6. ДАТЧИКИ ДЕФОРМАЦИИ

Датчики деформации (тензодатчики) являются наиболее часто применяемыми в технике механических измерений. Их используют не только по прямому назначению, но и для измерения напряжений, а также во многих датчиках других величии в качестве промежуточного элемента [41].

Датчик деформации близок по механической схеме к датчикам относительного перемещения. Его механический импеданс должен быть по возможности малым, поскольку он включается параллельно жесткости участка измерения и тем самым уменьшает измеряемую деформацию. Но так как жесткость большинства объектов достаточно велика, требования к импедансу намного ниже, чем в датчиках относительного перемещения. Почти во всех случаях, за исключением высокоточных измерений и измерений при повышенных температурах, импеданс тензодатчика можно считать упругим [35]. Для измерения деформации применяют почти исключительно приклеиваемые металлические теизорезисторы — тензодатчики, действие которых основано на использовании тензорезистивного эффекта. Они воспринимают деформацию объекта, усредненную по их длине (базе). Наиболее известными из них являются проволочные теизорезисторы (рис. 17, а), предназначенные для измерения одноосной деформации. Для них разработано большое количество специальных сплачов, в том числе с повышенным тензоэффектом, стабильных во времени и в широком диапазоне температур, а также мало восприимчивых к другим влияющим факторам; органических и неорганических клеев (цементов) с малой ползучестью; материалов подложек, хорошо передающих деформацию проволоке [35, 50]. Усовершенствованы методы изготовления тензорезисторов, позволяющие получить высокую однородность свойств датчиков. Достигнут значительный прогресс в изготовлении фольговых тензорезисторов, имеющих преимущества при измерении более сложных деформаций, а также хорошо приспособленных к массовой технологии [35]. Металлопленочные теизорезисторы, изготовляемые методом напыления тонких слоев металла на подложку, имеют высокую стабильность ввиду отсутствия клеевой прослойки [35]. Металлические теизорезисторы легко изгибаются и допускают наклеивание на цилиндрические поверхности.

Деформации можно измерять металлическими тензорезисторами в интервале от до с погрешностью порядка Следует сказать, что метрологические аспекты измерения переменных деформаций пока не исследованы в достаточном объеме. Максимальные рабочие температуры доходят до В большом ассортименте выпускают так называемые розетки для измерения сложных деформаций (рис. 17, б) и тензорезисторы, предназначенные для наклеивания на распространенные конструкционные материалы и не дающие паразитного сигнала при изменении температуры объекта в определенном интервале. Имеются также съемные тензодатчики, смонтированные на металлической полоске, прикрепляемой к объекту точечной сваркой [35].

Полупроводниковые тензорезисторы применяют значительно реже, чем металлические, так как они сильнее подвержены внешним воздействиям и сложнее в эксплуатации. Их используют для измерения сравнительно кратковременных деформаций в интервале от до при умеренных температурах. В основном их применяют в составе датчиков силовых и кинематических величин, для которых важна повышенная чувствительность и допустима более высокая погрешность.

Рис. 17. Тензорезисторы: а — проволочный; б - фольговая розетка

В ограниченном количестве используют тензодатчики других типов, в частности емкостные, а также пьезоэлектрические, измеряющие только динамические деформации, но зато имеющие чрезвычайно высокую чувствительность [8]. Необходимым условием их нормальной работы является постоянство температуры во время измерения. Магнитоупругие датчики деформации значительно уступают тензорезистивным и практически вышли из применения.

Датчики деформации используют для измерения напряжений в упругих телах. Хотя в большинстве случаев деформацию и напряжение можно считать связанными между собой законом Гука, нахождение напряжений требует обработки сигналов тензодатчиков, расположенных на объекте по определенной системе. Необходимость этой обработки ясна хотя бы из того, что при одностороннем сжатии стержня деформация имеет три компонента, а напряжение — только один. Для обработки используют специализированные вычислительные устройства [12].

При измерении кратковременных деформаций частотные свойства тензодатчика определяются в основном временем распространения волны деформации по его базе. Так как скорость распространения упругих волн в твердых телах превышает а база составляет несколько миллиметров, этим временем можно пренебречь почти всегда, за исключением измерения высокоскоростных ударных деформаций.

В последнее время развивается голографическая техника измерения деформаций. Ее преимущество заключается в возможности бесконтактного измерения деформаций не в отдельных точках, а сразу на всей видимой поверхности объекта и с высокой чувствительностью [4] Однако пока голографические методы измерения деформаций, в особенности динамических, нельзя считать освоенными.