|
| |
|
Слаботочка Книги тензорезисторы При экспериментальных исследованиях напряженного состояния конструкций, а также в качестве преобразователей деформаций в различных измерительных устройствах широко применяются тензорезисторы. Широкое распространение тензорезнсторов объясняется тем, что они малоинерционны, позволяют дистанционно и во многих точках проводить измерения; *споср,б установки их на исследуемую деталь не требует (уужных пржпособлений и не искажает поле деформаций иссмеДуемои Детали. МЦрые размеры и масса тензорезнсторов позволяют размещать их в малодоступных местах и устанавливать на детали в период сборки конструкции. Тензорезисторы используют с современными многоканальными измерительно-информационными системами. Научно-технический прогресс в машиностроении и других областях промышленности привел к существенному усложнению задач и условий измерения деформаций конструкций: рабочие температуры от -269 до 1000 °С; длительные статические, динамические и ударные нагружения; измерение упруго пластических деформаций в концентраторах напряжения и др. Тензо-метрирование натурных конструкций привело к необходимости повышения надежности и простоты установки тензорезнсторов. Развитие динамометров и датчиков давления тензорезисторно-го типа потребовало создания тензорезнсторов и методов их применения, обеспечивающих измерительным устройствам погрешность измерения до сотых долей процента. Для решения этих задач рядом организаций разрабатываются и применяются различные типы приклеиваемых и привариваемых тензорезнсторов (проволочные, фольговые и полупроводниковые). В литературе достаточно широко освещены конструкции и характеристики тензорезнсторов различного назначения [4, 19, 24, 26, 69, 77 и др.]. Однако мало отражены теоретические вопросы конструирования тензорезнсторов. В настоящей работе представлены расчетные методы создания тензорезнсторов с прогнозируемыми характеристиками. Первые шесть глав посвящены рассмотрению физических основ работы тензорезнсторов и разработки расчетных методов определения их характеристик, позволивших получить связь измерительных характеристик со значениями в явном виде механических и геометрических параметров конструктивных элементов тензорезисторов. Кроме того, рассмотрены метод компенсации временных погрешностей тензорезисторных измерительных устройств; методики определения погрешностей измерения деформаций в различных условиях применения тензорезисторов; методы компенсации, учета или уменьшения температурной характеристики сопротивления тензорезисторов, вносящей заметный вклад в погрешность измерения деформаций. Приведен экспериментальный материал по определению характеристик тензорезисторов, подтверждающий правильность и применимость полученных расчетных уравнений. Методы и средства экспериментального определения характеристик тензорезисторов подробно описаны в литературе (1, 5, 11, 30, 66, 87, 98 и др.] и в книге не приведены. В гл. 7 рассмотрены различные типы тензорезисторов для решения конкретных заач измерения деформаций при исследовании напр-яжещЬго состояйия конструкций в условиях высоких до 40(700 Т й* й1й6генных до -269°С температур и в диапазоне температур от -200 до 300 °С, а также при усталостных испытаниях и исследованиях акустической выносливости конструкций. Здесь же представлены конструкции и метрологические характеристики тензорезисторов, разработанных для применения в этих условиях. ВВЕДЕНИЕ Принцип измерения деформаций с помощью тензорезисторов состоит в том, что при деформации изменяется его активное сопротивление. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был обнаружен в 1856 г. лордом Кельвином и в 1881 г. О. Д. Хвольсоном. Однако пионерами применения этого эффекта для измерения деформаций являются Е. Е. Симмонс (Калифорнийский технологический институт) и Л. С. Руже (Массачусетский технологический институт), которые в 1938 г. изготовили и применили первые образцы приклеиваемого тензорезистора, являющегося прототипом широко распространенных во всем мире тензорезисторов различного назначения. В Советском Союзе тензорезисторы начали применяться в 40-х годах нашего столетия [27]. Они практически полностью заменили механические тензометры, открыли новые возможности в исследовании прочности различных машиностроительных конструкций. Применение тензорезисторов в качестве вторичных преобразователей различных измерительных устройств обеспечивало последним необходимую точность и надежность при длительных испытаниях. В современном виде тензорезистор конструктивно представляет собой чувствительный элемент из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали (рис. 1). Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента. Деформация е исследуемой конструкции, переданная с помощью связующего чувствительному элементу, приводит к изменению его сопротивления, функционально зависимого от дё-  Рис. 1. Схема тензорезнстора: 1 - чувствительный элемент; 2 - связующее; 3 - подложка; 4 - исследуемая деталь; 5 - защитный элемент; 6 - узел пайкн (сварки); 7 - выводные проводники формации вдоль главной оси * тензорезнстора, сопротивления R до деформации, коэффициентов передачи деформаиии /Спер и ее преобразования /Спр, т. е. Однако в тензорезисторе, установленном на исследуемой конструкции, протекает ряд процессов, приводящих к изменению его сопротивления и зависящих от свойств конструктивных элементов тензорезнстора, от условий эксперимента: времени измерений деформаций, температуры и ее изменения во времени и др. В связи с зависимостью изменения сопротивления не только от информативного параметра - деформации поверхности конструкции, но и от неинформативных влияющих факторов, сопутствующих экспериментальным исследованиям, целесообразно характеризовать тензорезисторы не одной комплексной характеристикой, отражающей все метрологические свойства тензорезнстора, а комплексом метрологических характеристик, каждая из которых отражает одно из свойств тензорезнстора. Этот принцип и был положен в основу разработанных в 1975-1976 гг. Государственных стандартов на тензорезисторы [38], включающих в себя термины и определения (ГОСТ 20420-75), общие технические условия с установленными параметрами метрологических характеристик (ГОСТ 21616-76) и методику их определения (ГОСТ 21615-76). Метрологические характеристики тензорезнсторов, входящие в комплекс, условно разделены на следующие, связанные с параметрами: с измеряемой деформацией вдоль главной оси тензорезнстора (информативным входным сигналом), такие как чувствительность К и функция преобразования деформации Цг) при нормальной температуре; с чувствительностью тензорезнстора к деформации, перпен- * Главная ось - ось чувствительного элемента тензбрезистора, направление которой совпадает с направлением его максимальной чувствительности к деформации. дикулярной к главной оси тензорезнстора, - поперечная чувствительность /С ±; с измеряемой деформацией и временем ее воздействия - ползучесть П и механический гистерезис Г; с действием таких влияющих величин, как температура (функция влияния температура на чувствительность Ф*, температурная характеристика сопротивления It, ползучесть при максимальной температуре Птах) и время (дрейф выходного сигнала Д*). Функция преобразования деформаций будет в этом случае иметь вид где 8 - измеряемая деформация; I - выходной сигнал тензорезнстора, зависящий от измеряемой деформации и действия неинформативных параметров; -значения выходных сигналов от характеристик ползучести, гистерезиса, температурной характеристики сопротивления, дрейфа, вносимые в формулу в виде детерминированных поправок, число и знак которых зависят от конкретных влияющих величин и схемы измерения деформаций. Для измерения деформаций в сложных условиях воздействия различных влияющих величин необходимо использовать тензорезисторы и схемы измерения, приводящие к малым значениям поправок. Разработка таких тензорезнсторов и методов их применения требует проведения многочисленных, трудоемких и подчас тонких экспериментальных исследований по выбору материалов конструктивных элементов (чувствительных элементов, связующих, подложек), созданию конструкций с малыми разбросами характеристик в партиях, исследованию влияний информативных и неинформативных величин на метрологические характеристики в условиях, имитирующих условия реального прочностного эксперимента. Эти обстоятельства приводят к необходимости создания методик расчета тензорезнсторов с прогнозируемыми характеристиками и получения их аналитических зависимостей от механических, геометрических параметров конструктивных элементов и от влияющих величин. Задача разработки таких расчетных методик отвечает современным требованиям развития научно-технического прогресса. Для получения расчетных зависимостей следует учитывать две основные функции, выполняемые тензорезистором: передачу деформации исследуемой конструкции через связующее чувствительному элементу и преобразование переданной деформации в приращение электрического сопротивления чувствительного элемента. [0] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 |