Учебное пособие: Методические указания

Министерство высшего и среднего специального образования РФ
МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе

исследование метрологических характеристик

тензорезисторных преобразователей усилия

Факультет электроники

Кафедра метрологии и сертификации

1. Цель работы, ее краткое содержание.

1.1. Целью данной работы является изучение принципа действия тензорезистивных преобразователей и приобретение практических навыков работы с тензометрической установкой, предназначенной для измерения механических усилий.

1.2. В процессе выполнения работы студенты определяют метрологические характеристики тензометрической установки – градуировочную характеристику, чувствительность и погрешность гистерезиса.

2. Основные сведения о тензорезистивных датчиках усилия.

2.1.Конструкция и принцип действия

В основе работы тензорезистивных преобразователей лежит свойство материалов изме­нять свое электрическое сопротивление при механических деформациях под действием приложенной силы.

Конструктивно большинство тензорезисторов (рис. 1) выпускается в виде проводников, жестко связанных с бумажной или пленочной основой 2 . Проводник 3 представляет собой так называемую решетку из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки диаметром 0,02-0,05 мм, к концам которой пайкой или сваркой присоединяются выводные медные проводники 4 . Сверху проводники закрываются бумагой или пленкой или покрываются лаком 1 . После наклеивания подложки тензорезистора на поверхность деформация этой поверхности передается проводниками и приводит к изме­нению их сопротивления.

Рис. 1. Конструкция наклеиваемого проволочного тензорезистора.

Сопротивление R резистора, выполненного в виде проволоки длиной l, определяется известным выражением.

(11)

где r - удельное сопротивление материала проволоки;

S - площадь поперечного сечения проволоки.

Дифференцируя выражение (1) и переходя к конечным приращениям, получим, что продольной упругой деформации проволоки соответствует относительное изменение ее сопротивления

(12)

где DR, D r, DS - абсолютные приращения сопротивления, удельного сопротивления, длины и площади поперечного сопротивления проводника соответственно.

В твердом теле в зоне упругих деформаций величины поперечных и продольных дефор­маций связаны выражением

(13)

где - значение относительной продольной деформации;

- значение относительной поперечной деформации;

в - поперечный размер проводника; m - коэффициент Пуассона.

С учетом выражений (12) и (13) величина относительного изменения проводника диамет­ром d и длиной l.

(14)

Качество тензорезистора определяется его коэффициентом тензочувствительности K и величиной температурного коэффициента соп­ротивления (ТКС) . Коэффициент тензо­чувствительности K определяется отношением

(15)

Чем выше коэффициент тензочувствительности К и меньше температурный коэффициент сопротивления (ТКС) материала, из которого изготовлен тензорезистор, тем выше его качество.

Чаще всего проволочные тензорезисторы изготавливаются из сплавов константан и манганин, у которых К»2 и ТКС=±30*10^-6 K^-1 и ±10*10^-6 K^-1 соответственно.

2.2. Схема включения

Наиболее распространенной измерительной целью для тензорезисторов является мостовая измерительная схема, работающая в неравновесном режиме.

На рис 2,а приведена мостовая схема, в которой в качестве одного плеча включён тензорезистор R1, а остальные три плеча моста являются постоянными фиксированными резисторами R2, R3, R4. Схема питается от источника постоянного напряжения E. C измерительной диагонали моста снимается напряжение U_M , которое может быть подано на измерительный прибор или регистратор. Приведённая схема неравновесного измерительного моста обладает значительной температурной погрешностью. Тензорезистор R1 располагается непосредственно на объекте измерения, а резисторы R2, R3, R4 – в блоке вторичной аппаратуры, содержащей усилители, блоки питания, показывающие приборы, удаленном от объекта измерения и находящиеся в других климатических условиях. При измерении температуры поверхности объекта измерения будет изменяться сопротивление тензорезистора R1, что приведёт к изменению выходного напряжения U_M мостовой схемы при отсутствии упругой деформации решётки тензорезистора.

Рис. 2. Схемы включения тензорезисторов.

При дифференциальном включении двух идентичных тензорезисторов R1 и R2 в два соседних плеча моста (рис. 2,б) удаётся понизить температурную погрешность нуля в 10 – 20 раз по сравнению с предыдущей схемой включения.

Пример физической реализации дифференциальной мостовой схемы измерения представлен на рис. 2,в. На поверхности консольно закрепленной балки тензорезисторы R1 и R2, которые включены в качестве плеч мостовой измерительной схемы и имеют равные сопротивления. При равенстве сопротивлений двух других плеч моста выходной сигнал с измерительной диагонали моста равен нулю (U_M =0).

При воздействии на конец консольной балки измеряемого усилия P≠0 балка прогнётся (см. рис. 2,в), что приведёт к появлению упругих деформаций и напряжений растяжения на поверхности балки и напряжений сжатия на нижней её поверхности. Упругие деформации балки будут восприняты наклеенными тензорезисторами и их сопротивления изменятся соответственно до значений и . При этом на выходе мостовой схемы появится напряжение , функционально связанное с измеряемым усилием P. При идентичных параметрах тензорезисторов погрешность нуля, обусловленная изменением их активного сопротивления вследствие изменения температуры балки, будет близка к нулю, поскольку абсолютные значения приращения сопротивлений и будут равны и не вызовут разбаланса мостовой схемы, а, следовательно, и дополнительного приращения выходного напряжения .

2.3. Основные характеристики тензорезисторов

К основным технико-метрологическим характеристикам тензорезисторов относятся тензочувствительность, ползучесть, механический гистерезис, температурная нестабильность и группа динамических характеристик.

Тензочувствительность определяется главным образом тензорезистивными свойствами материала чувствительного элемента, однако в значительной степени зависит от конструкции преобразователя, материала основы, вида и условий полимеризации клея и других факторов. Тензочувствительность тензорезистора, как и самого тензорезистивного материала, определяется коэффициентом относительной тензочувствительности K (15).

Ползучесть проявляется в виде изменения выходного сигнала при заданном и неизмененном значении деформации и определяется обычно как , где - приведенное к входу изменение выходного сигнала при заданной относительной деформации . Причиной ползучести является упругое несовершенство основы и клея. В пределах упругого диапазона деформаций ползучесть большинства тензорезисторов не превышает 1-1,5% за 6 ч.

Механический гистерезис , как и ползучесть, обусловлен упругим несовершенством основы и клея и численно определяется как приведенная к входу разность значений выходного сопротивления для одного и того же значения деформации при условии, что данное значение деформации достигается при плавном ее возрастании и плавном уменьшении. Для различных типов тензорезисторов механический гистерезис лежит в пределах 0,5-5%.

Температурная нестабильность , или влияние температуры окружающей среды на основные параметры тензорезисторов, заключается, с одной стороны, в изменении сопротивления тензорезистора за счет его ТКС, а с другой – в появлении дополнительных механических напряжений вследствие различия в температурных коэффициентах линейного расширения материала тензорезистора и исследуемой детали.

Основной динамической характеристикой тензорезисторов является их собственная частота , значение которой для наклеенных тензорезисторов лежит в пределах 100-300 кГц. Собственная частота тензорезистора определяет предельную частоту исследуемого процесса, при которой частотными погрешностями можно пренебречь. Для исследований переменных деформаций обычно выбирают тензорезистивный преобразователь, собственная частота которого хотя бы в 5-10 раз превышала частоту деформаций.

Важным параметром тензорезисторов является допустимая мощность , которая может рассеиваться в тензорезисторе при условии, что его перегрев не превысит допустимого значения. Допустимая мощность тензорезистора находится в определенной зависимости от его геометрических размеров, что может использоваться как при определении для известных тензорезисторов, так и при определении геометрических размеров проектируемых преобразователей, исходя из заданной допустимой мощности или допустимого значения измерительного тока.

Удельная мощность используемых в настоящее время проволочных, фольговых и полупроводниковых тензорезисторов независимо от рассеиваемой в них мощности и полной поверхности, занимаемой чувствительным элементом, обычно колеблется в незначительных пределах: =26…28 кВт/м.

Особенностью приклеиваемых тензорезистивных преобразователей является то обстоятельство, что они представляют собой преобразователи разового действия, т.е. не могут быть переклеены из объекта на объект. Поэтому функция преобразования рабочего тензорезистора не может быть определена, а для ее оценки определяют функцию преобразования аналогичного, так называемого градуировочного, преобразователя из той же партии. Естественно, что такой способ оценки характеристик рабочих тензопреобразователей применим лишь в том случае, когда свойства преобразователей всей партии совершенно идентичны, а остаточные деформации, вызываемые затвердеванием клея при приклейке рабочих и градуировочных преобразователей, так же одинаковы. Практика показывает, что погрешность от неидентичности при тщательной приклейке тензорезисторов и хорошем качестве клея обычно не превышает 1,5%.

3. Оборудование, используемое при выполнении лабораторной работы.

Рис. 3. Структурная схема тензометрической установки для измерения усилий

Д – датчик силоизмерительный резистивный 1778 ДСТ К 1,5-0,4 (далее – просто датчик);

УПТ – усилитель постоянного тока;

ИП – источник постоянного тока;

V – вольтметр постоянного тока.

Измеряемое усилие P воздействует на упругий элемент датчика Д, из-за этого меняется сопротивление тензорезисторов, и, как следствие этого, напряжение постоянного тока на выходе датчика.

3.1. Технические характеристики силоизмерительного датчика.

Датчик предназначен для получения информации о величине измеряемых статических или медленно меняющихся усилий сжатия или растяжения. Его основными частями являются упругий элемент и наклеенные на него тензорезисторы.

Датчик обеспечивает свои метрологические характеристики при эксплуатации в рабочих условиях с температурой от минус 50 до плюс 50 °С, атмосферном давлении от 630 до 800 мм рт. ст. и напряжении питания постоянным электрическим током не более 12В.

Одним из основных параметров датчика является рабочий коэффициент передачи – отношение напряжения выходного сигнала в мВ к напряжению питания в В при номинальной нагрузке. Номинальная нагрузка датчика – 1,5 тс (1,5 кН). Рабочий коэффициент передачи (РКП) – 1,5 мВ/В. Категория точности – 0,4.

Начальное значение коэффициента передачи (НКП) датчика должно быть не более 2,5% РПК.

Нижний предел измерения датчика должен быть не более 20% от номинальной нагрузки. Датчик должен быть устойчив к нагрузке, на 25% превышающую номинальную, воздействующую непрерывно в течение не менее двух часов.

Допускаемые значения погрешностей приведены в таблице 1.

Таблица 1.

3.2. Конструкция датчика

На рис. 4 представлена конструкция датчика. Упругий элемент 1 состоит из четырех расположенных по кругу и жестко закрепленных с одной стороны балок (а). Каждая балка с одной стороны закреплена на шарнире (б). На каждой балке наклеено по два тензорезистора 4 (один сверху, второй – снизу), тензорезисторы включены в плечи мостовой схемы.

Для обеспечения водозащищённости датчик закрыт мембранами 2. Для предохранения от механических повреждений при транспортировании и хранении мембраны закрыты крышками 3. В корпусе датчика размещён выходной разъем 5 герметического исполнения, через который осуществляется соединение датчика с вторичной аппаратурой. В корпусе датчика размещён блок настроечных резисторов, который закрыт крошкой, а крышка, в свою очередь, закрыта специальной фирменной планкой.

Для крепления датчика к объекту измерения в корпусе датчика предусмотрены отверстия 13мм. Измеряемую нагрузку воспринимает сферическая поверхность упругого элемента.

Под действием измеряемой нагрузки происходит изгиб балок, в результате чего верхний слой балок сжимается, а нижний растягивается.

Деформация сжатия и растяжения передается на наклеенные тензорезисторы, в результате чего происходит разбаланс моста пропорциональный действующей нагрузке, т.е. возникает электрический сигнал пропорциональный изменяемой нагрузке.

Рис. 4. Конструкция датчика 1778 ДСТ К и его электрическая схема

Назначение элементов принципиальной электрической схемы следующее:

R1-R8: тензорезисторы, служащие для построения тензометрического моста;

Rч и Rб: резисторы, служащие соответственно для регулировки рабочего (РПК) и начального (НКП) коэффициентов передачи датчика;

Rш и Rв: резисторы, служащие, соответственно, для регулировки входного и выходного сопротивления датчика;

: резисторы, служащие для регулировки температурной компенсации, соответственно, РПК и НКП.

4. Методика проведения работы и обработки результатов эксперимента.

4.1. Подать на датчик рабочее напряжение питания. Прогревать датчик рабочим напряжением питания в течение 15 минут.

4.2. Экспериментально определить градуировочную характеристику тензометрической установки, т.е. зависимость между выходным напряжением и входным измеряемым усилием.

Входные усилия задаются нагружением датчика грузами известного веса в соответствии с заданием, выданным преподавателем. Измерения проводятся в 3 этапа, в течение которого нагружение ведется сначала от 0 Н до P_max Н (где P_max – наибольшее значение усилия из заданных преподавателем), а затем от P_max до 0.

Результаты измерений заносятся в таблицу 2.

Таблица 2

4.3. Построить график градуировочной характеристики

По данным из столбцов P_изм и U_ср постройте график градуировочной характеристики тензометрической установки.

Постройте линию тренда (тип – линейная) и с ее помощью определите чувствительность датчика (как тангенс угла наклона линии тренда).

4.4. Определение погрешности гистерезиса.

Пусть при некотором значении измеряемого усилия P_изм были получены некоторые значения выходного напряжения U_н1 , U_н2 , U_н3 (при нагружении) и U_р1 , U_р2 , U_р3 (при разгрузке). Вариация показаний в этой точке (i) определяется как модуль разности средних значений при нагружении и разгрузке:

Погрешность гистерезиса измерительной установки определяется как наибольшее значение гистерезиса в контрольных точках:

Все результаты измерений и расчетов должны быть приведены в отчете.

5. Требования к технике безопасности при выполнении лабораторной работы.

Включение в сеть всех используемых в лабораторной работе приборов и собранной схемы можно производить только с разрешения лаборанта или преподавателя после проверки ими подготовленных к включению приборов и схемы.

В случае обнаружения нарушения целостности изоляции проводов, искрения в розетках сети и вилках кабелей питания прекратить выполнение работы, выключить все приборы и обратиться к лаборанту или преподавателю, проводящему лабораторные занятия.

Категорически запрещается включать в сеть и пользоваться приборами в случае нарушения целостности проводов заземления их корпусов.

6. Требования к отчету.

6.1. Отчет сдается на листах А4 или в электронном виде (по согласованию с преподавателем).

6.2. Отчет должен содержать:

• цель работы;
• перечень используемого оборудования;
• краткое изложение задания;
• таблицу с результатами измерений;
• основные расчетные формулы, необходимые для выполнения задания;
• график градуировочной характеристики;
• уравнение линии тренда (линейной аппроксимации градуировочной характеристики);
• значение чувствительности тензометрической установки;
• результаты расчета погрешности гистерезиса.

7. Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы.

7.1. В чем заключается сущность явления тензоэффекта?

7.2. Дать определение коэффициента тензочувствительности тензорезисторного преобразователя.

7.3. Конструкция тензорезисторного преобразователя.

7.4. Перечислить основные характеристики тензорезистивных преобразователей.

7.5. Привести пример схемы включения тензорезисторных преобразователей (электрическую схему и пример физической реализации).

7.6. Структурная схема тензометрической установки.

7.7. Методика определения чувствительности тензометрической установки.

7.8. Методика определения погрешности гистерезиса тензометрической установки

7.9. Чем отличаются реальная градуировочная характеристика от номинальной, за которую принимается аппроксимирующая пряная?

7.10. Дать определение рабочего коэффициента передачи тензометрического датчика.

7.11. Конструкция тензометрического датчика 1778 ДСТ.