|
| |
|
Слаботочка Книги rndl В А -о о-* Ял В Рис. 99. Схематическое изображение тензорезистора как цепи: а -с распределенными постоянными; б -с сосредоточенными (d/- элемент длины чувствительного элемента; rl - сопротивление чувствительного элемента длиной dl-godi - проводимость or чувствительного элемента тензорезнстора к детали иа длниё Яд - сопротивление тензорезистора; goZ/Z - проводимость от чувствительного элемента тензорезнстора к детали) НОЙ формулой, рассчитанной по схеме рис. 99, б, по которой проводимость сосредоточена на концах чувствительного элемента: Несмотря на то что эта формула дает изменение выходного сигнала тензорезистора за счет R», затруднительно производить в процессе проведения эксперимента измерение i?„ и вносить поправку за счет его изменения. Следует идти по пути создания такого тензорезистора, сопротивление изоляции которого было бы при рабочих условиях достаточно велико, а значение „ мало. Обозначая допустимое изменение выходного сигнала за счет изменения сопротивления изоляции через и.доп, получаем, что р диО 4£и.допиО + д Таким образом, допустимое значение сопротивления изоляции зависит от начального сопротивления изоляции, сопротивления тензорезистора и от допустимого значения доп, которое определяется требованием эксперимента и применяемой аппаратурой. Если начальное сопротивление изоляции достаточно велико (10-50 МОм), то оно мало влияет на допустимое значение сопротивления изоляции и в этом случае можно пользоваться выражением и.доп 45и.доп Сопротивление изоляции тензорезистора будет зависеть от удельного сопротивления связующего рц и от толщины слоя связующего he, от числа р нитей чувствительной решетки и их длины 1я, от периметра Р нити чувствительного элемента, т. е. Отсюда можно определить требование к удельным сопротивлениям связующего тензорезисторов: Нетрудно подсчитать, что для обеспечения ?н.доп=10 МОм при Не = 0,\ мм и базе /, равной 10 мм для проволочного (р=10, d=0,03 мм), фольгового (/н=12 мм, р=10, d = 0,05 мм) и полупроводникового (/н=12 мм, р=1, d=0,5 мм) тензорезисторов, необходимо использовать связующее с минимальным значением удельного сопротивления рг, при рабочих температурах, примерно равным или большим 10* Ом-см. Кроме основных требований по механическим, релаксационным и электроизоляционным свойствам к связующему предъявляется требование химической нейтральности к материалам чувствительного элемента и исследуемого объекта. При разработке тензорезисторов для конкретных условий накладывается ряд дополнительных требований, таких как стабильность физико-механических свойств при повторных нагревах, действии давления и вакуума, влагостойкость, стойкость к воздействию радиации. Накладывается также ряд технологических требований по изготовлению и установке тензорезистора, по температуре отверждения и др. Исследования по разработке и выбору связующих. Создание клеев, удовлетворяющих всему комплексу перечисленных выше свойств, является сложной задачей. Промышленность в основном не разрабатывает и не производит клеи для тензорезисторов, и приходится в большинстве случаев конструкционные клеи, лаки и покрытия, выпускаемые промышленностью, специально исследовать и дорабатывать с целью использования их в тензометрии. Причем доработка может производиться в направлении состава, технологии и методики приклеивания, а также в направлении разработки режимов тепловой обработки после приклепления. Критериями при выборе связующего для тензорезисторов приняты допустимые значения заданных характеристик чувствительности и ползучести или значений сопротивления изоляции при рабочих температурах тензорезисторов, изготовленных с исследуемыми связующими. Критерий по чувствительности и ползучести применяется в основном для органических и в отдельных случаях для кремнийорганических клеев, в которых сильно развиты релаксационные процессы, приводящие к ползучести и снижению чувствительности тензорезистора, особенно при повышении темпера- туры. Полимеры этих клеев состоят из нейтральных или дипольных молекул, не склонных к ионной диссоциации, и обладают высокими изоляционными свойствами. Релаксационные процессы протекают в неорганических полимерах менее интенсивно, чем в органических полимерах и за критерий пригодности неорганических клеев, имеющих ионную проводимость, принято сопротивление изоляции при максимальных рабочих температурах. Из органических клеев в тензометрии используются нитро-целлюлозные, цианакрилатные, эпоксидные, фенолоформальде-гидные, полиакрилатные, полиимидные и другие клеи (табл. 28). Большое количество органических клеев, применяемых в тензометрии при различнык температурах, обусловлено их высокими изоляционными, механическими и технологическими свойствами. При климатических и относительно невысоких (до 100°С) температурах в основном проводятся исследования напряженного состояния натурных конструкций с использованием большого количества тензорезисторов. При этом большое значение приобретают технологические свойства клеев (возможность холодного отверждения, простота применения, прочность и надежность приклейки и др.). Такими клеями, широко используемыми в тензорезисторах, являются нитроцеллюлозные клеи типа целлулоидный, 192Т [41] и др. В последнее время в отечественной и зарубежной практике нитроцеллюлозные клеи заменяются цианакрилатными и эпоксидными клеями холодного отверждения, не имеющими в своем составе растворителей. В основном эти клеи используются в качестве связующего для установки тензорезнстора. Для изготовления теизорезистора используются клеи горячего отверждения: фенолоформальдегидные клеи, модифицированные поливинилацеталями, такие, как БФ, БФР, ВС-ЮТ, ВС-350, ВЛ-931, ВЛ-6, ВЛ-9; модифицированные каучуками, такие, как ВК-32-200, ВК-13, ВК-13М и др. Наиболее широко для установки тензорезисторов применяются эпоксидные клеи холодного отверждения, которые хорошо сочетаются с клеями других типов, особенно с широким классом модифицированных фенолоформальдегидных клеев, они имеют высокие адгезионные и механические характеристики. Так, исследования показали, что прикрепление тензорезисторов эпоксидным клеем ВК-9 позволяет измерять большие (до 10000 млн-1) деформации. В сочетании с фенолокаучуковым клеем ВК-32-200М, используемым для изготовления тензорезисторов, он позволяет длительно выдерживать перегрузки до 450§, а также длительную до 10 млн. циклов динамическую деформацию с амплитудой един=1000 млн-. Причем все эти характеристики сохраняются до рабочих температур 200°С
при многоцикловых нагревах от 20 до 200°С. Этот клей обеспечивает надежную работу тензорезисторов при криогенных температурах до -19б°С> Клеи горячего отверждения используются для установки тензорезисторов в случае исследования образцов и элементов конструкций, допускающих тепловую обработку, а также при использовании тензорезисторов в качестве промежуточных преобразователей в измерительных устройствах. Чтобы тензорезисторы имели удовлетворительные измерительные характеристики (линейность характеристики преобразования, малые значения ползучести и гистерезиса и т. д.) температура тепловой обработки тензорезисторов после установки должна быть выше температуры полимеризации клеев, указанной разработчиками. Так, проведенные исследования показали, что применение фе-нолоформальдегидных клеев, модифицированных поливинилаце-талями, имеющих температуру полимеризации 140°С, обеспечивают тензорезисторам 1-ВО и 1-П (см. рис. 24, а и б) удовлетворительную ползучесть только после двухчасовых прогревов при 200-250 °С, фольговые тензорезисторы со связующим из фенолокаучукового клея ВК-32-200М имеют удовлетворительную стабильность характеристики чувствительности в диапазоне температур от 20 до 200 °С только после тепловой обработки при 230°С. Определение напряженного состояния ряда конструкций при температуре 200-300°С является в настоящее время задачей массового тензометрирования, в связи с чем в этом случае, как и прн климатических температурах (±50°С), необходимо использование клеев холодного отверждения, а также обеспечение простоты и надежности технологических процессов наклейки. Из органических клеев холодного отверждения отечественного производства до рабочих температур 200°С и при кратковременных (1 ч) нагружениях конструкций можно использовать полиакрилатные клеи [29] и эпоксидный клей ВК-9. Однако применение их для установки тензорезисторов, предназначенных для измерения деформации конструкций под длительным нагружением при этой температуре, приводит к большой погрешности в измерении за счет заметных значений ползучести тензорезисторов. Так, исследования показали, что прикрепление тензорезисторов клеем ВК-9 приводит к ползучести тензорезисторов П2оо°с = -8% за 25 ч. Замена клея ВК-9 более теплостойкими эпоксидными клеями БОВ-1 и ВТ-25-200 и проведение тепловой обработки после наклейки при температуре до 100°С не привели к снижению ползучести - за 4-6 ч П2оо°с=-8ч-13%, а чувствительность снизилась на 6-15%. Поэтому для исследования конструкций, длительно находящихся под нагрузкой, следует использовать специальные неоргани-
Аналог ПИР-2. ческие связующие, в которых слабо протекают релаксационные процессы. Для рабочих температур 300°С в настоящее время отечественной промышленностью разработан ряд теплостойких клеев. Это эпоксидные, поли-бензимидазольные, полиами-доимидные, полиимидные и другие клеи различных марок [54]. Ряд теплостойких клеев был исследован для определения возможности их применения в тензорезисторах. В табл. 29 приведены «тепловые ресурсы» некоторых клеев при использовании их для изготовления или наклейки тензорезисторов. Тепловым ресурсом клея условно названо время выдержки тензорезистора при 300°С, по истечении которого чувствительность снижается более чем на 10% по сравнению с чувствительностью до начала прогрева. Как следует из приведенных данных, наибольшим тепловым ресурсом обладают полиимидные клеи горячего (СП-3) и холодного (ПИР-2) отверждения. В случае массового применения тензорезисторов при температуре до 300°С или тензометрирования на крупногабаритных деталях, когда недопустима тепловая обработка, следует использовать отечественные полиимидные клеи холодного отверждения ПИР-2 (ТУ 6-05-211-95-74) или подобный ему клей V-18 (а. с. 310924 МПК С 09] 3/16). Клей ПИР-2 используется в тензорезисторах ЗСПК, допускающих длительную (в течение 100 ч) работу при 300°С. Исследования показали, что применение этого клея допускает без изменения характеристик тензорезистора непродолжительные (в течение 1-2 ч) перегревы до 350-400 °С. Так, на рис. 100 приведены значения /С и S„ для тензорезисторов ЗСПН (связующее ПИР-2, чувствительный элемент - модифицированный нихром) при различных температурах до и после испытаний. Испытания включали прогревы при 300 °С (выдержка 100 ч), при 350 °С (2 ч), при 400*0 (1 ч). Многократные (50-100 циклов) циклические перегревы до 350-400°С с суммарной продолжительностью выдержки за 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 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||