10. ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Тензопреобразователи представляют собой безынерционные устройства и используются для преобразования малых деформаций (порядка сотых и тысячных долей миллиметра) в электрический сигнал. Их элементы изготовляются чаще всего из константановой проволоки диаметром мм. Проволоку приклеивают змейкой на полоску тонкой бумаги, на которую сверху наклеивают второй слой бумаги (рис. XVI.74).

Тензоэлемент приклеивают к поверхности деформируемой детали таким образом, чтобы прямолинейные участки проволоки растягивались или сжимались в соответствии с деформацией элемента.

Чувствительность проволочных тензопреобразователей характеризуется безразмерным передаточным коэффициентом, т. е. отношением относительного изменения сопротивления к относительной деформации:

Чувствительность кбнстантанового преобразователя

Изменение сопротивления тензопреобразователя не превышает долей процента и поэтому необходимы значительное усиление сигнала, тщательная нулевая настройка и хорошая температурная

компенсация. Для усиления пользуются схемами переменного тока, работающими по принципу амплитудной модуляции.

Для изготовления проволочных тензоэлементов в основном применяют медноникелевые сплавы, имеющие чувствительность и значительный температурный коэффициент сопротивления. Сравнительно большое распространение получили также тензоэлементы, выполненные из манганина.

Так как относительное изменение сопротивления тензоэлемента

очень мало (не более необходимо принимать меры для

предотвращения изменения сопротивления тензоэлемента от других причин, кроме измеряемой деформации. Из побочных факторов наибольшее влияние на точность показаний оказывает изменение температуры.

Рис. XVI.74. Проволочный тензопреобразователь

Рассмотрим участок тензоэлемента, имеющий длину с температурным коэффициентом сопротивления в недеформированном состоянии а. Относительное изменение сопротивления при повышении температуры на будет

При коэффициенте теплового линейного расширения, равном относительное удлинение данного участка тензоэлемента при том же повышении температуры

Если деталь, на которую наклеен проволочный тензоэлемент, имеет коэффициент линейного расширения у, то ее деформация также вызовет изменение длины тензоэлемента. Тогда

где — относительная температурная деформация тензоэлемента при учете температурной деформации детали. Температурная деформация, действующая на проводник, вызовет относительное изменение сопротивления, равное

При этом общий температурный коэффициент сопротивления проволочного тензоэлемента, наклеенного на деталь, изменяется от а до общее относительное изменение сопротивления

Для устранения температурных погрешностей применяются тензопреобразователи, состоящие из двух последовательно соединенных частей, выполненных из металлов, у которых температурные коэффициенты сопротивления имеют различные знаки (например, неотожженные константановая и медная проволоки). В зависимости от характеристик материалов можно подобрать такое соотношение длин проволочек, что их общее сопротивление не будет зависеть от температуры.

При измерениях с помощью тензоэлементов необходимо следить за тем, чтобы ток измерительного сигнала, проходящего через элемент, не достигал такой величины, при которой происходит саморазогрев тензоэлемента, так как из-за этого возникает дополнительная ошибка измерения.

Разработаны полупроводниковые тензоэлементы, которые имеют чувствительность, в 10—100 раз превышающую чувствительность металлических тензоэлементов, и в некоторых случаях могут использоваться в преобразователях, действующих без усилительных схем. Вследствие однозначных температурных зависимостей у таких тензоэлементов их можно использовать в термокомпенсированных преобразователях. Коэффициент тензочувствительности для некоторых полупроводниковых тензоэлементов достигает 200, причем его величина определяется кристаллографической ориентацией изготовленного тензоэлемента. При этом на изменение удельного сопротивления такого тензоэлемента под действием приложенного напряжения влияет тип проводимости или

Необходимо отметить, что зависимость напряжения от деформации у полупроводниковых тензоэлементов не имеет гистерезиса. Длина таких элементов составляет 12—13 мм, ширина 5 мм и толщина 0,018 мм. Для небольших поперечных сечений элементов допустимы относительные деформации -у- от до

Амплитуда сигнала у полупроводниковых тензоэлементов на один или два порядка выше, чем у металлических тензоэлементов. Полупроводниковые тензоэлементы, как и металлические, могут применяться в приклеенном и в неприклеенном виде, причем их питание может осуществляться постоянным и переменным током.

К факторам, определяющим работу тензопреобразователей, относятся: влияние температуры на сопротивление элемента, влияние температуры на чувствительность тензопреобразователя, уход характеристик, смещение нуля в результате первого механического или температурного воздействия и время службы, определяемое усталостью. Разброс характеристик преобразователей зависит от их предыстории и от большого числа нерегулируемых переменных: химического состава чувствительного элемента, режимов термической и механической обработки и т. д.

Анализ работы тензопреобразователя показывает, что влияние температуры на коэффициент чувствительности сильнее для

коротких и слабее для длинных элементов. Поэтому фольга предпочтительнее проволоки, а плоские датчики лучше датчиков с круговой намоткой. Склеивание с термообработкой дает лучшие результаты при стабилизации коэффициента чувствительности, чем использование растворителей, но худшие, чем в случае с керамической связкой.

При длительных механических воздействиях характеристики преобразователей «ползут». Уход характеристик подобно изменению чувствительности также определяется конструктивными и технологическими факторами. Различная термообработка, например при склеивании, дает существенную разницу в характеристиках преобразователя одного типа с одинаковыми компонентами.

При циклических нагрузках наблюдается некоторая закономерность в работе тензопреобразователей. Небольшое число циклов при значительных воздействиях приводит к усталости чувствительного элемента. При небольших нагрузках он выдерживает много циклов и выходит из строя из-за усталости промежуточных слоев между чувствительным элементом и конструкцией.

Первоначальные механические и температурные воздействия необратимо влияют на сопротивление проволоки и приводят к сдвигу нуля характеристик. Нерегулируемыми переменными, в конечном счете определяющими величину сдвига нуля, являются следующие факторы: окисление одной из компонент металлического сплава, из которого изготовлен чувствительный элемент, цикл термической и вид механической обработки как чувствительного элемента, так и склеивающего состава.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)