Магнітопружні датчики

Вимірювання напружень датчиками.

Метод, заснований на використанні п’єзорезистивного ефекту.

Метод магнітопружності.

Рентгенографічний метод.

Дозволяє безпосередньо визначити вид атомів та відстань між ними в кристалічній решітці, а також виміряти її деформації. Це дає можливість обчислити величину, знак і напрямок головних напружень на поверхні об’єкту. Якщо взяти до уваги, що зміни відстані між атомами відбуваються від пружних деформацій, а пластичні деформації викликаються переміщенням дислокацій, то рентгеноструктурний метод дає можливість відрізнити пружну деформацію від пластичної, а тому безпосередньо отримати інформацію про напруження. Похибка вимірювань для сталі складає 10-30 мПа.

Заснований на використанні магнітопружного ефекту, тобто здатності феромагнітних матеріалів змінювати свої магнітні якості під дією механічних напружень, які призводять до зміни орієнтації магнітних моментів атомів в кристалах, що викликає зміну намагніченості феромагнетику.

Метод магнітопружності можна використовувати для одноразового вимірювання лише в межах пружних деформацій. Його важливою перевагою є можливість визначення напружень без прив’язки до ненапруженого стану. Для його реалізації розроблені портативні прилади. Похибка вимірювань становить приблизно 15%.

П’єзорезистивним ефектом називають явище зміни питомого опору деяких матеріалів або напівпровідників під дією механічних напружень. При постійній температурі та при малій щільності струму залежність щільності струму від механічних напружень записується рівнянням:

Вибираючи той чи інший матеріал для перетворювача та, змінюючи його орієнтацію відносно кристалографічних осей, можна створити перетворювачі з цікавими властивостями:

такі, що мають найбільшу чутливість до якоїсь однієї компоненти тензора напружень і найменшу до інших компонент. В цьому випадку будемо мати однокомпонентний перетворювач;

такі, що мають до різних компонент напружень різну чутливість, що відрізняється навіть за знаком. В такому разі можна створити багатокомпонентний перетворювач напружень і температури.

Таким чином маємо перетворювач нормальних напружень з використанням повздовжнього

Конструктивно він виготовляється з пластини у вигляді диска, вирізаного з монокристала напівпровідника так, що її площина направлена нормально до вісі максимальної п’єзочутливості. Розміри пластинки можуть бути в межах: діаметр від 2 до 40 мм, товщина від 0.05 до 0.2 мм. На поверхні пластини напиленням улаштовуються контактні слої, до яких припаюють проводи. Для перетворювача ППН-1 потрібно вибрати високоомний кремній так, щоб його загальний опір був досить значний (біля 100 Ом). Але високоомні напівпровідники мають значну температурну чутливість. Це протиріччя долається конструктивно в перетворювачі ППН-2 за рахунок послідовного з’єднання декількох елементів, розташованих на загальній підложці. Недоліком перетворювачів ППН-1 та ППН-2 є співпадання напрямку дії механічного напруження з розташуванням електричних контактів, через що виникають додаткові похибки вимірювань.

Створити датчик зсувних напружень не вдається, бо в середовищі не зустрічається чистий зсув та й під час градуювання умови чистого зсуву створити важко. Тому краще створювати датчики сумісного вимірювання нормальних та дотичних напружень.

Датчики дотичних напружень промисловістю досі не випускаються. На основі п’єзорезистивного ефекту можна побудувати також багатокомпонентний датчик напружень та температури. Для цього до перетворювача у вигляді куба або шару треба приєднати три ланцюги, які б забезпечували протікання струму у трьох взаємно-перпендикулярних напрямках. Якщо від’єднувати один з ланцюгів, то струм буде протікати під деяким кутом до вісей координат. Послідовне відключення кожного з трьох ланцюгів і вимірювання сили струму в кожному з них дає змогу записати шість рівнянь з шістьма невідомими:.

З цією метою пружний елемент тензодатчика виконують з матеріалу, який має п`езоэлектричні властивості (кварц, титанат барію і т.п.). Вимірюють деформацію середовища тензометром і тензодатчиком, що мають різну жорсткість і розташованими соосно відносно один одного в напрямку дії напруг.

При відсутності зовнішнього навантаження (напруження дорівнює нулю) показання тензометра і тензодатчика балансують. При впливі напруження модуль деформації середовища змінюється, унаслідок чого баланс деформації порушується. Тоді на регулюючі елементи тензодатчика 2 подають електричний сигнал U, які забезпечує в ньому додаткову деформацію такого значення і знака, щоб баланс деформацій відновився. При цьому електричний сигнал, який подається на тензодатчик, пропорційний вимірюваній напрузі, і служить його мірою.

Через постійне регулювання деформацій тензодатчика його модуль деформації виявляється завжди рівним модулю деформацій середовища, чим забезпечується висока точність вимірів, тому що виключається шкідливий вплив концентрації напруг.

При вимірі стискаючих напружень регулюючий сигнал, який подається тензодатчиком, має таку полярність, при якій забезпечується додаткова деформація стиску. При вимірі напружень, що розтягують, полярність регулюючого сигналу змінюється, чим забезпечується додаткова деформація розтягу. Відповідно виміряються і дотичні напруження .

Пристрої для виміру напружень, у яких використовуються п'єзоелектричні вимірювальні перетворювачі приведені на рисунку

Конструція одного з них, показана на рис.1.9,(а), містить пружний елемент із п`езокераміки, на бічній поверхні якого приклеєні тензодатчики, а на торцевих улаштовані електроди для підключення електричної напруги. Устрій розміщається в середовищі під час виготовлення досліджуваної конструкції соосно з тензометром, як показано на рис. 1.8.

При відсутності напружень тензодатчики балансуються разом з тензодатчиками тензометра (наприклад, можливо їхнє підключення в суміжні плечі моста і його балансування). При збільшенні напружень у зоні розміщення пристрою з'являється їх концентрація, у зв'язку з чим балансування порушується. Сигнал розбалансу надходить на вхід системи стеження , що виробляє електричну напругу U, яка подається на електроди пристрою. Під впливом електричної напруги внаслідок зворотного п'єзоелектричного ефекту пружний елемент одержує додаткову деформацію, яка дорівнює різниці деформацій тензометра і пристрою. Завдяки цьому балансування відновлюється і система приходить у рівновагу. Електрична напруга, при якій усувається розбаланс, пропорційно вимірюваному напруженні і служить його мірою.

Описаний пристрій має наступні переваги:

§ завдяки можливості регулювання деформацій пружного елементу зменшуються збурювання силового полю , що виникають через концентрацію напружень. Цим забезпечується більш висока точність вимірів на всьому діапазоні;

§ відпадає вимога зменшувати товщину датчика з метою підвищення точності;

§ передбачено використання для виміру напружень стиску та розтягу, за рахунок можливості регулювання деформацій пружного елемента як убік розширення, так і з сторону стиску.

Недолік запропонованого пристрою полягає в тім, що для забезпечення його роботи необхідно мати тензометр 1 (див. рис. 1.8), розташований соосно з пристроєм на деякій відстані, обумовленій розмірами зони збурювання напружень. Звичайно ця зона обмежується розміром, рівним трьом — п'ятьом розмірам включення, що обурює, (у даному випадку трьом - п'яти диаметрам пристрою).

При наявності градієнта напруг уздовж осі розташування пристрою і тензометра виникнуть помилки у визначенні напружень.

У пристрої, конструкція якого показана на рис. 1.9, (б), цей недолік усунутий. Пристрій включає пружний елемент із п`езокераміки з контактними шарами по торцевим поверхням для подачі регулюючої напруги U і консолі у виді пелюстків, на поверхні яких наклеєні тензорезистори. Матеріалом для консолей служить пружна сталь товщиною 0,1— 0,3 мм. Для кращого заповнення матеріалом простору між консолями, верхні та нижні слої зрушено відносно один одного. Тензорезистори з'єднані в мостову схему, яка збалансована при напруженнях, рівних нулю. При збільшенні напружень пружний елемент і матеріал середовища між пелюстками деформуються неоднаково, що приводить до вигину пелюстків і появі розбалансу мостової схеми.

Як і в попереднім пристрої, сигнал розбалансу надходить на вхід системи стеження , яка виробляє регулюючу напругу та дає додаткову деформацію пружному елементу, у результаті чого система приходить у рівновагу. Регулююча напруга U і є мірою напруження s.

Така конструкція дозволяє об'єднати в одному пристрої функції вимірника напруження і тензометра, що вимірює деформації середовища.

Як було зазначено вище, описаний пристрій призначений для виміру напружень в ідеалізованому нелінійно-пружному середовищі. З появою непружних деформацій значення регулюючої напруги U залежить від усіх складових повної деформації, у тому числі і від пластичної. При циклічному навантаженні і наступному розвантаженні до нульового значення напружень регулююча напруга U не приймає нульові значення, а стає пропорційною пластичній деформації, яка накопичується. У цьому випадку пристрій не задовольняє умові (1.6) і не може бути використаний для визначення напружень.

Для того щоб визначити напруження в пластичному середовищі, необхідно об'єднати в одному пристрої датчик напружень і регулюючий деформації пристрій, де напівпровідниковий перетворювач вклеєний між двома блоками пружного елемента пристрою, приведеного на рис. 1.10. Здійснення такої конструкції дозволяє на виході напівпровідникового перетворювача одержувати інформацію про напруження, а вимірюючи регулююче напруження при s= 0, отримувати цінні данні про накопичувану пластичну деформацію . Відзначимо, що такі можливості відкриваються вперше.

Запропонована ідея про регулювання деформації датчика за допомогою п'єзоелектричного ефекту виявилася плідною. Вона набула застосування і розвиток при розробці нового виду датчиків напружень, у яких використовуються п'єзоелектричні вимірювальні перетворювачі. Їх відрізняють простота конструкції, технологічність виготовлення, вони коштують дешевше, ніж напівпровідникові датчики напружень. Датчики призначені для виміру статичних напружень, але можуть використовуватися і при динамічних впливах.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Поляризаційно-оптичний метод.	\|	Освідчення об'єкту

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.016 сек.