14.3. Применение датчиков сопротивления

В технике испытания конструкций за последние десятилетия широкое распространение получили проволочные датчики сопротивления.

Проволочный датчик представляет собой наклеенную на полоску бумаги тонкую зигзагообразно уложенную проволочку (рис. 14.8) толщиной мм. К концам проволочки сваркой либо пайкой присоединяются провода.

Рис. 14.8

Датчик наклеивают на поверхность исследуемой детали так, чтобы размер базы I совпадал с направлением, в котором желательно замерить деформацию. При деформации объекта проволочка удлиняется (укорачивается) и ее омическое сопротивление изменяется.

Опыт показывает, что относительное изменение омического сопротивления проволоки пропорционально ее удлинению, , где - коэффициент тензочувствительности - безразмерная величина, зависящая от физических свойств материала. Для материалов, применяемых в датчиках сопротивления, значение колеблется в пределах Для константана, например, для нихрома для элинвара 3,2 ... 3,5.

У проволочного датчика вследствие закруглений на концах петель обнаруживается чувствительность не только к продольным, но и к поперечным деформациям, и

где удлинения в направлениях осей х и у (см. рис. 14.8), - коэффициенты продольной и поперечной тензочувствительности датчика, определяемые путем тарировки.

Значение 7 вследствие наличия закруглений на концах петель оказывается несколько меньше коэффициента тензочувствительности проволоки 70. По мере увеличения базы I разница между 7 и уменьшается и для обычно применяемых датчиков с базой мм оказывается ничтожно малой. Того же порядка малую величину представляет собой и коэффициент 6. Для датчиков, имеющих малую базу , значение 6 соизмеримо с 7, и при подсчете напряжений коэффициент поперечной тензочувствительности следует принимать во внимание.

Рис. 14.9

Рис. 14.10

При исследовании напряженного состояния в элементах сложной конструкции часто возникает необходимость определить не только значение, но и направление главных напряжений. В таком случае практикуют установку в исследуемой области сразу трех датчиков в направлениях, составляющих углы 45° (рис. 14.9), так называемой розетки датчиков. По трем замеренным удлинениям могут быть без труда определены главные удлинения и угол, определяющий положение главных осей. Делают это следующим образом: положим, заданы деформации по главным осям х и у (рис. 14.10). Из рис. 14.10 нетрудно установить, что разность отрезков и т. е. абсолютное приращение длины равно

где - перемещения по осям

Относительное удлинение вдоль оси составляет

или

откуда

Для трех осей, совпадающих с осями датчиков в розетке (рис. 14.11), получаем соответственно

откуда после несложных преобразований находим

Таким образом, в общем случае получены выражения для определения значения и направления главных деформаций.

Главные деформации с равным успехом могут быть найдены и при помощи трех механических тензометров. В некоторых случаях практикуется определение главных осей при помощи лаковых покрытий (см. далее) с последующей установкой тензометров по главным направлениям.

Рис. 14.11

В современной технике эксперимента датчики сопротивления используют не только для замера деформаций. Во многих силоизмерительных устройствах их используют как чувствительные элементы, реагирующие на изменение внешних нагрузок. Для замера усилий датчики сопротивления наклеивают на деформируемый упругий элемент (стержень, вал), и по изменению сопротивления датчика судят о действующем усилии. Такой способ удобен тем, что позволяет весьма просто осуществить дистанционный замер, без введения сложных дополнительных устройств.

Рис. 14.12

При статических испытаниях датчик, наклеенный на поверхность исследуемой детали, включают в измерительный прибор по мостовой схеме (рис 14.12) с отсчетом показаний по гальванометру. Одно из четырех сопротивлений моста, например представляет собой сопротивление датчика. Остальные сопротивления подбирают так, чтобы при отсутствии удлинений детали (до начала опыта) мост был сбалансирован и сила тока в гальванометре равнялась бы нулю. Для этого необходимо, как известно, соблюдение соотношения

Обычно в качестве сопротивления берут второй датчик, точно такой же, как и первый, а сопротивления выбирают равными. Таким образом,

и условие (14.1) соблюдается.

Составляя уравнения Кирхгофа для цепей, представленных на рис. 14.12, нетрудно определить, что в случае несбалансированного моста ток, проходящий через гальванометр, равен

При этом предполагается, что внутреннее сопротивление источника тока и гальванометра много меньше При работе датчика сопротивление изменяется на и

Выражение (14.2) принимает при этом вид

Таким образом, ток, протекающий через гальванометр, пропорционален изменению сопротивления датчика и, следовательно, замеряемой деформации.

Основной погрешностью датчиков сопротивления является температурная погрешность. При изменении температуры сопротивление датчика меняется весьма заметно. Например, для константанового датчика, наклеенного на поверхность стальной детали, при изменении температуры на 1° омическое сопротивление меняется так же, как при изменении напряжения в стальном образце, на . С тем чтобы компенсировать температурную погрешность, датчик в мостовой схеме помещают без приклейки на датчике и закрывают сверху теплоизолирующим материалом, например тонкой фетровой полоской. Температура обоих датчиков оказывается при этом одинаковой. Тогда одинаковым будет и температурное изменение сопротивлений Балансировка моста, следовательно, меняться не будет, поскольку соотношение (14.1) сохраняется.

Когда ведется исследование напряженного состояния сложной конструкции, имеется большое количество датчиков, с которых необходимо снять показания. Гальванометр и сопротивления остаются при этом общими, а пары сопротивлений для каждой исследуемой точки включают в схему поочередно для снятия показаний. Чтобы избежать погрешностей из-за изменения напряжения питания непосредственно перед каждым отсчетом проводить балансировку моста при помощи переменного сопротивления (рис. 14.13).

Описанный способ замера пригоден, понятно, только при статическом изменении нагрузки.

Рис. 14.13

При быстро протекающих процессах вводят специальную регистрирующую аппаратуру. Для записи деформаций применяют осциллографы, а в схему включают усилитель.