Лабораторная работа №1

«Исследование силовых параметров металлургических машин и механизмов с помощью тензометрических датчиков»

Цель работы: ознакомиться с устройством тензометрических датчиков, способами их наклейки и соединения при измерениях деформаций растяжений, сжатия, изгибов и кручения, а также с методами тарирования, усилий и крутящих моментов.

Краткие теоретические сведения

1. Устройство тензометрических датчиков

Для исследования напряжений и нагрузок в деталях и узлах металлургических машин и механизмов широко применяют тензометрические датчики сопротивления.

Сущность тензометрирования состоит в том, что исследуемый объект, в котором необходимо измерить напряжение, крепится воспринимающий элемент из нескольких тензодатчиков, составляющих мостиковую схему с подачей на неё электропитания. Вместе с деформацией исследуемого объекта деформируются и тензодатчики, меняя свое сопротивление. В результате на выходе моста возникает электрический сигнал разбаланса, пропорциональный величине деформирования (напряжения, нагрузки).

Применяются проволочные и фольговые тензодатчики (рис. 1.1).

Проволочный тензодатчик (рис. 1.1,а) состоит из тонкой проволоки диаметром 0,012...0,05 мм с большим омическим сопротивлением, зигзагообразно помещенной между двумя слоями бумаги или планки. Фольговые тензодатчики (рис. 1.1,6) в отличие от проволочных имеют спираль, изготовленную из фольги значительно меньшей толщины методом фототравления. В качестве изолирующей подложки используется лаковая пленка. Материалом для тензодатчиков служит конотантан, манганин и нихром.

Тензодатчики на бумажной подложке приклеивают к исследуемой деталью клеем БФ-2, а тензодатчики на пленочной подложке – лаком ВЛ-4 или ВЛ-7. Дли более надежной работа тензодатчиков они после наклейки могут быть защищены от воздействия влага специальным покрытием (фуриловой смолой Ф-10, клеем Р-88. перхлорвиниловой эмалью ХЗ-16 и др.). Наклейку тензодатчиков выполняют так, чтобы их осевая линия строго совпадала с линией действия главных напряжений. И этом случае тензодатчики испытывают чистые деформации растяжения или сжатия. При растяжении сопротивление тензодатчика увеличивается, при сжатии – уменьшается.

Изменение сопротивления тензодатчика подчиняется линейному закону. Как известно, сопротивление проводника, Ом:

,

где - удельное сопротивление материала проводника,;– длина проводника,;- площадь поперечного сечения,.

Так как коэффициент Пуассона мал. то изменяется незначительно. Поэтому при постоянныхисопротивление прямо пропорционально. Однако сопротивление тензодатчика изменяется и при изменении температуры окружающей среды, Ом:

,

где – коэффициент линейного удлинения;– перепад температуры.

Поэтому один датчик обычно не применяют, а используют специальные схемы их соединения, исключающие влияние температуры окружающей среды.

Рисунок 1.1. Устройство проволочного (а) и фольгового (б)тензодатчиков: I - выводы; 2 - изоляционная подложка; 3 – спираль.

2. Способы соединения тензодатчиков

Для того, чтобы исключать погрешности от температурных влияний, получить двойную или учетверенную чувствительность по сравнению с одним тензодатчиком, тензодатчики соединяют по мостиковой схеме. На рис. 1.2, а показана схема одинарного моста Уитстона, который позволяет компенсировать температурные влияния на показание тензодатчиков и повысить их чувствительность.

Значение тока на выходе такого моста

где – напряжение на входе моста;,,,– сопротивление плеч моста;– сопротивление прибора;– сопротивление плеча моста.

Тензодатчики соединяют так, чтобы получить наибольшую разность в выражении для определения силы тока. Очевидно, что наибольшее значение тока получится, если тензодатчики ибудут воспринимать деформацию растяжения, увеличивая свое сопротивление, а тензодатчикии– деформацию сжатия, уменьшая свое сопротивление. Однако в этом случае необходимо рассмотреть схему из ее возможности компенсировать влияние температурных воздействий. Если при изменении температуры исследуемой детали все датчики моста воспринимают деформацию одного знака, такая схема будет компенсировать температурное воздействие. В случае, если датчики испытывают различную деформацию, необходимо применять мостовую схему с компенсационными датчиками (рис. 1.2, б), которые не должны воспринимать активных деформаций. Их наклеивают либо на пластинах, располагаемых рядом с исследуемой деталью, либо перпендикулярно к линии действия напряжений.

Согласно выражению (1.3) в мостовой схеме (рис. 1.2, б) рабочие датчики идолжны иметь один вид деформации (растяжение или сжатие), так как в противном случке сигнал на выходе моста будет равен нулю.

Рисунок 1.2. Схемы соединения тензодатчиков: – рабочие (активные) датчики; – компенсационные датчики.

Если рабочие датчики имеют деформации обратных знаков (в случае измерения напряжений изгиба в балке при наклейке датчиков с нижней и верхней сторон), схема включения моста будит иметь вид, показанный на рис. 1.2, в.. Эта схема применяется при измерении крутящих моментов, при этом компенсационные датчики размещают на отдельной пластине.

Попользуются также схемы, в плечах которых может быть применено несколько датчиков, соединенных между собой последовательно или параллельно. Важным условием здесь является обстоятельство, чтобы суммарное сопротивление моста не превышало допустимого сопротивления, на которое рассчитан усилитель, обычно 200 Ом.