МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА города СЕМЕЙ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА города СЕМЕЙ
Документ СМК 3 уровня
УМК
УМКД
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Учебно-методические
Редакция №1
материалы по дисциплины
от 18.09.2013 г.
«Тензо и виброметрия в
машиностроении»
УЧЕБНО – МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«Тензо и виброметрия в машиностроении»
для специальности: 6М0712 – « Машиностроение»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИЛЫ
Семей 2013
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
Содержание
1 Глоссарий
2 Лекции
3 Практические и лабораторные занятия
4 Самостоятельная работа студента
страница 2 из 84
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 3 из 84
1 ГЛОССАРИЙ
В настоящем УММ использованы следующие термины с соответствующими определениями:
Меры. - К мерам относятся средства измерении, предназначенные для воспроизведения физических величин заданного размера
Измерительные преобразователи. - Измерительными преобразователями
называют средства измерения, служащие для выработки сигнала измерительной
информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающиеся непосредственному восприятию наблюдателем
Погрешность результата измерения - представляет собой разность между
результатом измерения, т. е. значением, приписанным измеряемой величине после окончания измерений, и истинным значением этой величины, определение которого является целью измерения
Погрешность средств измерений - отражает только определенные свойства самого средства и обусловливается структурными, конструктивными или
схемными особенностями средства, свойствами использованных в них материалов и элементов, особенностями технологии изготовления, регулировки и градуировки.
Статические характеристики - коэффициент преобразования преобразователей и чувствительность приборов, номинальные статические характеристики
преобразователеи градуировочные характеристики приборов, выходной код, количество разрядов кода у цифровых приборов, диапазоны показаний и измерений,
порог реагирования и статические погрешности
Входные и выходные параметры - преобразователей и приборов: входной
и выходной импендансы, допустимая длина и погонная емкость кабеля соединительной линии и др.
Условия работы - диапазоны внешних температур, влажность, вибрация и
дополнительные погрешности, которые могут быть выражены с помощью функций влияния, т. е. зависимости изменении метрологических характеристик
средств от изменении влияющих величин или неинформативных параметров
входного сигнала в пределах условий эксплуатации
Динамические характеристики - частотный диапазон измерении и частотные характеристики (амплитудно-частотная, фазо-частотная) или переходная (у
тензометрических средств для исследования импульсных процессов) и допустимые отклонения от них, а также время установления показаний (для многоточечных автоматических и цифровых приборов и приборов с ручным уравновешиванием).
Статическая (градуировочная) характеристика - представляет собой зависимость между значениями величины на выходе и входе средства измерений,
составленную в виде таблицы, графика или формулы. Под номинальной статической характеристикой понимают номинально приписываемую измерительному
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 4 из 84
преобразователю или прибору зависимость информативного параметра его выходного сигнала от информативного параметра входного сигнала.
Статические погрешности средств электротензометрии - Под статическими принято понимать погрешности, имеющие место при измерении постоянных величин после завершения переходных процессов в элементах мер,
преобразователей и приборов. Из-за влияния различных факторов, возникающих
как при изготовлении, так и при эксплуатации средств электротензометрии, поминальные значения мер (градуировочных устройств) показания преобразователей и приборов начинают отличаться от истинных значений воспроизводимых,
преобразуемых и измеряемых величин
Погрешности обратного хода (гистерезuс) - выражаются в несовпадении
статических характеристик средств при увеличении или уменьшении измеряемой
величины). Систематические погрешности этого вида наиболее характерны для
электромеханических преобразователей - тензорезисторов, преобразователей механических величин, содержащих упругие чувствительные элементы, имеют место в тензометрических автокомпенсаторах и мостах, содержащих электромеханические уравновешивающие устройства, например реохорды с приводом от исполнительного реверсивного. электродвигателя.
Случайная пoгpeшность - неопределенная по величине и природе, зависимость ее от причин возникновения не может быть выражена определенной функцией ввиду большого числа случайно меняющихся влияющих причин. Случайный
характер погрешности проявляется в том, что при многократном повторении измерений при кажущихся одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью
получаются различные результаты. Случайные погрешности обычно рассматривают как случайную функцию времени.
Тензоэффектом - называется свойство проводниковых и полупроводниковых материалов изменять электропроводность (электрическое сопротивление) при
изменении объема или напряженного состояния.
Механический гистерезис тензорезисторов - также в основном связан с
несовершенством упругих характеристик основы и связующего. Гистерезис имеет место при циклических нагружениях преимущественно в пределах первых
циклов и проявляется в виде невоспроизводимости отсчетов (при равных деформациях) при нагружении и разгрузке.
Температурный дрейф тензорезисторов - имеет место при постоянных
повышенных и высоких температурах и вызывается нестационарными изменениями свойств материалов тензорезисторов при изменениях теплового баланса с
внешней средой
Температурная ползучесть тензорезисторов - проявляется при повышенных и высоких температурах как результат изменений механических и реологических свойств основы и связующего. Как правило, температурная ползучесть в
2-5 раз превышает ползучесть 1 при нормальной температуре.
(ТКС) тензорезисторов - температурный коэффициент сопротивления
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 5 из 84
2 ЛЕКЦИИ
Структура лекционного занятия:
Наименование тем и их содержание
1. Тема: Цели тензовиброметрии. Методы и средства тензометрии.
План лекции
1. Цели тензометрирования.
2. Методы и средства тензометрии
Цели тензометрирования. Тензометрирование машин, механизмов, агрегатов и технологического оборудования необходимо для оценки напряженно деформированного состояния элементов, деталей и узлов при эксплуатационных
или специальных режимах работы.
Основные цели тензометрирования:
- изучение условий действительной работы деталей, узлов и несущих конструкций машин для проверки и оптимизации расчетных схем, установления
критериев равнопрочности и совершенствования конструктивной формы отдельных узлов и деталей;
-установление фактических внешних нагрузок, статистических или функциональных закономерностей их появления;
-оценка воздействия на объект исследования различных условий внешней
среды;
-проверка соответствия напряженно-деформированного состояния расчетным данным;
-определение количественных показателей надежности узлов и деталей
машин при нормальной эксплуатации и при специальных режимах работы;
-изучение влияния технологических операций изготовления машиностроительных деталей и узлов на их прочность и надежность.
Методы тензометрии основаны на изучении и измерении деформации, что
в большинстве случаев дает возможность оценки напряженного состояния
Методы и средства тензометрии
Для экспериментального определения напряженно-деформированного состояния узлов машин применяются методы и средства, в которых использованы
различные принципы измерений. Методы тензометрии можно подразделить на
следующие группы: рентгеновские, поляризационно-оптические (методы фотоупругости), муаровых полос, хрупких покрытий, гальванических покрытий и методы, основанные на преобразовании деформаций поверхности объекта исследования с помощью тензометров и тензометрических преобразователей .
Рентгеновские методы основаны на явлении интерференции рентгеновских лучей, проходящих через кристаллическую решетку материала объекта исследования. В связи с этим рентгеновские методы применимы только для материалов с кристаллической структурой. Рентгеновским методом можно измерять
величины характерных линейных размеров кристаллической решетки в различных направлениях под углом к поверхности объекта исследования и, пользуясь
соответствующими постоянными упругости, определять напряженное состояние
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 6 из 84
объекта исследования. При рентгеновском методе может быть определена только упругая составляющая деформации; это обстоятельство отличает рентгеновский метод от всех других методов измерения деформаций, при которых определяются макроскопические деформации, представляющие собой сумму упругои и
пластической составляющих.
Погрешность измерения деформации рентгеновским методом, в зависимости от материалов объекта исследования и применяемых средств - 35-150 еод.
Поляризационно-оптические методы (методы фотоупругости) базируются на использовании упругопластического эффекта для измерения механических напряжении в моделях объектов исследования, выполненных из прозрачного материала, геометрически подобных объекту исследования. Упругопластический эффект заключается в появлении у различных прозрачных материалов
двойного лучепреломления под действием механических напряжений.
Величина двойного лучепреломления пропорциональна деформациям (или
напряжениям), создаваемым нагрузкой в модели объекта исследования. Величины деформаций измеряются по порядку интерференционных полос при просвечивании модели поляризованным светом.
Основные преимущества этого метода:
напряженное состояние наблюдают визуально по всей плоскости модели;
достаточно просто наблюдают направления действующих напряжений на
моделях со сложным контуром;
довольно высокая точность определения напряжений в моделях; невысокая
трудоемкость оптимизации конструктивных форм модели.
Недостатки метода могут быть охарактеризованы следующим: измерения
проводят на моделях, а не на натурных объектах (за исключением применения на
объекте исследования наклеек из оптически активных материалов);
Метод муаровых полос основан на эффекте возникновения картины муаровых полос при деформации одной из двух освещенных растровых сеток (шаг
сеток может быть одинаковым или разным). Изменения шага, направления и положения возникающих муаровых полос велики по сравнению с относительными
деформациями, взаимными линейными или угловыми перемещениями сеток, вызывающими эти изменения. Поэтому метод муаровых полос очень чувствителен
к деформациям, линейным или угловым перемещениям. Нанесение муаровых
полос можно производить как на натурные объекты исследований, так и на модели, например, с помощью фотопленок со съемным эмульсионным слоем или
непосредственно травлением фотохимическим способом.
Основное преимущество этого метода состоит в том, что можно производить исследования деформаций на больших поверхностях объекта исследования
практически с любой степенью локализации. При нанесении сеток на объект исследований методом травления можно исследовать поле деформаций при высоких температурах, вплоть до температур свечения металлов, например при сварке или ковке.
К недостаткам метода относится сравнительная сложность обработки результатов измерений и невозможность полной автоматизации этого процесса.
Метод хрупких покрытии. В основу метода положен эффект образования
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 7 из 84
трещин под действием нагрузок на объект исследования в тонком слое хрупкого
покрытия, предварительно нанесенного на поверхность этого объекта исследования. Высокая хрупкость покрытия, обеспечивающая образование в нем трещин
при относительных удлинениях, меньших предела текучести материала объекта
исследования, связана с тем, что в процессе высыхания покрытия в нем образуются остаточные напряжения (двухосное растяжение).
Исследование напряженно-деформированного состояния, особенно при
сложных формах объекта исследования, целесообразно начинать с применения
метода хрупкого покрытия, что позволяет выявить зоны наибольших напряжений, определить направления главных напряжений и произвести приближенную
оценку величин напряжений на поверхности объекта исследования. По результатам тензометрирования методом хрупких покрытий может быть получена
наиболее рациональная схема расстановки более точных средств тензометрирования для дальнейших исследований. Погрешность определения деформаций и
напряжений методом хрупких покрытий 10-20%.
Метод гальванических покрытии. Если на поверхность объекта исследования нанести медное (или из медных сплавов) гальваническое покрытие, то при
повторно-переменном нагружении объекта на поверхности покрытия появляются темные пятна. Размер и цветовая интенсивность пятен увеличиваются с увеличением числа циклов нагружения и зависят также от величин напряжений в
каждом цикле. Толщина покрытия обычно не более 0,01 мм, поэтому деформации покрытия практически полностью соответствуют деформациям объекта исследования.
Методы, основанные на масштабном преобразовании деформаций поверхности объекта исследования с помощью тензометров и тензометрических преобразователей. Эти методы различают по физическим принципам, положенным в основу средств преобразования деформации - тензометров
и тензометрических преобразователей. Тензометры и тензометрические преобразователи делят на следующие типы: механические, оптические, пневматические,
струнные (акустические) и электрические
Механические тензометры. Их действие основано на масштабном (без изменения физической природы измеряемой величины) преобразовании деформаций базы 1 с помощью механической передачи до величины, удобной для восприятия наблюдателем. В механических тензометрах часто используют рычажные передачи с увеличением в 100-2000 раз и даже более, комбинированные рычажношестеренные передачи, например в индикаторах часового типа. Наиболее
известен рычажный тензометр Гугенбергера. Корпус 3 тензометра имеет в нижней части поперечину с неподвижной призмой 1 и вырезом под подвижную
призму 12. Подвижная призма является одним из концов двух плечевого рычага
10, на втором конце которого укреплен штифт 9. Стрелка 4 тензометра, расположенная перед зеркальной шкалой 2, шарнирно закреплена в верхней части
корпуса тензометра. Рычаг 10 и стрелка 4 соединены траверсой 8, опирающейся
на штифты 5 и 9, к которым она прижимается пружиной 11. Положение стрелки
относительно шкалы можно изменить путем перемещения опоры подшипника 7
с помощью винта 12
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 8 из 84
Тензометр закрепляют на объекте исследований с помощью струбцинок,
вакуумных присосов или магнитов. Погрешность тензометра Гугенбергера с базой 20 мм - около 15 еод. Тензометр применяется для измерения только статических деформаций. Механические тензометры используют обычно как средства
предварительной оценки распределения деформаций на объектах исследования.
Установка их не требует, как правило, специальной подготовки поверхности
объекта исследований.
На принципе рычажной передачи были разработаны и ранее применялись
механические регистрирующие тензометры для записи динамических деформаций; в этих приборах регистрация осуществлялась, например, алмазным резцом
на поверхности стеклянного цилиндра или на металлической пластинке.
Оптические тензометры отличаются от механических главным образом
тем, что в них для преобразования (увеличения) деформации используется световой луч, причем отсчет можно вести как по перемещению светового пятна на
шкале тензометра, так и с помощью интерференционных или муаровых полос.
Коэффициент преобразования (увеличения) этого тензометра около 2000.
При базе 20 мм погрешность измерений не более 15 еод.
Оптические тензометры в основном применяют при лабораторных исследованиях.
Пневматические тензометры. Действие пневматического тензометра основано на изменении расхода воздуха через измерительное сопло вызванное деформацией чувствительного элемента -тензометра. Возникающий при этом
обычно с помощью U-образного водяного манометра.
Коэффициент преобразования такого тензометра (с учетом механического
увеличения 3 : 1) около 200 тыс., что обеспечивает порог реагирования около 0,1
еод.
Недостатком является ограниченность линейного участка градvировочной
характеристики. Линеаризация характеристики достигается применением дифференциального метода измерений. Для этой цели используются два измерительных сопла, установленных встречно, и диафрагма, связанная с одной из точек базы и разделяющая эти сопла.
Пневматические тензометры применяют только в лабораторных условиях
для исследований на моделях. Они требуют тщательной фильтрации воздуха от
пыли и влаги и отсутствия внешних воздушных потоков.
Струнные (акустические) тензометры. Их действие основано на измерении частоты собственных колебаний струны, концы которой связаны с объектом
исследования таким образом, что деформации объекта исследования передаются
струне
Собственная частота струны f при поперечных колебаниях, помимо длины
и плотности материала, зависит от величины механического напряжения в
струне:
f 
где
f- свободная длина струны
-растягивающее напряжение
1 
2l 
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 9 из 84
-плотность материала струны
При деформации объекта исследования меняется величина напряжения в
струне, и частота ее собственных колебаний. Измеряя эту частоту, можно определить деформацию объекта исследования.
Тензометр состоит из корпуса 5, в нижней части которого имеется неподвижная призма 4. Между неподвижной и подвижной 1 призмами натянута ферромагнитная струна 2.
Над струной установлен электромагнит 3, который служит для возбуждения колебаний в струне при прохождении по его обмотке электрических импульсов и измерения частоты собственных колебаний струны путем снятия с выводов
обмотки синусоидального сигнала, вызванного колебаниями струны.
Важным преимуществом струнных тензометров является использование
частотного метода измерений, что исключает потерю информации вследствие
изменения напряжения питания, коэффициента усиления, переходных сопротивлений соединительных линий и т. д.
В простейших приборах, используемых со струнными тензометрами, частоту собственных колебаний струны измеряют, пользуясь методом «биений», т.
е. путем сравнения частоты колебаний струны с частотой градуированного эталонного генератора или второго струнного тензометра с градуированным в значениях деформаций устройством для натяжения струны. Это позволяет измерять
только статические и очень медленно меняющиеся деформации. В более сложных приборах в струне при измерениях возбуждают незатухающие колебания, а
для измерения частоты используют частотные дискриминаторы или цифровые
электронные счетчики. Это дает возможность использовать струнные тензометры для измерения и регистрации динамических деформаций, а также существенно повысить чувствительность и точность измерений. Погрешность современных
струнных тензометров - около 1 еод. Струнные тензометры получили наибольшее распространение при очень длительных исследованиях конструкций (до нескольких лет), а также как тензометры, пригодные для многократной и быстрой
установки.
Электрические тензометры. Их действие основано на изменении параметров электрической цепи тензометра (сопротивления, емкости или индуктивности) или генерирования электрических сигналов в соответствии с измеряемой
деформацией.
Можно назвать следующие виды электрических тензометров:
сопротивления, индуктивные, емкостные, пьезоэлектрические и индукционные.
Из приведенных электрических тензометров наибольшее число разновидностей имеют тензометры сопротивления. К их числу относятся прежде всего
потенциометрические тензометры. В этих тензометрах одна из опорных призм,
образующих базу, непосредственно или через механическую передачу связана с
ползунком потенциометра (переменного резистора). Определение деформаций
сводится к измерению сопротивления между ползунком потенциометра и одним
из крайних выводов или напряжения на ползунке.
Ввиду низкой чувствительности потенциометрические тензометры нашли
применение в основном для измерения больших деформаций (0,1-0,5 мм).
Электролитические тензометры. Их действие основано на изменении со-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 10 из 84
противления между выводами вследствие перемещения одного из двух электродов, находящихся в электролите, под действием измеряемой деформации. Для
линеаризации градуировочной характеристики используется дифференциальная
схема (один подвижный и два неподвижных электрода). Эти тензометры имеют
ограниченное распространение из-за недостаточнои стабильности.
Механотроннные тензометры. Их действие основано на использовании
эффекта изменения внутреннего сопротивления вакуумной электронной лампы
или лампы заполненной инертным газом, при изменении расстояния между
электродами (анода, катода или сетки) под действием деформации. Для линеаризации характеристики используют, например, механтронный диод с неподвижным катодом 2 и дифференциальным включением двух подвижных анодов 3 и 4.
Соединение электродов с измерительной схемой осуществляется через цоколь 1.
Чувствительность механотронного тензометра можно повысить, используя триод. Механотронные тензометры получили в основном применение в качестве
чувствительных элементов преобразователей механических величин, но также
используются для измерения деформаций и перемещении.
Тензорезисторы. Их действие основано на принципе изменения сопротивления металлов и полупроводников под действием деформации.
Чувствительные элементы тензорезисторов могут быть выполнены в виде
петлеобразной решетки из тонкой проволоки или фольги, в виде пластинки монокристалла из полупроводникового материала. Чувствительные элементы могут
быть также образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки и
другими способами.
Чувствительный элемент 4 обычно прикрепляют к основе 2 из изоляционного материала (бумага, лаковая пленка, ткань и др.) с помощью связующего 3
(клея, цемента), которые передают деформацию чувствительному элементу. На
объекте исследования основу закрепляют также посредством связующего. Для
электрического соединения тензорезистора с измерительными схемами имеются
выводы 1;
Особенность тензорезистора состоит в том, что его чувствительный элемент (решетка), как правило, имеет механическую связь с объектом исследования по всей длине измерительной базы (а не только по концам базы).
Чувствительность тензорезистора к деформациям характеризуется отношением изменения его сопротивления под действием деформации к величине
относительной деформации. Широкое распространение тензорезисторов как
универсального средства измерения деформаций объясняется возможностью:
измерения деформаций при разных размерах базы, начиная с десятых долей миллиметра;
дистанционных измерений в большом числе точек;
измерений в широком диапазоне температур при самотермокомпенсации
или автоматической схемной компенсации;
измерений при самых различных внешних условиях (влажность,
;1,авление, ионизирующие излучения и др.), неблагоприятных для других измерительных средств;
измерения многокомпонентных деформаций на локальных участках объек-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 11 из 84
та исследования.
Они также имеют незначительную массу, широкий частотный диапазон,
включающий статические деформации и низкий порог реагирования, высокую
надежность и сравнительно низкую стоимость.
Тензорезисторам свойственны и некоторые недостатки:
невозможность индивидуальной градуировки;
возможность только однократного использования (исключая тензорезисторные преобразователи механических величин); относительно невысокая чувствительность и относительно низкий абсолютный уровень выходных
сигналов
Однако эти недостатки не помешали широкому использованию тензорезисторов как самого массового и универсального средства экспериментальных исследований в машиностроении.
Е м к о с т н ы е т е н з о м е т р ы. Их действие основано на изменении
электрической емкости между двумя пластинами, взаимное перемещение которых пропорционально измеряемой деформации.
Емкостные тензометры используют главным образом в качестве чувствительных элементов преобразователей механических величин (давлений, усилий,
крутящих моментов, вибраций, точного измерения линейных размеров - емкостные микрометры); для измерения деформаций при экспериментальных исследованиях они широкого применения не получили.
И н д у к т и в н ы е т е н з о м е т р ы. Их действие основано на изменении
реактивного сопротивления катушки при изменении ее индуктивности L. При
относительно высокой добротности индуктивное сопротивление катушки превышает активное сопротивление, поэтому реактивное сопротивление Z  2fL,
где f - частота.
П ь е з о э л е к т р и ч е с к и е т е н з о м е т р ы.
Их действие основано
на пьезоэлектрическом эффекте - возникновении при деформации заряда на гранях пластинок, вырезанных из кристаллов некоторых диэлектриков (кварца, титаната бария, фосфата аммония и др.). Пьезоэлектрические тензометры относятся к группе генераторных преобразователей. Отличительной особенностью пьезоэлектрических преобразователей является невозможность измерения статической составляющей деформации вследствие быстрого стекания образовавшегося
на пластинах заряда. Пьезоэлектрический эффект широко используется в преобразователях быстроменяющихся давлений и преобразователях параметров вибрации.
И н д у к ц и о н н ы е т е н з о м е т р ы. Их действие основано на эффекте
возникновения э. д. с. в катушке при перемещении в ней магнита или перемещении катушки в магнитном поле (в том числе другой катушки). Индукционные
тензометры также относятся к группе генераторных преобразователей и могут
быть использованы в основном для измерения скорости изменения динамических деформаций, поскольку э. д. с. на выводах катушки пропорциональна
скорости изменения магнитного поля.
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 12 из 84
2. Тема: Задачи тензометрии
План лекции
1. Основные задачи тензометрии
2. Тензометрирование при разных характерах нагружения (во времени) объекта исследования
Основные задачи тензометрии
Классификация основных задач тензометрии (включая измерения не только деформаций, но и других механических величин с использованием методов и
средств тензометрии) может быть сделана по следующим признакам:
-по характеру нагружения объекта исследования (во времени) и виду получаемой при этом информации;
-по особенности напряженно-деформированного состояния объекта исследования;
-по особым свойствам материалов, из которых выполнены объекты исследования;
-по внешним воздействиям, которым подвергается объект исследования
при тензометрировании.
Тензометрирование при разных характерах нагружения (во времени)
объекта исследования. Первая задача сводится к получению и обработке информации о деформациях и других механических величинах под действием статических или квазистатических нагрузок на объект исследования (статическое
тензометрирование).
К этой же задаче относится получение информации о переходных и неустановившихся процессах (например, вследствие резких изменении температуры объекта исследования - тепловых ударов), хотя она и отличается существенно
более высокими требованиями к быстродействию средств тензометрирования.
Экспериментальное решение этой задачи позволяет установить распределения деформаций и других механических величин в узлах и на участках объекта
исследования под действием внешних статических нагрузок, температурных полей и других внешних факторов. Эта задача характеризуется большим числом
точек измерения (от десятков до нескольких тысяч). Для решения подобных задач применяют практически все перечисленные в предыдущем параграфе методы тензометрирования и все типы тензометров. При решении задач на моделях
очень широко используют поляризационно -оптическии метод.
Однако сложность поддержания постоянства нагрузок при исследованиях
и испытаниях натурных объектов, возможность быстрого перераспределения полей деформаций и сил вследствие например, изменения режимов у объектов исследования под действием высоких температур, а также требование постоянного
снижения стоимости, трудоемкости и длительности эксперимента предопределили тенденцию ускорения измерений путем повышения быстродеиствия
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 13 из 84
средств тензометрирования. Существенное увеличение объема информации
наряду со снижением трудоемкости эксперимента потребовало автоматизации
процесса получения и обработки деформации. Поэтому, по крайней мере при исследованиях натурных объектов, для решения подобных задач применяют в основном тензорезисторы с соответствующими приборами, которые удовлетворяют последним требованиям. .
Вторая задача включает получение и обработку информации о зависимостях между внешними быстроменяющимися силами (а также другими механическими параметрами) и деформациями в узлах и деталях объекта исследования;
между деформациями различных участков объекта исследования при динамических периодических или почти периодических (детерминированных) процессах в
объекте исследования (см. п. 26). Эта задача наиболее характерна для машиностроения, при ее решении число точек, в которых производятся трения, может
быть от 5 до 30. Для установления характера взаимозависимостей динамических
процессов как правило производится одновременная регистрация всех измеряемых параметров на ленте самописца, осциллографа или на магнитной ленте.
Применяемые средства измерения, в зависимости от вида объекта исследования
и частотного спектра исследуемых процессов должны обеспечивать регистрацию
деформаций в диапазонах частот от 0-10 до О-50 кГц.
Широкий частотный диапазон измерений, необходимость выполнения их
дистанционно, в относительно большом числе точек часто на быстроперемещающихся объектах исследования определяет целесообразность применения тензорезисторов при решении задач этого вида, так как тензорезисторы наиболее полно удовлетворяют перечисленным условиям
Третья задача состоит в получении и обработке информации о неизвестном
статистическом (во времени) распределении внешних сил и других внешних воздействий и их статистических взаимосвязях с деформациями и другими механическими величинами (недетерминированные процессы). Задача наиболее характерна для объектов исследования, воспринимающих случайные нагрузки
(например, для землеройных, сельскохозяйственных и транспортных машин).
При изучении статистических взаимосвязей число точек измерения колеблется в
пределах от 1 до 5, полоса частот, которую должны воспроизводить средства измерений, обычно составляет 0-500 Гц. Основное отличие применяемых в этом
случае средств измерений - возможность длительной непрерывной регистрации
результатов измерений (обычно с помощью магнитной записи или в дискретной
форме с помощью специальных анализаторов, имеющих на выходе счетчики).
Данная задача может быть решена с помощью большинства описанных в
предыдущем параграфе электрических тензометров, например индуктивных, так
как при малом числе точек измерения стоимость тензометров и сложность их
установки не имеют решающего значения, вместе с тем стремление к унификации основных элементов средств тензометрирования привело к подавляющему
использованию тензорезисторов.
Тензометрирование при упругих и упругопластических деформациях
материала объекта исследования. Процессы упругого и упругопластического
деформирования тесно связаны, и граница между ними достаточно условна. За
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 14 из 84
такую границу обычно принимают точку или участок на диаграмме напряжение
- деформация, за пределами которых остаточная деформация перестает быть
пренебрежимо малой. Для сталей эта граница лежит в пределах 2 тыс. -6 тыс.
еод, для алюминиевых сплавов 3 тыс.-8 тыс. еод, для стеклопластиков 6 тыс.-8
тыс. еод. В связи с этим верхний предел диапазона измерений при тензометрировании объектов машиностроения в упругой стадии не превышает +-10 тыс. еод.
Условия упругого деформирования элементов простой формы характеризуются относительной равномерностью распределения деформаций и постоянством соотношений между компонентами объемной или плоской деформации.
Для большинства деталей машин и механизмов сложной конфигурации соотношения между продольными и поперечными деформациями имеют сложную
функциональную связь, а распределение напряжений характеризуется значительными градиентами. При этом деформированное состояние большинства конструкционных материалов достаточно хорошо подчиняется закону Гука, что
позволяет не только качественно, но, как правило, и количественно оценить
напряженное состояние объекта исследования.
Упругопластические деформации в деталях, узлах и конструкциях машин
могут развиваться как в процессе изготовления (штамповка, высадка и т. д.),
монтажа и сборки, так и в процессе эксплуатации при работе машин. Как правило, они имеют локальный характер и возникают на участках концентраций
напряжений - у входящих углов и отверстий, в местах развития краевых эффектов, а также в околошовных зонах. При тензометрировании за пределами упругости материала объекта исследования с использованием тензорезисторов существенно возрастает влияние на результаты измерений поперечных деформаций, а
также неоднородности поля в пределах измерительной базы. При измерениях
деформаций за пределами упругости в зависимости от решаемой задачи верхний
предел диапазона измерений составляет от 10тыс. до 100 тыс. еод и более. При
таких значениях зависимость между напряжениями и деформациями существенно усложняется. Поэтому результаты тензометрирования за пределами упругости менее достоверны, что заставляет ограничиваться только качественной оценкой напряженного состояния.
Измерения упругих и упругопластических деформаций могут выполнятся
одними и теми же тензометрическими средствами, если они обеспечивают постоянство чувствительности в пределах требуемого диапазона. При использовании наклеиваемых тензорезисторов достаточно надежные результаты измерений
в упругопластической стадии можно получить только в статическом и квазистатическом режимах при монотонном и сравнительно кратковременном нарастании деформации.
В деталях и конструкциях (элементах) машин развитие упругопластических деформаций носит локальный характер, и измерения обычно выполняют
тензометрами или тензорезисторами с базами 1-5 мм, а в зонах концентрации
напряжений - с базами менее 1 мм.
Для решения задач, связанных с экспериментальными исследованиями,
упругих и упругопластических деформаций материала объекта исследования могут быть применены практически все методы и средства тензометрии, перечис-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 15 из 84
ленные в п. 2. Исключениями являются поляризационно-оптический метод, который недостаточно разработан для исследования упругопластических деформаций, и ренттеновский метод, позволяющий получить информацию только об
упругой составляющей деформации.
Тензометрирование при одноосном и плосконапряженном состояниях
[17, 31, 46, 50]. При тензометрировании элементов машин различных форм имеют место одноосное напряженное состояние, когда известно направление приложенной нагрузки и определяется величина деформации, и плосконапряженное
состояние. При этом неизвестными являются величины и вектор направления
деформации от влияния совокупности действующих нагрузок.
Одноосное напряженное состояние возникает в элементах машин простой
конфигурации, нагруженных соосно направленными силами, например, при растяжении, сжатии и изгибе.
Большинство элементов машин и механизмов подвергаются действию
нагрузок, имеющих разную ориентацию и создающих на поверхности этих элементов плоское напряженное состояние. Такие случаи напряженного состояния
имеют место в сварных станинах машин, обшивках судов, самолетов и других
конструкциях. При исследовании напряженного состояния элементов определяются как величина, так и направление вектора деформаций.
Как правило, для определения величины и направления главных деформаций достаточно осуществить тензометрирование в трех направлениях. При известных направлениях главных деформаций достаточно измерить деформации в
двух взаимно перпендикулярных направлениях, чтобы определить величины
максимальных и минимальных деформаций.
В общем случае величина главной деформации определяется из уравнения
 
х y
2

х y
2
cos 2 
 xy
2
sin 2
(1)
где  х  y xy - соответственно деформации, продольная, поперечная и сдвига;
- углы между осями тензометров или тензорезисторов.
Если выполнять измерения деформаций в направлениях под определенными углами друг к другу (например, 0-45-90 или O-60 -120), решение уравнения
(1) значительно упрощается.
Контроль результатов обеспечивается измерением деформаций по четвертому направлению, перпендикулярно к одному из трех выбранных направлений.
Измерения остаточных и внутренних напряжений. Остаточные напряжения возникают в большинстве случаев при изготовлении деталей и узлов с
применением горячей прокатки, штамповки, сварки или других технологических
операций, связанных с неравномерным нагревом и охлаждением. Поля остаточных напряжений носят, как правило, замкнутый объемный характер и находятся
в состоянии статического равновесия с полями напряжений соседних участков.
При этом обычно отсутствует явная функциональная связь между напряженным
и деформированным состояниями. Релаксация остаточных напряжений происходит медленно и не сопровождается сколько-нибудь заметным изменением де-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 16 из 84
формированного состояния. Поэтому обычные приемы тензометрирования в
этом случае не позволяют оценить напряженное состояние.
Для оценки величины остаточных напряжений на поверхности, а также
внутри исследуемых элементов применяют метод деструкции, основанный на
устранении связи изучаемого участка или объeкта с окружающим материалом
путем вырезания или засверливания. При этом равновесие напряженного состояния нарушается, и вырезанный объем получает возможность деформироваться,
не будучи стеснен воздействием соседних участков. При вырезании образцов
малых объемов деформации, свойственные их напряженному состоянию, развиваются достаточно полно и могут быть измерены, в частности, с помощью малобазных тензометров или тензорезисторов в двух или трех направлениях для каждой точки, как показано на рис. 12. При измерениях остаточных напряжений
применяют также специальные конструкции механических тензометров, которые
устанавливают опорными призмами на подготовленную (кернением) базу объекта исследования до и после изъятия образца.
Измерения на объектах из неметаллических материалов. Неметаллические материалы находят все большее применение в машиностроении. Целый ряд
деталей машин и
агрегатов изготовляют из заливочных армированных компаундов типа полиэфирных и эпоксидных стеклопластиков, а также прессматериалов типа текстолита и гетинакса. При исследованиях работы деталей машин на моделях широко
используют оргстекло и эпоксидные смолы. Все эти материалы обладают общими специфическими особенностями, которые необходимо учитывать при тензометрировании:
-для неметаллических материалов характерна ярко выраженная нелинейная
связь между напряжениями и деформациями;
-величины модуля упругости таких материалов относительно невелики и
составляют 5 - 10 ГПа, при значениях коэффициента Пуассона от 0,35 до 0,45;
-все неметаллические материалы отличаются весьма малыми теплопроводностью и электропроводностью;
-неметаллические материалы на основе полимерных смол и компаундов
отличаются хорошей адгезией в отношении различных клеев и цементов.
Малая жесткость объектов исследования из неметаллических материалов
ограничивает жесткость используемых для измерений тензометров или тензорезисторов, а также массу последних. В этом случае, например, применяют тензорезисторы с маложесткой основой и решеткой из одиночной проволоки или тонкой фольги. При. этом тензорезисторы наклеивают на поверхность или заделывают внутрь объектов исследования, если последние изготовлены из заливочных
компаундов. В обоих случаях обеспечивают надежную связь с материалом объекта исследования.
Низкая теплопроводность неметаллических материалов ухудшает отвод
тепла от тензорезисторов, что может привести к их перегреву током питания и
значительным температурным погрешностям, особенно при установке тензорезисторов внутри объекта исследования. Поэтому при тензометрировании неметаллических деталей машин и агрегатов применяют специальные меры снижения
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 17 из 84
перегрева тензорезисторов током питания. Для тензометрирования объектов из
неметаллических материалов также эффективен метод муаровых полос.
Тензометрирование в особых условиях. Тензометрирование деталей машин, механизмов и агрегатов выполняется чаще всего в лабораторных или производственных условиях при колебаниях внешней температуры от 225-325 К и
относительной влажности 40-60 %.
Подобные измерения производят механическими, электрическими и электромеханическими тензометрами или тензорезисторами, предназначенными для
использования в климатическом диапазоне. Однако целый ряд экспериментальных исследований, например, котельных установок, турбин, сосудов, работающих под давлением, атомных реакторов и т. д., выполняемых в эксплуатационных условиях, требует применения специальных средств измерений или специальных мер защиты средств измерений от влияния внешней среды.
К особым условиям тензометрирования, в частности, относятся измерения:
-при высоких или низких температурах за пределами климатического диапазона;
-в водной среде и токопроводящих жидкостях;
-в агрессивных средах;
-в средах с высоким давлением жидкости или газа; под действием радиационных полей.
В более сложных случаях на тензометры и тензорезисторы влияют одновременно несколько из указанных воздействий (водная среда и давление, температура и агрессивная среда, радиация и температура и т. д.).
Тензометрические приборы (при электрических тензометрах и тензорезисторах) при подобных испытаниях обычно размещают за пределами зон с особыми условиями или надежно защищают от воздействий внешней среды.
Тензометрирование при температурах за пределами климатического диапазона требует применения тензометров или тензорезисторов, детали или элементы которых не получают заметных и необратимых изменений в течение всего
времени воздействия высокой или низкой температуры. В частности, все неметаллические материалы, из которых выполнены элементы тензорезисторов,
должны сохранять свои упругие и адгезионные свойства.
Температурные погрешности тензометров, тензорезисторов и чувствительных элементов преобразователей механических величин не должны превышать
допустимых значений. Поэтому, например, при высоко- и низкотемпературных
измерениях применяют специальные типы тензорезисторов с обеспеченной термокомпенсацией.
В этом случае температуры при тензометрировании в статическом режиме
ограничены 775 К, что определяется ползучестью и увеличением электропроводности связующего при высоких температурах. При изменениях динамических
деформаций наивысшая температура не более 1075 К. Нижний предел при криогенных температурах составляет около 25К и ограничен охрупчиванием неметаллических материалов (связующего или основы тензорезисторов).
Для тензометрирования при высоких температурах, вплоть до температур
свечения металлов, эффективен метод муаровых полос.
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 18 из 84
Тензометрирование в водной или другой жидкой неагрессивной среде, обладающей электропроводностью, связано с принятием специальных мер по защите тензометров и тензорезисторов от воздействия жидкой среды.
Для механических, оптикомеханических и других тензометров, принцип
работы которых не связан с преобразованием деформаций или перемещений в
электрические сигналы, защита от воздействий жидкой среды сводится к разного
рода конструктивным мерам и к применению для изготовления деталей тензометров коррозионностойких материалов.
Влияние водной или другой жидкой электропроводной среды на тензорезисторы выражается в повышении электропроводности основы и связующего, в
изменении механических характеристик и адгезионных свойств последних, а
также в электрокоррозии материала тензочувствительного элемента. Все эти
воздействия носят крайне нестационарный характер, что исключает возможность
их компенсации, и приводят к отказу тензорезисторов из-за недопустимых изменений сопротивления.
Гидрозащиту тензорезисторов при их использовании в водной, а также
воздушной средах при относительно и влажности свыше 50% осуществляют, как
правило, нанесением гидрофобных покрытий, например водостойких клеев, технических масел, битумных смесей или специальных компаундов на основе высокомолекулярных соединений. Эффективное действие гидрозащитных покрытий
может длиться от одного до 12 месяцев и зависит от коэффициента водопоглощения, адгезионных свойств, склонности к охрупчиванию и старению, а
также от деформаций поверхности, на которую тензорезистор наклеен.
Срок действия гидрозащиты уменьшается, если жидкая среда содержит
агрессивные агенты.
Тензометрирование под действием высоких давлений сводится к компенсации влияния давления на показания тензометров или на изменение сопротивления тензорезисторов и к их дополнительной защите от воздействия окружающей среды, если последняя обладает электропроводностью или является агрессивной.
Компенсация влияния давления на изменение сопротивления тензорезисторов возможна при условии
S ТД  iS Т
Под действием давлений до 0,3 ГПа условию самокомпенсации давления
отвечают тензорезисторы с решетками из константана. В других случаях используют компенсационные тензорезисторы, смонтированные на недеформируемых
образцах материала объекта исследования, которые одновременно обеспечивают
компенсацию температурных воздействий.
Тензометрирование под действием радиоактивного излучения. При испытаниях атомных реакторов и других агрегатов, подверженных проникающим излучениям, применяют только тензорезисторы, которые могут работать под воздействием радиационных полей и при высокой температуре (до 475-675 К).
Наиболее сильное влияние на характеристики тензорезисторов оказывает
нейтронное излучение, которое вызывает изменение сопротивления проводниковых и особенно полупроводниковых чувствительных элементов тензорезисторов
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 19 из 84
и повышает проводимость неметаллических материалов основы и связующего. В
частности, при длительном воздействии (свыше 120 ч) потока быстрых нейтронов (>1 МэВ) с интегральной интенсивностью до 6 ·1017 нейтрон/см2 номинальное сопротивление тензорезисторов с нихромовой решеткой увеличивается на 35 %, а с константановой уменьшается на 1 %. При этом сопротивление электрической изоляции может уменьшиться в 10 тыс. раз, что является главной причиной, ограничивающей применение тензорезисторов при измерениях в радиационных полях. Полупроводниковые тензорезисторы, в частности из карбида кремния, в аналогичных условиях могут изменить сопротивление в несколько раз.
В отдельных случаях удается, используя особенности воздействия
нейтронного потока на структуру проводниковых материалов, достичь частичной компенсации влияния последнего на сопротивление тензорезисторов. Для
некоторых никельмолибденовых сплавов при температуре около 500 К не
наблюдается изменения сопротивления под действием нейтронного потока интенсивностью 1 ·1013 нейтрон/см2. В остальных случаях отмечается разрушающее Влияние потока быстрых нейтронов на структуры тензочувствительных
сплавов, которые были получены в результате термообработки с целью сообщения им необходимых тензометрических характеристик.
При использовании тензорезисторов с нихромовой решеткой возможно
про изводить сравнительно кратковременные измерения в диапазоне деформаций до 1 тыс. еод при температурах до 375 К в потоке быстрых нейтронов с интегральной интенсивностью до 0,2 *1020 нейтрон/см2.
При длительных измерениях (до 200 суток) необходимо учитывать возможность дрейфа нуля (изменение номинального сопротивления наклеенного
тензорезистора) со средней скоростью до 1,5 еод/час
3. Тема: Средства электротензометрии
План лекции
1. Средства тензометрии
Электротензометрирование осуществляют с помощью комплекса средств
измерений. Рассмотрим средства электротензометрии в соответствии с терминологией, определенной в ГОСТ 16263-70. Средства . электротензометрии, как и
другие измерительные средства, включают меры, измерительные преобразователи и измерительные приборы.
Меры. К мерам относятся средства измерении, предназначенные для воспроизведения физических величин заданного размера. В электротензометрии в
качестве мер используют:
-для воспроизведения заданных деформаций - изгибаемые балки равного
сопротивления изгибу, равного момента или растягиваемые стержни равного сечения, деформации поверхностей которых связаны с прикладываемой к ним силой. С их помощью можно воспроизводить деформации во всем диапазоне измерений;
-для тензорезисторных преобразователей механических величин (преобразователи перемещения, силоизмерители, преобразователи давления, ускорение-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 20 из 84
меры и виброметры) – соответствующие преобразуемой механической величине
градуировочные устройства. Например, для воспроизведения величин перемещений используют компараторы, для воспроизведения величин давлении жидкостей и газов - грузопоршневые манометры, для воспроизведения сил заданного
размера - силоизмерительные машины, а ускорениицентрифуги или вибростенды
и т. д.;
-для воспроизведения электрических сигналов, необходимых при градуировке промежуточных электрических преобразователей, тензометрических приборов и регистрирующих приборов - специальные тензокалибраторы и калиброванные источники постоянного или переменного тока.
Измерительные преобразователи. Измерительными преобразователями
называют средства измерения, служащие для выработки сигнала измерительной
информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающиеся непосредственному восприятию
наблюдателем. По месту, занимаемому в измерительной цепи, преобразователи
подразделяются на:
-первичные, к которым подводится измеряемая величина;
-промежуточные, занимающие в измерительной цепи место после первичных
-передающие, на выходе которых образуются величины, удобные для регистрации и передачи на расстояние.
Первичными преобразователями при тензометрировании являются тензорезисторы, преобразующие измеряемую деформацию в изменения сопротивления. При измерении механических величин с применением тензорезисторов первичными преобразователями являются чувствительные элементы (обычно упругие), преобразующие измеряемую механическую величину в деформацию упругого элемента, которая, в свою очередь, воспринимается наклеенными на них
тензорезисторами.
К числу промежуточных преобразователей относятся в первую очередь
электрические схемы: потенциометрические и мостовые, в которые включаются
тензорезисторы. В них изменения сопротивления тензорезисторов преобразуются в изменения электрического сигнала на выходе промежуточного преобразователя.
ПО этой причине промежуточные преобразователи, собранные по мостовым схемам с питанием переменным током, содержат два балансировочных элемента - один по активной, а второй по реактивной составляющим полных сопротивлений.
Одна их характерных особенностей проводниковых тензорезисторов, особенно проволочных, состоит в том, что величина сигнала на выходе потенциометрических или мостовых промежуточных преобразователей, в которые они
включены, очень мала (обычно не превышает нескольких милливольт), в связи с
чем необходимо усиление сигнала, которое осуществляется специальными промежуточными преобразователями. К их числу относятся тензометрические усилители - масштабные преобразователи, не меняющие в процессе преобразования
физической природы преобразуемой величины. В некоторых типах преобразова-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 21 из 84
телей имеет место изменение в процессе преобразования вида сигнала (с целью
улучшения каких-либо характеристик), например преобразование изменения
напряжения или изменения сопротивления в изменения частоты электрического
сигнала.
К числу передающих тензометрических преобразователей относятся специальные типы преобразователей для радиотелеметрии, например радиочастотные передатчики и приемники, с частотной JIЛИ другими видами модуляции, а
также кодирующие преобразователи, необходимые при преобразовании измерительной информации с целью ввода ее в ЭЦВМ или занесения на перфоленту для
хранения.
Измерительные приборы. К измерительным приборам относятся средства измерений, предназначенные для получения измерительной информации о
величине, подлежащей измерению, в форме, удобной Для восприятия наблюдателем, В электротензометрии применяют приборы как прямого действия, так и
приборы сравнения. При использовании первых измеряемая величина деформации подвергается ряду последовательных преобразований в одном направлении,
без возвращения к исходной величине или величинам, полученным на выходе
промежуточных преобразователей. Схема тензометрического прибора прямого
действия показана на рис. 18, а.
Здесь тензорезистор R является одним плечом мостовой схемы, питание
которой осуществляется от источника тока Б1.Напряжение, возникающее на измерительной диагонали мостовой схемы вследствие деформации тензорезистора,
усиливается усилителем У. К выходу усилителя подключен показывающий ПП
или регистрирующий РП прибор, с помощью которого осуществляется отсчет
или регистрация величин сигналов, пропорциональных деформациям тензорезистора.
а)
б)
Рис. 18, Схемы тензометрических приборов:
Значительно большими точностными возможностями обладают приборы
сравнения, в которых (обычно с помощью преобразователя по мостовой схеме)
осуществляется сравнение сопротивления тензорезистора с известными сопротивлениями точных резисторов или сравнение (с помощью преобразователя по
компенсационной схеме), напряжения на измерительной диагонали моста с
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 22 из 84
напряжением от калиброванного источника тока. На рис. 18, 6 показана схема
тензометрического прибора сравнения, в котором напряжение на измерительной
диагонали мостовой схемы сравнивается с напряжением на выходе переменного
резистора R2, подключенного ко второму источнику тока Б2. Разностное напряжение усиливается, а отсчет производится по шкале, установленной на переменном резисторе, в тот момент, когда нуль-индикатор НИ, включенный на выходе
усилителя, покажет нуль. В этой схеме в отличие от схемы прибора прямого действия изменение чувствительности усилителя, в относительно больших пределах, практически не сказывается на погрешности измерений.
Тензометрические приборы могут быть также разделены по способам снятия отсчета и регистрации: на приборы с визуальным отсчетом и приборы регистрирующие. Первые по типу индикации можно разделить на приборы с отсчетом по шкале (шкальные) и с цифровым отсчетом (цифровые). Регистрирующие
приборы, в свою очередь, делят на приборы с открытой формой записи информации (самописцы, осциллографы, цифропечатающие устройства) и приборы со
скрытой формой записи информации (магнитографы, перфораторы).
По общему назначению тензометрические приборы делят на лабораторные, приборы для работы в производственных условиях, приборы общего назначения и, наконец, тензометрические приборы производственного контроля и
управления
В соответствии с основными задачами тензометрирования преобразователи и приборы используют:
-Для измерения статических и квазистатических деформаций; быстродействие этих приборов может составлять от 0,03 (статические деформации) до
3000 измерений в 1 с (квазистатические переходные процессы);
-Для измерения и преобразования сигналов от динамических деформации;
их в свою очередь, подразделяют на преобразователи и приборы для измерения
статодинамических деформаций, Т.е. динамических деформации со статической
составляющей и чисто динамических деформаций .
для получения статистических данных о процессах, протекающих в объектах исследования.
Преобразователи с включенными на выходе анализаторами в свою очередь, делят на три группы: приборы для амплитудного анализа, приборы для частотного анализа (определения спектральной плотности деформации и других
механических величин) и коррелометры (приборы для получения автокорреляционных и взаимокорреляционных функций)
4. Тема: Характеристики и погрешности средств электротензометрии
План лекции
1. Характеристики средств электротензометрии
2. Погрешности средств электротензометрии
Существует различие в понятиях погрешность результата измерении и погрешность средств измерений.
Погрешность результата измерения представляет собой разность между
результатом измерения, т. е. значением, приписанным измеряемой величине по-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 23 из 84
сле окончания измерений, и истинным значением этой величины, определение
которого является целью измерения. Следует заметить, что истинное значение
измеряемой величины, строго говоря, всегда остается неизвестным.
Погрешность результата измерений обусловливается многими характеристиками измерительного процесса, в том числе и погрешностью средств измерения. К числу факторов, вызывающих погрешность измерения, помимо погрешности самих средств измерения относятся: погрешности метода измерения,
свойств каналов связи, изменение свойств объекта исследования (например, его
жесткости или момента инерции) вследствие установки на него преобразователей что обусловливает отличие значения измеряемой величины воздействующей
на вход преобразователя, от значения, подлежащего определению при измерении; субъективные погрешности вносимые оператором, и т. п.
Погрешность средств измерений отражает только определенные свойства
самого средства и обусловливается структурными, конструктивными или схемными особенностями средства, свойствами использованных в них материалов и
элементов, особенностями технологии изготовления, регулировки и градуировки.
К основным характеристикам и показателям средств электротензометрии
относятся следующие
Статические характеристики: коэффициент преобразования преобразователей и чувствительность приборов, номинальные статические характеристики
преобразователеи градуировочные характеристики приборов, выходной код, количество разрядов кода у цифровых приборов, диапазоны показаний и измерений, порог реагирования и статические погрешности.
Динамические характеристики: частотный диапазон измерении и частотные характеристики (амплитудно-частотная, фазо-частотная) или переходная (у
тензометрических средств для исследования импульсных процессов) и допустимые отклонения от них, а также время установления показаний (для многоточечных автоматических и цифровых приборов и приборов с ручным уравновешиванием).
Входные и выходные параметры преобразователей и приборов: входной и
выходной импендансы, допустимая длина и погонная емкость кабеля соединительной линии и др.
Условия работы: диапазоны внешних температур, влажность, вибрация и
дополнительные погрешности, которые могут быть выражены с помощью функций влияния, т. е. зависимости изменении метрологических характеристик
средств от изменении влияющих величин или неинформативных параметров
входного сигнала в пределах условий эксплуатации.
Коэффициент преобразования и чувствительность. Под коэффициентом
преобразования КП измерительного преобразователя понимают отношение сигнала  на выходе преобразователя, отображающего измеряемую величину, к вызывающему его сигналу  на входе преобразователя. Например, коэффициент
преобразования чувствительного элемента преобразователя давления выражают
отношением деформации чувствительного элемента преобразователя к величине
давления, вызвавшего эту деформацию, а коэффициент преобразования тензо-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 24 из 84
метрического усилителя - отношением выходного тока или напряжения к напряжению на входе усилителя и т. д.
Чувствительность S прибора выражается отношением изменения сигнала
 на выходе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой
.величины . Например, чувствительность тензометрического прибора может
быть выражена отношением приращения числа делений, зафиксированных на
отcчетном устройстве (или миллиметров осциллограммы, записываемой светолучевым осциллографом), к приращению деформации тензорезистора или к приращению механической величины, воспринимаемой тензорезисторным преобразователем, включенным на вход этого прибора.
Коэффициент преобразования и чувствительность определяются соответственно
формулами
Кn 

(2)

и
So 

(3)

а относительная чувствительность – формулой
So 

 / 
Из этих формул видно, что чувствительность является дифференциальным
выражением коэффициента преобразования, иными словами, коэффициент преобразования есть средняя чувствительность. У преобразователей и приборов с
линейными градуировочными характеристиками в пределах диапазона измерений значения коэффициента преобразования и чувствительности совпадают в
любой точке характеристики. Это обстоятельство позволяет в отношении некоторых типов преобразователей, в частности тензорезисторов, применять традиционное и прочно установившееся определение «чувствительность (или тензочувствительность) тензорезистора» и соответствующее аналитическое выражение (3) или (4). вместо «коэффициент преобразования тензорезистора» и отношения (2), не нарушая при этом смысла определения. Такое допущение возможно также и потому, что каждый прибор представляет собой совокупность преобразователей.
Для приборов с отсчетом по шкале или с цифровым отсчетом иногда указывается величина, обратная чувствительности -- цена деления шкалы, т. е. С =
1/S. Цена деления шкалы для тензометрических приборов характеризует величину относительной деформации или пропорционального ей напряжения на выходе
тензометрического моста в единице младшего разряда или одном делении шкалы
прибора.
Чувствительность и коэффициенты преобразования в паспортных данных
тензометрических преобразователей и приборов выпусков разных лет могут
быть выражены следующими отношениями
  вых   вых I вых I вых N N
;
;
;
;
;
;
  вх
  вх    в х 

УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 25 из 84
где  вых , вх ,   вых , и  вх ; -- выходные и входные напряжения тензометрического
преобразователя или прибора и их приращения, В, мВ или мкВ;
I вых ; I вых - выходной ток и его приращение, мА или А;
N ; N - отсчет в дискретных единицах или его приращения (деления шкалы или единицы младшего разряда в цифровых приборах);
 ;  - относительная деформация или ее приращения, еод.
Коэффициенты преобразования некоторых тензометрических преобразователей механических величин выражают в виде отношения напряжения
на выходе преобразователя  вых при номинальном значении измеряемой механической величины к напряжению питания тензометрического моста  в х в данном
преобразователе.
Показатели коэффициентов преобразования и чувствительности, выраженные как отношения выходного сигнала или отсчета к приращениям входных
напряжений, используют для преобразователей и приборов, собранных по схемам усилителей постоянного тока, поскольку эти средства могут быть использованы для работы не только с тензорезисторами, но и с первичными преобразователями другого типа, например термопарами, выходная величина которых характеризуется э. д. с. или напряжением.
В некоторых паспортных данных вместо величины  указывают величину
R
. эти величины однозначно связаны значением чувствительности тензорезиR
R
 S T  , поэтому могут быть легко пересчитаны. Показатели чувствисторов:
R
тельности приборов, выраженные отношением к приращениям деформации,
обычно приведены к чувствительности тензорезисторов Sт = 2,0.
Значения коэффициентов преобразования и чувствительности тензометрических средств имеют следующий порядок:
тензорезисторов проволочных и фольговых: 1,8-2,2; полупроводниковых до 200;
тензометрических силоизмерителеи: 1-5 мВ/В, или 0,02-2 еод/Н,
тензометрических усилителей: 1-100 мА/мВ или 3000-250 000 мА/еод;
приборов измерения статических деформаций (цена деления) 0,2-25 еод;
.
I
светолучевых осциллографов: 0,1-18000 мм/мА.
Чувствительность тензометрического прибора, выраженная через коэффициенты преобразования и чувствительности его отдельных элементов, определяется как произведение коэффициентов преобразования и чувствительности элементов. Для силоизмерительного тензометрического прибора, например
SП ћ
RT 
Q I вых U вх
RT
I вых U вх RТ
R P
где первый член характеризует чувствительность гальванометра осциллографа;
остальные - коэффициенты преобразования: второй -- тензометрического усилителя; третий - мостовой схемы; четвертый - тензорезисторов; пятый - силоизмерительного чувствительного элемента.
Статическая (градуировочная) характеристика представляет собой за-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 26 из 84
висимость между значениями величины на выходе и входе средства измерений,
составленную в виде таблицы, графика или формулы. Под номинальной статической характеристикой понимают номинально приписываемую измерительному
преобразователю или прибору зависимость информативного параметра его выходного сигнала от информативного параметра входного сигнала. В вероятностном смысле статическая характеристика m  f   представляет собой зависимость между математическим ожиданием m выходной величины преобразователя или показаниями прибора и истинным значением измеряемой величины
  . Графически статическая характеристика тензометрических средств в пределах диапазона показаний обычно представляет собой прямую, расположенную
симметрично осям координат под углом а и проходящую через пересечение осей
(рис. 19). Значение tgα соответствует коэффициенту преобразования и чувствительности преобразователя или прибора. Для тензометрических приборов, в
частности, пределы измерений на градуировочной характеристике ограничены
значениями ±min в приборах прямого действия обычно определяются нелинейностью характеристик за пределами диапазона измерений (рис. 19, а), а в
приборах сравнения - предельными параметрами элементов сравнения (рис. 19,
б).
Порог реагирования. Вследствие флюктуации выходного сигнала и шумов, содержащихся в нем, с помощью тензометрических преобразователей и
приборов нельзя преобразовывать или измерять сигналы меньшей величины, чем
соответствующие деформации min (порог реагирования), так как эти сигналы будут маскироваться флюктуациями и шумами. Под порогом реагирования понимают изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение показаний прибора, которое еще может быть обнаружено наблюдателем при нормальном для данного прибора способе отсчета показаний.
Диапазоны показании и измерении. Отношение
 max
характеризует диа min
пазон измеряемых деформаций, которые несут информацию об изменении состояния объекта исследования, и называется диапазоном показаний
DП 
 max
 min
или DП дБ   20 lg
 max
 min
Диапазон показаний тензометрического преобразователя (усилителя) составляет 40-50 дБ. У лучших образцов приборов для измерения статических деформаций min = 0,2еод, а mах=20тыс. еод, что соответствует диапазону показаний 100 дБ; диапазон показаний магнитографов 40-60 дБ.
Ввиду того что величина порога реагирования тензометрических средств
не имеет
в большинстве случаев четкой количественной определенности, трудно дать
точную оценку диапазону показаний. Точная оценка может быть сделана для
цифровых приборов, где единица младшего разряда соответствует порогу реагирования.
Та часть диапазона показаний, в которой установлены нормы на погрешности прибора, называется диапазоном измерений. В цифровых приборах диапа-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 27 из 84
зоны показаний и измерений совпадают.
Рассмотрим различие в диапазонах показаний и измерений для тензометрической установки, содержащей, например, тензометрический усилитель и осциллограф.
Рис. 20. Логарифмическая характеристика точности тензометрической измерительной цепи
На рис. 20 представлена так называемая логарифмическая характеристика
точности тензометрической измерительной цепи. По горизонтальной оси в логарифмическом масштабе отложены измеряемые деформации, а по вертикальной
оси - величины, обратные относительным погрешностям.
Порог реагирования принят равным 1 еод, приведенная погрешность
=0,01 (l %). Диапазон показаний охватывает значения деформаций от 1 до 10 3
еод, однако получение достаточно достоверных результатов возможно только на
относительно небольшом участке. Например, если задаться допустимой приведенной погрешностью 5 (т. е. 0,05, или 5%), то окажется, что соответствующий
этому диапазон измеряемых деформаций с достаточной точностью, т. е. диапазон измерений, составляет только 65-1000 еод. Таким образом, в данном случае
диапазон измерений
DИ  20 lg
 max
 25 ДБ
 min
Статические погрешности средств электротензометрии. Под статическими принято понимать погрешности, имеющие место при измерении постоянных величин после завершения переходных процессов в элементах мер,
преобразователей и приборов. Из-за влияния различных факторов, возникающих
как при изготовлении, так и при эксплуатации средств электротензометрии, поминальные значения мер (градуировочных устройств) показания преобразователей и приборов начинают отличаться от истинных значений воспроизводимых,
преобразуемых и измеряемых величин. Отклонения характеризуют погрешности
этих средств.
Погрешности выражают в абсолютных или относительных величинах. Абсолютная погрешность меры
М  н   Д
где  н - номинальное значение меры;
 Д - действительное значение, воспроизводимое мерой.
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 28 из 84
Например, абсолютная погрешность градуировочного устройства для тензорезисторов
   н   Д
где  н - номинальная, обычно расчетная, величина градуировочнои деформации;
 Д - действительное значение воспроизводимой деформации.
Абсолютная погрешность тензометрических преобразователя или прибора
.  П  п  Д
где  п - показание прибора, соответствующее действительному значению измеряемой величины;
 Д - показание прибора или значение сигнала на выходе преобразователя.
Более наглядной характеристикой точности является относительная погрешность средства:
для меры
М 
для преобразователя или прибора
П 
Как правило,

Д
100
Д
100
Д
 1 , поэтому в формулу вместо действительных значении
Д или Д которые обычно неизвестны, может быть подставлено значение Н или
П,
При приближении к нижнему пределу диапазона показаний или измерении
относительная погрешность растет а в нулевой точке диапазона показаний обращается в бесконечность.
Наличие такой зависимости делает неопределенным значение относительной погрешности, поэтому чаще пользуются понятием приведенной погрешности:
М 

N
или  П % 

N
100%
Вкачестве нормирующего значения N принимают значение, характерное
для данного вида преобразователя или прибора; для тензометрических усилителей, например, в качестве нормирующего значения принимают верхний предел
измерений. Выбор нормирующего значения регламентирован ГОСТ 13600--68.
Классы точности преобразователей и приборов устанавливают по значению приведенной погрешности.
Статические погрешности подразделяют на систематические и случайные.
Систематическая погрешность является составляющей погрешности тензометрического средства и остается постоянной или закономерно изменяется. Систематические погрешности являются функцией измеряемой величины и различных
влияющих на работу средств величин (температуры, давления, влажности, а
также времени). Возникновение систематических погрешностей связано также с
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 29 из 84
ошибками при градуировании средств. Случайные погрешности средств тензометрии изменяются случайным образом, их возникновение связано со случайными изменениями параметров элементов средств и случайными погрешностями
отсчетов.
Систематическая погрешность в функции измеряемой величины может
быть представлена как разность математических ожиданий показаний m  f  
реальных и m 0  f 0   ) идеальных, т. е. лишенных систематических погрешностей, мер, преобразователей или приборов
Поступательное смещение (без изменения наклона) статической характеристики вызывает возникновение постоянной погрешности в каждой точке характеристики
Такого рода погрешность называется аддитивной. Она вызывается главным образом дрейфом нуля и характерна для тензометрических преобразователей и
приборов, содержащих усилители постоянного тока, может иметь место в усилителях на несущей частоте и магнитографах из-за дрейфа детектора, в приборах
сравнения вследствие изменения параметров мостовой или компенсационной
схемы. Аддитивная погрешность имеет место также вследствие ползучести тензорезисторов и неполной термокомпенсации.
Изменение угла наклона (поворот) статической характеристики вызывает
появление погрешности, возрастающей или убывающей с ростом измеряемой
величины Такая погрешность называется мультипликативной.
Мультипликативные погрешности характерны для тензометрических
средств прямого действия и связаны с изменением чувствительности, например,
вследствие изменения напряжения питания тензометрического моста или коэффициента усиления усилителей.
Нелинейные искажения статической характеристики. Нелинейность статической характеристики тензометрических преобразователей и приборов оценивается коэффициентом нелинейности Кн, представляющим собой относительное изменение чувствительности в пределах 0-мax
В паспортных данных некоторых тензометрических усилителей коэффициент нелинейности определен при 80% от значения максимального выходного тока. Допускаемая нелинейность статической характеристики тензометрических
усилителей и магнитографов обычно не более 0,5-1 %.
Нелинейные искажения могут также оцениваться коэффиuиентом гармоник Кг, определяемым при воспроизведении на входе тензометрического преобразователя или прибора сигналов синусоидальной формы
КГ 
I 1  I 22  I 32  I 42
I1
где I1  I  I  I т. д. - действующие, или амплитудные, значения соответствен2
2
2
3
2
4
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 30 из 84
но первой, второй третьей и т. д. гармоник выходного тока (напряжения).
Для тензометрических приборов сравнения, собранных по схеме мостов и
компенсаторов, нелинейность в паспортных данных не указывается (определяется только погрешностью делителя или реохорда). При этом она должна составлять не более одного деления шкалы или единицы младшего разряда.
Характеристики осциллографических гальванометров и самописцев линейны (в пределах допустимых погрешностей) до значений наибольших рабочих
токов (верхняя граница диапазона показаний), но иногда имеет место различие в
чувствительности при отклонении зеркала или пишущего органа в разные стороны от нулевого положения
Погрешности обратного хода (гистерезuс) выражаются в несовпадении
статических характеристик средств при увеличении или уменьшении измеряемой величины). Систематические погрешности этого вида наиболее характерны
для электромеханических преобразователей - тензорезисторов, преобразователей
механических величин, содержащих упругие чувствительные элементы, имеют
место в тензометрических автокомпенсаторах и мостах, содержащих электромеханические уравновешивающие устройства, например реохорды с приводом от
исполнительного реверсивного. электродвигателя.
Систематическую составляющую с погрешности средства измерения в
точке i диапазона измерений вычисляют по формуле
с 
М  б
(5)
2
где  М - среднее значений погрешности в точке i диапазона измерений,
определяемых экспериментально при многократном, медленном изменении
входного сигнала (информативного параметра) преобразователя или прибора,
или выходного сигнала плавно регулируемой меры (градуировочного устройства) со стороны меньших значений до значенuя i;
 б - среднее значений погрешности в точке i диапазона измерений,
определяемых экспериментально при медленном изменении входного сигнала
преобразователя или прибора, или выходного сигнала плавно регулируемой меры со стороны больших значений до значения i
Случайная пoгpeшность, неопределенная по величине и природе, зависимость ее от причин возникновения не может быть выражена определенной
функцией ввиду большого числа случайно меняющихся влияющих причин. Случайный характер погрешности проявляется в том, что при многократном повторении измерений при кажущихся одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью получаются различные результаты. Случайные погрешности обычно рас0
сматривают как случайную функцию времени. Случайная погрешность  характеризуется среднеквадратичным отклонением S 2  [оценка дисперсии  2    ],
0
0
 
при отсутствии корреляции между отдельными значениями погрешности, как
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
 
n
0
S   
 
i 1
Mi
 M
   
n
2
i 1
2n  1
бi
страница 31 из 84
 б

2
(8)
Основную и дополнительную погрешности средств электротензометрии
устанавливают раздельно для нормальных условий их применения и при отклонениях влияющих величин от тех значений, которые они имеют в нормальных
условиях.
Основной погрешностью средств тензометрирования называется погрешность, свойственная средству измерения, используемому в нормальных условиях. Под нормальными понимаются такие условия, при которых влияющие на
процесс измерения величины (температура, влажность, частота и напряжение
питания, внешние магнитные и электрические поля и др.) имеют нормальные
значения или находятся в нормальной области значений. :Случайная погрешность входит составной частью в нормируемую основную погрешность.
Кроме основной погрешности средств тензометрирования, обычно нормируют пределы допускаемых дополнительных погрешностей, т. е. допускаемые
изменения выходных сигналов преобразователей, показаний приборов, возникающие вследствие отклонений значений влияющих величин от их нормальных
значении или в результате их выхода из нормальной области значений. Область,
в которой значения влияющих величин не вызывают превышения дополнительными погрешностями допускаемых значений, называется расширенной областью.
Основную погрешность средств тензометрирования нормируют следующими способами:
-заданием пределов допустимой основной абсолютной ±∆ или приведенной погрешности ±γ, постоянных во всем диапазоне преобразования или измерения;
-заданием пределов допустимой основной абсолютной или относительной
погрешности ± ∆ или ± δ в функции измеряемой величины;
-заданием постоянных пределов допускаемых основных погрешностей,
различных для разных диапазонов измерения.
Способ задания пределов допустимой основной погрешности зависит в основном от характера зависимости погрешности выходной величины меры, преобразователя или показания прибора от воспроизводимой или измеряемой величины.
Основные погрешности тензометрических мер, которые, как правило, являются многозначными и плавнорегулируемыми задаются в соответствии с первым способом с помощью одночленной формулы
 
100 пр
D
где пр - предел допустимой основной абсолютной погрешности;
D - диапазон величины, воспроизводимой мерой.
Основные погрешности преобразователей и приборов, для которых наибо-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 32 из 84
лее характерна аддитивная составляющая погрешности (тензорезисторы в особых условиях применения или тензометрические приборы сравнения), задаются
также в соответствии с первым способом нормирования по величине абсолютной
погрешности:
= а
где а - постоянная величина.
Основные погрешности тензометрических средств, для которых характерна мультипликативная составляющая погрешности (тензомерические усилители,
являющиеся преобразователями прямого деиствия, или гальванометры светолучевых осциллографов), целесообразно нормировать по второму способу с помощью двучленных формул для абсолютной погрешности:
   ( а  b )
где b-постоянная величина, и

  пр

 1
 

   с  d 

где пр - верхний предел диапазона измерений прибора или диапазона значений
сигнала на выходе преобразователя;
с - постоянное число, равное классу точности средства;
d- постоянное число (устанавливаемое в технической документации на
конкретные виды средств измерения).
Дополнительные погрешности нормируют следующими способами:
-указанием значений пределов допускаемых дополнительных погрешностей для расширенной области, выраженных в абсолютных величинах, процентах от номинальных значений или в долях основной погрешности;
-указанием функциональной зависимости пределов допускаемых дополнительных погрешностей от изменения влияющих величин (при линейной зависимости указывают отношение допускаемого приращения погрешности к изменению влияющей величины).
5. Тема: Параметры средств тензометрии
План лекции
1. Входные и выходные параметры средств электротензометрии и схемы
включения тензорезисторов.
Диапазон номинальных сопротивлений применяемых с данными преобразователями или приборами тензорезисторов (этим частично характеризуется
входной импеданс преобразователя или прибора). При использовании тензорезисторов, номинальные сопротивления которых укладываются в этот диапазон, и
гарантируются все паспортные характеристики преобразователей и приборов.
Нижнии предел сопротивления тензорезисторов ограничивается внутренним сопротивлением (мощностью) источника питания моста и мощностью, рассеиваемой на тензорезисторах при данном напряжении питания. Верхний предел сопротивления ограничивается в основном помехоустойчивостью измерений данными средствами. При наличии на входе тензометрического преобразователя
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 33 из 84
или прибора резонансного входного трансформатора отклонение от рекомендуемых сопротивлений тензорезисторов (особенно в сторону уменьшения) приводит
к изменению частотной характеристики этих средств и их селективности в отношении помех. Обычно номинальные значения входных сопротивлений тензометрических преобразователей и приборов лежат в пределах 50-500-2000 Ом;
кроме номинального диапазона. сопротивлений тензорезисторов, входной импенданс характеризуется допустимой длиной соединительного кабеля (иногда с
указанием погонной емкости или волнового сопротивления).
Возможные варианты включения тензорезисторов: полный мост, полумост, одиночный тензорезистор по трехпроводнои схеме или потенциометрическая схема.
По схемам включения оценивают пригодность приборов для выполнения
заданного вида исследований; например, при измерениях деформаций кручения
через токосъемное устройство целесообразно включать тензорезисторы по схеме
полного моста с цельк: снижения влияния переходных сопротивлений токосъемного устроиства. При многоточечном тензометрировании для снижения трудоемкости и стоимости эксперимента целесообразно применять одиночные самотермокомпенсированные тензорезисторы и т. д. Многие типы серийных тензорезисторных преобразователей механических величин имеют полную мостовую
схему; их использование возможно с промежуточными преобразователями и с
приборами, рассчитанными на подключение схемы полного моста.
Напряжение питания и вид тока питания входной схемы или одного тензорезистора. Указанная в паспорте величина напряжения питания позволяет оценивать возможный перегрев тензорезисторов током питания во время измерений.
Заметим, что перегрев тензорезистора и вызываемая этим погрешность определяются не только плотностью тока, но и конструкцией тензорезистора, его тепловыми характеристиками, а также материалом и конструктивными размерами
объекта исследования (т. е. теплообменом между решеткой тензорезистора и
объектом исследования).
В преобразователях и приборах для преобразования или измерения статических деформаций напряжение питания (при непрерывном питании) выбирается в пределах 1-4 В. В тензометрических усилителях напряжение питания 4-8 В.
В многоточечных приборах с импульсным питанием мостовых схем амплитуда
импульса может достигать 20-30 В при среднем значении напряжения 0,02-1 В.
Для питания тензометрических мостов используются постоянный ток, синусоидальный переменный ток, переменный ток в форме прямоугольных импульсов и периодические одиночные импульсы с большой скважностью. Частота
переменнаго тока в преобразователях и приборах для измерения статических деформаций 275, 315 (частоты, не кратные 50 Гц), 500 и 1000 Гц. В тензометрических усилителях переменный ток с частотами 1; 3,5; 5; 10; 35 кГц и импульсное
питание с частотой до 100 кГц. Несущая частота fнес определяет предельную рабочую частоту тензометрических преобразователей и приборов, обычно f в = 0,10,2fнес
Чувствительность тензорезисторов, применяемых с данными преобразователями или приборами. Этот параметр указывают в основном для преобразо-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 34 из 84
вателей и приборов сравнения. Если в приборе нет регулятора чувствительности,
обычно его шкала проградуирована под тензорезисторы с чувствительностью S т
= 2,00. Обычно диапазон регулировки чувствительности у приборов, имеющих
регулятор, от 1,75 до 2,25, у отдельных видов приборов - от 1,5 до 4,5.
Выходной ток преобразователя при рекомендуемом сопротивлении
нагрузки - это амплитудное значение выходного тока, при котором гарантируется заданный допуск на нелинейность градуировочной характеристики. Величина
выходного тока-указывается в основном для магнитографов и тензометрических
усилителей, предназначенных для работы с самописцами и светолучевыми осциллографами.
Значения максимальных выходных токов - в пределах 10-200 мА (для работы со светолучевым осциллографом) и 100-500 мА (для работы с самописцами).
Выходное напряжение преобразователя указывают в паспортных данных
тензометрических усилителей, имеющих специальный выход для подключения
электронного осциллографа и магнитографа, анализатора или цифрового вольтметра и др., а также в приборах прямого действия для измерения статических
деформаций, выход которых рассчитан для подключения цифрового вольтметра.
Выходные напряжения, отнесенные к напряжению питания тензометрического
моста, указывают У преобразователей механических величин. Причем значения
выходных напряжений соответствуют номинальной нагрузке преобразователя.
Выходное напряжение тензометрических усилителей составляет обычно 01 В (при нагрузке 2-30 Ом) или 0-10 В (при нагрузке > 1 кОм), У приборов для
измерения статических деформаций 0,3 В (при нагрузке больше 0,1 МОм).
Сопротивление нагрузки указывают для согласования сопротивления измерительного или регистрирующего прибора с выходным сопротивлением преобразователя (усилителя). Этот показатель является характеристикой выходного
импеданса средства. Применение измерительного или регистрирующего прибора
с сопротивлением меньшим, чем рекомендуется для данного преобразователя,
приводит к сужению диапазона измерений, к искажению частотных характеристик измерительной установки, а при преобразователях на несущей частоте - и к
увеличению уровня неподавленной несущей.
Тензометрические усилители (по основному выходу) могут иметь различные оптимальные значения сопротивления нагрузки, обычно в диапазоне от 0,5
до 30 Ом.
6. Тема: Физика и свойства тензорезисторов
План лекции
1. Физические основы работы
2. Свойства тензорезисторов
Как указывалось выше, измерение деформаций с помощью тензорезисторов основано на тензоэффекте. Тензоэффектом называется свойство
проводниковых и полупроводниковых материалов изменять электропроводность
(электрическое сопротивление) при изменении объема или напряженного состо-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 35 из 84
яния.
У полупроводниковых материалов тензоэффект связан со значительным
изменением удельного сопротивления; знак тензоэффекта зависит от типа проводимости полупроводникового материала, а величина - от кристаллографического направления.
Для обоих видов тензочувствительных материалов тензоэффект характеризуется величиной тензочувствительности, устанавливающей связь между относительным изменением сопротивления и относительной деформацией в направлении измерений.
Тензочувствительность материала характеризуется зависимостью
SM 
RM l M
 1  2  mi
RM l M
где l M l M RM RM - длина и сопротивление тензочувствительного элемента и их
приращение вследствие деформации;
mi - коэффициент эластосопротивления, равный mi    EM ;
Ем - модуль упругости образца тензочувствительного материала;
v - продольный коэффициент пьезосопротивления.
В формуле члены 1 + 2 определяют зависимость величины SМ от изменения геометрии, а последний член - от изменения свойств материала образца.
Поскольку для большинства материалов при простом напряженном состоянии коэффициент 0,3, разница в величинах SМ объясняется изменением коэффициента эластосопротивления mi зависящего от удельного сопротивления,
температуры, деформации, а для полупроводниковых монокристаллических материалов - также от кристаллографического направления. Для проводниковых
материалов геометрические и физические компоненты тензочувствительности
представляют собой величины одного порядка, соответственно +1,6 (изменение
геометрии чувствительного элемента) и от -2 до +4 (изменение коэффициента
mi ). Для полупроводников величины mi примерно на два порядка превышают
геометрические компоненты. В последнем случае можно принять, что S M  mi
По этой причине полупроводниковые материалы значительно чувствительнее к влияниям внешних факторов (температуре, давлению и т. д.), чем проводниковые.
Для монокристаллических проводниковых и полупроводниковых мaтериалов величина SМ сохраняется практически постоянной, так как их деформации
ограничены и до момента разрушения сохраняют упругий характер. Для проводниковых материалов имеет место следующая зависимость между изменением
объема
dV
d
и удельного сопротивления
V

d
dV
(3)
B

V
где В- постоянная Бриджмена
Для линейного чувствительного элемента с малым отношением поперечных размеров к длине l выражение (3) принимает вид
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
d

 B1  2 
страница 36 из 84
dl
l
В последнем случае выражение для чувствительности можно представить в
обобщенной форме:
S M  1  2  B1  2 
Из этого выражения следует, что при  = 0,5 величина SМ= 2.
Поэтому для сохранения постоянства чувствительности всей тензометрической
измерительной цепи в случаях, когда диапазон измеряемых деформаций превышает предел упругости поликристаллического тензочувствительного материала, начальное значение SМ должно быть близким к 2,0.
Чувствительность тензорезисторов (Sт) зависит также от свойств связующего, влажности, температуры окружающей среды и других факторов. Для
тензорезисторов с петлевой проволочной решеткой наблюдается ярко выраженная зависимость тензочувствительности от измерительной базы из-за чувствительности петель к поперечным деформациям, а также вследствие того, что петли являются менее активными участками решетки при восприятии продольных
деформаций и при уменьшении базы относительная протяженность петлевых
участков увеличивается. Фольговые тензорезисторы в меньшей степени подвержены влиянию поперечных деформаций, а тензорезисторы с беспетлевой проволочной решеткой полностью свободны от этого недостатка.
При измерении деформаций в условиях, когда напряженное состояние отличается от одноосного, особенно при применении малобазных тензорезисторов
(зоны концентраций и краевых эффектов, околошовные зоны и т. д.), необходимо учитывать возможное изменение тензочувствительности от влияния поперечных компонентов деформации. Для тензорезисторов с плоской проволочной петлевой решеткой 5г с учетом работы петлевых участков решетки может быть
определена по приближенной формуле
ST 
SM
a  b1   
ab
где а и b - суммарная протяженность соответственно прямолинейных и петлевых
участков решетки;
 - коэффициент потери чувствительности на петлевых участках ( 0,5
для петель в форме полуокружностей).
Величина тензочувствительности зависит также от условий передачи деформации на тензорезисторы, что в значительной степени определяется качеством приклейки и расстоянием от кромок основы до концов тензочувствительного элемента.
Ползучесть тензорезисторов проявляется, как правило, в виде асимптотически затухающего во времени процесса изменения сопротивления при постоянной деформации независимо от ее знака при фиксированных значениях влияющих величин. Величина ползучести обычно выражается в процентах и определяется следующим образом:
П
 t

100%
где  - абсолютное уменьшение измеряемой относительной деформации за
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 37 из 84
определенное время t;
 - первоначально измеренная относительная деформация.
Ползучесть тензорезисторов связана с неидеальностью упругих характеристик материалов основы и связующего. Величина ползучести зависит от скорости релаксации напряжений в связующем и основе тензорезисторов, что определяется величиной измеряемой деформации и скоростью ее нарастания, а также
температурой и влажностью окружающей среды.. Обычно ползучесть тензорезисторов не превышает 0,5-l % за час и 1-2% за 6 ч и в наибольшей степени проявляется при первом нагружении .
При деформациях до 3 тыс. еод не наблюдается четкой зависимости величины ползучести от величины деформации.
Механический гистерезис тензорезисторов также в основном связан с
несовершенством упругих характеристик основы и связующего. Гистерезис
имеет место при циклических нагружениях преимущественно в пределах первых
циклов и проявляется в виде невоспроизводимости отсчетов (при равных деформациях) при нагружении и разгрузке.
Величина гистерезиса колеблется в пределах 0,5-5,0% от диапазона измерений и зависит от конструкции тензочувствительного элемента, величин измеряемых деформаций мах и числа предыдущих нагружений, материала основы и
связующего, а также температуры и влажности окружающей среды.
R
Численно гистерезис может быть выражен как разность отсчетов   и
 R н
 R 

 соответствующих. одной величине деформации тензорезисторов при
 R р
нагружении и разгрузке
Чувствительность к внешнему давлению для тензорезисторов с проводниковыми чувствительными элементами незначительна, за исключением тензорезисторов с решетками из манганина. Весьма высокую чувствительность к
давлению в определенных кристаллографических направлениях имеют полупроводниковые материалы, что позволяет использовать их для преобразователей
давления.
Температурные характеристики тензорезисторов связаны с особенностями их работы при высоких или низких температурах и соответствующими
изменениями их сопротивления. Температурная характеристика сопротивления
тензорезистора определяется свойствами материала чувствительного элемента и
объекта исследований и зависит от плотности тока питания и свойств материалов основы и связующего. Нормируемыми температурными характеристиками
тензорезисторов являются: температурный коэффициент сопротивления (ТКС),
температурный дрейф нуля и температурная ползучесть.
Температурный коэффициент сопротивления тензорезисторов в диапазоне
температур Т - Т о = Т определяется выражением
RT
  T   ои   ТЭ ST
RT  T0 
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 38 из 84
R
где  T  - относительное приращение сопротивления тензорезисторов при воз R 
действии температуры;
Т - температурный коэффициент сопротивления (ТКС) тензорезисторов;
ои - температурный коэффициент расширения (ТКР) материала объекта
исследования;
тэ - температурный коэффициент расширения материала тензочувствительного элемента.
Температурные коэффициенты сопротивления тензорезисторов изменяются в широких пределах и могут принимать как положительные, так и отрицательные значения. Это может быть источником значительных температурных
погрешностей. Путем подбора тензочувствительного материала с нужным значением ТКС в заданном температурном диапазоне температурные погрешности
могут быть существенно уменьшены, что позволяет, в частности, обеспечить самотермокомпенсацию тензорезисторов.
Температурный дрейф тензорезисторов имеет место при постоянных повышенных и высоких температурах и вызывается нестационарными изменениями свойств материалов тензорезисторов при изменениях теплового баланса с
внешней средой. У тензорезисторов, предназначенных для измерений в климатическом диапазоне, температурный дрейф нуля обычно не превышает 5-10 еод,
но может быть значительно больше при недопустимо высоком токе питания.
Температурная ползучесть тензорезисторов проявляется при повышенных и высоких температурах как результат изменений механических и реологических свойств основы и связующего. Как правило, температурная ползучесть в 2-5 раз превышает ползучесть 1 при нормальной температуре.
Сопротивление изоляции решетки тензорезистора относительно объекта измерений. Существенное влияние на точность и надежность результатов измерений оказывают изоляционные свойства основы и связующего. Сопротивление изоляционного слоя между поверхностью объекта измерений и решеткой
тензорезистора зависит от условий контакта последней со связующим, объемного удельного сопротивления материала основы и связующего, их толщины, а
также температуры и влажности окружающей среды.
В зависимости от типа тензорезисторов и условий применения допустимый нижний предел сопротивления изоляции составляет 0,1-100 МОм. Дальнейшее понижение величины сопротивления изоляции может привести к появлению значительных погрешностей, не поддающихся контролю или учету.
Динамические характеристики тензорезисторов. При измерении динамических деформаций необходимо учитывать зависимость результатов измерений от соотношения между измерительной базой и длиной волны (рис. 38).
Большинство тензорезисторов наклеиваемого типа позволяют осуществлять регистрацию динамических деформаций при частотах до 50 кГц. Существенное
значение при этом имеет обеспечение динамической стойкости тензорезисторов,
достигаемое специальными конструктивными приемами. Динамические погрешности определяются в этом случае расстройством адгезионных связей, а также
усталостными нарушениями структуры материала тензочувствительного элемен-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 39 из 84
та, что приводит к изменению чувствительности.
Привариваемые тензорезисторы на комбинированной основе сохраняют
чувствительность неизменной при частотах до 100500 Гц.
7. Тема: Проволочные тензорезисторы
План лекции
1. Проволочные тензорезисторы
Проволочные тензорезисторы имеют в качестве чувствительного элемента
решетку, выполненную из тонкой проволоки диаметром от 2 до 30 мкм, полученной методом волочения (при диаметрах 10-30 мкм) или методом микрометаллургии (литой микропровод
Проволочные тензорезисторы отличаются относительной простотой изготовления, не требуют сложного оборудования для производства и в равной степени пригодны при измерениях статических и динамических деформаций, а также для измерений как упругих, так и упругопластических деформаций. Это в основном обусловлено совершенством формы сечения и поверхности тянутой и
литой проволоки, используемой для изготовления решетки, что определяет высокую деформативность и динамическую стойкость. Проволока легко поддается
специальной термообработке, что позволяет успешно использовать ее для высоко- и низкотемпературной тензометрии. Некоторые оптимальные формы проволочных тензорезисторов, отличаются высокими метрологическими свойствами
(например, тензорезисторы с беспетлевой решеткой и тензорезисторы в виде
одиночной проволоки).
Основным недостатком проволочных тензорезисторов является трудность
образования сложных форм решеток, а также решеток с базами меньше 3 мм. У
тензорезисторов с петлевой решеткой при малых базах значительно возрастает
поперечная чувствительность.
В зависимости от вида чувствительного элемента проволочные одноэлементные тензорезисторы подразделяют на пять групп:
-тензорезисторы общего назначения с плоской петлевой решеткой из натянутой проволоки 10-30 мкм с базами lр от 2 до 100 мм и более;
-тензорезисторы с двухслойной петлевой решеткой из такой же проволоки,
с базами 1-3 мм, используемые для измерений при значительных градиентах измеряемых деформаций ;
-тензорезисторы с плоской беспетлевой многопроволочной решеткой из
тянутой проволоки 10-30 мкм с базами lр от 3 до 200 мм и более для прецизионных измерении на металлических материалах и на участках со сложным распределением напряжений;
-тензорезисторы беспетлевые однопроволочные из тянутой проволоки
10-20 мкм с базами lр от 10 мм и выше для измерений на металлических и неметаллических материалах ;
-тензорезисторы беспетлевые однопроволочные из жилы литого микропровода  2-6 мкм с базами lр от 1 до 3 мм для измерения в зонах со значительными градиентами деформаций.
В случаях, когда в одной точке необходимо измерить деформации в нескольких направлениях, применяют многоэлементные тензоpeзиcтopы ~ (ро-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 40 из 84
зетки), образованные из двух, трех или четырех линейных .тензочувствительных
элементов, объединенных общей основой.
Беспетлевые тензорезuсторы имеют более высокие технико - метрологические характеристики благодаря оптимальной схеме решетки и лучшим условиям передачи измеряемой деформации на ее активную часть. Беспетлевые тензорезисторы свободны, в частности, от поперечной чувствительности,
влиянию которой подвержены тензорезисторы с петлевой решеткой. Разброс
значений чувствительности и ползучести, а также влияние поперечной обрезки
основы бес петлевых тензорезисторов существенно меньше, чем петлевых.
Размеры базы бес петлевых тензорезисторов не имеют ограничений по
технологическим и метрологическим причинам. Минимальные размеры измерительной базы ограничиваются в этом случае трудностями изготовления тянутой
проволоки диаметром менее 10 мкм, что не позволяет получить достаточно узкую решетку с сопротивлением выше 50 Ом. С появлением тензорезисторов из
жил литого микропровода проволочные тензорезисторы стало возможным выполнять с базами от 1 мм.
Решетки проволочных тензорезисторов изготовляют из тензометрической
константановой проволоки по ТУ 48-08-03-143-71 ГИПРОЦМО, а также из твердой константановой проволоки МНМц 40-1,5 по ГОСТ 5307-69.
В проволочных тензорезисторах, предназначенных для измерений деформаций свыше 10 тыс. еод., используют отожженную в вакууме мягкую константановую проволоку с относительным удлинением 10-20%. Высокотемпературные тензорезисторы для измерений при температурах свыше 525-575 К изготовляют из хромоникелевых, никель-молибденовых, а также легированных хромоникелевых сплавов типа эваном и карма.
Тензорезисторы общего назначения обычно имеют бумажную и пленочную основу с ограниченной термо- и морозостойкостью и пригодны для измерений в климатическом диапазоне температур 225-325 К. Диапазон измеряемых
деформаций для таких тензорезисторов составляет ±3 тыс.-I0 тыс. еод.
Многоэлементные тензорезисторы (розетки) имеют константановую решетку и основу из конденсаторной (ППКБК) и тетрадной (ППКБТ) бумаги и
пленки БФ2 (ППКП). Рекомендуемые монтажные клеи для ППКБК и ППКБТ 192Т, циакрин, карбинольный, целлулоидный; для ППКП-БФ2 и БФ4.
Предельная измеряемая деформация для всех типов многоэлементных тензорезисторов - 10 тыс. еод.
Ползучесть при Т=295К и =1тыс.еод - не больше 0,5%. В зависимости от
метрологических характеристик тензорезисторы подразделяются на три класса.
Тензорезисторы типов ПНКБК и ПНКБТ имеют многопроволочную константановую решетку и соответственно основу из конденсаторной и тетрадной
бумаги.
Микропроволочные тензорезисторы МПБ имеют тензочувствительный
элемент из одиночной жилы литого микропровода. Рекомендуемые монтажные
клеи: циакрин - для всех типов, 192Т, карбинольный и целлулоидный - для
ПНКБК, ПНКБТ и МПБ, а также БФ2 - для ПНКБК, ПНКБТ и ПНКП.
Для малобазных однопроволочных тензорезисторов используют литой
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 41 из 84
микропровод из сплава СЛМ, с которого удалена стеклянная оболочка. При диаметре металлической жилы литого микропровода от 2 до 6 мкм погонное сопротивление составляет 50 -100 кОм/м и более
Тензорезисторы, выпускаемые серийно, подразделяют на три класса.
К первому классу относятся тензорезисторы с более высокими, а ко второму или третьему -с пониженными метрологическими характеристиками (например, большим разбросом чувствительности.
8. Тема: Фольговые тензорезисторы
План лекции
1. Фольговые тензорезисторы
Фольговые тензорезисторы (см. табл. 13) имеют решетку из тонколистового металла (фольги) толщиной 5-10 мкм.
Основой тензорезистора является пленка из синтетической смолы или бумага, пропитанная клеем. Толщина пленочного основания тензорезистора составляет 30-40 мкм, бумажного - 80-100 мкм.
Выводы тензорезисторов обычно изготовляют из медной проволоки диаметром 0,12-0,15 мм.
Фольговые тензорезисторы по сравнению с петлевыми проволочными
имеют, как правило, лучшие технико-метрологические характеристики, допускают образование решетки практически любой формы и размеров.
Элементы решетки фольговых тензорезисторов имеют прямоугольное сечение с более выгодным отношением периметра к площади поперечного сечения, чем в тензорезисторах с круглым сечением элементов решетки. Благодаря
этому рассеяние тепла фольговым тензорезистором происходит гораздо лучше, а
допустимый рабочий ток и выходной сигнал могут быть значительно больше,
чем у проволочного тензорезистора при тех же размерах. Фольговые тензорезисторы имеют по сравнению с проволочными существенно меньшую чувствительность в поперечном направлении, Это достигается увеличением ширины
поперечных участков решетки тензорезистора. Технология изготовления фольговых тензорезисторов основана на использовании фотохимических процессов и
обеспечивает получение решеток любой формы с базами от 0,3 мм и более.
Технология изготовления фольговых тензорезисторов удобна для массового производства; она состоит из следующих основных этапов:
-проектирование тензорезистора и изготовление чертежа решетки;
-изготовление фотошаблона, который представляет собой изображение
тензорезистора на фотографической пленке или пластинке в натуральную величину; на одном фотошаблоне обычно помещают одновременно 60-200 изображений решеток тензорезисторов;
-нанесение рисунка решетки тензорезистора на фольгу;. нанесение рисунка
на фольгу осуществляется путем контактного копирования с негатива на фольгу,
предварительно покрытую светочувствительным кислотоупорным составом
-травление тензорезисторов; при травлении участки фольги, не покрытые
кислотоупорным составом (изображением решеток тензорезисторов), растворяются;
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 42 из 84
-присоединение выводных проводников;
-контроль качества тензорезисторов.
Фольговые тензорезисторы выпускают нескольких типов:
-одноэлементные тензорезисторы 2Ф КПА, 2Ф КПД, 1ФКТК, 2ФКТК, 3ФКТК,
ФК-ПА, ФК-ПБ, ФК-ПВ, состоящие из одной прямоугольной решетки;
-двухэлементные розетки 2ФКРВ, ФК-РА, состоящие из двух одинаковых решеток, расположенных под прямым углом;
-трехэлементные тензорезисторы, состоящие из трех одинаковых решеток, расположенных под углами 450 и 600.
Трехэлементные розетки выпускают двух модификаций: а) прямоугольные
ФКРБ и дельта-розетки 2ФКРГ; б) мембранные тензорезисторы 2ФКМВ,
2ФКМГ.
Фольговые тензорезисторы всех типоразмеров имеют решетку из константа новой фольги по ТУ ЦМО-03 №96-67.
В качестве основы используют пленку из лака ВЛ-931, клея БФ-2 или бумагу. Диапазон измеряемых деформаций 3 тыс. - 10 тыс. еод.
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 43 из 84
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 44 из 84
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 45 из 84
9. Тема: Полупроводниковые тензорезисторы
План лекции
1. Полупроводниковые тензорезисторы
Полупроводниковые тензорезисторы имеют в качестве чувствительного
элемента монокристаллический полупроводник толщиной 20-50 мкм, шириной
до 0,5 мм и длиной 2-12 мм. Изменение удельного сопротивления полупроводникового элемента при деформации в десятки раз больше, чем проводникового, а
выходной сигнал может достигать 0,1 В и более.
Наиболее распространенная технология изготовления таких элементов резка монокристалла полупроводника с последующим травлением, с тем чтобы
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 46 из 84
на поверхности тензочувствительного элемента не осталось микротрещин от механической обработки. Для изготовления тензочувствительных элементов в качестве заготовок используют также нитевидные кристаллы и дендритные ленты.
Наиболее перспективной технологией является микроэлектронная, при которой
образование диффузионных или эпитаксильных областей на монокристаллической подложке достигается путем диффузии примесей в полупроводниковую
подложку или наращивания на ней тонкого монокристаллического слоя полупроводника.
Наиболее распространены полупроводниковые тензорезисторы из кремния
и германия, но используются и другие полупроводниковые материалы.
Применение поликристаллических материалов менее целесообразно из-за
большого гистерезиса и временной нестабильности их характеристик. Полупроводниковые тензорезисторы нспользуют в основном в преобразователях механических величин в качестве чувствительных элементов [81].
При выборе полупроводниковых тензорезисторов в качестве первичных
преобразователей или чувствительных элементов необходимо учитывать следующие их свойства:
-высокую чувствительность и возможность получения большого выходного сигнала;
-зависимость сопротивления и чувствительности от температуры;
-ограниченный диапазон деформирования; анизотропию метрологических
характеристик.
Анизотропия свойств проявляется прежде всего в изменении продольной и
поперечной тензочувствительности. По этой причине при конструировании чувствительных элементов необходимо обеспечить совпадение оси симметрии монокристалла с направлением измеряемой деформации.
Чувствительность приклеенного полупроводникового тензорезистора
обычно существенно отличается от номинальной, что приходится учитывать исходя из соотношений коэффициентов Пуассона полупроводников и материала
объекта наклейки, а также продольной и поперечной тензочувствительности монокристалла.
Применение полупроводниковых тензорезисторов целесообразно в тех
случаях, когда необходимо проводить измерения без усилителей, при измерениях малых деформаций и на малых базах, для установки на миниатюрные чувствительные элементы преобразователей механических величин.
В табл. 14 приведены характеристики отечественных полупроводниковых
тензорезисторов. Значения тензочувствительности и номинального сопротивления даны для температур 2855 К. Удовлетворительная линейность зависимости
относительного изменения сопротивления от деформации сохраняется до 1тыс.
еод.
Номинальный рабочий ток: для тензорезисторов типа Ю-8 равен 15 мА,
для тензорезисторов типа Ю-12 - 10 мА. Величина тока питания для полупроводниковых тензорезисторов в значительной степени зависит от условий их
охлаждения.
Разброс чувствительности у тензорезисторов, приведенных в табл. 14,
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 47 из 84
10%, а номинального сопротивления 1%.
10. Тема: Специальные типы тензорезисторов
План лекции
1. Тензорезисторы для измерения деформаций свыше 10 тыс. eoд.
2. Тензорезисторы для измерения деформаций свыше 10 тыс. eoд.
3. Тензорезисторы для измерений динамических деформаций
4. Тензорезисторы для измерений за пределами климатического диапазона
температур.
5. Тензорезисторы для измерений деформаций объектов исследования из
неметаллических материалов
Тензорезисторы для измерения деформаций свыше 10 тыс. eoд. Для
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 48 из 84
измерений упругопластических деформаций используют, как правило, проволочные тензорезисторы, так как проволочная решетка сохраняет метрологические свойства при деформациях до 200 тыс. еод.
Как отмечалось выше, пригодность проволоки и фольги для измерений в
указанном диапазоне определяется достаточным постоянством тензочувствительности, что имеет место при значениях SМ 2.
Верхняя граница диапазона измерений тензорезисторов зависит от деформативности проволоки, физико-механических характеристик материалов основы
и связующего, а также размера базы и конструкции решетки.
Тензорезисторы с петлевой решеткой из мягкой константановой проволоки
и основой из конденсаторной бумаги или пленки БФ2 позволяют измерять деформации до 50 тыс. еод. Для беспетлевых тензорезисторов с основой из нитроцеллюлозной и эпоксидной пленкой и лака Ф7Т диапазон измерений может
быть расширен до +100 тыс. еод. Во всяком случае, диапазон измерений ограничивается ростом ползучести, а при измерениях на сжатых участках, кроме того,
потерей устойчивости. Потеря чувствительности тензорезисторами при циклических нагружениях за пределами упругости наступает при деформациях не более
20 тыс. еод. Фольговые решетки, получаемые травлением или штамповкой, по
сравнению с проволочными более склонны к хрупким разрушениям при сравнительно небольших деформациях из-за развития зон концентрации в местах дислокаций и неровностей, обусловленных технологией их изготовления. Поэтому
пригодность фольговых тензорезисторов для измерения больших деформаций
определяется качеством изготовления решетки. У фольговых тензорезисторов
специальных типов диапазон измерений приближается к проволочным и может
составлять 10 тыс.- 50 тыс. еод.
Независимо от конструкции решетки диапазон измерений тензорезисторов
с базами менее 5-6 мм уменьшается. Влияние размера базы на диапазон измерений в наибольшей степени наблюдается для плоской проволочной петлевой решетки, в наименьшей - для беспетлевой.
Микропроволочные тензорезисторы имеют ограниченный диапазон измерения, так как относительное удлинение литого микропровода с монокристаллическим строением не превышает 6 тыс. еод.
Тензорезисторы для измерений динамических деформаций. Тензорезисторы, предназначенные для измерений статических деформаций, могут
использоваться также и для измерений динамических деформаций, если их измерительная база выбрана с учетом длины волны исследуемого процесса. Длительность надежной работы при циклических и вибрационных нагрузках различна для разных типов тензорезисторов и определяется их собственной динамической стойкостью. Последняя, в свою очередь, зависит от материалов решетки и
основы, конструктивной формы решетки, качества связи с поверхностью и конструкции соединения решетки с выводами. Для низкой и среднечастотных процессов при ограниченных величинах динамических деформаций могут быть использованы как проволочные, так и фольговые тензорезисторы. Измерения динамических деформации со значительными амплитудами выполняются, как правило, проволочными тен:зорезисторами, конструкция которых ограничивает
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 49 из 84
концентрацию напряжений внутри тензорезистора. В качестве конструктивных
мер, повышающих динамическую стойкость тензорезисторов, используют специальные способы соединения решетки с выводами.
Наибольшей динамической стойкостью обладают тензорезисторы на фенольной, фуриловой и пластифицированной эпоксидной пленочной основах.
Тензорезисторы на бумажной основе не рекомендуется использовать для длительных измерений динамических деформаций.
Для тензорезисторов с константановой решеткой динамическая стойкость
может быть приблизительно оценена в зависимости от конструкции решетки по
табл. 15.
Динамический дрейф нуля тензорезисторов составляет обычно 1-3% от
амплитуды колебательного процесса и зависит от числа циклов и частоты процесса.
Таблица 15
Допустимое число циклов деформирования для тензорезисторов
Диапазон измеряеЧисло циклов деформирования тензорезисторов
мых деформаций,
Фольговых
проволочных
еод
107-108
108-109
500
106-107
107-108
1000
105-106
106-107
2000
Тензорезисторы для измерений за пределами климатического диапазона температур. Достаточно надежные измерения за пределами климатического диапазона температур могут быть выполнены в интервалах 25-775 К (для статических деформаций) и 225-1075 К (для динамических деформаций).
При высокотемпературных измерениях рабочий диапазон температур тензорезисторов ограничивается термостойкостью материалов и степенью термокомпенсации тензорезисторов, определяемой выбранным материалом решетки
(табл. 16). Недостаточная термостойкость материалов тензорезисторов, как отмечалось выше, ограничивает рабочий диапазон температур определенным критическим уровнем, после которого свойства материалов тензорезисторов претерпевают значительные изменения, что приводит к ухудшению их метрологических характеристик. Для тензочувствительных материалов рабочий диапазон
температур ограничивается зоной структурных превращений сплава или развитием межкристаллической коррозии. В частности для константана при температурах 625-675К начинает развиваться коррозия, а для нихромов при температуре
875-925К имеет место процесс фазовых превращений. В обоих случаях сплав
претерпевает значительные структурные изменения, ведущие к необратимому
изменению его температурных и других характеристик.
Таблица 16
Рабочие диапазоны температур проводниковых тензорезисторов
Материал
Материал осСпособ соВерхняя граница диапазона
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
решетки
Константан
Нихром
Эваном, карма
Ред. № 1
новы и связующего
Пленка из лака Ф7Т
В58Т, ВН15Т
единения выводов
Пайка
ВН15Т на
стальной
фольге
ВН15Т на
стальной
фольге
страница 50 из 84
температур, К
статический динамический
475
475
Контактная
сварка
Контактная
сварка
575
625
725
775
Контактная
сварка
675
775
Основы из полимерных пленок, а также связующие, применяемые в тензометрии, обладают весьма ограниченной термостойкостью. Для. большинства органических материалов уже при температуре около 375 К значительно уменьшаются величины модулей Е и G и резко падает сопротивление изоляции.
Наиболее термостойкими являются связующие фуриловой, винифлексовой и фенольнокаучуковых групп. Более высокой термостойкостью отличаются кремнийорганические керамические связующие, в частности В58Т, ВН15Т, ВН12,
широко используемые для изготовления высокотемпературных тензорезисторов,
работающих в диапазоне до 675-775 К. Термостойкость последних ограничивается падением сопротивления изоляции ниже допустимой величины при температурах около 775-825 К.
Весьма высокую для тензометрирования термостойкость (до 1075-1275 К)
имеют основы из окислов некоторых металлов (например, А12О3МgО), наносимые на объект исследования путем газопламенного или плазменного напыления.
При этом обычно используют решетки из легированных нихромов. Напыление
выполняют после укладки проволочной решетки на предварительно напыленном
подслое из того же окисла. Для напыления порошкообразных окислов используют газопламенные или плазменные горелки. Напыленные тензорезисторы иногда
выполняют непосредственно в местах измерений, но чаще на дополнительной
основе из стальной фольги, привариваемой к объекту исследования. Диапазон
измерений таких тензорезисторов из-за высокой жесткости основы не превышает 2 тыс. - 3 тыс. еод.
При тензометрировании за границами климатического диапазона весьма
существенную роль играют температурные погрешности, величина которых и
ограничивает рабочий диапазон температур.
В общем случае температурная погрешность определяется величиной относительного температурного приращения сопротивления тензорезистора:
R
 f  T ,  T ,  O , TT , T , ST , 
R

где  T  - ТКС тензорезистора;
T  - ТКР тензорезистора;

УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 51 из 84
 OИ  - ТКР материала объекта исследования;
TT  - температура тензорезистора при установившемся режиме;
T - перепад температуры.
Для обеспечения термокомпенсации в определенном интервале температур
подбирают нужное значение ТКС тензочувствительного материала в зависимости от ТКР материала объекта исследования и тензочувствительности, соблюдая
условие  Т  ( Т   ОИ )S M
В случае, когда проволока и фольга не отвечают условию термокомпенсации, используют способность некоторых сплавов изменять величину
ТКС после специальной термообработки. В частности, медно-никелевые сплавы
типа константана после отжига на воздухе или в вакууме при температурах 325725 К изменяют величину ТКС в направлении от отрицательных к положительным значениям, а легированные нихромы - от положительных к отрицательным.
При этом заметно ухудшаются исходные механические характеристики, поэтому
более предпочтительны низкотемпературные отжиги (до 525 К), при которых нет
необходимости защищать материал от воздействий внешней среды. При достаточно высокой температуре полимеризации материала основы (455-495 К) оказывается возможным, после изготовления тензорезисторов по обычной технологии, совместить термокомпенсационный отжиг с горячей полимеризацией основы. В этом случае удается достичь надежной термокомпенсации в диапазоне
температур 475-525 К, не ухудшая механических характеристик решетки. Тензорезисторы с самотермокомпенсацией (без использования схемной термокомпенсации) имеют погрешность от изменения температуры в пределах 1-3 еод/К. При
наличии схемной компенсации и согласования ТКС активного и компенсационного тензорезисторов погрешность обычно не превышает 1,0 еод/К
При натурном тензометрировании стальных деталей паровых турбин, котельных агрегатов и атомных реакторов, как правило, применяются термокомпенсированные тензорезисторы с комбинированной основой, представляющие
собой пластину из коррозионностойкой стальной фольги толщиной 0,1-0,2 мм,
на которой с помощью связующего (клея или напыленного оксидного слоя) закреплена проволочная или фольговая решетка. Монтаж таких тензорезисторов
существенно упрощается, так как осуществляется с помощью точечной конденсаторной сварки. Надежная работа при температурах 475-675 К обеспечивается в
диапазоне до 3 тыс - 5 тыс. еод.
Измерения при криогенных температурах выполняются, как правило, термокомпенсированными тензорезисторами с константановой или нихромовой
решетками на пленочной или бумажной основах, не склонных к охрупчиванию.
Ползучесть тензорезисторов в этом случае практически не проявляется, и мало
изменяется сопротивление изоляции тензорезисторов относительно поверхности
объекта исследования.
Тензорезисторы для измерений деформаций объектов исследования из
неметаллических материалов. При меняемые в машиностроении неметаллические материалы в связи с особенностями методики тензометрирования подразде-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 52 из 84
ляются на три группы:
-заливочные неармированные и армированные компаунды и материалы
типа пластмасс и стеклопластиков;
-пресс-материалы типа текстолита и гетинакса;
-схватывающиеся искусственные каменные материалы типа бетонов и растворов.
Полимерные материалы первых двух групп, как отмечалось выше, отличаются относительно малыми значениями модулей Е и G, низкой тепло- и электропроводностью и хорошими адгезионными свойствами. Поэтому тензорезисторы для измерения деформаций объектов из таких материалов должны иметь
ограниченную жесткость и хорошо рассеивать тепло во избежание перегрева током питания. Этим требованиям полностью отвечают безосновные тензорезисторы с чувствительным элементом из одиночной проволоки или полоски фольги. Такие тензорезисторы могут быть выполнены непосредственно на участке
измерений. Однако более удобны для массового применения, заранее изготовленные тензорезисторы беспетлевого типа из одиночной тянутой или литой микропроволоки на пленочной основе, снабженные поперечными контактными перемычками. Минимальный размер базы при измерениях на объектах, выполненных из неармированных компаундов, практически ничем не ограничивается и
может составлять 1 мм и более. При измерениях на структурно-неоднородных
пластиках, армированных стекловолокном или стеклотканью, размер базы тензорезисторов не должен быть менее 3 мм.
Тензорезисторы из тянутой микропроволоки отличаются большей надежностью и постоянством значений метрологических характеристик, чем тензорезисторы из литого микропровода.
Однопроволочные тензорезисторы могут быть также использованы для
измерения внутренних деформаций, если имеется возможность установки их с
некоторым предварительным натяжением внутри формы, в которой отливается
деталь. Надежность таких тензорезисторов выше, чем наклеенных на поверхность.
При тензометрировании на объектах исследования из прессматериалов используются тензорезисторы, рекомендуемые для изделий из армированных пластиков.
В ряде случаев массивные детали крупных металлообрабатывающих станков, прессов и агрегатов изготовляют из предварительнонапряженного железобетона. Тензометрирование таких объектов из-за неровностей поверхности осуществляется, как правило, проволочными тензорезисторами на относительно
толстой бумажной основе (100-150 мкм). Размер базы тензорезисторов выбирается в зависимости от степени неоднородности бетона и должен составлять не
менее пятикратного размера крупных фракций бетона в мм.
Во многих случаях, однако, более предпочтительным следует считать измерение внутренних деформаций, которые значительно полнее характеризуют
работу массивных бетонных элементов, чем деформации поверхности. Для этой
цели используют специальные тензорезисторы внутренних деформаций, выполненные из заливочных компаундов в форме удлиненных цилиндров с проволоч-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 53 из 84
ной одновитковой решеткой, расположенной по оси цилиндра. Основным преимуществом таких тензорезисторов является их пониженная чувствительность к
концентрациям деформаций в местах образования микротрещин, что обеспечивает надежность измерений даже в стадиях работы объектов исследования,
предшествующих разрушению.
В табл. 17 приведены основные размеры тензорезисторов внутренних деформаций типа РДВ. Независимо от размеров их чувствительность составляет от
2,0 до 2,2, диапазон измерений - до -+-10 тыс. еод. Напряжение питания моста от 1 до 2 В, в зависимости от сопротивления тензорезистора.
В случаях, когда необходимо выполнить измерения в диапазоне более 50
тыс. еод в условиях повторных, в том числе знакопеременных нагружений,
например на объектах, из резины или низкомодульных пластиков, могут быть
использованы тензорезисторы с резиновой основой. Их выполняют в виде резиновой нити с обмоткой из константановой проволоки или латексного капилляра
с ртутным заполнением.
В первом случае диапазон измерений составляет 150 тыс.-200 тыс. еод
при частотах до 50 Гц. Чувствительность при этом не превышает 0,1-0,2 и сохраняется практически постоянной независимо от величины деформации и частоты
в пределах диапазона измерений. Сопротивление проволочных тензорезисторов
этого типа от 50 до 200 Ом.
Таблица 17
Тензорезисторы для измерения внутренних деформаций
Внешние размеры,
мм
Номинальное
Маркировка сопротивление
R, Ом
РДВ-60/50
РДВ-90/50
РДВ-I20/50
РДВ-60/400
РДВ-90/400
РДВ-I20/400
120
160
200
120
160
200
L
60
90
120
60
90
120
D
6
9
12
6
9
12
Модуль упругости
заливочного
компаунда
Е,
ГПа
0,5
0,5
0,5
4
4
4
Ртутные тензорезисторы, имеющие сопротивление порядка 1-3 Ом, позволяют измерять деформации до +500 тыс. еод., а в случае установки в предварительно растянутом состоянии до 500 тыс. еод при постоянной чувствительности
около 2,5.
Следует отметить, что оба типа тензорезисторов с резиновой или латексной основой имеют асимметрию чувствительности (при деформациях разных
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 54 из 84
знаков) и повышенную ползучесть. тензорезисторы, кроме того, недостаточно
надежны из-за часто возникающих разрывов столбика ртути внутри капилляра в
процессе измерений.
11. Тема: Способы определения характеристик тензорезисторов
План лекции
1. Определение тензочувствительности
2. Определение ползучести
3. Определение механического гистерезиса
4. Определение ТКС тензорезисторов
5. Определение усталостной прочности тензорезисторов
6. Промышленные установки для испытания и градуировки тензорезисторов
Особенностью приклеиваемых и привариваемых тензорезисторов, как
уже указывалось, является невозможность их повторного использования. Поэтому при определении характеристик производят градуировку некоторой выборки
тензорезисторов из партии, оценивая полученные результаты статистическими
методами и распространяя их на всю партию. Для определения характеристик
тензорезисторов применяют специальные средства.
Основные
характеристики
тензорезисторов,
выпускаемых
промышленностью, как правило, указывают на упаковке тензорезисторов, а значения сопротивлений наносят на тензорезистор. Однако непосредственно перед
применением часто возникает необходимость в определении основных характеристик. Это бывает связано, например, с оценкой возможности использования
имеющихся тензорезисторов вне пределов нормированных диапазонов измерений, в расширенной области значений влияющих величин, при превышении рекомендуемого срока хранения, утрате документации на партию и т. д. Это может
оказаться необходимым также при определении характеристик тензорезисторов
непромышленного изготовления.
Определение тензочувствительности. Для определения тензочувствительности применяют градуировочные устройства различных типов. Основу градуировочных устройств составляет упругий элемент, на поверхности которого с помощью системы нагружения воспроизводят деформацию заданной
величины. В качестве упругих элементов используют стержни круглого или
прямоугольного сечения, подвергаемые продольному нагружению, и балки постоянного или переменного сечения, но равного сопротивления изгибу.
Независимо от формы упругого элемента градуировочного устройства к
нему предъявляют следующие требования:
-упругий элемент должен иметь рабочий участок с поверхностью, достаточной для размещения на нем выборки градуируемых тензорезисторов, причем
на всей поверхности деформация упругого элемента должна быть постоянна;
-упругий элемент должен быть изготовлен из структурно-однородного материала с высокими упругими свойствами.
При определении чувствительности тензорезисторы наклеивают или при-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 55 из 84
варивают в пределах рабочего участка упругого элемента градуировочного
устройства. Затем упругий элемент нагружают для воспроизведения градуировочной деформации гр. Величину чувствительности рассчитывают по формуле
ST 
RT
 гр
RT
где RТ и RТ - начальное значение сопротивления тензорезистора и его приращение после нагружения градуировочного устройства.
В отношении простоты изготовления и наименьшего влияния точности изготовления на точность воспроизводимых деформаций предпочтительнее стержневые упругие элементы градуировочных устройств в форме цилиндрического
стержня или бруса постоянного сечения.
Упругие элементы градуировочных устройств в виде стержней позволяют
наиболее точно измерять деформации рабочего участка прямым компарированием, в частности с помощью зеркальных приборов Мартенса. Нагружение стержневых упругих элементов (до деформаций 10 тыс. -100 тыс. еод) производится с
помощью разрывных или силоизмерительных машин с пределами воспроизведения сил до 50-100 кН. При использовании силоизмерительных машин значения
градуировочных деформаций могут быть рассчитаны по величине поперечного
сечения упругого элемента. Однако при малых нагрузках точность воспроизведения деформаций недостаточна из-за влияния начальных изгибов стержня.
Необходимость применения разрывных или силоизмерительных машин
значительной грузоспособности ограничивает применение градуировочных
устройств со стержневыми упругими элементами. Так, например, для воспроизведения деформаций 15 тыс. еод на цилиндрическом стержне диаметром 10 мм к
нему необходимо приложить усилие 24 кН. К градуировочному устройству, выполненному в виде изгибаемой балки с поперечным сечением 10 х 50 мм, для
воспроизведения такой же деформации достаточно приложить момент в 200 Нм.
По этим причинам часто используют градуировочные устройства, имеющие
упругие элементы в виде балки постоянного сечения. При этом балку располагают на двух опорах. К консольным концам балки прикладывают равные силы Р,
вызывающие ее изгиб. На рабочий участок балки между опорами действует постоянный изгибающий момент, который вызывает равномерную деформацию
рабочего участка длиной l. Эту деформацию определяют косвенно, по величине
прогиба f в середине балки с помощью формулы
 гр  4 f
h
l2
где l и h –расстояние между опорами и толщина балки соответственно.
Для измерения прогиба обычно применяют индикатор часового типа.
К недостаткам градуировочных устройств подобного типа относится недостаточная точность определения величины воспроизводимой градуировочной
деформации, а также сравнительная сложность системы нагружения. Отдельные
узлы такого градуировочнога устройства требуют высокой точности при изготовлении и сборке.
Более простыми по конструкции и достаточно удобными в эксплуатации
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 56 из 84
являются градуировочные устройства с упругими элементами в форме треугольных консольных балок равного сопротивления. Деформацию рабочего участка
балки такой конструкции определяют обычно расчетным путем по формуле
 гр 
6lP
b0 h 2 E
Таким образом, точность воспроизведения деформации на градуировочном
устройстве этого типа зависит от точности изготовления, точности определения
размеров рабочего участка (особенно толщины) и точности определения модуля
упругости материала упругого элемента.
При выборе размеров изгибаемых упругих элементов градуировочных
устройств толщину упругого элемента следует выбирать не менее 10 мм с допуском на непараллельность не более 0,0025 мм. Упругие элементы градуиропочных устройств для привариваемых тензорезисторов на основе из фольги
толщиной не более 0,15 мм должны иметь рабочий участок толщиной не менее
50 мм и соответственно допуск по толщине не более 0,01 мм. При меньших
толщинах или больших допусках существенно возрастают погрешности определения тензочувствительности. Измерение приращения сопротивления
RT
тенRT
зорезисторов при определении тензочувствительности производят с помощью
тензокалибраторов ТК-66 или ТК-72, подключая к ним гальванометр (при питании постоянным током) или прибор для измерения статических деформаций, который используют в качестве нуль-органа. При отсутствии тензокалибраторов
используют семидеканные мосты типа МОД-61 или МОД-62, имеющие класс
точности 0,05, или потенциометры типа ППТН-1 и приборы для измерения статических деформаций, например ЭИД, АР-2, ИСД-З и др. Количество тензорезисторов n в выборке из партии, необходимое для определения тензочувствительности (и других характеристик), с заданной точностью и достоверностью
определяют по формулам математической статистики.
Тензочувствительность в зависимости от назначения тензорезисторов
определяют при деформациях гр = 1 тыс.- 5 тыс. еод по формуле
n
ST 
S
i 1
Ti
n
где Sт - чувствительность i-гo тензорезистора в выборке, подвергаемого градуировке.
Определение ползучести. Для определения ползучести тензорезисторов
используют те же средства, что и для определения тензочувствительности. Упругому элементу градуировочного устройства задают постоянную во времени
нагрузку и через определенные промежутки времени, начиная с некоторого фиксированного момента после приложения нагрузки, производят измерение сопротивления тензорезисторов; обычно первыи отсчет, соответствующий
(
RT
R
) t 0 снимается через 10-15 с после нагружения, а последующие ( T ) t через t
RT
RT
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 57 из 84
= 15 -30 - 60 мин. Если определяют ползучесть за 6 ч, дальнейшие отсчеты производят с постепенным увеличением интервалов времени между ними, в связи с
затуханием процесса релаксации напряжений в связующем тензорезистора. Величину ползучести определяют по формуле
П
 RT

 RT
  RT 
  

 t  RT  t 0
, еод
ST
На практике ползучесть часто характеризуют относительным значением
ползучести По, которую определяют по формуле
П
ПST
 RT

 RT


t
 100%
Для характеристики ползучести партии принимают среднее значение П , рассчитанное для выборки из п тензорезисторов:
n
П
П
i 1
0i
n
где П0i-относительные значения ползучести каждого тензорезистора из выборки
Как правило, определение ползучести производят при деформациях около
1 тыс. еод в течении 1ч или 6ч. При этом получают значения, соответствующие
одночасовой и шестичасовой нагрузке.
Определение механического гистерезиса. Гистерезис тензорезисторов
тесно связан с их ползучестью, в связи с этим значение гистерезиса зависит от
величины и времени действия деформации. Для экспериментального определения гистерезиса также применяют средства, используемые для определения тензочувствительности.
Значение механического гистерезиса определяют по результатам, полученным при одном цикле нагружения (с последующей разгрузкой) упругого элемента градуировочного устройства при деформациях тензорезисторов одного
знака, обычно растяжения, или разных знаков, но равной величины.
Отсчет, соответствующий относительному изменению сопротивлеления тензорезистора
-(
Ri
) 0 , после разгрузки градуировочного устройства, соответствует
Ri
ширине петли гистерезиса при = 0, т. е.
 R
Г 0i   Ti
 RTi


0
Как правило, гистерезис определяют при первом, после заклейки, деформировании тензорезисторов на градуировочном устройстве. Величину гистерезиса можно оценивать и расчетным путем.
Определение ТКС тензорезисторов. Исключение температурных погрешностей при тензометрировании может быть достигнуто, как отмечалось
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 58 из 84
выше, схемной компенсацией, применением самотермокомпенсированных тензорезисторов или путем внесения температурных поправок в результаты измерений. В этих случаях необходимо знать величину температурного коэффициента
сопротивления (ТКС) тензорезисторов в условиях их применения.
Для определения ТКС некоторое количество тензорезисторов наклеивают
на образец материала объекта исследования и подвергают температурному воздействию, отвечающему условиям применения тензорезисторов. Обычно образец помещают в контейнер жидкостного термостата, температура в котором поддерживается с точностью
до 0,025 К, а скорость нагрева не превышает 1 К в минуту. После достижения
заданной температуры образец выдерживают в термостате 30-60 мин, в зависимости от его массы, затем производят измерение сопротивлений тензорезисторов. Для каждой температурной ступени вычисляют величину
i 
RTi T
RTi

RTi T  RTi
RTi
где RTi; (RTi)T - сопротивление i-ro тензорезистора до нагрева и при нагреве до
температуры Т.
По полученным данным могут быть построены температурные кривые
 RT
 RT
тензорезисторов 

  f T  .
Т
Определение усталостной прочности тензорезисторов. Усталостную
прочность тензорезисторов обычно оценивают количеством симметричных циклов N знакопеременного деформирования (при частоте 30-50 Гц) в пределах 1
тыс. еод, в результате воздействия которого начальное сопротивление тензорезистора изменяется на 0,005 %.
Устройство для определения усталостной прочности тензорезисторов
обычно выполняют с использованием консольной балки, свободному концу которой сообщают колебательное движение с постоянной заданной амплитудой
.
В указанном устройстве колебательные движения конца балки 2 осуществляются механизмом с приводным электродвигателем 1. Приводной электродвигатель связан с валом эксцентрика клиноременной передачей 3. Подшипник 7
эксцентрика, положение которого относительно оси вала может меняться в зависимости от заданной амплитуды колебаний, соединен с вилкой штока 5 через тягу. Второй конец штока через ролик 4 связан с концом балки. На тяге имеется
регулировочная муфта б, с помощью которой можно симметрировать амплитуды
колебаний балки относительно недеформированного состояния. Число колебаний балки находят по счетчику 8. Величину положительных и отрицательных
амплитуд колебаний определяют с помощью индикатора часового типа при статическом прогибе конца балки в двух крайних положениях эксцентрика. Измерения сопротивлений тензорезисторов производят при разгруженной балке и
при нагрузке, соответствующей амплитудной. Эти измерения выполняют перед
началом испытаний и после каждой серии по 105 циклов нагружений.
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 59 из 84
Измерение сопротивления отдельных тензорезисторов в процессе испытаний прекращается при наступлении отказа второго рода, т. е. для рассматриваемого случая при изменении сопротивления RТ на 0,005 %. Если не наблюдается
недопустимых изменений сопротивлений тензорезисторов, испытания прекращаются после 107 циклов. Усталостную прочность определяют как среднее
арифметическое значение числа циклов Ni, которое прошел до наступления отказа каждый из тензорезисторов.
n
N
N
i 1
i
n
где n - число тензорезисторов, подвергнутых испытаниям.
Промышленные установки для испытания и градуировки тензорезисторов.
Промышленностью выпускается комплекс средств для испытания и градуировки тензорезисторов, который состоит из трех установок типов
УД-1, УГТВ-1, УГТН-1 и позволяет производить испытания и градуировку тензорезисторов при воспроизведении статической и динамической деформаций.
Установка УД-1 предназначена для определения усталостных характеристик тензорезисторов при частотах 15,25,35,50 Гц в диапазоне относительных
деформаций от 20 до 3 тыс. еод.
Установка для градуировки тензорезисторов при высоких температурах
УГТВ-1 предназначена для воспроизведения статической деформации при испытаниях тензорезисторов в интервале температур от 293 до 773 К.
Установка для градуировки тензорезисторов при низких температурах
УГТН-l предназначена для воспроизведения статической деформации при испытаниях тензорезисторов в интервале температур от 77 до 293 К.
Эксплуатация установок производится в закрытом помещении при температуре окружающей среды 2935 К, относительной влажности воздуха 65  15%
и атмосферном давлении от 96 до 104 кПа.
Установки снабжены электронными потенциометрами для автоматического поддержания заданной температуры.
Установка УД-I снабжена автоматическим прибором для измерения амплитуды колебаний.
12. Тема: Конструирование тензорезисторов
План лекции
1. Общие вопросы конструирования тензорезисторов
Чувствительным элементом всех тензорезисторных преобразователей механических величин, как правило, является упругий элемент с наклеенными на
нем тензорезисторами. Измеряемая механическая величина (перемещение; сила,
давление, ускорение и т. д.) воздействует на упругий элемент, вызывая его деформацию обычно в пределах диапазона измерений, пропорциональную этой
механической величине.
Исключение в части конструктивного исполнения составляют некоторые
типы преобразователей перемещений и ускорениемеров, где используют подвес-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 60 из 84
ные (безосновные) тензорезисторы, не наклеенные .на чувствительный элемент,
а также некоторые типы силоизмерителей с полупроводниковыми тензорезисторами, где тензорезистор объединяет в себе и функции чувствительного упругого
элемента.
Детали и узлы исследуемых машин и механизмов отличаются большим
разнообразием конструктивных форм, размерами, рабочими скоростями и другими параметрами, в связи с чем трудно создать унифицированные преобразователи всех механических величин. Поэтому при подготовке к экспериментальным
исследованиям преобразователи многих механических величин приходится проектировать и изготовлять специально для проведения данного эксперимента. В
первую очередь это касается преобразователей перемещения, силоизмерителей и
преобразователей крутящего момента.
Проектирование и расчет тензорезисторных преобразователей механических величин сводятся в основном к проектированию и расчету их чувствительных элементов.
Конструкция чувствительных элементов зависит от
следующих факторов:
-формы и геометрических размеров объекта исследования; диапазона измерений механических величин и коэффициента преобразования;
-допустимых для данного вида исследований нелинейностей градуировочной характеристики и других видов погрешностей;
-постоянства во времени коэффициента преобразования;
-частотного диапазона измерений и собственной частоты преобразователя
(при недемпфированных чувствительных элементах fи5-10fо, где fи и fo - соответственно высшая частота исследуемого процесса и собственная резонансная
частота преобразователя);
-допустимой степени воздействия преобразователя объект исследования:
величины жесткости для преобразователей перемещения, характеризующей силовую реакцию преобразователя на объект исследования, величины прогиба или
деформации силоизмерителей, увеличения объема объекта исследования при
подключении и деформации преобразователя давления или увеличения инерционных масс при установке ускорениемеров на движущийся объект исследования
и т. д.
Характеристики чувствительных элементов в значительной степени зависят от свойств материалов, применяемых для их изготовления. В свою очередь,
свойства материалов зависят от ряда факторов.
Упругое последействие. При нагружении чувствительного элемента он деформируется практически мгновенно, а затем деформация продолжает нарастать
по затухающему закону. После разгрузки чувствительного элемента деформации
исчезают также с некоторым запаздыванием во времени. Упругое последействие
проявляется тем меньше, чем медленнее изменяется измеряемая величина, воздействующая на чувствительный элемент преобразователя. При воздействии на
чувствительный элемент быстроменяющихся нагрузок упругое последействие
также слабо сказывается, поскольку за короткие промежутки времени процесс
упругого последействия не успевает развиться.
Наиболее значительно упругое последействие проявляется на средних ча-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 61 из 84
стотах нагружения: 20-200 Гц. Упругое последействие обычно отдельно не учитывают, так как оно проявляется одновременно с механическим гистерезисом,
увеличивая петлю гистерезиса.
Механический гистерезис. Кривые зависимостей между деформациями и
напряжениями в чувствительном элементе, полученные для нагружения и разгружения, не совпадают, графически образуя петлю гистерезиса. Ширина петли
гистерезиса у чувствительных элементов, выполненных из специальных металлов, мала; с увеличением напряжений в элементе она увеличивается. Поэтому в
ряде случаев величина допустимых напряжений в чувствительном элементе
устанавливается не коэффициентами запаса по текучести или разрушению, а по
допустимой величине гистерезиса. Например, по этой причине для чувствительных элементов точных силоизмерителей допустимые напряжения выбирают не
более 0,1 от предела текучести.
Большое влияние на величину гистерезиса оказывает химический состав и
структура материала, последняя определяется его механической и термической
обработками. Поэтому термообработку следует проводить с тщательным соблюдением режимов. То же относится к процессам пайки или сварки чувствительных элементов. Чрезмерный и длительный нагрев чувствительного элемента
приводит к местному ухудшению механических свойств материала и, как следствие, к увеличению гистерезиса. Заметим, что сварные соединения имеют
меньший гистерезис, чем паяные.
Практически полного исключения влияния гистерезиса на результаты измерений достигают, пользуясь раздельными для нагружения и разгружения градуировочными зависимостями (такой способ применяют для преобразователей
класса точности выше 1,0).
Зависимость упругих свойств от длительности эксплуатации (старение)
проявляется как изменение упругих свойств во времени. Изменение упругих
свойств тем значительнее, чем интенсивнее работал чувствительный элемент.
Специальной термообработкой и тренировкой (сообщением чувствительному
элементу соответствующего числа циклов знакопеременных нагрузок) удается
стабилизировать упругие свойства, не исключив, однако, процесса старения полностью. Поэтому, особенно для интенсивно работающих чувствительных элементов, требуется проведение периодических градуировок.
Зависимость упругих свойств чувствительного элемента от температуры. С возрастанием температуры величина модуля упругости чувствительного элемента снижается. Погрешность от этого эффекта для специальных
сталей составляет около 1 % на 25 К. В результате измерения вводят поправку
или применяют средства температурной компенсации (обычно схемной) только
для преобразователей относительно высокого класса.
Температурная погрешность возникает также вследствие изменения линейных размеров при нагреве чувствительного элемента. Так, например, бронзовая мембрана преобразователя давления, зажатая в стальном корпусе, при нагреве будет сжиматься в радиальном направлении, что изменит ее коэффициент
преобразования. Для уменьшения температурной погрешности от этого эффекта
в преобразователях, рассчитанных на широкий рабочий диапазон температур,
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 62 из 84
нужно подбирать материалы чувствительного элемента и корпуса преобразователя с равными коэффициентами линейного расширения.
Для изготовления упругих чувствительных элементов преобразователей
механических величин используют специальные стали, а также медные и алюминиевые сплавы. Напряжения в чувствительном элементе на верхней границе
диапазона измерений должны оставаться меньше предела упругости, т. е. напряжения, при котором появляются остаточные деформации.
Заметим, что предел упругости, так же как и предел пропорциональности,
является условной величиной, зависящей от принятого допуска на нелинейность
характеристики деформация - напряжение и остаточной деформации выбранного
материала. Обычно под пределом упругости понимают то наибольшее напряжение, при котором величина остаточных деформаций меньше 10-50 еод.
При расчете чувствительного элемента коэффициент запаса по пределу
упругости может быть близким к единице. Однако из-за недостаточности сведений о величинах предела упругости часто при расчетах пользуются значением
предела текучести, коэффищ;ент запаса для этого предела выбирают в интервале
0,3-0,5 (а для преобразователей высокого класса точности - до 0,1). При уменьшении величины этого коэффициента характеристики чувствительного элемента
(линейность и гистерезис) улучшаются, вместе с тем снижение верхнего предела
расчетных напряжений приводит к снижению величины коэффициента преобразования и сужению диапазона измерений преобразователя. Если же для выбранного материала известна только величина предела прочности, то коэффициент
запаса по этому пределу выбирают в интервале 0,1-0,5. Для чувствительных элементов, работающих при переменных нагрузках, необходимо учитывать предел
усталости и выбирать соответствующий коэффициент запаса. Таким образом,
для одного и того же чувствительного элемента коэффициенты запаса по разным
предельным состояниям имеют разные значения. Допустимым напряжением для
чувствительного элемента является наименьшее значение из этих напряжений. В
тех случаях, когда неизвестны механические характеристики материала, величины предельных нагрузок для чувствительных элементов (при которых происходит потеря рабочих свойств чувствительного элемента) определяют экспериментально.
Для изготовления чувствительных элементов тензорезисторных преобразователей механических величин наибольшее применение нашли стали. Стали
У8А-УI2А, углеродистые 65 и 70, 60С2 и 60С2А, поставляемые в виде ленты,
используют для изготовления чувствительных элементов простой формы
(например, балочек) без термообработки. Чувствительные элементы более сложных форм изготовляют из отожженных сталей. При этом необходимые упругие
свойства чувствительных элементов достигают закалкой на мартенсит с последующим отпуском.
Высокими механическими свойствами, особенно в отношении усталостной
прочности, обладают хромомарганцовистые кремнистые стали 30ГСА, 35ГСА.
Их применяют для чувствительных элементов, работающих при интенсивных
переменных нагрузках.
Наиболее высокий предел упругости имеет вольфрамокремнистая сталь
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 63 из 84
65С2ВА. Высокую коррозионную стойкость и способность к работе при температурах до 675 К имеет хромистая сталь 4Х 13. Чувствительные элементы из нее
можно использовать при высокой влажности, в воде, в том числе и морской, в
слабых растворах солей, щелочей и кислот. Подобные же свойства в отношении
коррозионной стойкости и верхнего предела рабочих температур имеет нержавеющая сталь ХI8НI0Т. Однако у последней низкие упругие свойства, что ограничивает ее использование для изготовления чувствительных элементов тензорезисторных преобразователей.
Основным преимуществом сплавов на медной основе для изготовления
чувствительных элементов преобразователей является их высокая эластичность,
что позволяет изготовлять эти элементы, например, путем вытяжки; кроме того,
сплавы на медной основе очень хорошо спаиваются и обладают коррозионной
стойкостью в воздушной среде, в пресной и морской воде.
Латуни имеют наихудшие упругие свойства из всех сплавов на медной основе. Некоторое повышение упругих свойств достигается нагартовкой, которая,
однако, снимается при нагреве до 475-500 К.
Несколько лучшие свойства имеют оловянно-фосфористые бронзы, а
наилучшие упругие свойства - так называемые дисперсионнотвердеющие сплавы, к которым относится, в частности, бериллиевая бронза.
Дюралюминий применяют в тех случаях, когда требуется материал с малым модулем упругости, например при изготовлении преобразователей, в которых достаточно высокая собственная частота должна сочетаться со значительным коэффициентом преобразования.
При расчете преобразователей механических величин прежде всего выбирают схему чувствительного элемента, пользуясь для этой цели схемами, приведенными в таблицах следующих параграфов, исходя из перечисленных выше
требований к чувствительным элементам, которые формируются на основе анализа объекта исследования и задач эксперимента.
Для всех преобразователей механических величин коэффициент преобразования выражается зависимостью
(10)
где п - число активных плеч в тензометрическом мосте.
Тензорезисторные преобразователи механических величин часто используют с тензометрическими приборами, собранными по схемам компенсаторов,
или с приборами прямого действия, когда сигнал на выходе моста пропорционален напряжению питания мостовой схемы. Коэффициент преобразования таких
преобразователей (например, силоизмерительных промышленного изготовления), как указывалось в п. 5, выражается отношением напряжения на выходе моста к напряжению питания, при предельном значении измеряемого механического параметра. Если значение коэффициента преобразования, выраженного в
такой форме, известно, то можно определить деформацию, воспринимаемую
тензорезисторами, наклеенными на чувствительный элемент:
T 
4U
(11)
nS T U П
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 64 из 84
где U и Uп - соответственно напряжения на выходе мостовой схемы и
питания моста, В.
Для преобразователей, имеющих термозависимые и регулировочные резисторы (для компенсации изменения чувствительности при изменении температуры и индивидуальной подстройки чувствительности после изготовления), по
формуле (11) можно определить значение деформации с погрешностью до 10%.
Степень приближения зависит от отношения сопротивлений термокомпенсирующих и регулировочных резисторов к номинальному сопротивлению тензорезисторов.
Величина мах определяется предельным значением измеряемой механической величины, а величина т мах допустимой деформацией чувствительного
элемента в месте наклейки тензорезистора, которая зависит от механических
свойств материалов (и выбранного коэффициента запаса), применяемых для изготовления чувствительных элементов Не следует путать допустимую деформацию чувствительного элемента и допустимую деформацию тензорезисторов (за
исключением тех случаев, когда тензорезистор объединяет в себе функции чувствительного элемента), поскольку вторая, как правило, много больше.
Получив численное значение коэффициента преобразования, пользуясь
приведенными в таблицах формулами и задавшись одним из размеров, находят
остальные размеры, после чего определяют и сравнивают с заданной степень
воздействия упругого элемента на объект исследований.
Статическую градуировку прео6разователей производят на соответствующих градуировочных устройствах. Так, например, для градуировки
преобразователей перемещения используют компараторы, для градуировки силоизмерителей - универсальные, разрывные или силоизмерительные машины,
для преобразователей давления гидравлические прессы и гидравлические системы испытательных машин, для ускорениемеров и виброметров - вибростенды и
центрифуги и т. д.
Перед градуировкой все промежуточные преобразователи, измерительные
и регистрирующие приборы, входящие в измерительную установку, должны
быть поверены, а чувствительность приборов согласована с чувствительностью
тензорезисторов, наклеенных на чувствительный элемент градуируемого преобразователя.
Нагрузки на преобразователи при градуировке задают ступенями, обычно
для удобства контроля и расчетов интервалы ступени нагружении выбирают
равным. В зависимости от нелинейности статической характеристики преобразователя (определяемой, обычно, по опыту или расчетным путем) и требуемой
точности измерений число ступеней градуировочных нагрузок m устанавливают
от 3 до 20 (чаще всего m=5-8).
Вопрос о необходимом и достаточном числе ступеней градуировочных
нагрузок имеет важное практическое значение, особенно при использовании в
эксперименте большого числа преобразователей. При малом числе ступеней
нагружения точность построенной градуировочной кривой и оценки погрешностей могут оказаться недостаточными. Большое число ступеней может оказаться
излишним, т. е. не дать новых сведений по сравнению с информацией, получен-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 65 из 84
ной при оптимальном числе ступеней нагружения. Для определения оптимального числа ступеней нагружения в пределах диапазона измерений может быть
использован метод, основанный на теории спектров.
Число градуировочных циклов n для преобразователей должно быть обычно не менее трех.
Специфика определения динамических свойств тензорезисторных преобразователей механических величин обусловлена прежде всего тем, что эти преобразователи в отличие от других преобразователей применяемых в тензометрии, как правило, имеют хорошо выраженную резонансную частоту. Кроме того,
воспроизведение градуировочных сигналов в форме механических величин в
определенном диапазоне частот весьма специфично. Поэтому остановимся на
общих вопросах методики определения динамических свойств тензорезисторных
преобразователей механических величин.
Динамические свойства преобразователей механических величин могут
быть определены с той или иной степенью полноты следующими характеристиками:
-собственной частотой чувствительного элемента преобразователя; переходной характеристикой или электромеханической постоянной времени преобразователя;
-амплитудно-частотными и фазочастотными характеристиками преобразователя.
Первую характеристику получают расчетным путем или экспериментально. Ее используют только для ориентировочных оценок. По значению
собственной частоты чувствительного элемента преобразователя можно приблизительно установить верхнюю границу частотного диапазона преобразователя,
но нельзя получить частотную характеристику. Значениями собственной частоты
для оценки динамических свойств преобразователей можно пользоваться только
в тех случаях, когда незначительны влияния рабочей среды и условий применения на частоту собственных колебаний. Например, если рабочей средой
преобразователя давления является газ, то собственная частота мембраны достаточно точно характеризует верхнюю границу частотного диапазона преобразователя давления. Если же преобразователь используется для измерения давления
жидкости, то жидкость оказывает существенное влияние на собственную частоту
чувствительного элемента преобразователя и на степень его демпфирования.
Экспериментально собственную частоту чувствительного элемента определяют путем анализа кривой затухающих колебаний сигнала на выходе преобразователя, вызванного кратковременным приложением нагрузки, или путем
определения максимальной амплитуды собственных колебаний (соответствующей собственной частоте) при. возбуждении чувствительного элемента специальным пульсатором с меняющейся в нужном диапазоне частотой.
Переходная характеристика может быть получена в результате скачкообразного изменения градуировочным устройством воспроизводимой механической величины. Идеальной формой скачка градуировочной нагрузки является так
называемая единичная функция, т. е. мгновенное изменение градуировочной
нагрузки, прикладываемой к: преобразователю на известную величину.
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 66 из 84
Мгновенное изменение градуировочной нагрузки для преобразователей
разных механических величин можно получать, например, путем удара по преобразователю или путем пережигания нити, через которую передается градуировочная нагрузка (преобразователи перемещения, силы и крутящего момента);
мгновенное изменение давления при динамической градуировке преобразователей давления может быть получено в результате применения «ударных труб»
или путем сброса давления из какого-либо объема с помощью золотника с возвратной пружиной и курковым спуском и т. д. Недостатки этого способа оценки
динамических свойств состоят прежде всего в том, что на ее точность существенно влияет форма скачка градуировочной нагрузки. На используемых градуировочных устройствах чаще всего удается получить скачок, только приближающиеся к единичной функции. Кроме того, без применения точного гармонического анализа формы выходного сигнала этим методом невозможно подучить
полные частотные характеристики.
Амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики непосредственно
получают в результате приложения к преобразователю градуировочных нагрузок, меняющихся по моногармоническому закону. Для построения амплитудночастотных характеристик определяют при ряде дискретных значении частот коэффициенты: преобразования преобразователя или значения чувствительностей
измерительной установки, на вход которой включен преобразователь, и строят
(чаще всего графически) зависимость этого параметра от частоты изменения
градуировочной нагрузки. При построении амплитудно-частотной характеристики преобразователя по результатам определения значений чувствительности измерительной установки в целом все элементы тензометрической установки
(например, усилители и регистрирующие приборы) должны иметь в рабочем
диапазоне частот преобразователя линейные частотные характеристики.
При построении фазочастотной характеристики обычно с помощью светолучевого или электронного осциллографов производят одновременную регистрацию градуировочной нагрузки, меняющейся по моногармоническому закону
(входной сигнал преобразователя), и сигнала на выходе преобразователя. Затем
определяют сдвиги по фазе между записанными кривыми при разных частотах,
после чего выражают (графически или в табличной форме) зависимость угла
сдвига фазы от частоты. При этом важно, чтобы измерительные установки, используемые для воспроизведения градуировочной нагрузки и работающие с градуируемым преобразователем, имели бы идентичные фазочастотные характеристики, а преобразователь, используемый для воспроизведения входного сигнала,
не имел бы в рабочем диапазоне частот градуируемого преобразователя фазовых
искажении.
При определении амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик
путем моногармонического нагружения преобразователя требуется очень точное
воспроизведение градировочным устройством нагрузки по синусоидальному
(моногармоническому) закону. В противном случае будут иметь место погрешности градуировки вследствие разной чувствительности градуируемого преобразователя к высшим гармоническим составляющим спектра воспроизводимой
нагрузки, фазовых искажений спектра, воздействующего на градуируемый пре-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 67 из 84
образователь.
13. Тема: Преобразователи перемещений
План лекции
1. Конструкции преобразователей перемещения
Преобразователи перемещений. Необходимость в измерении перемещений возникает при прочностных исследованиях, оценке жесткости элементов и
узлов, прогибов, поворотов и биений движущихся элементов машин и механизмов, при определении износов их элементов в процессе эксплуатации и др.
Измерения перемещений выполняются как в статическом, так и динамическом режимах. Верхняя граница диапазона измерений может составлять от тысячных долей до сотен миллиметров, частотный диапазон - от нуля до нескольких десятков килогерц.
В зависимости от назначения и рабочего диапазона форма и размеры чувствительных элементов преобразователей перемещений весьма разнообразны.
Наиболее часто используются чувствительные элементы балочного и рамного
типов, хотя находят применение и чувствительные элементы других форм,
например арочные, кольцевые и мембранные.
Коэффициент преобразования тензорезисторных преобразователей перемещений в статическом режиме в соответствии с выражением (10) определяется
из отношения
K ПП 
n T

где  - измеряемое перемещение, мм.
В табл. 21 приведены наиболее распространенные конструктивные схемы
чувствительных элементов тензорезисторных преобразователей перемещения и
формулы для их расчета.
Зависимости для расчета коэффициентов преобразования приведены без
учета нелинейности. Характеристики нелинейности приводятся отдельно (графа
5, табл. 21) и должны рассматриваться при расчете преобразователей и обработке данных как систематические погрешности, свойственные данной схеме чувствительного элемента. В табл. 21 приведены также характеристики жесткости
(графа 6), определяющие величины реакций чувствительного элемента в направлении измеряемых перемещений.
Наиболее универсальным вариантом следует считать чувствительный элемент в виде консольной балки равного сопротивления изгибу (табл. 21, 2), отличающийся достаточной линейностью и относительно высоким коэффициентом
преобразования.
Более простой в исполнении является схема 1. В ней используют малобазные тензорезисторы. Она имеет более низкую собственную частоту и относительно большую жесткость. Близки к ним по своим параметрам двухконсольные
схемы чувствительных элементов 5 и 6, отличающиеся расширенным рабочим
диапазоном. Конструктивное исполнение чувствительных элементов схемы (6 и
8) исключает возможность использования преобразователей с такими чувстви-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 68 из 84
тельными элементами для измерений в динамическом режиме. При статических
измерениях характеристику жесткости подобных преобразователей рекомендуется ограничивать величиной rmax = 10 Н.
Для расширения диапазона измерений наиболее часто используют преобразователи перемещения с дополнительными упругими связями. Значительное
расширение диапазона измерений и улучшение характеристики линейности
обеспечиваются, в частности, при соединении чувствительного элемента преобразователя с объектом исследования через плоскую или цилиндрическую пружины схем 3 и 4. Благодаря более высокой деформативности системы с упругой
связью коэффициент преобразования подобных преобразователей существенно
снижается.
Применение рамных, арочных и кольцевых чувствительных элементов по
схемам 7, 13 и 14 позволяет заметно уменьшить габариты преобразователей. Оптимальной в отношении линейности характеристики является П-образная рамная
схема 9 с жесткими стойками. Более высокой чувствительностью отличается
рамный элемент с укороченным ригелем (схема 11), однако его градуировочная
характеристика нелинейна. Поэтому его применяют обычно для измерения малых перемещений.
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 69 из 84
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 70 из 84
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 71 из 84
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 72 из 84
Деформативность рамных чувствительных элементов, а следовательно, и
диапазон измерения перемещений могут быть увеличены при замене жестких
стоек гибкими (схемы 10 и 11). Все перечисленные схемы чувствительных элементов имеют сравнительно низкую величину коэффициента преобразования.
Для измерения перемещений величиной до 0,1-0,5 мм могут быть использованы преобразователи перемещений с подвесными тензорезисторами (см. п.
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 73 из 84
10).
Расчетные характеристики преобразователей перемещения, приведенные в
табл. 21, хорошо совпадают с результатами градуировки, причем действительный коэффициент преобразования оказывается, как правило, немного выше расчетного вследствие несколько более высокого расположения решетки тензорезистора относительно нейтральной оси сечения чувствительного элемента (в расчетах не учитывают толщину основы тензорезистора).
Выбор оптимальных размеров чувствительных элементов для наиболее
простых схем можно производить с помощью номограмм, приведенных на рис.
54 и 55. На рис. 54 приведена номограмма для выбора размеров стальных консольных чувствительных элементов равного сопротивления изгибу, а также для
оценки их жесткости (по величине реакции r) в зависимости от диапазона измерений. На номограмме показан порядок определения длины и характеристики
жесткости чувствительного элемента, предназначенного для измерения перемещений до max = 10,0 мм. Задавшись, например, толщиной чувствительного элемента h = 4 мм, находим из номограммы размер l = 125 мм и величину r = 63 Н.
На рис. 55 изображены семейства кривых, характеризующих зависимость
коэффициента преобразования Кпп от измеряемых перемещений.
Для стальных П-образных чувствительных элементов с жесткими стойками и двумя активными тензорезисторами семейства кривых Кпп =f() пересекаются ограничительными кривыми, лимитирующими величину предельной деформации тензорезисторов (Т=2,5тыс. еод), а также жесткости (механического
сопротивления) чувствительных элементов (r=10Н), если жесткость последних
требует ограничения. В случае, если на упругий элемент наклеено четыре тензорезистора, включенных по схеме полного моста, величину КП, найденную по номограмме удваивают.
Конструкции преобразователей перемещения. Тензорезисторные преобразователи перемещений с консольными чувствительными элементами позволяют измерять деформации на поверхности объектов исследования из материалов с
модулем упругости свыше 1 ГПа. Оба типа преобразователей снабжены регулировочными винтами для начального изгиба чувствительных элементов в нужную
сторону с целью смещения диапазона измерений. Диапазон измерения перемещений - до: 10 тыс. еод, коэффициент преобразования 10-50·106 еод/мм. При
применении термостойких термокомпенсированных тензорезисторов верхняя
граница диапазона рабочих температур - 475 К.
Индикаторы перемещений предназначены для измерений взаимных смещений деталей машин и агрегатов, а также контроля состояния поверхности объектов исследования. Обеспечивают измерения перемещений до 1-10 мм при коэффициенте преобразования 5-20 тыс. еод/мм. Индикаторы перемещений можно
применять для регистрации эксцентричности и биений валов при вращении.
Для измерения перемещений больших величин, а также прогибов элементов машин и механизмов применяют электромеханические прогибомеры; одна из
конструкций прогибомера показана на рис. 58. Прогибомеры снабжают сменными чувствительными элементами. С их помощью измеряют прогибы от 2,5 до
25,0 мм при значении коэффициента преобразования 5-20 тыс. еод/мм.
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 74 из 84
Измерения динамических деформаций и перемещений с частотами до
10Гц, имеющих статическую составляющую, могут быть выполнены с помощью
преобразователя с чувствительным элементом в форме рамы. Преобразователь
устанавливают между двумя конусными опорами, заделанными в поверхность
объекта исследования. Коэффициент преобразования составляет от 5·105 до 107
еод/мм. Значения коэффициента преобразования и диапазона измерений могут
быть изменены регулировочными винтами, перемещающими опорные детали
преобразователя вдоль стоек чувствительного элемента.
Преобразователь малых перемещений предназначен для измерении в статическом режиме медленно меняющихся деформации и перемещении, например,
связанных с усадкой и ползучестью. Корпус преобразователя выполнен в виде
тонкой пластины состоящей из двух частей, соединенных упругим шарниром.
Каждая часть корпуса несет крепежный выступ, соединенный с корпусом упругой перемычкой. В качестве чувствительных элементов в преобразователе использованы подвесные тензорезисторы из одиночной проволоки. С помощью
этого преобразователя можно производить измерения относительных перемещений до 1 тыс. еод при коэффициенте преобразования 106 еод/мм.
Электромеханические преобразователи при нормальных условиях имеют
приведенную погрешность 1 -2 % .
Чувствительные элементы преобразователей перемещений, как правило,
изготовляют из сталей, упрочняемых закалкой. Если требуется уменьшение
жесткости или повышение коррозионной стойкости, могут применяться дисперсионно-твердеющие сплавы. Закалку и нормализующий отпуск или старение
чувствительных элементов производят до окончательной обработки в соответствии с принятыми для данного материала режимами термообработки. Последовательность операций и технологическая оснастка при изготовлении должны исключать возможность коробления чувствительных элементов или появления закалочных трещин.
В частности, при изготовлении рамных, консольнорамных и кольцевых
чувствительных элементов рекомендуется подвергать термообработке и noследующей шлифовке не готовые элементы, а профильную заготовку, форма сечения которой
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 75 из 84
соответствует форме чувствительного элемента. Заготовки на отдельные элементы разрезают на заточном станке с применением охлаждающих составов. Готовые чувствительные элементы подвергают механической стабилизации, которую
в зависимости от характера работы чувствительного элемента выполняют двумя
способами:
-путем циклических загружений в пределах диапазона измерений до полного затухания остаточных деформаций - для чувствительных элементов с однозначным изгибом;
-путем длительного однократного статического загружения до 1,2- 1,3 от
верхней границы диапазона измерений с последующей проверкой величины
остаточных деформаций в диапазоне измерений - для чувствительных элементов
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 76 из 84
с двухзначными изгибом.
Механическую стабилизацию можно выполнять как до, так и после монтажа тензорезисторов на чувствительном элементе. В последнем случае одновременно стабилизируются и характеристики тензорезисторов, в частности уменьшается ползучесть и механический гистерезис.
Выбор типоразмеров тензорезисторов для чувствительных элементов преобразователей в основном диктуется требованием размещения решеток последних в зоне наибольших напряжений. При значительных градиентах напряжений
по длине чувствительных элементов базу тензорезисторов выбирают возможно
меньшей.
Для статической градуировки преобразователей перемещений с диапазоном измерений до 10 мм рекомендуется использовать универсальные измерительные микроскопы УИМ-21 и УИМ·23 или аналогичные по классу компараторы с задающей системой, не зависимой от отсчетно-измерительного устройства.
Для статической градуировки преобразователей с верхней границей диапазона измерений свыше 10 мм могут быть использованы другие компарирующие
средства более низкого класса, в том числе оптические компараторы с микрометрическими отсчетными устройствами.
После установки преобразователя на компараторе ему сообщают некоторое начальное перемещение для стабилизации контакта с чувствительным элементом. Затем по методике, изложенной в п. 12, производят построение градуировочной характеристики и определение коэффициента преобразования
14. Тема: Способы измерения сил и моментов
План лекции
План лекции
1. Измерение сил
2. Измерение моментов сил
Результаты экспериментальных исследований деформаций и напряжений в
узлах и деталях машин, а также других механических и электрических параметров чаще всего представляют как функцию действующих в узлах и деталях сил и
моментов сил. При тензометрировании машин, работающих в нестационарных
режимах нагружения, исходными параметрами, по которым затем рассчитывают
или определяют в результате экспериментальных исследований деформации и
напряжения, соответствующие этим режимам нагружения, также являются значения сил и моментов сил.
Диапазоны сил и моментов сил, которые приходится измерять, в различных машинах и механизмах весьма широки: для сил - от десятых долей ньютона
до сотен кН, а для моментов сил - от сотых долей Н· м до сотен кН· м.
Измерение сил. Измерения сил осуществляют двумя способами:
Первый способ основан на измерении деформации (тензометрировании) узлов,
передающих или воспринимающих исследуемую силу. Возможность использования этого способа измерения сил определяется несколькими условиями.
Прежде всего, материал объекта наклейки тензорезисторов должен в диапазоне
измерений сил обязательно работать в пределах пропорциональности, в против-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 77 из 84
ном случае деформация будет нелинейно связана с определяемой силой, что существенно усложняет обработку результатов, и могут иметь место погрешности
вследствие гистерезиса. Измеряемая деформация должна быть однозначно связана с определяемой силой. В противном случае в результат будут внесены погрешности, вызванные действием других составляющих сил. Желательно, чтобы
тензометрируемая деталь была легкосъемной, с тем чтобы она могла быть подвергнута градуировке. Если этого сделать нельзя, то форма тензометрируемой
детали должна быть достаточно простой, поперечное сечение известно с достаточной точностью, с тем чтобы силы можно было определять расчетным путем
по деформациям, не внося недопустимой погрешности в результаты определения
значений сил. Наконец, рабочее сечение тензометрируемой детали должно быть
таким, чтобы напряжения в ней при максимальной измеряемой силе составляли
не менее 0,05-0,06 ГПа (для стали); при меньших напряжениях чувствительность
этого способа измерений сил недостаточна. В тех случаях, когда это возможно,
прибегают при проведении исследовании к уменьшению сечения детали, которая
используется для силоизмерения, изменяя ее размеры механической обработкой
(стачивание, фрезерование и т. д.). Однако такой способ имеет ограниченное
применение, так как после проведения экспериментального исследования требуется замена детали новой, а в быстроходных механизмах вследствие изменения
массы могут существенно измениться значения инерционных нагрузок.
Второй способ определения сил состоит во введении специального тензорезисторного преобразователя силы (силоизмерителя) в разрыв исследуемой силовой цепи (динамометрирование). При этом получают более точные результаты, так как можно использовать силоизмерители, подвергаемые предварительной
градуировке, выполненные из специальных сталей. Встроенные силоизмерители
позволяют измерять значения сил, когда непосредственная наклейка тензорезисторов на объект исследования слишком сложна или практически невозможна
(например, на многонитевых канатах). На время испытаний силоизмерителями
могут заменяться отдельные детали исследуемой машины; например, одно звено
гусеничной цепи трактора, имеющее сложную конфигурацию, может быть заменено для измерения сил специальными силоизмерительными тягами.
Силоизмерители могут быть многокомпонентными, если необходимо в результате эксперимента получить отдельные составляющие действующих сил.
.
Не останавливаясь на измерении сил по первому способу (поскольку этот
способ сводится к расчету определяемых сил по величинам измеренных деформаций), рассмотрим конструкции силоизмерителей.
В настоящее время промышленность выпускает несколько типов силоизмерителей. Однако с их помощью можно решать только ограниченное число задач. При экспериментальных исследованиях в области машиностроения требуется большее разнообразие силоизмерителей (по конструктивному исполнению) с
относительно низкими классами точности.
В табл. 22 приведены схемы чувствительных элементов, применяемых для
тензорезисторных силоизмерителей, и основные формулы для их расчета. Коэффициенты преобразования силоизмерителей соответствуют соотношению
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
К ПС 
n T
еод  Н 1
P
страница 78 из 84
где Р - измеряемая сила, Н.
Для измерения сил часто применяют чувствительные элементы в форме
стержня (табл. 22, схема 1). Сечение стержня может быть прямоугольным, круглым или профильным, например в виде двутавра. На стержне в направлении
продольной оси с одной или с двух сторон симметрично наклеены активные тензорезисторы. Поперек оси могут быть наклеены соответственно один или два
тензорезистора температурной компенсации. Если применяют два активных тензорезистора, то их включают последовательно в одно плечо полумостовой схемы, что в значительной степени исключает влияние изгибных деформаций
стержня на результаты измерений. Компенсационные тензорезисторы включают
в другое плечо мостовой схемы; кроме обеспечения термокомпенсации, тензорезисторы, наклеенные поперек, увеличивают коэффициент преобразования в (1 +
) раз (примерно на 30 % для чувствительного элемента из стали) за счет действия на эти тензорезисторы поперечных деформаций.
Как видно, формулы расчета таких чувствительных элементов чрезвычайно просты. Однако равномерное напряженное состояние в стержне осуществить
довольно трудно, так как точка приложения силы практически никогда не лежит
точно на продольной оси стержня вследствие неизбежных конструктивных несовершенств nреобразователя, а направление действия силы всегда образует некоторый угол с осью стержня. Из-за этого в стержне образуются поперечные силы
и моменты, вызывающие деформации стержня, которые непропорциональны
прикладываемым к стержню силам.
Для исключения этой погрешности наклеенные на стержень тензорезисторы соединяют так, чтобы в выходном сигнале преобразователя отсутствовали составляющие от деформаций изгиба. Однако из-за неточности обработки стержня, неточности наклейки тензорезисторов, возможного различия в их чувствительности полной компенсации влияния этих деформаций не достигается.
С целью снижения эффекта от действия поперечных сил и моментов стержень может быть выполнен полым или профильным, так чтобы при той же площади поперечного сечения момент сопротивления изгибу по продольной оси
был бо.1ьше. В тех случаях, когда известно преобладающее- направление действия поперечной силы, применяют прямоугольное или двутавровое сечение
чувствительного элемента, сориентированное так, чтобы наибольший момент
сопротивления был в плоскости действия поперечной силы.
В силоизмерителях промышленного изготовления применяют более сложный, но и более эффективный способ исключения влияния изгибных деформаций. Для этого чувствительный элемент устанавливают в корпусе преобразователя, имеющем одну или две мембраны. Последние имеют высокую жесткость в
отношении сил, действующих в плоскости мембран, и малую в отношении измеряемых сил изгибающих мембраны.
В связи со сложностью исключения влияния изгибных деформаций, особенно
под действием сжимающих сил, силоизмерители с чувствительными элементами
в форме стержней применяют при экспериментальных исследованиях (для изме-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 79 из 84
рения в основном растягивающих сил величиной более 5 кН).
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 80 из 84
При меньших величинах сил отношение поперечного сечения к длине чувствительных элементов получается слишком малым, что приводит к быстрой потере продольной устойчивости.
Чувствительный элемент в форме шара (табл. 22, схема 2) в малой степени
реагирует на приложение измеряемых сил внецентренно или под углом. Сферические чувствительные элементы применяют в силоизмерителях непромышленного изготовления, предназначенных для измерения сжимающих сил (обычно
более 50 кН). Тензорезисторы наклеивают на экваториальную часть шара, а измеряемые силы через специальные сферические башмаки прикладывают к полюсам. Лучшие временные характеристики такого чувствительного элемента можно получить, если вместо наклеиваемых тензорезисторов на экваториальную
часть шара намотать тензочувствительную проволоку.
Чувствительные элементы, работающие на изгиб, используют для измерения небольших сил (до 0,2-5 кН). Чаще применяют консольные чувствительные
элементы (схемы 3 и 4) и реже элементы в виде двухопорных балок (схемы 5 и
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 81 из 84
6), что объясняется прежде всего невозможностью жесткой фиксации двухопорных чувствительных элементов.
В консольных балках равного сечения (схема 3) деформации по длине тензорезистора непостоянны, величина средней деформации, тензорезистора зависит от точности его расположения относительно заделки или точки приложения
силы.
Увеличение максимальной величины сигнала на выходе преобразователя
при исключении влияния неточности расположения тензорезистора можно получить в преобразователях, где чувствительный элемент выполнен в форме консольной балки равного сопротивления изгибу (схема 4). Однако при равных
напряжениях нелинейность балки равного сопротивления изгибу выше (примерно на 1 0%), чем нелинейность балки равного сечения. Существенная для результатов измерений нелинейность консольных балок начинает наблюдаться при
прогибах в 0,15 от пролета [. Нелинейность консольных чувствительных элементов объясняется изменением плеча приложения силы при прогибе консоли.
Кольцевые чувствительные элементы (схема 7) находят довольно широкое
применение в преобразователях как промышленного производства, так и в преобразователях, специально изготовляемых для проведения экспериментальных
исследований, вследствие простоты изготовления, удобства монтажа тензорезисторов и защиты их от внешних воздействий. Кольцевые чувствительные элементы обычно применяют для измерения сил в диапазоне 0,5-10 кН. Для измерения сил менее 0,5 кН кольцевые элементы получаются слишком малых геометрических размеров, что усложняет монтаж тензорезисторов.
Недостаток кольцевых чувствительных элементов заключается в том, что
они обладают относительно большой нелинейностью при нагружении, плечи
приложения сил при деформации кольца изменяются значительнее, чем
Для силоизмерителей применяют также чувствительные элементы в форме
мембраны (схема 8). Такие чувствительные элементы можно применять в преобразователях, рассчитанных для измерения как малых, так и больших сил. К свободному концу стержня через рычаг длиной L прикладывают измеряемую силу,
вызывающую закручивание стержня и появление на поверхности стержня деформаций, направленных под углом к его оси. Наибольшая деформация имеет
место под углом 450 к оси стержня
Кроме приведенных в табл. 22 схем чувствительных элементов применяют
и другие их виды, например тороидальные, рамные, двух консольные (с компенсирующим рычагом) и т. д.
Конструкции силоизмерителей. Промышленностью выпускается целый
ряд силоизмерителей, предназначенных для измерения растягивающих или сжимающих сил
В силоизмерителях с пределами измерения от 1 до 10 кН применяют кольцевые чувствительные элементы, а в силоизмерителях на предельные нагрузки
от 20 до 500кН- стержневые, колончатые и многостержневые.
Промышленностью выпускаются силоизмерители У (универсальные), Сдля измерения сил сжатия и Р –для измерения сил растяжения, также выпускаются силоизмерители типа ТДС. В зависимости от диапазона измерений в этих
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 82 из 84
силоизмерителях установлены чувствительные элементы разной формы: кольцевые, в виде полого или сплошного стержня.
Существенными требованиями к промышленным типам силоизмерителей
является их унификация и взаимозаменяемость в отношении промежуточных
преобразователей и измерительных приборов, а также минимальная температурная погрешность. Унификация и взаимозаменяемость достигаются расчетами
чувствительных элементов по равным предельным деформациям, нормированием входных и выходных сопротивлений и индивидуальной подстройкой величины коэффициента преобразования. Температурную погрешность снижают введением в схему измерительного моста термочувствительных резисторов, а также
схемной теркомпенсацией баланса моста. Все эти требования удовлетворяются
применением соответствующих схем включения тензорезисторов и групп корректирующих резисторов.
Для измерения давления металла на валки прокатных станов был разработан силоизмеритель со сферическим .чувствительным элементом (стандартный
шарикоподшипник), который покоится в консуообразном вырезе подпятника,
запрессованного в корпус. Измеряемая сила на чувствительный элемент передается через цилиндрический подпятник, запрессованный в крышку. Между крышкой и корпусом имеется зазор, благодаря чему при нецентренном положении силы крышка корпуса может самоустанавливаться на сфере чувствительного элемента и усилие всегда передается по центру. Для герметизации силоизмерителя
между корпусом и крышкой установлено уплотнительное резиновое кольцо. Активные тензорезисторы наклеены на чувствительный элемент по экваториальной
выточке, а тензорезисторы температурной компенсации - по меридиану.
Чувствительный элемент силоизмерителя для измерений сжимающих сил
величиной 0,5-50 кН представляет собой профилированную по толщине мембрану 1. По периметру мембраны запрессовано три шарика 3, которые являются
опорами силоизмерителя. Измеряемая сила, воспринимаемая центральной цапфой 2, вызывает прогиб центра чувствительного элемента и деформацию тензорезисторов 4, наклеенных на внутренней поверхности мембраны
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 83 из 84
Для градуировки силоизмерителей применяют разрывные универсальные и силоизмерительные машины, для градуировки силоизмерителей с
верхней границей диапазона измерений до 0,5-1 кН могут применяться гири.
Разрывные машины в основном применяют для градуировки силоизмерителей, работающих на растяжение; при применении специального ресивера их
можно использовать при градуировках на сжимающие нагрузки.
Универсальные испытательные машины обеспечивают возможность градуировок силоизмерителей, работающих на растяжение, сжатие и изгиб.
Силоизмерительные машины применяют для градуировок преобразователей высокого класса точности.
Кроме перечисленных в таблице, для градуировок тензорезисторных силоизмерителей могут быть использованы и другие типы машин, например универсальная испытательная машина УМЭ-I0ТМ, которая позволяет воспроизводить
как статические, так и медленно меняющиеся знакопостоянные и знакопеременные силы.
Измерение моментов сил. Определение величины моментов сил (крутящих моментов) в приводах и трансмиссиях машин с помощью тензорезисторов
производит тремя способами: непосредственным измерением деформаций за-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 84 из 84
кручивания вала исследуемого механизма; измерением окружной силы, передаваемой специальным силоизмерителем, встроенным в трансмиссию, и, наконец,
специальным тензометрическим преобразователем крутящего момента.
Первый способ прост, однако далеко не на каждый вал можно наклеить
тензорезисторы; кроме того, некоторые валы выполняют с большим запасом
прочности, что уменьшает измеряемые деформации, увеличивая тем самым погрешность измерения.
Второй и третий способы обеспечивают наибольшую точность, но требуют
демонтажа и даже временного (частичного) изменения конструкции исследуемого узла или разрыва силовой цепи, что не всегда осуществимо.
Встроенный силоизмеритель или преобразователь крутящего момента может быть подобран нужной чувствительности и точно проградуирован.
На рис. 71, а показаны два варианта первого способа измерения момента
силы на валу.
При наклейке тензорезисторов по варианту 1 деформации от изгиба вала,
воспринимаемые тензорезисторами, меняются в зависимости от угла поворота
вала. При наклейке по варианту 11 оба тензорезистора включаются в два соседних плеча моста, поэтому влияние деформаций изгиба вала практически исключается, поскольку деформации обоих тензорезисторов при изгибе вала одинаковы по знаку и величине. В этом случае исключаются также погрешности,
вызванные изменением температуры вала. Тензорезисторы располагают как
можно ближе друг к другу.
Могут быть также наклеены четыре тензорезистора, соединенные по схеме
полного моста. Тензорезисторы, воспринимающие деформации одного знака,
включают в противоположные плечи мостовой схемы.
Оценку коэффициента преобразования при измерении момента силы делают путем расчета. Однако такой способ рекомендуется только в тех случаях,
когда полностью исключена возможность градуировки тензометрируемого вала:
Для расчетов используют следующие соотношения:
для сплошного вала
Т 
8  10 6 М  sin 2
еод
  D3  G
для полого (трубчатого) вала
8  10 6 М  D  sin 2
Т 
еод
  (D 4  d 4 )  G
где М - измеряемый крутящий момент, Н ,м;
D - наружный диаметр вала, мм;
d - внутренний диаметр вала, мм;
 - угол между осью наклонного тензорезистора и образующей вала;
G - модуль сдвига, ГПа.
Измерение момента силы на зубчатых колесах или звездочках производят
встроенным силоизмерителем, показанным на рис. 71, б. Величина момента силы при этой схеме измерения будет равна произведению силы, действующей в
силоизмерителе, на радиус установки оси силоизмерителя.
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 85 из 84
Для измерения относительно малых значений моментов силы применяют
преобразователи, где тензорезисторы наклеивают на изгибаемые чувствительные
элементы
15. Тема: Измерение ускорений, вибраций и скорости движения
План лекции
План лекции
1. Конструкции ускорениемеров
2. Конструкции виброметров
При динамическом расчете узлов и деталей машин и исследованиях динамических процессов в них очень важна информация об инерционных нагрузках,
действующих на узлы и детали машины.
Инерционные нагрузки определяются действующими на объект исследования ускорениями, частотами и амплитудами вибраций, поэтому экспериментальное исследование инерционных нагрузок сводится к измерениям перечисленных параметров. Диапазоны ускорений, действующих в узлах машин, весьма
велики; так, ускорения транспортных машин при разгоне 0,3-0,8g, а ускорения
кузнечного молота при ударе могут составлять около 3000g. Диапазоны измеряемых вибраций при экспериментальных исследованиях машин - от сотых долей
до нескольких миллиметров при частотах от единиц герц до десятков килогерц.
Для измерения ускорений и вибраций тензометрическим методом применяют преобразователи инерционного типа. Амплитуды и частоты вибраций измеряют также с помощью преобразователей перемещений или силоизмерителей,
через которые связывают объект исследования с какой-либо неподвижной опорой
Преобразователи инерционного типа содержат инерционную массу, соединенную чувствительным элементом с основанием (корпусом) преобразователя. В
некоторых конструкциях преобразователей в качестве чувствительных упругих
элементов используют решетки подвесных тензорезисторов.
Возможность применения инерционных преобразователей в качестве ускорениемера или виброметра определяется отношением частот исследуемого процесса fи к собственной частоте f0 преобразователя и величиной степени успокоения  (при заливке в корпус преобразователя демпфирующей жидкости).
Собственная частота ускорениемера должна быть достаточно высокой, т. е.
fи
 1 , а инерционного виброметра низкой, при реальной степени демпфироваfo
f
ния инерционные ошибки отсутствуют, если f o  u . Вместе с тем собственная
46
частота чувствительного элемента контактного виброметра (имеющего механическую связь с объектом исследования) должна быть существенно больше мак-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 86 из 84
симальной частоты исследуемого процесса: f o  5  10 f u
На рис. 80 приведены частотные характеристики ускорениемера и инерционного виброметра.
На pиc. 81 показано воспроизведение ускорениемером кривой колебании
исследуемого процесса в форме прямоугольных импульсов (кривая 1) при разных отношениях
fи
при = 0,7.
fo
Коэффициент преобразования тензометрического ускорениемера определяется следующим отношением:
KВ 
n T
; еод  мм 1
a
где а - измеряемое ускорение, см ·с-2
За единицу ускорения обычно принимают g=9,8 см·с-2, поэтому размерность Ку может выражаться в еод/g.
Коэффициент преобразования тензометрического виброметра
KВ 
n T
где  - амплитуда виброперемещения.

; еод  мм 1
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 87 из 84
Как видно, размерность коэффициента преобразования виброметра аналогична размерности коэффициента преобразования преобразователей перемещения.
На рис. 82 показаны основные схемы тензорезисторных ускорениемеров.
Первый тип ускорениемера (рис. 82, а) является наиболее простым по конструкции и состоит из основания, чувствительного элемента в виде консольной балки
(может быть как равного сечения, так и равного сопротивления изгибу) с наклеенными на нее тензорезисторами и укрепленной на конце балки инерционной
массы. Расчет такого ускорениемера сводится к расчету консольной балки вместо силы, приложенной к центру массы, подставляются значения инерционных
сил (произведение массы на ускорение).
Изображенная на рис. 82, 6 конструкция ускорениемера отличается тем,
что чувствительный элемент содержит инерционную массу, укрепленную на
двух параллельна расположенных консольных балках. По сравнению с предыдущей схемой ускорениемера, в этом ускорениемере может быть достигнуто более высокое значение коэффициента преобразования при той же собственной частоте. Кроме того, такая конструкция обеспечивает параллельность перемещения
инерционной массы, что, в свою очередь, дает возможность измерять с помощью
тензорезисторов не деформации изгиба консолей, а перемещения инерционной
массы с помощью преобразователей перемещения или подвесных тензорезисторов (рис. 82, в). Такие ускорениемеры имеют наиболее высокое значение коэффициента преобразования. Их используют для измерений малых ускорений.
Ускорениемеры, выполненные по схеме, показанной на рис. 82, г, применяют
для измерения больших по величине ускорений. Чувствительный элемент этого
ускорениемера выполнен в виде двух цилиндрических стаканов, соединенных
днищами. По образующим стаканов наклеены тензорезисторы. Стаканы установлены в цилиндрическом корпусе с некоторым натягом, поэтому такой ускорениемер является дифференциальным. Роль инерционной массы выполняют
днища стаканов и масса, укрепленная на них.
Конструкции ускорениемеров. На рис. 83 по казаны две конструкции
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 88 из 84
ускорениемеров. В ускорениемере типа АП-2 (рис. 83, а) перемещения инерционной массы измеряют с помощью тензорезисторного преобразователя перемещения. Корпус ускорениемера для демпфирования залит поликсилоксановой
жидкостью. По аналогичной схеме выполнен ускорениемер типа МП-02 (рис. 83,
б). Для измерения перемещения инерционной массы в этом ускорениемере использованы подвесные тензорезисторы. Тонкая тензометрическая проволака в
месте контакта с опорными штифтами вызывает значительные контактные давления. Для исключения деформаций опорных штифтов, что вызывает снижение
чувствительности и появление гистерезиса, эти штифты выполнены из рубина.
Начальное натяжение решеток осуществляется с помощью регулировочного
винта, который позволяет несколько разжимать боковины корпуса. Чувствительный элемент ускорениемера МП-02 размещен в герметизированном корпусе,
также заполненном поликсилоксановой жидкостью. Ускорениемеры МП-02 выпускают на два диапазона измерения: 6g и 15g; частотные характеристики
ускорениемера на 6g линейны до 10 Гц, а ускорениемера на 15g - до 20Гц. Сопротивление подвесных тензорезисторов, включенных по схеме полного моста,
200 или 400 Ом. Габаритные размеры ускорениемера 50 х 58 х 25 мм, масса 200
г.
Конструкция ускорениемера для измерения больших ускорений показана
на рис. 84. Она выполнена в соответствии со схемой рис. 82, г. Чувствительный
элемент, объединяющий в себе два тонкостенных цилиндрических стакана 2 с
наклеенными по образующим четырьмя тензорезисторами, расположен в цилиндрическом корпусе. Суммарная длина стаканов немного меньше длины корпуса,
вследствие чего при стягивании болта 3, соединяющего основания стаканов,
происходит натяжение стенок стаканов. Это необходимо для того, чтобы ускорениемер работал как дифференциальный преобразователь.
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 89 из 84
Рис. 84 Тензорезисторный ускориеномер для изменения относительно
больших ускорений
Роль инерционной массы выполняют массы основании стаканов, масса
стяжного болта и его гайки. Для регулировки величины инерционной массы на
стяжном болте устанавливают шайбы различной толщины. Ускорениемеры подобной конструкции выполняют (в зависимости от геометрических размеров и
величины инерционной массы) с расчетом на частоты собственных колебании до
нескольких кГц.
Конструкции виброметров. Для выполнения инерционных виброметров
могут быть использованы те же принципиальные схемы, что и для ускорениемеров (см. рис. 82). Как уже указывалось, принципиальная разница между ускорениемерами и инерционными виброметрами состоит лишь в соотношении их собственных частот с частотами исследуемых процессов.
На рис. 85 приведена конструкция виброметра с чувствительным элементом, выполненный в виде консоли с инерционно и массой на конце. Для повышения эффективности демпфирования по бокам чувствительного элемента с зазором установлены щитки демпфирования. Собственная частота такого преобразователя 10 Гц, чувствительность 340 еод/мм. Направление измеряемых вибрации перпендикулярно плоскости рисунка.
Применяют также тензорезисторные виброметры в которых чувствительный элемент выполнен в виде инерционной массы, подвешенной на спиральной
пружине. На рис. 86 изображен виброметр типа ВАП-3М с частотой собственных колебаний около 2 Гц. Виброметр имеет герметический корпус. Ограничение направлении перемещения инерционной массы только вертикальной плоскостью обеспечивается с помощью шариковых подшипников. Измерение перемещения инерционной массы производится с помощью тензорезисторного преобразователя перемещения, связывающего инерционную массу с корпусом
виброметра.
Чувствительность виброметра ВАП-3М - 500 еод/мм. Резонансная частота
преобразователя (перемещения инерционной массы) составляет 10 Гц. Недостатком виброметров подобной конструкции является наличие некоторого трения,
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 90 из 84
которое проявляется как нестабильность нулевого отсчета. Это снижает порог
реагирования виброметров подобной конструкции, делая невозможным измерения виброперемещений малых амплитуд.
Для измерения амплитуд и частот вибраций можно использовать практически все конструкции преобразователей перемещений, если имеется возможность соединить объект исследования посредством преобразователя с какойлибо неподвижной опорой
Кроме этого, применяют ручные виброщупы. Конструкция виброщупа
ВЩ-I показана на рис. 87. Виброщуп выполнен в виде массивногоо корпуса с
рукояткой. Измерительный наконечник, установленныи в специальной направляющей, соединен с тензорезисторным преобразователем перемещения 2.
Виброщуп подключается кабелем к тензометрическому прибору. Тензометрический прибор, работающий с виброщупом, балансируется в положении, когда
наконечник утоплен примерно на половину его возможного перемещения. После
этого виброщуп наконечником прижимается к объекту исследования с усилием
такой величины, чтобы показания миллиамперметра, установленного на вибро-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 91 из 84
щупе и соединенного с выходом тензометрического прибора, были равны нулю.
В этом случае средний прогиб упругого элемента преобразователя перемещений
будет соответствовать его прогибу во время балансировки. Миллиамперметр
вследствие инерционности не реагирует на переменную составляющую сигнала
(если она симметрична).
Виброщуп ВЩ-l позволяет измерять виброперемещения с частотами до
60 Гц.
Градуировку ускорениемеров осуществляют с помощью маятниковых
устройств, центрифуг и виброплатформ различного типа. При градуировке на
маятниковом устройстве ускорениемер закрепляют вблизи конца маятника, причем ось измерений ускорениемера должна быть сориентирована для измерения
ускорений в направлении действия центробежных ускорений. Маятник отклоняют на определенный угол, затем отпускают. При этом маятник будет совершать затухающие колебания, параметры которых могут быть точно определены
расчетным путем. На маятниковых установках можно задать ускорения в пределах 10-3 -10g с достаточной точностью.
Для градуировки ускорениемеров нашли широкое применение различные
вибростенды и виброплатформы. На них возможно получать самые разные значения ускорений в широком диапазоне частот. Важным условием для градуировки ускорениемеров является строгая синусоидальность формы воспроизводимых
колебаний. Высоким качеством в этом смысле отличаются вибростенды электродинамического типа, где источником колебаний является катушка, расположенная в поле постоянного магнита. Питание катушки осуществляется от генератора
звуковых частот с выходным усилителем, мощность которого соответствует
мощности потерь в стенде.
Хорошую линейность колебаний при градуировке обеспечивают камертонные виброплатформы, работающие в резонансном режиме. Ускорениемер закрепляют на одной из ножек камертона, на второй ножке с целью симметрирования укрепляют груз, масса которого равна массе ускорениемера. С помощью
индуктивного преобразователя, включенного на вход усилителя, и электромагнита, включенного на выход усилителя, в камертоне возбуждаются автоколебания. Используя камертонные устройства, можно воспроизвести ускорения в не-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 92 из 84
сколько сотен g. Амплитуду колебаний камертонных градуировочных устройств
определяют с помощью микроскопа со шкалой (например, от пресса Бринелля), в
качестве опорной метки можно использовать бумажную диафрагму малого диаметра, которую приклеивают к камертону вблизи места установки градуируемого ускорениемера.
Простейший способ градуировки ускорениемеров, рассчитанных для измерения малых ускорений (единиц g), состоит в использовании ускорения силы
тяжести - lg . Для этого ускорениемер помещают на горизонтальную площадку,
его ось измерений ориентируют горизонтально. В этом положении тензометрический прибор, к которому присоединен ускорениемер, балансируют, затем
площадку с установленным на ней ускорениемером поворачивают на 900, при
этом регистрируют показания, соответствующие lg. Могут быть получены промежуточные точки, соответствующие долям g. Величину ускорения находят по
формуле
а = ± g (1 - соs ),
где -угол, отсчитанный от вертикали
Инерционные виброметры градуируют с помощью тех же средств, что и
ускорениемеры.
Степень успокоения инерционных преобразователей, имеющих демпфирование (жидкостное или иное), может быть определена после записи на осциллографе мгновенного импульса силы, действующего на инерционную массу,
например, вследствие встряхивания преобразователя или удара по нему. Затухание определяют по отношению двух соседних амплитуд затухающих свободных
колебаний. Это отношение постоянно:

2
е
1
 
1  2
где 2 и 1 - отсчеты, соответствующие второй и первой амплитуде затухающих
колебаний; .
 - степень успокоения.
На рис. 88 показаны график для определения  по значениям
2
и осцил1
лограмма затухающих колебаний. Частоту собственных колебании инерционного преобразователя (с демпфированием) находят из осциллограммы:
f0 
где Т - период затухающих колебаний.
1
T
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 93 из 84
3 ПРАКТИЧЕСКИЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
Лабораторное занятие: 1. Методика выбора мест установки тензорезисторов
Цель занятия:
Тензодатчики применяются с той же базой, что и для измерения крутильных колебаний валов.
На рис. 70 показаны схемы наклейки тензометров на валы. При наклейке
двух и четырех тензометров их располагают симметрично, на противоположных
сторонах вала. Оси их чувствительности к деформации направлены вдоль оси вала. Симметричное расположение тензометров обеспечивает автоматическую компенсацию деформаций, вызванных действием температуры, крутильных и осевых
деформаций. Таким образом, энергия, подводимая через усилитель к осциллографу является мерой одной лишь деформации изгиба. Число тензометров, одновременно наклеиваемых на вал, выбирается в зависимости от необходимой степени
чувствительности измерительной схемы, типа измерительной аппаратуры и температурного градиента по участку вала. Тензометры желательно располагать в
непосредственной близости к среднему сечению вала, в местах, где отсутствует
концентрация напряжений.
Для электрического соединения измерительной аппаратуры с тензометрами,
наклеенными на вал или ротор, используют ртутные или щеточные токосъемники.
При наличии свободных торцов вала используют стандартные торцовые токосъемники без охлаждения (РТ-12, РТ-20 и др.) и с охлаждением (РТО-20 и др.).
(Цифры, стоящие за буквенными обозначениями показывают число рабочих колец), В остальных случаях проектируют токосъемники со специальными видами
крепления, зависящими от конструкции валя. Как правило, токосъемник должен
иметь минимум семь колец (в том числе кольцо для отметки оборотов). На этот
же токосъемник подключают и тензодатчики, предназначенные для измерения
крутильных деформаций. Токосъемники проверяют па ресурс и переходное контактное сопротивление. В паспорте токосъемника помещают данные о гарантированном ресурсе и график изменения переходного контактного сопротивления по
всем кольцам во времени на максимально гарантируемой частоте вращения. Для
обеспечения надежной регистрации постоянной составляющей изгибающего момента кольца токосъемника подбирают по группам в зависимости от изменения
сопротивления.
Комплект измерительной аппаратуры состоит из статико-динамического
измерительного устройства, осциллографа и тензодатчиков. Наряду со шлейфо-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 94 из 84
вым осциллографом желательно иметь катодный осциллограф, по экрану которого можно следить за характером процесса изгибной деформации вала.
Тензометрическая аппаратура должна удовлетворять следующим требованиям: I) обеспечивать измерение изгибных деформаций во всем диапазоне
возможных рабочих частот и амплитуд; 2) иметь прямолинейные частотные и амплитудные характеристики в диапазоне измеряемых частот; 3) обеспечивать стабильность замеров.
Средняя квадратическая погрешность измерения не должна превышать для
частот 3%, а для амплитуд 10% от номинального значения, максимальная температура должна быть в диапазоне +50+ 60°С для усилительного устройства и
осциллографа и +150  + 160° С для тензодатчиков и токосъемников.
Тензометрическую аппаратуру монтируют по схеме, разрабатываемой для
каждого конкретного случая, и размещают ее на специальных подвесках с амортизацией Тарируют аппаратуру как в лабораторных условиях, к. и на месте проведения эксперимента совместно с комплектом проводов и шлангов до и после его
проведения. При этом расхождение средних значений тарировок должно находиться в пределах допустимых погрешностей измерения. В противном случае
проводят повторный эксперимент с исправленной измерительной аппаратурой.
Рис. 70. Схемы наклейки проволочных тензометров для измерения изгибных колебаний
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 2. Характеристики клеев термопластичных и
термореактивных
Цель занятия: Рассмотреть характеристики клеев термопластичных и термореактивных. Когда и в каких случаях применяют различные виды клеев.
Рекомендуемая литература:
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 95 из 84
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 3. Схема включения тензорезисторов
Цель занятия: Рассмотрены основные схемы включения тензорезисторов
для различных случаев нагружения.
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 4. Монтаж тензорезисторов
Цель занятия:
Рассмотрены основные схемы монтажатензорезисторов
для различных случаев нагружения.
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 5. Тензометрирование движущихся и вращающихся объектов
Цель занятия: Тензометрирование позволяет записывать колебания любой частоты. Кроме того, тензометрирование дает возможность определять напряжение
непосредственно в сечении замера (там, где наклеены тензометры), тогда как при
записи механическими или электрическими торсиографами с сейсмической массой напряжение приходится вычислять с достаточной точностью по записанным
амплитудам и размерам вала, что требует большой затраты времени. Немаловажным преимуществом является и то, что датчик тензометра требует мало места.
Очень часто датчик наклеивают на наружном участке вала, что упрощает подготовку трансмиссии, так как отпадает необходимость ее разработки, нужной для
монтажа датчиков электроторсиографа или переходного фланца для механического торсиографа.
Принцип действия проволочного тензометра основан на способности металлического проводника изменять свое омическое сопротивление при деформа-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 96 из 84
ции. С его помощью можно измерить крутильные деформации. Зная деформацию
исследуемого элемента вала и модуль упругости его материала, по формулам сопротивления материалов определяют возникающие в данном элементе напряжения.
Проволочные тензометры обладают малыми емкостями и индуктивностями.
Их применяют в частотном диапазоне от 0 до 500 Гц. Наибольшее распространение получили тензодатчики на бумажной основе, измеряющие деформации при 0-2500С. Длина рабочей решетки тензометра (база) находится в пределах от 0,5 до 150мм. Наибольшее распротстранение получили тензометры с базой
10 мм и диаметром проволоки от 16 до 30 мкм,
Особенностью проволочных тснзодатчиков является их одноразовое использование, поэтому характеристики их определяются для одного-двух тензодатчиков из
данной партии. Это требует тщательного соблюдения технологии их изготовления
и наклейки. Тензометры работают в пределах относительныx удлинений, не превышающих ±0,1%, что соответствует интервалу напряжений стальных деталей
±2000 кгс/см2. Поэтому необходимо замеры проводить очень точно, а во избежание помех тщательно выполнить экранирование проводки к токосъемнику и усилительной аппаратуре.
Если вал подвергается скручивающемуся усилию, то главные напряжения
направлены под углом 450 к его оси. На рис. 50, а показана схема наклейки тензометра. Если общая чувствительность, цепи тензометра недостаточна, на вал
наклеивают два, четыре, восемь и большее число тензометров. При двух тензометрах (рис. 50, 6) за время скручивании вала один тензометр удлиняется, другой
- укорачивается. Это обеспечивает удвоенную общую чувствительность схемы.
При этом компенсируется деформация изгиба и обеспечивается полная температурная компенсация. Дальнейшее повышение чувствительности (в 2 раза по сравнению со схемой на рис.50-б) достигается с помощью включения четырех тензометров, расположенных попарно на противоположных сторонах вала (рис. 50, в).
На рис. 50, г показана схема наклейки 32 тензометров на вал. Чувствительность
схемы при этом повышается в 32 раза по сравнению со схемой с одним тензометром (см. рис. 50,а). Применение таких схем в практике встречается редко, ибо по-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 97 из 84
вышение чувствительности измерений достигается обычно за счет увеличения
степени усиления в измерительных устройствах. Наиболее часто встречается схема наклейки, представленная на рис. 50, б.
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 6. Торсиографирование
Цель занятия:
Торсиографирование
Принцип работы торсиографа можно пояснить на
следующем
простейшем
примере. На рис. 48 представлен диск А, вращающийся равномерно со cpeдней
угловой скоростью  коленчатого вала, а вал В врашается с угловой скоростыо
±. Риска на валу В, приходящаяся в некоторый момент против риски на диске
А, будет при колебаниях скорости смещаться относительно риски А, то в направлении вращения, то в противоположном. В торсиографе вместо диска А имеется сейсмическая масса.
Рис. 48 Схема колебаний вала относительно положения, соответствующего равномерному вращению
Механический торсиограф для современных поршневых двигателей имеет
ограниченное применение. Установка его должна быть произведена на свободном
конце вала или рессоры вдали от узла колебаний (в месте с наибольшими амплитудами). Механический торсиограф ограничен по низким частотам записи (при
частотах вращения ниже 800 об/мин амплитуды записываются с большим иска-
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 98 из 84
жением), и его нельзя применять для записи при частоте вращения вала выше
3000 об/мин.
Электрический торсиограф позволяет вести запись на ленте осциллографа
без остановки двигателя (по сравнению с механическим); из-за малых размеров
датчика его можно устанавливать в любой опорной шейке вала и таким образом
получать записи в различных точках и всех форм колебаний вала. Датчики размещают в точках максимальных амплитуд колебаний (вдали от узла). Диапазон
возможных для записи колебаний частот составляет 25-250 Гц, а амплитуд 0,008 0,04 рад.
В комплект электрторсиографа входят шесть датчиков, токосъемник, три
интегро-дифференциальных усилителя, щиток управления с питанием цепей в
усилителях и шлейфовый осциллограф.
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 7. Вибрографирование
Цель занятия:
Вибрографирование
Тензометрирование изгибных деформаций валов во многих случаях невыполнимо. Тогда исследуют вибрационное состояние машины путем вибрографирования ее корпусных узлов с целью оценки колебаний, передаваемых па них
от вращающихся валов или роторов. Замеряют вибрации в выбранных еще в период конструирования машин стандартных точках, которые чаще всего находятся
в плоскостях расположения подшипниковых опор или подвесок.
Вибрографированием устанавливают величины амплитуд и частот колебаний в выбранных местах конструкции, а также критические режимы в диапазоне
исследуемых частот вращения машины. С помощью вибрографирования можно
исследовать и формы колебаний валов, если колебания возбуждаются от постоянного источника.
Для измерения вибраций применяют виброизмерительную аппаратуру дистанционного управления, комплект которой состоит из вибродатчиков, усилителя и осциллографа. Получили распространение электродинамическая (АВ-44,
ИВ-20 и др.) и пьезокварцевая виброизмерительаппаратура. В каждый комплект электродинамической аппаратуры входят трехканальные измерительные
устройства и вибродатчики (МВ-21, МВ-22, ВД-7 и др.).
В электродинамической аппаратуре для оценки колебаний используется
электродвижущая сила катушки вибродатчика, наводимая инерционной массой
(постоянным магнитом). Эта сила, индуцируемая в катушкедатчика, пропорциональна скорости колебаний. Для записей линейных перемещений и ускорений в
схемах предусмотрены соответственно интегрирующие и диффренцирующие измерительные устройства. Эта аппаратура позволяет регистрировать колебания с
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 99 из 84
частотами 25—300 Гц. В случае одночастотного возбуждения аппаратура АВ44 допускает запись виброускорений в диапазоне 0—40 Гц. При нескольких частотах возбуждения трудно выделим низкочастотные гармоники из-за больших амплитуд высокочастотных составляюших. Улучшить запись можно с помощью фильтрующих элементов устанавливаемых на входе в измерительное
устройство. Широкое применение получила пьезокварцевая виброизмерительная
аппаратура типа ПИВ-3 (рис. 71), предназначенная для измерения параметров
вибрации (смещения, скорости и ускорения) элементов конструкций, преобразованных в электрический сигнал с помощью пьезоэлектрических датчиков. Аппаратура ПИВ-3 предложенная В. П. Максимовым, имеет пьезодатчики, блоки катодных повторителей, усилительное и калибровочное устройства и блоки питания. На рис.72 приведена схема пьезокварцевого датчика ПД-2, представляющего
собой акселерометр сейсмического типа. Его собственная частота fс=550050 Гц,
а диапазон рабочих частот 20-2000 Гц.
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 8. Изучение тензометрического прибора ИСД-3,
КСТ-4, ЦТМ-3, БИМС
Цель занятия:
Изучение тензометрического прибора ИСД-3, КСТ-4,
ЦТМ-3, БИМС
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 9. Изучение тензоусилителей 8АНЧ, ТА-5, УТС1ВТ-12, Топаз
Цель занятия:
Изучение тензоусилителей 8АНЧ, ТА-5, УТС1-ВТ-12,
Топаз
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 100 из 84
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 10. Способ определения фазочастотных характеристик по методу трех вольтметров
Цель занятия:
Изучить способ определения фазочастотных характеристик по методу трех вольтметров
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 11. Магнитографы Н036, УИМ
Цель занятия:
Изучить основные параметры Магнитографа Н036, УИМ
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 12. Светолучевые осциллографы К12-22, Н700
Цель занятия:
Изучить основные параметры светолучевых осциллографов К12-22, Н700
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 13. Характеристики осциллографических гальванометров петлевых Н135, рамочных М1012
Цель занятия:
Изучить основные характеристики осциллографических
гальванометров петлевых Н135, рамочных М1012
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 101 из 84
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 14. Электронно-лучевые осциллографы Н023,
Н320, Н327
Цель занятия:
Изучить основные параметры электронно-лучевых осциллографов Н023, Н320, Н327
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 15. Прибор для амплитудного анализа АИ-128,
цифропечатающее устройство БЗ-15
Цель занятия:
Изучить основные параметры прибора для амплитудного
анализа АИ-128, цифропечатающее устройство БЗ-15
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 16. Коррелометры и коррелографы ЭАСП –С, НК200
Цель занятия:
Изучить основные параметры и характеристики коррелометров и коррелографов ЭАСП –С, НК-200
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 17. Анализаторы спектра частот АС34, СИ-1, Ф728
Цель занятия:
Изучить основные параметры и свойства анализаторов
спектра частот АС34, СИ-1, Ф-728
Рекомендуемая литература:
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 102 из 84
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
Лабораторное занятие: 18. Приборы для обработки осциллограмм ПОБД12, Ф006
Цель занятия:
Изучить основные параметры прибора для обработки осциллограмм ПОБД-12, Ф006
Рекомендуемая литература:
1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник, - 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с., ил. – (Биб-ка конструктора)
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с
англ. М., Мир, 1974. 464 с.
3. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. Изд. АН СССР,
1960, 188с
4 САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТА
4.1. Методические рекомендации по организации самостоятельной работы
студента - магистранта
Приступая к изучению курса необходимо обратить особое внимание на
проработку основных положений темы (раздела), используя для этой цели предлагаемый учебно-методический комплекс, основное назначение которого – облегчить студенту работу с книгой. Краткий конспект лекций к каждой теме (разделу)
заканчивается вопросами для самоконтроля.
Существенное значение имеет правильный выбор учебника. Не следует
одновременно пользоваться несколькими учебниками. Из предложенного списка
рекомендуемой литературы – один должен быть выбран в качестве основного.
Другие учебники или учебные пособия используют в том случае, если прорабатываемый материал отсутствует или недостаточно подробно изложен в основном
учебнике.
Курс целесообразно изучать последовательно по темам, руководствуясь
программой дисциплины. Работа над учебником обязательно должна сопровождаться самостоятельным решением и анализом примеров и задач, приведенных в
учебнике и данном комплексе. После этого необходимо ответить на вопросы для
самоконтроля.
Учебный материал можно считать усвоенным только при условии, если вы
умеете правильно применить теорию для решения практических задач.
4.2. Перечень тем рефератов или контрольные задания для текущего и
входного контроля знаний
За курс предусмотрено два реферата.
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 103 из 84
Первый реферат оценивается в 2,5 балла (максимальное количество баллов). Срок
сдачи до первого рейтингового контроля. (Рефераты сданные не в срок оцениваются в 0,5 балла)
Второй реферат оценивается в 2,5 балла (максимальное количество баллов).
Срок сдачи до второго рейтингового контроля. (Рефераты, сданные не в срок,
оцениваются в 0,5 балла)
1 Темы рефератов:
1. Методы и средства тензометрии
2. Тензометрирование при разных характерах нагружения (во времени) объекта исследования
3. Тензометрирование при упругих и упругопластических деформациях материала объекта исследования
4. Тензометрирование при одноосном и плосконапряженном состояниях
5. Физические основы работы и свойства тензорезисторов
6. Входные и выходные параметры средств электротензометрии и схемы
включения тензорезисторов
7. Погрешность результата измерения
8. Диапазоны показании и измерении
9. Статические погрешности средств электротензометрии
10.Проволочные тензорезисторы
11.Способы определения характеристик тензорезисторов
12.Определение тензочувствительности
13.Промышленные установки для испытания и градуировки тензорезисторов.
14.Тензорезисторы для измерений динамических деформаций
15.Тензорезисторы для измерений за пределами климатического диапазона
температур
16.Тензорезисторы для измерений деформаций объектов исследования из неметаллических материалов
17.Полупроводниковые тензорезисторы
18.Фольговые тензорезисторы
19.Статическую градуировку прео6разователей
20.Измерение сил
21.Конструкции преобразователей перемещения
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 104 из 84
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 105 из 84
УМКД 042-18–8.1.65/03- 2013
Ред. № 1
страница 106 из 84