|
| |
|
Слаботочка Книги щем, показывает, что эти изменения могут иметь различный знак и достигать достаточно больших значений. На рис. 42 приведены для больших партий (примерно 200- 1000 шт.) тензорезисторов 1-П, 1-ВО, ВТК. и ЦНК средние изменения деформации ео чувствительной решетки после установления тензорезисторов на балки из различного материала. Значения бо подсчитаны по изменению сопротивления AR тензорезистора после наклейки: во-- где /?д - сопротивление тензорезистора до наклейки; /С -чувствительность тензорезистора (приняли, что коэффициент передачи равен 1). Тензорезисторы 1-П, 1-ВО и ВТК проходили тепловую обработку при 200-250°С, а тензорезисторы ЦНК -при 140°С. Тензорезисторы изготовлены из константановой проволоки (Рч= = 15 млн-7°С). Как видно, остаточные деформации и остаточные напряжения в зависимости от материала, на который наклеен тензорезистор, могут достигать ±500 млн- и более, что при Gi = 15-10 Па приведет к напряжению Smo = ±(5-108) Па. Однако опыт показывает, что тепловая обработка тензорезисторов резко уменьшает упругие несовершенства связующего и релаксация этих остаточных напряжений не приводит к заметному смещению температурных характеристик сопротивления. Так, на рис. 43 приведены температурные характеристики сопротивления тензорезисторов при повторных их нагревах до рабочих температур, иллюстрирующие воспроизводимость температурных характеристик при всех нагревах. Исследования тензорезисторов типа СП, где в качестве связующего используется полиимидный клей холодного отверждения, показали, что остаточные деформации после наклейки тензорезисторов на порядок меньше (от О до 30 млн-) и не зависят от температурного коэффициента расширения материала детали. Поэтому для тензорезисторов такого типа смещение определяется только релаксацией напряжений от ви определяемого формулой (103). Глава 4 КОМПЕНСАЦИЯ ВРЕМЕННЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ 1. СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ Для ряда аэродинамических и прочностных исследований необходимо создавать высокопрецизионные тензорезисторные датчики силы, давления, перемещения и другие, погрешности которых исчисляются сотыми и тысячными долями процентов. В этом случае погрешности за счет временных изменений деформации упругих элементов в связи с упругими несовершенствами их материалов, такими, как гистерезис, упругое последействие, ползучесть, вносят заметный вклад в погрешность измерения, что затрудняет создание датчиков высокой точности. В целях снижения погрешностей за счет упругих несовершенств необходимо для упругих элементов датчиков разрабатывать специальные сплавы, обладающие малым последействием и текучестью [81]. Применяют также способ уменьшения рабочих деформаций и специальные отжиги сплавов чувствительных элементов. Однако термообработка, ведущая к созданию структуры сплава с малыми несовершенствами, не всегда совпадает с термообработкой, приводящей к оптимальным упругим и технологическим свойствам [63, 80]. Существует способ схемной компенсации временных изменений, связанных с ползучестью выходного сигнала, вызванных упругими несовершенствами тензорезисторного измерительного устройства, путем подачи на выход тензорезисторного преобразователя сигнала, противоположного по знаку, но одинакового по форме и абсолютному значению ползучести (пат. 73141А США. МКИ GOIL/04, 1976). Этот аппаратурный способ существенно усложняет схему измерения, так как требует введения специальной схемы коррекции по амплитуде и времени, которая может соответствовать компенсации только для конкретного тензорезисторного преобразователя. Временные изменения деформации упругого элемента, вызванные упругими несовершенствами его материала, имеют положительный знак, т. е. эти изменения по знаку совпадают с изменением деформации упругого элемента от измеряемого параметра. Если на упругий элемент установить тензорезисторы, имеющие отрицательную ползучесть, то произойдет компенсация временных изменений выходного сигнала от упругих несовершенств элемента и вызванная этим погрешность измерительного устройства будет отсутствовать. В Моденском исследовательском центре ONERA (Франция) была проведена работа [96, 97] по подбору материалов упругих элементов динамометров и тензорезнсторов, установленных на них. Исследовали несколько динамометров, изготовленных из пяти различных сплавов с установкой на них трех типов тензорезнсторов, выпускаемых различными фирмами. Тензорезисторы отличались материалом чувствительного элемента (константан, платиновольфрамовый сплав) и типом связующего (эпоксидные и фенольные клеи). Несмотря на большую трудоемкость этих исследований, компенсации временных погрешностей тензорезисторами различных типов достичь не удалось. Применение тензорезнсторов, имеющих практически нулевое значение ползучести, приводило к тому, что временные погрешности выходного сигнала динамометров определялись упругими несовершенствами материала упругих элементов, а применение тензорезнсторов, имеющих заметные отрицательные значения ползучести, - к тому, что они в основном определяли такие временные погрешности, как ползучесть и гистерезис выходных сигналов динамометров. Анализ аналитических зависимостей iCnep от геометрических параметров, полученных в параграфе 2 гл. 3, показывает, что, изменяя такие геометрические параметры, как длину перемычек А, ширину, толщину или диаметр нити чувствительного элемента, можно в одном типе * и даже типоразмере ** тензорезнсторов получить заданные значения Кпер.ч, а соответственно заданные значения чувствительности К [см. формулу (14)] и ползучести [см. формулу (59)]. Последнее позволяет разработать методику компенсации временных погрешностей упругих элементов измерительных устройств путем применения тензорезнсторов с заданными значениями ползучести, которые получают у тензорезнсторов изменением некоторых геометрических параметров в одном типоразмере тензорезнсторов. Для компенсации эти геометрические параметры должны быть выбраны таким образом, чтобы ползучести установленных тензорезнсторов были равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку ползучести упругих элементов измерительных устройств. Осуществление такой методики компенсации требует знания зависимости ползучести от геометрических параметров тензоре- * В соответствии с ГОСТ 20420-75 тип теизорезистора - это тензорезисторы, обладающие одинаковым комплексом конструкционно-технологических свойств. ** Гигаоразлер - совокупность тензорезнсторов одного типа, имеющих одинаковые номинальную базу н номинальное сопротивление. зисторов соответствующих типов. В настоящее время наиболее широко для измерительных устройств используются фольговые тензорезисторы. 2. ЗАВИСИМОСТЬ ПОЛЗУЧЕСТИ ФОЛЬГОВЫХ ТЕНЗОРЕЗНСТОРОВ ОТ НХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ Исследовались различные типы и типоразмеры фольговых тензорезнсторов, отличающихся шириной нити, шириной и конфигурацией крайних нитей, формой, размерами и расположением контактных участков, -ФКП1, ФКП2 (см. рис. 14), ФКП1 (35), ФКП2(35), ФК, фольговые датчики усталости ДУ-1 и ДУ-2 (рис. 44), Тензорезисторы ФКП1 (35) и ФКП2(35) имеют конфигурации такие же, как у ФКП1 и ФКП2, но ширина нити в негативе равна 35 мкм. Изготовление партий этих тензорезнсторов, проводилось по единой технологии, в качестве подложки и связующего использовался винифлексовый лак ВЛ-6. У выборок тензорезнсторов каждого типоразмера на измерительном микроскопе УИМ-26 измерялись по методике, приведенной в параграфе 2 гл. 3, геометрические размеры элементов тензорезнсторов, затем у этих тензорезнсторов, наклеенных на балку из стали ЗОХГСА, определялись чувствительность и часовая ползучесть при 8=1500 млн~ и 20°С. Для измерения выходных сигналов применялась прецизионная тензометрическая аппаратура, прошедшая перед испытаниями метрологическую аттестацию и имеющая нестабильность отдельных показаний в пределах 0,005-0,015% за 8 ч непрерывной работы. Всего было исследовано 22 типоразмера тензорезнсторов (с базами 0,5-12,0 мм), из которых было взято для испытания 40 выборок примерно по 10 тензорезнсторов в каждой, с сопротивлениями, близкими к номинальному и отличающимися от него. По измеренным геометрическим размерам и формулам (52) для ФКП1 и (51) для ФКП2, ФК, ДУ-1 и ДУ-2 определялись Кпер.ч при мгновенном модуле сдвига G=15-10 Па и iCnep(t) при релаксационном модуле Gt=14-108 Па. Расчетные значения чувствительности Крас определялись как  Крас КеР.ч гер.ч пр, ПО формуле а ползучесть (59). В результате проведенных расчетов и экспериментов бы- Рис. 44. Конфигурация чувствительных элементов и контактных площадок фольговых тензорезнсторов различных типов: а-ФК; б-ДУ-1; в-р.у-2 ло установлено, что расчетные и экспериментальные значения чувствительности у всех исследуемых выборок тензорезисторов практически были близки, отклонения не превышали ±2,0%. У тензорезисторов с малой базой, узкой нитью чувствительного элемента и относительно длинными концевыми участками коэффициент передачи был больше 1 и чувствительность доходила до 2,35-2,40, при этом ползучесть становилась положительной и имела относительно большие значения (П = 0,2%). Из анализа экспериментального и расчетного материалов установлена зависимость между чувствительностью тензорезистора и его ползучестью. Чем меньше чувствительность (т. е. меньше коэффициент передачи), тем больше по абсолютной величине отрицательные значения ползучести при одних и тех же G и От. При больших значениях чувствительности (т. е. /Спер>1) ползучесть (переходя через нуль) становится положительной. Связь между Л и-П наглядно иллюстрируется на рис. 45 кривой, построенной по их расчетным значениям с учетом геометрических размеров тензорезисторов. Там же значками обозначены экспериментальные значения чувствительности и часовой ползучести тензорезисторов исследуемых типоразмеров. Здесь и далее на графиках приведены значения ползучести с поправкой на ползучесть балки, которая для материала ЗОХГСА за 1 ч равна 0,060%, т. е. П=Пз.,-0,060, (110) где Пв.с - ползучесть выходного сигнала. 0,9B8S 0,99Ю 1,0135 1,0360 -0,1 -0,2 -0,3 1,0585 К„,р
2,15 2,20 2,25 2,30 2,35 Рис. 45. Зависимость ползучести П от расчетных значений коэффициента передачи iCnep (чувствительности К) фольговых тензорезисторов различных типоразмеров, прикрепленных клеем ВЛ-6: ФКП1 (•) и ФКП2 (X) с базами 0,5-5 мм; ФК (Д) с базами 1.5-i2 мм; ДУ1-2-100 (□); ДУ2-3-150 (> Для проверки правильности внесения этой поправки часовая ползучесть у выборки тензорезисторов ФКП2 (35)-1-100 определялась также на установке с заданием деформации постоянным прогибом балки прямоугольного сечения. При такой методике в ползучесть выходного сигнала не входит ползучесть балки и она определяется только ползучестью тензорезисторов, среднее значение которой в выборке было -0,010%. Ползучесть тензорезисторов из той же партии, определенная с учетом формулы (ПО) на консольной балке с постоянным грузом, составила 0,010%. Разность этих двух измеренных значений лежит в пределах разброса в выборках, средние квадратические значения которого во всех исследуемых 40 выборках оценивались 0,020-0,040%. Из результатов расчета и эксперимента, приведенных на рис. 45, следует, что различие измеренных и расчетных значений ползучести при одних и тех же значениях чувствительности тензорезисторов лежит в пределах ±0,040%, что связано как с погрешностью измерений геометрических размеров, так и с пргрешностью определения средних значений ползучести в выборке и с рассеянием ее в выборках. Наибольшая зависимость чувствительности и ползучести тензорезисторов наблюдается от ширины нити а чувствительного элемента и длины концевого участка, особенно для малобазных тензорезисторов. На рис. 46 приведены расчетные кривые зависимости чувствительности и ползучести от ширины а нити чувствительного элемента для тензорезисторов с базой 3 мм с учетом и без учета влияния контактных площадок. Там же приведены экспериментальные значения 7( и П тензорезисторов, имеющих размеры одинаковые с расчетными. Как видно, чем меньше ширина нити, тем больше значение чувствительности, а отрицательная ползучесть по мере умень- 2,25 2,24 2,22 2,20 /7." 0,4 -0.4 30 а) -0,8 40 а,мкм 10 30 6) 40 а,тм. Рис. 46. Расчетные зависимости чувствительности (а) и ползучести (б) фольговых тензорезисторов с базой 3 мм от ширины нити: /-С учетом влияния IfH; г-при (# - ФКШ-3-200; Х - ФКП1-3-400; Д - ФКП2-3-400) 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 |