Если проволоку из проводящего металла растянуть (но не настолько, чтобы случился разрыв) – она станет тоньше и длиннее. И то и другое приведёт к увеличению полного электрического сопротивления. И наоборот, если проволоку проводящего металла продольно сжать (но не настолько, чтобы это разрушило её структуру), она станет шире и короче. Если эти напряжения поддерживаются в пределах диапазона упругости металлической полоски (при этом деформации не происходят постоянно), такую полоску можно использовать в качестве элемента измерения величины приложенной к поверхности силы. И данные измерения будут выведены из измерения меняющегося при деформации сопротивления полоски.
Что такое тензодатчик?
Такое устройство называется тензодатчиком. Тензодатчики часто используются в исследованиях и разработках в области машиностроения для измерения напряжений, создаваемых оборудованием. Испытание компонентов самолета – это одна из областей применения: крошечные тензометрические полоски приклеиваются к конструктивным элементам, соединениям и любым другим важным компонентам аэроплана для измерения напряжения. Большинство тензодатчиков меньше почтовой марки и выглядят примерно так:
Рис. 1. Прикрепляемый тензодатчик.
Проводники тензодатчика очень тонкие: если они сделаны из круглой проволоки, то около 1/1000 дюйма в диаметре. В качестве альтернативы, проводники тензодатчиков могут быть тонкими полосками металлической плёнки, нанесенной на непроводящий материал подложки, называемый носителем. Такая форма тензодатчика представлена на предыдущем рисунке. Название «прикрепляемый датчик» даётся тензодатчикам, которые прикрепляются (приклеиваются) к более крупной конструкции (т.н. испытательный образец), которая испытывает нагрузки. Вроде кажется, что всё просто – прикрепили тензодатчик к испытуемому образцу и готово, но всё гораздо сложнее. Должна быть также произведена тонкая «калибровка» – это вообще отдельная техника, абсолютно необходимая для получения точных и стабильных измерений деформации. Также можно использовать не монтируемый калибровочный провод, натянутый между двумя точками, для измерения механического растяжения, но этот метод имеет свои ограничения.
Сопротивление тензодатчика
Типичное сопротивлениетензодатчика составляет от 30 Ом до 3 кОм (не в состоянии напряжения). Это сопротивление может изменяться только на долю процента для всего диапазона датчика, учитывая ограничения, налагаемые пределами упругости материала датчика и испытуемого образца. Силы, достаточно большие, чтобы вызвать более сильные изменения сопротивления, с высокой долей вероятности необратимо деформируют как сам испытательный образец, так и сами проводники датчика, сделав его непригодным для дальнейшего использования. Таким образом, во время использования тензодатчика в качестве практического инструмента, приходится измерять чрезвычайно малые изменения сопротивления с высокой точностью.
Схема мостового измерения
Такие повышенные требования к точности предполагают использования для измерений мостовых схем. В предыдущей главе мы рассмотрели мост Витстона, использующего нуль-индикатор, с помощью которого технический специалист поддерживает состояние баланса. Мостовая схематензодатчика показывает же измеренное напряжение исходя из степени дисбаланса (а не баланса) и использует прецизионный вольтметр в центре моста для точного измерения этого дисбаланса:
Рис. 2. Четверть мостовая схема тензодатчика.
Обычно рычаг реостата моста (R2 на схеме) устанавливается на значение, равное сопротивлению тензодатчика без приложения силы. Два передаточных рычага моста (R1 и R3) установлены равными друг другу. Таким образом, без приложения силы к тензодатчику мост будет симметрично сбалансирован, а вольтметр будет показывать ноль вольт, что означает нулевую силу на тензодатчике. Когда тензодатчик либо сжимается, либо растягивается, его сопротивление будет соответственно уменьшаться или увеличиваться, таким образом разбалансируя мост и создавая показания на вольтметре. Такая схема, в которой сопротивление одного элемента моста меняет сопротивление в ответ на измеряемую величину (механическую силу), известна как четверть мостовая схема.
Поскольку расстояние между тензодатчиком и тремя другими сопротивлениями в мостовой схеме может быть значительным, сопротивление провода оказывает значительное влияние на работу схемы. Чтобы проиллюстрировать влияние сопротивления проводов, я покажу ту же принципиальную схему, но добавлю два символа резистора, последовательно с тензодатчиком, чтобы представить провода:
Рис. 3. Четверть мостовая схема тензодатчика с указанием сопротивления проводов.
Сопротивления проводов
Сопротивлениетензодатчика (Rдатчик) – это не единственное измеряемое сопротивление: сопротивления проводов Rпровод1 и Rпровод2, соединенные последовательно с Rдатчик, также вносят вклад в сопротивление нижней половины плеча реостата моста, и следовательно, вносят свой вклад в показания вольтметра. Это, конечно, будет ошибочно интерпретировано измерителем как физическая нагрузка на манометр (которой на самом деле нет).
Хотя этот эффект нельзя полностью устранить в этой конфигурации, его можно минимизировать добавлением третьего провода, соединяющего правую часть вольтметра непосредственно с верхним проводом тензодатчика:
Поскольку третий провод практически не пропускает ток (из-за чрезвычайно высокого внутреннего сопротивления вольтметра), на нём не будет наблюдаться сколько-нибудь значительного падения напряжения. Обратите внимание, что сопротивление верхнего провода (Rпровод1) теперь «шунтировано», когда вольтметр подключается непосредственно к верхней клемме тензодатчика, после чего остаётся только паразитное сопротивление нижнего провода (Rпровод2), которое, всё же вносит свою погрешность в показания датчика. Не идеальное решение, конечно, но вдвое лучше, чем на прошлой схеме!
Однако есть способ уменьшить ошибку, связанную с сопротивлением второго провода, выходящую далеко за рамки только что описанного метода. Этот метод также способствует уменьшению другого типа погрешности, связанной с температурой.
Изменение сопротивления при температуре
Большой недостаток тензодатчиков – при изменении температуры меняется и сопротивления. Это свойство, общее для всех проводников, у одних больше проявляется, у других меньше. Таким образом, наша четверть мостовая схема, показанная на рисунке (с двумя или тремя проводами, соединяющими датчик с мостом), как термометр работает также достоверно, как и индикатор деформации. Если всё, что мы хотим сделать, это измерить напряжение, это плохо. Однако мы можем преодолеть эту проблему, используя «фиктивный» тензодатчик вместо R2, так что оба элемента плеча реостата изменят сопротивление в одинаковой пропорции при изменении температуры, тем самым нейтрализуя эффекты изменения температуры:
Рис. 5. Четверть мостовая схема тензодатчика с температурной компенсацией.
Резисторы R1 и R3 имеют одинаковое сопротивление, тензодатчики идентичны друг другу. Без приложения силы мост должен быть в идеально сбалансированном состоянии, а вольтметр должен регистрировать 0 вольт. Оба датчика прикреплены к одному и тому же образцу для испытаний, но только один размещается в таком положении и ориентации, чтобы он мог подвергаться физическому напряжению (т.н. активный датчик). Другой датчик изолирован от всех механических нагрузок и действует просто как устройство компенсации температуры («глупый» датчик). Если температура изменится, сопротивление обоих датчиков изменится на один и тот же процент, и состояние баланса моста останется неизменным. Только дифференцированное сопротивление (разница сопротивлений между двумя тензодатчиками), создаваемая физической силой на испытуемом образце, может изменить баланс моста.
Сопротивление проводов не так сильно влияет на точность схемы, как раньше, потому что провода, соединяющие оба тензодатчика с мостом, имеют примерно одинаковую длину. Следовательно, верхняя и нижняя секции реостата моста содержат примерно одинаковое количество паразитного сопротивления, и их эффекты имеют тенденцию к взаимной нейтрализации:
Рис. 6. Улучшенная схема четверть мостового тензодатчика с температурной компенсацией.
Четверть мостовые и полумостовые схемы
Несмотря на то, что теперь в мостовой схеме есть два тензодатчика, только один реагирует на механическую деформацию, и поэтому мы все равно будем называть эту схему четверть мостовой. Однако, если мы возьмем верхний датчик и разместим его так, чтобы он подвергался воздействию силы, противоположной силе нижнего датчика (т.е. когда верхний датчик сжимается, нижний датчик будет растянут, и наоборот), то оба датчика будут реагировать на напряжение, и тогда мост будет более гибко реагировать на приложенную силу. Такой вид использования известен как полумост. Поскольку оба тензодатчика будут увеличивать или уменьшать сопротивление в одинаковой пропорции в ответ на изменения температуры, влияние изменения температуры остается нивелированным, и схема будет иметь минимальную ошибку измерения, вызванную температурой:
Рис. 7. Полумостовая схема тензодатчика.
Пример того, как пара тензодатчиков может быть прикреплена к испытуемому образцу, и при этом чтобы получался данный эффект, проиллюстрирован здесь:
Рис. 8. Парные тензодатчики, прикрепленные к испытуемому образцу.
Без приложения силы к испытуемому образцу оба тензодатчика имеют равное сопротивление, а мостовая схема сбалансирована. Однако, когда к свободному концу образца прикладывается направленная вниз сила, он изгибается вниз, одновременно растягивая датчик №1 и сжимая датчик №2:
Рис. 9. Оба тензодатчика на испытательном образце показывают одинаковое сопротивление.
Полномостовые схемы
В случаях, где такие дополнительные пары тензодатчиков прикреплены к испытательному образцу, полезно сделать все четыре элемента моста «активными» для еще большей чувствительности. Это называется полномостовой схемой:
Рис. 10. Полная мостовая схема тензодатчика
И полумостовая, и полная мостовая конфигурации обеспечивают бóльшую чувствительность по сравнению с четверть мостовой схемой, но часто невозможно прикрепить дополнительные пары тензодатчиков к испытуемому образцу. По этой причине именно четверть мостовая схема чаще всего используется в системах измерения деформации.
По возможности лучше всего использовать конфигурацию с полным мостом. Это верно не только потому, что он более чувствителен, чем другие варианты, но и потому, что он линейный, а другие нет. Четверть мостовые и полумостовые схемы обеспечивают выходной сигнал (дисбаланс), который лишь приблизительно пропорционален приложенной силе тензодатчика. Линейность или пропорциональность этих мостовых схем проявляется лучше всего, когда величина изменения сопротивления из-за приложенной силы очень мала по сравнению с номинальным сопротивлениемдатчика (или датчиков). Однако в случае полного моста выходное напряжение прямо пропорционально приложенной силе без каких-либо приближений (при условии, что изменение сопротивления, вызванное приложенной силой, одинаково для всех четырех тензодатчиков!).
В отличие от мостов Витстона и Кельвина, которые обеспечивают измерения в состоянии идеального баланса и, следовательно, работают независимо от напряжения источника, в случае с тензодатчиками величина возбуждаемого напряжения источника имеет значение в несбалансированном мосте, подобном тому, что мы разобрали. Следовательно, мосты тензодатчиков рассчитываются в милливольтах дисбаланса, возникающего на вольт возбуждения, на единицу измерения силы. Типичный пример тензодатчика того типа, который используется для измерения силы в промышленных условиях, составляет 15 мВ/В при 1000 фунтах. То есть при приложенной силе ровно в 1000 фунтов (сжимающей или растягивающей) мост будет разбалансирован на 15 милливольт на каждый вольт возбуждаемого напряжения. Опять же, такая цифра является точной, если мостовая схема полностью активна (четыре активных тензодатчика, по одному в каждом плече моста), при этом эти расчёты только приблизительные для схем полумоста и четверть моста.
Тензодатчики продаются в виде комплектов, содержащих как элементы тензодатчика, так и мостовые резисторы в одном корпусе, герметично упакованные и заключенные в защитную капсулу и снабженные механическими креплениями (чтобы датчик можно было навесить на испытательный образец). Такой сборный пакет обычно и называют тензодатчиком.
Как и многие другие темы, рассматриваемые в этой главе, тензодатчики могут быть довольно сложными (мы разобрали лишь базовые примеры). Полная диссертация по тензодатчикам выходит за рамки этой книги.
Итог
Тензодатчик – это тонкая полоска металла, предназначенная для измерения механической нагрузки путём изменения сопротивления при напряжении металла (растяжении или сжатии в границах собственного предела упругости).
Изменения сопротивления тензодатчика обычно измеряются в мостовой схеме, что позволяет учесть малейшие изменения сопротивления и учитывает погрешность изменения сопротивления, которая возникает из-за температуры.
