• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Резистивні перетворювачі

Перетворювачі механічних величин в електричні

Перетворювач механічної величини в електричну є одним із головних елементів вимірювальної системи. Вибір перетворювача визначає вибір схеми підсилювача та блоку живлення.

За принципом дії перетворювачі поділяють на дві головні групи : активні (генераторні) і пасивні (параметричні).У першій групі вхідна величина безпосередньо перетворюється в електричний сигнал, а в другій групі - вихідними електричними величинами є зміна опору, ємності, частоти тощо. До перших належать, наприклад, п’єзоелектричні та індукційні, до других - ємнісні, індуктивні та інші перетворювачі.

Перетворювач повинен задовольняти цілу низку вимог: мати достатню чутливість і задовільну стабільність, широкий діапазон зміни вхідної величини, зручне узгодження з вимірювальною апаратурою і не повинен впливати на вимірювану величину.

Для вимірювання однієї і тієї ж механічної величини можна використовувати давачі, робота яких ґрунтується на різних принципах перетворення. В подальшому розглянемо тільки ті принципи, які є найперспективнішими і найпоширенішими.

Резистивні перетворювачі є найпростішим видом перетворювачів. До них належать реостатні, тензоелектричні, тензолітові контактні та інші. Для вимірювальних цілей з перелічених найбільше поширення отримали перші два типи.

Реостатним перетворювачем називають реостат, повзунок якого переміщується згідно із значенням вимірюваної неелектричної величини. Таким чином, вхідною величиною реостатних перетворювачів є переміщення повзунка, яке може бути або лінійним, або кутовим. Якщо переміщення повзунка є наслідком дії на нього будь якого допоміжного елемента (наприклад, мембрани, чи поршня), то вхідною величиною може бути тиск, зусилля, тощо. Вхідною величиною реостатних перетворювачів є активний опір, розподілений на шляху повзунка лінійно чи за деяким законом.

Тензодавачі - вимірювальні перетворювачі, принцип роботи яких базується на властивості матеріалів змінювати свій електричний опір в залежності від їх деформації, тобто під дією прикладеної до них сили розтягу чи стиску.

Тензодавачі набули поширення завдяки малим розмірам та маси, а також можливості вимірювати за їхньою допомогою не лише статичні але й динамічні деформації.

Розроблені дротяні, фольгові і напівпровідникові тензодавачі. Розглянемо кожну групу цих тензодавачів.

2.3.2. Дротяні тензодатчики (ДТ)

Дротяний тензодатчик масового вжитку - це плоска петляста дротяна обмотка прямокутної форми (ґратка), до кінців якої припаяні або приварені, відносно товсті, виводи з мідного лудженого дроту чи фольги. Дротяна ґратка (ДГ) за допомогою спеціального клею закріплюється на тонкому прямокутнику з паперу або лакової плівки, що служить для неї основою. Конструкцію ДТ показано на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Конструкція дротяного тензорезистора:

(1 – основа; 2 – дротяні нитки чутливої ґратки; 3- шар клею; 4- вивідні провідники).

Основа ДТ утримує на собі тензочутливу ґратку та ізолює її від матеріалу досліджуваної деталі. Вона повинна бути еластичною, механічно міцною, добре приклеюватись до різних матеріалів, володіти доброю вологотривкістю і високими ізолюючими якостями, не змінювати своїх властивостей у заданому інтервалі температур. За роботи в умовах нормальної вологості і температури до70° - 90°С такими властивостями володіє тонкий (товщиною не більше 0.05 мм) папір. У вітчизняних тензорезисторах використовують креслярський прозорий папір, креслярський пергамін і папіросний папір.

Якіснішими (менша повзучість, краща вологотривкість і більший опір ізоляції) є тензорезистори на основі з плівки. Для виготовлення плівкової основи використовуються клеї або лаки, наприклад, клеї БФ-2 і ВС-10Т , електроізоляційний лак ВЛ-4 або ВЗ-931, акрилові, поліамідні, епоксидні, епоксидно-фенольні смоли та ін. матеріали.

У тензорезисторах, що призначені для використання у діапазоні підвищених температур (до 250°С), як основу використовують спеціальний жаростійкий папір (з додатком азбестових волокон) або папіросний папір , просякнутий термостійким клеєм.

Високотемпературні тензорезистори, що призначені для використання за температур 400° - 800°С, виготовляють у вигляді ДГ, закріпленої за допомогою спеціального жаростійкого цементу на фользі з нержавіючої сталі або взагалі без основи.

Не мають основи і не наклеювані ДТ, що застосовуються для вимірювання переміщень і зусиль. Переваги не наклеюваних тензорезисторів полягають у тому, що в них відсутні поперечна чутливість, повзучість, майже немає гістерезису. Гранична величина вимірюваних переміщень становить .

Матеріал дроту, що використовується для виготовлення тензочутливої ґратки, повинен задовольняти таким вимогам:

а) мати високий питомий опір, бо від нього залежить величина відносної зміни

пору на одиницю вимірюваного видовження, а отже, і чутливість дротяної ґратки до деформації;

б) володіти високою і стабільною чутливістю до деформації;

в) зміна його опору повинна відбуватись за лінійним законом у досить широкому діапазоні зміни деформацій, тобто він повинен мати велике відношення межі текучості до модуля пружності;

г) його характеристики повинні бути нечутливими до впливу температури;

д) температурні коефіцієнти лінійного розширення матеріалу дроту і матеріалу деталі, що досліджуються, повинні збігатися або різнитися незначно;

е) володіти технологічністю, яка дає змогу протягнути дріт до мікронної товщини;

ж) стопи, що використовуються для виготовлення високотемпературних терморезисторів, повинні добре протистояти окислювальній дії навколишнього середовища.

Серед відомих матеріалів та їх стопів немає жодного, який би міг повністю відповідати цим висунутим вимогам. Найпридатнішими матеріалами для виготовлення тензочутливого дроту визнані міднонікелеві стопи (константан, адваанс), ніхроми і нікель-хромозалізні стопи (елінвари).

Вітчизняні ДТ масового вжитку виготовляють з м’якого випаленого константану марки НММЦ 58.5-1.5 ГОСТ 492-52. Основні його недоліки - низький коефіцієнт тензочутливості і велика температурна р.р.с. у парі з міддю.

Константанові тензорезистори можна використовувати за температур до 200°С. Для роботи в умовах високих температур (до 900°С) дротяні ґратки виготовляються з ніхрому чи деяких інших стопів.

Для того, щоб деформації дротяної ґратки точно відтворювали деформації деталі поверхні, на яку наклеєно тензорезистор, дріт повинен бути дуже тонким. Найвигіднішим вважається діаметр дроту d=0.02…0.025мм. За звичай, застосовують дріт діаметром 0.02..0.05 мм. За такої товщини дроту деформації, що приводять до руйнування (розтріскування ) шару клею , набагато перебільшують звичайні вимірювані деформації і тензорезистор працює нормально навіть під час деформацій, що перебільшують межу текучості металів.

Чутливість ДГ, практично, однакова як за розтягу, так і за стиску.

Вивідні провідники повинні мати достатню механічну міцність, добре контактувати з кінцями ДГ і бути зручними для під’єднання до них дротів вимірювальної схеми. Тому для виводів використовують мідний луджений дріт чи фольгу. Виводи приварюють чи приклеюють до кінців ґратки.

2.3.3. Фольгові тензодатчики (ФТ)

Існування поперечної чутливості, мала величина допустимого струму, обмежена чутливість вимірювальної схеми, труднощі, пов’язані з виготовленням тензочутливих ґраток складної конфігурації та інші недоліки ДТ стали приводом для створення ФТ. На рис.2.3 показано конструкцію ФТ.

Рис. 2.3. Конструкція фольгового тензодатчика:

1 – несуча основа; 2 – тензочутлива ґратка; 3- шар клею; 4- вивідні провідники.

В якості несучої основи ФТ застосовують різноманітні матеріали, в тому числі акрилові, поліамідні, епоксидні, епоксидно-фенольні, фенольні, епоксидно-поліамідні, епоксидно-скляні, фенольно-скляні. З них виготовляють тонкі полімерні плівки, що мають високу механічну міцність і сумісність з більшістю в’яжучих. В датчиках, що використовуються в якості перетворювачів, за основу беруть дуже тонку плівку виготовлену на основі епоксидної смоли. Лінійно-пружна поведінка цього матеріалу задовольняє жорстким вимогам лінійності і відсутності гестерезису датчиків. Полімери, армовані скловолокном, застосовуються в датчиках, призначених для роботи в умовах циклічних деформацій. Зміцнення, створюване матеріалом основи і покриттям (герметизовані датчики), збільшує ресурс датчика.

Тензодатчики, що працюють при підвищених температурах (до С), за основу, мають плівки виготовлені з епоксидних і фенольних смол, армованих скловолокном. Скловолокно збільшує робочий діапазон температур матеріалу основи і виключає в’язкопружне деформування полімерної плівки. За більш високих робочих температур (400° - 800°С), ґратка датчика кріпиться і ізолюється керамічним клеєм без полімерної основи.

В умовах натурних вимірів, щоб запобігти впливу агресивних середовищ, застосовують герметизовані тензодатчики.

У ФТ тензочутливий елемент (ґратка) виготовлений з дуже тонкої (завтовшки 2…10мкм), як правило, константанової чи елінварової фольги. Виготовлення ґратки проводиться шляхом штампування або травленням способом фотолітографії. Конфігурація ґратки тензодатчика вибирається таким чином, щоб забезпечити необхідний електричний опір (Ом) тензочутливого елемента при достатньо малих розмірах датчика – довжині (база) і ширині . Серійно випускаються датчики з базою в діапазоні від до мм. Розмір чутливого елементу вибирається експериментатором таким чином, щоб забезпечити мінімальну похибку вимірювань, яка виникає за рахунок неоднорідності поля деформацій. Опір ґратки ФТ вимірюється з похибкою тоді, як допустима похибка тензочутливості кожної із партій тензодатчиків, складає і це дозволяє проводити достатньо точні вимірювання деформацій.

В залежності від кількості чутливих ґраток, ФТ поділяють на одноелементні та багатоелементні. Багатоелементні тензорезистори можуть мати дві, три або чотири ґратки. Типи фольгових тензорезисторів представлено на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Типи та підтипи фольгових тензодатчиків.

Тензодатчикии прямокутного типу використовують для вимірювання деформацій у довільно заданому напрямку в умовах одновісного напруженого стану деталі і є найпоширенішими у практиці тензометрування.

Усі різновиди прямокутних тензодатчиків є одноелементними і відрізняються один від одного тільки розташуванням ниток і виводів. Це створює певні зручності під час комбінування тензодатчиків, що підключаються в суміжні плечі мостової схеми. Наприклад, підтип А найчастіше використовується в парі з підтипом Д, а підтип Б з підтипом В.

Розетковими називаються ФТ, що складаються з двох, трьох або чотирьох ґраток, розташованих під певним кутом одна до одної. Вони застосовуються для визначення величини і напрямку головних деформацій в умовах плоского напруженого стану випробувальної деталі. Якщо напрямки головних деформацій наперед відомі, то використовуються двоелементні розетки А і Б. Тензодатчики підтипу Б призначені для вимірювання крутного моменту. Розетки В і Д використовуються у тих випадках, коли напрямки головних деформацій відомі приблизно. За невідомого напрямку головних деформацій здебільшого користуються розетками підтипу Д.

За допомогою мембранних тензодатчиків вимірюють деформації радіального(А) і тангенціального (Б) напрямків, що виникають під час згину круглих пластинок (мембрани, діафрагми, диска та ін.). Одноелементні тензодатчикиА і Б використовують для окремого виміру радіального або тангенціального напруження.

Максимальні тангенціальні напруження зосереджені в центрі мембрани, а максимальні радіальні - уздовж периметра защімлення. Тому, у дво - чотири елементних тензодатчиках, нитки елементів, що мають форму спіралі, розташовані в центрі мембрани.

Вкажемо на дві істотні переваги ФТ над дротяними.

1. Прямокутна форма поперечного перерізу ниток чутливої ґратки за малої товщини дає змогу:

а) збільшити площу щеплення з поверхнею досліджуваної деталі;

б) поліпшити тепловіддачу тензочутливої ґратки;

в) використати за основу не папір, а тонкий полімер з добрими механічними, діалектричними і адгезійними властивостями.

2. Широкі перемички роблять такі тензодатчики, практично, нечутливими до поперечних деформацій.

Читайте також:

1. Аналіз двотактних перетворювачів напруги
2. Аналогово-цифрові, цифро-аналогові перетворювачі. Кодоперетворювачі
3. Важливою ознакою класифікації є принцип побудови перетворювачів кодів, згідно з яким їх можна поділити на чотири групи.
4. Взаємоіндуктивні перетворювачі
5. Вимірювальні кола взаємоіндуктивних перетворювачів
6. Вимірювальні кола ємнісних перетворювачів
7. Вимірювальні кола реостатних перетворювачів
8. Вимірювальні перетворювачі
9. Високочастотні перетворювачі модульної структури
10. Вторинні перетворювачі вимірювальної інформації
11. Гальванічні перетворювачі рН-метрів
12. Електрокінетичні перетворювачі

Переглядів: 2906