Tenometers - tensometrische meetomvormers

Rekstrooksensor - een parametrische resistieve transducer die de vervorming van een stijf lichaam, veroorzaakt door een mechanische spanning die erop wordt uitgeoefend, omzet in een elektrisch signaal.

Een weerstandsmanometer is een basis waaraan een gevoelig element is bevestigd. Het principe van rekmeting met behulp van een rekstrookje is dat de weerstand van het rekstrookje verandert tijdens de rek. Het effect van de weerstandsverandering van een metalen geleider onder invloed van allround compressie (hydrostatische druk) werd in 1856 ontdekt door Lord Kelvin en in 1881 door OD Hvolson.

In zijn moderne vorm vertegenwoordigt een rekstrookje structureel een rekweerstand, waarvan het gevoelige element is gemaakt van een spanningsgevoelig materiaal (draad, folie, enz.), Gefixeerd met een bindmiddel (lijm, cement) op het te onderzoeken onderdeel (Figuur 1). Om het sensorelement op het elektrische circuit aan te sluiten, heeft de rekstrookje draden.Sommige rekstrookjes zijn zo ontworpen dat ze gemakkelijker te installeren zijn. Ze hebben een pad tussen het gevoelige element en het te testen onderdeel, evenals een beschermend element boven het gevoelige element.

Figuur 1 Schema van de rekstrookje: 1- gevoelig element; 2- bindmiddel; 3- substraat; 4- onderzocht detail; 5- beschermend element; 6-blok voor solderen (lassen); 7-aderige bedrading

Met alle verschillende taken die worden opgelost met behulp van spanningsmetertransducers, kunnen twee hoofdgebieden van hun gebruik worden onderscheiden:

— studie van de fysische eigenschappen van materialen, vervormingen en spanningen in onderdelen en constructies;

— het gebruik van rekstrookjes om mechanische waarden te meten die worden omgezet in vervorming van een elastisch element.

Het eerste geval wordt gekenmerkt door een aanzienlijk aantal spanningsmeetpunten, een breed scala aan veranderingen in omgevingsparameters en de onmogelijkheid om de meetkanalen te kalibreren. In dit geval is de meetfout 2-10%.

In het tweede geval worden de sensoren gekalibreerd volgens de gemeten waarde en liggen de meetfouten in het bereik van 0,5-0,05%.

Het meest sprekende voorbeeld van het gebruik van rekstrookjes is de balans. De weegschalen van de meeste Russische en buitenlandse fabrikanten zijn uitgerust met rekstrookjes. Loadcell weegschalen worden gebruikt in verschillende industrieën: non-ferro en ferro metallurgie, chemie, bouw, voeding en andere industrieën.

Het werkingsprincipe van elektronische weegschalen is beperkt tot het meten van de zwaartekracht die op de loadcel inwerkt door de resulterende veranderingen, zoals vervorming, om te zetten in een proportioneel elektrisch uitgangssignaal.

Het brede gebruik van tensorweerstanden wordt verklaard door een aantal van hun voordelen:

— klein formaat en gewicht;

— lage traagheid, waardoor rekstrookjes kunnen worden gebruikt voor zowel statische als dynamische metingen;

— een lineair kenmerk hebben;

— metingen op afstand en op veel punten mogelijk te maken;

— de methode van hun installatie op het onderzochte onderdeel vereist geen complexe apparaten en vervormt het vervormingsveld van het onderzochte onderdeel niet.

En hun nadeel, namelijk de temperatuurgevoeligheid, kan in de meeste gevallen worden gecompenseerd.

Soorten converters en hun ontwerpkenmerken

De werking van rekstrookjes is gebaseerd op het fenomeen van vervormingseffect, dat bestaat uit een verandering in de actieve weerstand van de draden tijdens hun mechanische vervorming. Het kenmerk van het vervormingseffect van het materiaal is de coëfficiënt van relatieve vervormingsgevoeligheid K, gedefinieerd als de verhouding van de verandering in weerstand tot de verandering in de lengte van de geleider:

k = er/el

waar er = dr / r — de relatieve verandering in de weerstand van de geleider; el = dl / l — de relatieve verandering in de lengte van de draad.

Tijdens de vervorming van vaste lichamen wordt de verandering in hun lengte geassocieerd met een verandering in volume, en hun eigenschappen, in het bijzonder de weerstandswaarde, veranderen ook. Daarom moet de waarde van de gevoeligheidscoëfficiënt in het algemene geval worden uitgedrukt als

K = (1 + 2μ) + m

Hier kenmerkt de grootheid (1 + 2μ) de verandering in weerstand geassocieerd met een verandering in de geometrische afmetingen (lengte en doorsnede) van de geleider, en - een verandering in de weerstand van het materiaal geassocieerd met een verandering in zijn fysieke eigenschappen.

Als halfgeleidermaterialen worden gebruikt bij de productie van de tensor, wordt de gevoeligheid voornamelijk bepaald door de verandering in de eigenschappen van het roostermateriaal tijdens zijn vervorming en K »m en kan deze voor verschillende materialen variëren van 40 tot 200.

Alle bestaande converters kunnen worden onderverdeeld in drie hoofdtypen:

- draad;

- folie;

- een film.

Draadtelemeters worden gebruikt bij de techniek van het meten van niet-elektrische grootheden in twee richtingen.

De eerste richting is het gebruik van het vervormingseffect van een geleider in een staat van volumecompressie, wanneer de natuurlijke invoerwaarde van de transducer de druk van het omringende gas of vloeistof is. In dit geval is de transducer een spoel van draad (meestal manganine) die in het gebied van de gemeten druk (vloeistof of gas) is geplaatst. De outputwaarde van de converter is de verandering in zijn actieve weerstand.

De tweede richting is het gebruik van het spanningseffect van de spanningsdraad gemaakt van een spanningsgevoelig materiaal. In dit geval worden spanningssensoren gebruikt in de vorm van "gratis" converters en in de vorm van gelijmde.

"Vrije" rekstrookjes worden gemaakt in de vorm van een of een rij draden, bevestigd aan de uiteinden tussen de beweegbare en onbeweeglijke delen en vervullen in de regel tegelijkertijd de rol van een elastisch element. De natuurlijke invoerwaarde van dergelijke transducers is zeer weinig beweging van het bewegende deel.

Het apparaat van het meest voorkomende type gelijmde draadspanningsmeter wordt getoond in figuur 2. Een dunne draad met een diameter van 0,02-0,05 mm, geplaatst in een zigzagpatroon, wordt gelijmd op een strook dun papier of lakfolie. Gelode koperdraden zijn verbonden met de uiteinden van de draad. De bovenkant van de converter is bedekt met een vernislaag en soms verzegeld met papier of vilt.

De transducer wordt meestal zo geïnstalleerd dat de langste zijde in de richting van de gemeten kracht is gericht. Zo'n transducer, vastgelijmd aan het proefstuk, neemt de vervormingen van zijn oppervlaktelaag waar. De natuurlijke invoerwaarde van de gelijmde transducer is dus de vervorming van de oppervlaktelaag van het onderdeel waarop deze is gelijmd, en de uitvoer is de verandering in weerstand van de transducer evenredig met deze vervorming. Over het algemeen worden gelijmde sensoren veel vaker gebruikt dan niet-gelijmde.

Figuur 2 - spanningsmeter met gebonden draad: 1 - draad met spanningsmeter; 2- lijm of cement; 3- cellofaan of papieren achterkant; 4-aderige draden

De meetbasis van de transducer is de lengte van het deel dat door de draad wordt ingenomen. De meest gebruikte transducers zijn 5-20 mm bases met een weerstand van 30-500 ohm.

Naast het meest voorkomende ontwerp van de contour-rekstrook zijn er nog andere. Als het nodig is om de meetbasis van de transducer te verkleinen (tot 3 - 1 mm), wordt dit gedaan door de wikkelmethode, die bestaat uit het wikkelen van een spiraal van belastingsgevoelige draad op een doorn met een cirkelvormige dwarsdoorsnede op een buis van dun papier. Deze buis wordt vervolgens gelijmd, van de doorn verwijderd, platgedrukt en de draden worden aan de uiteinden van de draad bevestigd.

Wanneer het nodig is om een ​​grote stroom uit een circuit met een thermoconverter te halen, gebruiken ze vaak "Krachtige" rekstrookjes met een opgerolde draad... Ze bestaan ​​uit een groot aantal (tot 30 - 50) parallel geschakelde draden, verschillen in grote maten (lengte van de basis 150 - 200 mm) en zorgen voor een aanzienlijke toename van de stroom die door de omvormer gaat (figuur 3).

Tekening 3- Tenometer met lage weerstand ("krachtig"): 1 - spanningsmeterdraad; 2- lijm of cement; 3- cellofaan of papieren achterkant; 4 polige draad

Draadsondes hebben een klein contactoppervlak met het monster (substraat), wat lekstromen bij hoge temperaturen vermindert en leidt tot een hogere isolatiespanning tussen het gevoelige element en het monster.

Folie loadcellen zijn de meest populaire versie van adhesieve loadcellen. Folietransducers zijn een strook folie van 4-12 micron dik, waarop een deel van het metaal wordt geselecteerd door etsen op een zodanige manier dat de rest het loden rooster vormt zoals weergegeven in figuur 4.

Bij de productie van een dergelijk rooster kan elk patroon van het rooster worden voorzien, wat een belangrijk voordeel is van folie-rekstrookjes. In afbeelding 4 toont a het uiterlijk van een folietransducer die is ontworpen om lineaire spanningstoestanden te meten, in Fig. 4, c - een folietransducer die op de as is gelijmd voor het meten van koppels, en in Fig. 4, b — vastgelijmd aan het membraan.

Tekening 4- Folieconverters: 1- regellussen; 2- buigt gevoelig voor membraantrekkrachten; 3- rotaties gevoelig voor de drukkrachten van het diafragma

Een serieus voordeel van folieconverters is de mogelijkheid om de doorsnede van de uiteinden van de converter te vergroten; lassen (of solderen) van draden kan in dit geval veel betrouwbaarder dan met draadconverters.

Folievervormers hebben, vergeleken met draadvervormers, een hogere verhouding van het oppervlak van het gevoelige element tot het dwarsdoorsnedegebied (gevoeligheid) en zijn stabieler bij kritische temperaturen en aanhoudende belastingen. Het grote oppervlak en de kleine doorsnede zorgen ook voor een goed temperatuurcontact tussen de sensor en het monster, waardoor zelfopwarming van de sensor wordt verminderd.

Voor de productie van folie-rekstrookjes worden dezelfde metalen gebruikt als voor telemeters (constantaan, nichroom, nikkel-ijzerlegering, enz.), En er worden ook andere materialen gebruikt, bijvoorbeeld titanium-aluminiumlegering 48T-2, die meet spanningen tot 12%, evenals een aantal halfgeleidermaterialen.

Film tensoren

In de afgelopen jaren is er een andere methode voor massaproductie van gebonden weerstandsspanningen ontstaan, die bestaat uit vacuümsublimatie van een spanningsgevoelig materiaal en de daaropvolgende condensatie op een substraat dat rechtstreeks op het werkstuk wordt gespoten. Dergelijke transducers worden filmtransducers genoemd.De geringe dikte van dergelijke rekstrookjes (15-30 micron) geeft een aanzienlijk voordeel bij het meten van rek in dynamische modus bij hoge temperaturen, waar rekmetingen een gespecialiseerd onderzoeksgebied zijn.

Een aantal filmrekstrookjes op basis van bismut, titanium, silicium of germanium is gemaakt in de vorm van een enkele geleidende strip (Figuur 5).Dergelijke omzetters hebben niet het nadeel dat ze de relatieve gevoeligheid van de omzetter verminderen ten opzichte van de gevoeligheid van het materiaal waaruit de omzetter is vervaardigd.

Figuur 5- Film rekstrookje: 1- rekstrookje film; 2- lakfolie; 3-polige draad

De rekstrookcoëfficiënt van een op metaalfilm gebaseerde transducer is 2-4 en de weerstand varieert van 100 tot 1000 ohm. Transducers gemaakt op basis van halfgeleiderfilm hebben een coëfficiënt in de orde van 50-200 en zijn daardoor gevoeliger voor de aangelegde spanning. In dit geval is het niet nodig om versterkercircuits te gebruiken, aangezien de uitgangsspanning van de halfgeleider-rekweerstandsbrug ongeveer 1 V is.

Helaas varieert de weerstand van een halfgeleiderconvertor met de aangelegde spanning en is deze in wezen niet-lineair over het gehele spanningsbereik, en bovendien sterk temperatuurafhankelijk. Dus hoewel een versterker nodig is bij het werken met een metaalfilmvervormer, is de lineariteit erg hoog en kan het temperatuureffect gemakkelijk worden gecompenseerd.