаях мостовая цепь с тензорезисторами под­ключается своим выходом к гальванометру (вибратору) осцил­лографа непосредственно или через усилитель постоянного тока (см., например, усилитель "ТОПАЗ").












а)


б)

в)


г)



д)

е)

ж)

з)


Рисунок 3


7. ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ.

Тензорезистивными датчиками в более широком смысле называется устройства, которые измеряют не только деформа­ции, но и другие физические величины с помощью тензорезис­торов. Это достигается путем наклейки тензорезисторов на де­таль (пружину), деформация которой пропорциональна измеря­емой величине. Кроме наклеиваемых, существуют "свободные" тензопреобразователи, которые содержат проволочные нити, ис­пытывающие деформацию. Рисунок4 служит иллюстрацией различия между двумя этими датчиками, предназначенными для измерения давления.

На Рисунке 4.а давление деформирует сильфон 2, который стержнем 3 через шарнир 4 воздействует на консольную пружи­ну 5 с наклеенным на нее тензорезистором 1,

На Рисунке 4,б давление перемещает платформу 7, смонтиро­ванную на пружинах 8, изменяя натяжение проволочных нитей 6. Эта конструкция отличается более эффективной работой тензопреобразователя 6 и хорошей температурной стабильностью (в случае использования полного моста из тензорезисторов).

Тензодатчики являются универсальными и могут с успехом использоваться также при измерении сил, ускорений и в дру­гих случаях. Два их основных недостатка – малый выходной си­гнал и необходимость довольно больших значений деформации при­водит к тому, что индуктивные или емкостные датчики во мно­гих случаях являются более предпочтительными.


Датчики

С наклеенным тензорезистором С не наклеенным тензорезистором


Рисунок 4


8. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ.

Все детали для исследования тензопреобразователей смон­тированы на основании I (Рисунок5). На основании закреплены три кронштейна 2,3,4. На кронштейне 2 с помощью пластины 5, винтами 6 закре­плена консольная, упругая пластина 7 с наклеенными с обеих сто­рон тензопреобразователями и выводами 8 тензопреобразователей припаяны к контактным штырям платы 9, соединенными с контактными переключателями 10. С помощью ручки 11 переключателя достигается включение тензорезисторов в схему тензомоста. На кронштейне 4 закреплен стрелочник 12 из­мерительный наконечник которого воспринимает перемещения пластины 7. На кронштейне 3 смонтирована винтовая пара 13 таким образом, что наконечник винта упирается в пластину 7.

При вращении винта пластина 7 изгибается, что вызывает деформа­цию проволоки тензорезисторов 8 и перемещение измерительно­го наконечника индикатора 12. При крайнем правом положении ручки 11 тензорезисторы включаются в схему полумоста (см. Рисунок 3.д) При крайнем левом положении ручки 11 тензорезисторы включаются в схему полного моста (см. Рисунок 3.з).



Рисунок5


9. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Поставить ручку 2 (Рисунок 5) в крайнее правое положе­ние (схема полумоста).

2. Вращать винт 13, изменяя при этом прогиб балки соглас­но табл. 1

3. Записать в табл. 1 значения тока при соответствующих отклонениях индикатора 12.

4. Перевести ручку 2 в крайнее левое положение (схема полного моста) и повторить п.п. 2 и 3.

5. По данным таблицы 1 построить график


Таблица. 1

Величина прогиба балки (мм)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

2,5

2

1,5

1

0,5

0

Ток, μА

(полумост)














Ток, μА

(мост)


















Случайные файлы

Файл
112698.rtf
175354.rtf
64273.rtf
13368.rtf
50404.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.