zaeto.ru

Учебно-методическое пособие по практическим занятиям и лабораторным работам по дисциплине «метрология»

Другое
Экономика
Финансы
Маркетинг
Астрономия
География
Туризм
Биология
История
Информатика
Культура
Математика
Физика
Философия
Химия
Банк
Право
Военное дело
Бухгалтерия
Журналистика
Спорт
Психология
Литература
Музыка
Медицина
добавить свой файл
 

 
страница 1


Министерство образования и науки РФ
федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования  
«Российский  государственный  университет нефти и газа имени
 И. М. Губкина» 


________________________________________________________________________

Факультет инженерной механики

Кафедра «Стандартизация, сертификация и управление качеством производства нефтегазового оборудования»

СКРИПКА В. Л.



УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
ПО ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ И ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ
по дисциплине «МЕТРОЛОГИЯ »

ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

для студентов, обучающихся по направлению подготовки


221700 «СТАНДАРТИЗАЦИЯ И МЕТРОЛОГИЯ»

Москва 2014г.


Описан принцип работы, характеристики тензопреобразователей. Приводится описание и элементы расчета лабораторного стенда для исследования характеристик тензодачиков, порядок проведения работы по исследованию их статических характеристик.















1.Тензопреобразователи

1.1. Типы тензодатчиков


Современное промышленное производство и эксплуатация машин, аппаратов и сооружений ставит задачи снижения материалоёмкости с одновременным повышением надежности и ресурса по критериям прочности. Развитие техники приводит к усложнению условий эксплуатации машин и аппаратов (высокие и криогенные температуры, различные физические воздействия, большие перегрузки и т. д.), которые создают большие трудности при решении этой задачи. Важнейшим этапом решения задачи обеспечения прочности и ресурса при проектировании и эксплуатации машин является определение деформаций, напряжений, перемещений и усилий, вызываемых силовыми и тепловыми нагрузками.

Для определения реальной нагруженности деталей машин на стадии проектирования, доводки опытных образцов, и особенно в реальных условиях эксплуатации, большую роль играют методы экспериментальной механики, в частности, тензометрия.

Для измерения деформаций в деталях машин и конструкций в широком диапазоне температур применяют тензорезисторы.
-4-

Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий своё сопротивление при деформации сжатия-растяжения. При деформации проводника

изменяются его длина и площадь поперечного сечения Q . Деформация кристаллической решётки приводит к изменению удельного сопротивления , что приводят к изменению сопротивления проводника R =  / Q.

Этим свойством обладают в большей или меньшей степени все проводники. В настоящее время находят применение проводниковые ( фольговые , проволочные и пленочные) и полупроводниковые тензорезисторы. Хорошим материалом для проводниковых тензорезисторов, используемых при температурах ниже 180° С, является константант. Зависимосгь сопротивления R от относительной деформации с достаточной точностью описывается линейным двучленом :



R=Ro(l+St) ,

где Ro-сопротивление тензорезистора без деформации; St - тензочувствительность материала.



Тензочувствительность константана лежит в пределах 2,0-2,1. Нелинейность функции преобразования не превышает 1%.

Фольговые тензорезисторы представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензочувствительная

-5-

решетка из константана толщиной 4-12 мкм (рис.1) .



Рис.1.Конструкция фольгового тензодатчика


Решетка сверху покрыта лаком. Фольговые тензорезисторы практически не чувствительны к поперечной деформации вследствие малого сопротивления перемычек, соединяющих тензочувствительные элементы.

Проволочный тензорезистор имеет аналогичное устройство, его решетка выполнена из константановой проволоки толщиной 20-50 мкм. По метрологическим и эксплуатационным характеристикам проволочные тензорезисторы уступают фольговым.



Проволочные и фольговые тензорезисторы обычно имеют длину 5-20 мм, ширину 3-10 мм. Их номинальное сопротивление равно 50, 100, 200, 400 и 800 Ом. Параметры тензорезисторов общего

назначения регламентирует ГОСТ-21616-91.

-6-

Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия длиной 5-10 мм, шириной 0,2-0,8 мм. К ее торцам приварены металлические выводы. Номинальное сопротивление датчиков лежит в пределах 50-800 Ом. Свойства полупроводниковых и металлических преобразователей сильно различаются. Чувствительность полупроводниковых преобразователей может быть как положительной, так и отрицательной и лежит в пределах St = 55-130. Как сопротивление, так и чувствительность сильно зависят от температуры. Недостатком является также большой разброс их параметров и характеристик.
1.1.1. Основные параметры тензорезисторов
Метрологические характеристики тензорезисторов и формы их представления и обозначения устанавливает ГОСТ-21616-91. Для конкретных типов тензорезисторов набор нормируемых характеристик составляется из ряда в зависимости от назначения тензорезисторов, определяемого в соответствии с ГОСТ 21615-76.

Важнейшие характеристики тензорезисторов этого ряда следующие [1].

-7-


а) Функция преобразования устанавливает зависимость

информативной составляющей выходного сигнала тензорезистора от информативной составляющей входного сигнала (деформации). Выходной сигнал тензорезистора представляет собой отношение приращения сопротивления тензорезистора к его начальному значению :

=R/Rн.

Выходной сигнал тензорезистора является безразмерной относительной величиной. Для единообразия в документации выражают в миллионных долях (млн-1) или же в процентах (%). Функция преобразования выражена полиномом

=A1+A22+...+Aг,

где А,.. .А,—коэффициенты полинома; - деформация (млн-1).

б) В диапазоне упругих деформаций функция преобразования для всех типов тензорезисторов практически линейна, поэтому она может быть заменена одним числом - чувствительностью К , которая определяется при нормальной температуре и деформации:

=1000 млн-1.

Чувствительность, как и ряд других характеристик, может быть определена только по выборке тензорезисторов, установленных на

градуировочном приспособлении. Испытанные тензорезисторы не

-8-


могут быть использованы вторично. Чувствительность нормируется средним значением для партии (Кср) и допустимым значением среднего квадратического отклонения (СКО) чувствительности Sк .На практике чувствительность определяется по значениям задаваемых деформаций и соответствующим им сопротивлениям по формуле:

K=[(R-Ro)/Ro]/

в) В рабочем диапазоне температур чувствительность тензорезисторов может изменяться. Это изменение характеризуется функцией влияния температуры на чувствительность



Ф(t)=K(t)/K(to) ,

где K(t)-чувствительность при температуре t; K(to)-чувствительность при нормальной температуре; Ф(t) - функпия влияния температуры на чувствительносrь. Для известных типов тензорезисторов - это монотонная функция температуры:



Ф(t)=Bo+Blt+B2t2+...+Brtr,

где Bo - Br -коэффициенты.

Функция влияния температуры на чувствительность может также нормироваться значением Фср при максимальной температуре и её

средней квадратичной погрешностью Sф.

-9-

г) Несовершенство связующего вещества между тензодатчиком и



объектом приводит к изменению во времени деформации,

передаваемой от детали к чувствительному элементу и соответствующему изменению выходного сигнала тензорезистора. Это явление, именуемое ползучестью тензорезистов может характеризоваться часовой ползучестью ,численно определяемой как уменьшение выходного сигнала тензорезистора при фиксированной деформации. Ползучесть принято определять при деформации =1000 млн-1. Различают ползучесть при нормальной (П) и максимальной температурах (Пt). Ползучесть нормируется средним значениями Пср и Пtср , а также соответствующими средними квадратичными отклонениями (СКО) - Sп и Sпt . Процесс ползучести может протекать с различной скоростью и стремиться к различным пределам. Одно и то же значение часовой ползучести может реализоваться при процессах ползучести, протекающих с разными скоростями (рис.2).

Для сопоставления качества тензорезисторов принято приближенное описание ползучести экспоненциальной функцией

Пt=Aп(1-e-/п),

где - Пt -условное предельное значение ползучести, %; - время;

п - постоянная времени ползучести.

-10-


Рис.2. График ползучести тензорезисторов 1 и 2

Ап1  Ап2 ,  п1   п2 , П1 = П2

1.1.2. Основные характеристики тензорезисторов.

Характеристики выпускаемых промышленностью тензодатчиков сопротивления часто меняются от тензометра к тензометру [2]. Причина этого заключается в том, что относительное изменение сопротивления тензодатчика, обусловленное действием измеряемого относительного удлинения, часто бывает одного порядка с изменением сопротивления в результате действия других

-11-


факторов, например изменений температуры, влажности и т. п. К тому же влияние этих факторов зависит от трудновоспроизводимых процессов, имеющих место при изготовлении, наклейке и сушке тензометров.

Так, например, характеристика тензорезистора, проволока которого подверглась растяжению при изготовлении или наклейке, отличается от характеристики тензорезистора, проволока которого не была растянута. Равным образом усталостная прочность тензорезистора с предварительно растянутой проволокой оказывается пониженной. Тензорезистор, под которым после наклейки оказался толстый слой клея, допускает меньшую силу тока при измерениях и обнаруживает большие деформации ползучести и т. д.



Таким образом, полностью одинаковые тензорезисторы получить невозможно.

Основной наиболее важной характеристикой тензорезистора является зависимость относительного изменения его сопротивления (R/R) от деформации ().

Если после высыхания клея подвергнуть наклеенный тензодатчик удлинению, то относительное изменение сопротивления тензодатчика сначала будет изменяться по закону прямой 1 (рис.3) с угловым коэффициентом tg.

-12-


Рис. 3. Графики изменения относительного изменения сопротивления тензодатчика при 1 - 3 циклах его нагружения.

После достижения некоторого значения относительного удлинения наклон характеристики начинает постепенно уменьшаться. При последующем уменьшении напряжения в детали относительное изменение сопротивления также уменьшается по графику 2 с тем же угловым коэффициентом. При новом нагружении детали изменение сопротивления происходи по графику 3 .

-13-


При последующих циклах нагружения и разгрузки детали, кривые изменения сопротивления тензометра при нагружении и разгрузке проходят все ближе и ближе одна к другой и, в конце концов, сливаются. Ниже показана такая закономерность для тензометра с параллельной решеткой и бумажным основанием типа PR9210 фирмы Филипс, наклеенного клеем PR9241, и для тензорезистора с поперечными перемычками и пластмассовым основанием типа «тепик В2» фирмы Гуггенбергер, наклеенного клеем тепик-цемент. При первом нагружении до относительного удлинения 0,125% заметен отчетливо выраженный гистерезис при малых отклонениях от линейного закона (рис.4).

Второе нагружение было произведено до относительного удлинения 0,25%. При третьем нагружении до относительного удлинения 0,5% оба тензорезистора обнаружили значительный гистерезис (рис.5).

Если производить дальнейшие циклы нагружения-разгружения тензопреобразователей, то гистерезис практически будет незаметен. Для уменьшения гистерезиса рекомендуется перед измерениями произвести 3-4 нагружения детали с наклеенными проволочными тензорезисторами до возможно больших значений относительного удлинения.

-14-



Рис.4 Графики чувствительности тензорезисторов при первом нагружении.

1-тензорезистор "тепик В2", 2- тензорезистор PR 9210


-15-



Рис.5 Графики чувствительности тензорезисторов при втором и третьем нагружении.

1-тензорезистор "тепик В2", 2- тензорезистор PR 9210


-16-

1.2. Область применения и способы крепления тензодатчиков.


При создании конструкций нового оборудования (корпуса,

трубопроводы и др.) применяют экспериментальные методы определения деформаций и напряжений в течение всего процесса проектирования, изготовления и пуска оборудования. На относительно дешевых механических моделях при проектировании сопоставляют по напряжениям и перемещениям варианты конструкций и выбирают оптимальный, оценивают способ производства, учитывая возникающие технологические напряжения (при сборке, сварке) и допустимость из условий прочности отклонений по геометрии.

Натурная тензометрия конструкций оборудования позволяет оценить эксплуатационные режимы, провести контроль напряжений в наиболее нагруженных зонах и по этим данным выполнить оценку прочности и ресурса нагруженных конструкций. Тензометрия натурных конструкций оборудования при его пуске и эксплуатации с использованием информационно-измерительной системы тензометрии обеспечивает регистрацию деформаций и напряжений во всех элементах оборудования.

-17-


Особое значение натурная тензометрия имеет в сложных технологических процессах таких, как режимы работы паровых турбин, атомных реакторов электростанций (корпуса стопорных и регулирующих клапанов паровых и газовых турбин, измерение напряжений в узле корпуса теплообменника, измерение напряжений в основных точках боковых патрубков реактора и т.д.).[1]

По способу закрепления на исследуемой детали различают два типа тензорезисторов : приклеиваемые и привариваемые. Наибольшее применение получили фольговые тензорезисторы, чувствительный элемент которых изготавливается методом фотолитографии, наиболее технологичным при массовом производстве. В таких тензорезисторах чувствительный элемент закрепляют на полимерной пленке или другой подложке, которая может быть приклеена к исследуемой детали. Привариваемые тензорезисторы выпускают смонтированными на подложке из металлической фольги, которую приваривают контактной сваркой к исследуемой детали. На металлической подложке могут быть установлены либо обычные приклеиваемые тензорезисторы (для удобства монтажа), или решетки чувствительных элементов могут формироваться в процессе изготовления тензорезисторов. Второй вариант применяют при изготовлении термостойких

-18-
тензорезисторов с проволочным чувствительным элементом и органосиликатным или иным связующим веществом. Для исследования плоского напряженно-деформированного состояния обычно используют розетки тензорезисторов, которые представляют собой измерительный преобразователь, имеющий на

общей подложке несколько тензочувствительных элементов, главные оси которых ориентированы под определенными углами друг к другу.

1.3. Схемы включения тензодатчиков и погрешности измерения.

Существует несколько схем включения тензодатчиков, наиболее распространенная трехпроводная схема представлена на рис.6,а. Рабочий (Rp) и компенсационный (Rk) тензорезисторы установлены в зонах с одинаковой температурой. На рабочий тензорезистор воздействует измеряемая деформация и температура. На компенсационный тензорезистор влияет только температура.Соединительные провода к рабочему и компенсационному тензорезисторам имеют одинаковую длину и находятся при одинаковой температуре. На рис. 6,б представлена

-19-
Рис.6. Схемы включения тензодатчиков
эквивалентная схема для такого включения тензорезисторов. Если выполняются указанные выше условия, то изменение температуры не приведет к изменению баланса мостовой схемы. Это обеспечивает устранение аддитивной погрешности от изменения температуры. Но как следует из рис. 6,б, линии с сопротивлениями rл включены последовательно с тензорезисторами, что приводит к уменьшению чувствительности схемы к измеряемой деформации, т.е. к образованию мультипликативной погрешности, которая зависит от соотношения rл /R и изменяется при изменении температуры. В ряде случаев

-20-
вместо трехпроводной схемы применяют четырехпроводную схему включения тензорезисторов (рис.7).

Такое включение приводит с увеличению (по сравнению с трехпроводной схемой) мультипликативной составляющей погрешности. Это объясняется тем, что значение rл для этой схемы (при одинаковых сечениях и длинах соединительных проводов) в два раза больше, а исключение сопротивления из измерительной диагонали не имеет практического значения, так как входное

Рис.7. Четырехпроводная схема включения тензорезисторов


сопротивление современных приборов во много раз превышает rл. Исключение мультипликативной составляющей не может быть 21-

достигнуто полностью и при применении пятипроводной схемы, приведенной на рис.8,а.

Как следует из эквивалентной схемы (рис.8,б), линия с сопротивлением rл включена последовательно в диагональ питания, что приводит к снижению напряжения питания на мосте. Устранение мультипликативной составляющей может быть достигнуто модифицированной пятипроводной схемой, представленной на рис.9. Возможно несколько вариантов применения этой схемы. Первый - измерение фактического

Рис.8. Пятипроводная схема включения тензодатчиков

-22-

Рис.9. Модифицированная пятипроводная схемы включения тензодатчиков

напряжения в диагонали питания Е' и внесение соответствующих

поправок; второй - использование напряжения Е' в приборах, применяющих компенсационный метод измерения; третий - применение электронных схем для уравновешивания напряжений Е'= Е.

В ряде случаев тензометрирование выполняется без применения компенсационного тензорезистора. В этом случае при вычислении деформации вносится поправка на температурную характеристику рабочего тензорезистора. В смежное с рабочим тензорезистором плечо, в мостовую схему включают так называемую компенсационную петлю (рис.10).

-23-
Рис.10. Схемы включения тензодатчиков с компенсационной петлей


Применяют два варианта включения ( рис.10 а, б). Очевидно, что при использовании варианта а сопротивление rл в два раза больше,

чем при использовании варианта б. Поэтому, если возникают какие-либо дополнительные обстоятельства, следует отдавать предпочтение варианту б. Необходимо иметь в виду, что и при использовании схем с одиночным тензорезистором возможно применение схем, подобных приведенным на рис.9.

На практике иногда бывает затруднительно или невозможно довести многопроводную линию до точки установки тензорезисторов на детали. В этих случаях от прибора до коммутатора ведут пятипроводную линию, а от коммутатора до тензорезистора - трехпроводную. При этом необходимо оценить возможную погрешность измерения. Относительная

-24-

мультипликативная погрешность измерения выходного сигнала тензорезистора составит:

 ли)  rл / Rо

где л - действительное значение выходного сигналатензорезистора; и - измеренное значение выходного сигнала тензорезистора;

rл - сопротивление соединительной линии;

Rо - начальное сопротивление тензорезистора.

Следует отметить, что -является функцией температуры, поскольку rл зависит от температуры.



1.4. Средства калибровки тензодатчиков.

Государственная поверочная схема для средств измерения деформаций (ГОСТ8.543-86) создает возможность обеспечения единства измерения деформаций в нормальных условиях. ГОСТ предусматривает наличие установки высшей точности, установки первого разряда и рабочих средств для воспроизведения деформаций. Все установки для определения чувствительности или функции преобразования должны быть аттестованы в соответствии со схемой, приведенной в государственном стандарте.

-25-

Характерной особенностью измерений деформаций в экспериментальных условиях является применение привариваемых тензорезисторов. Для градуировки таких тензорезисторов используют установки с балкой постоянного сечения, размеры которой обеспечивают незначительные увеличения жесткости балки



при установке тензорезисторов и расстояния чувствительного элемента от нейтральной оси [З]. Примером является установка СТТ-40 (рис.11). Это устройство имеет градуировочную балку 1 толщиной 50 мм, длина ее рабочего участка 1 м. Балка 1 установлена на неподвижных опорах 2. Нагружение балки осуществляется электродвигателем 3

Рис. 11. Установка СТТ-40 для градуировки тензодатчиков

-26-
через коробку передач 4, шток 5 и подвижную траверсу б с нагружающими роликами 7. Реверсивный электродвигатель 3 и с -

двоенные нагружающие и опорные ролики позволяют осуществляв знакопеременное нагружение одних и тех же тензорезисторов.

Шток 5 соединяется с подвижной траверсой 6 через двусторонний шаровой шарнир 8, обеспечивающий равномерную передачу усилий на оба конца балки. Прогиб измеряют прогибометром (базой 630мм) с растровым индикатором. Отличительной особенностью установки типа УТ-66 для определена функции влияния температуры на чувствительность и ползучести при повышенных

температурах является нагрев балки непосредственным пропусканием через неё электрического тока промышленной частоты.

Градуировочная балка 1 (рис.12) сечением 6 х 14 мм установлена на неподвижных опорах 2 из электроизоляционного материала.

Усилие при вращении маховичка 3 передается птоком 4 через

призму 5 на траверсу б, которая в свою очередь передает нагрузку

через призмы 7,тяги 8 и нагружающие ролики 9 равномерно на оба

конца балки.

Связь между углом поворота нагружающего маховичка 3 и прогибом в центре балки является линейной, поэтому нагружение

-27-

Рис.12. Установка УТ-66 для градуировки тензодатчиков


тензорезисторов до требуемой деформации осуществляется по шкале лимба 10, прикрепленного к маховичку 3, т.е. без помощи индикатора, причем деления лимба устанавливаются одинаковыми как при нормальной, так и при повышенных температурах.

Выравнивание температуры по длине балки достигается подбором сечения токопроводящих шин 12 с учетом электрических и тепловых характеристик материалов шин и балки. Отклонения температур на рабочей длине балки не превышает 3° С°. При определении функции влияния температуры и ползучести,

-28-

поддержание постоянной температуры осуществляется с помощью высокоточного регулятора температуры 11 типа ВРТ-3.



Систематическая погрешность воспроизведения деформации

обуславливается лишь увеличением толщины балки при нагреве и устраняется внесением соответствующей поправки.

Случайная предельная погрешность не превышает одного деления шкалы лимба, соответствующего деформации 1,7 млн-1.

2. Экспериментальная установка

2.1 Структурная схема экспериментальной установки.

Экспериментальная установка состоит из двух основных частей: механической (включающей в себя балку равной деформации и образцовые грузы, рис.13.1), электрической (включающей измерительный блок на основе микросборки М2УТТМ1791, рис.13.2 ), а также вольтметра и блока питания.

Деформация балки, создаваемая при помощи грузов, регистрируется установленными на ней тензодатчиками. Сигнал с тензодатчиков поступает на измерительный блок, где усиливается в К раз. Усиленный сигнал поступает с измерительного блока на вольтметр ( рис.16, точка подключения d ), по величине регистри

-29-


руемого вольтметром напряжения. судят об относительном изменении сопротивления R/R .

Рис.13.1. Лабораторная измерительная установка

для градуировки тензодатчиков


  1. Балка равной деформации.

  1. Устройство крепления.

  1. Тензопреобразователи.

  1. Измерительный блок.

  1. Образцовые грузы.

  1. Вольтметр (на рисунке не показан).

-30-

Рис.13.2. Электрическая схема экспериментальной установки.


-31-

2.2. Расчет механической части установки.

В данной установке для исследования статических характеристик тензодатчиков применяется балка равной деформации (рис. 14).



Рис.14. Тензобалка
Деформация в процессе исследования задается при помощи мерных грузов 5 (рис.13), вес которых выбран равным 2, 4, 6, 8, 10 кг-с. Для того чтобы исследовать статическую характеристику тензодатчика (зависимость R/R от ) необходимо получить ряд значений , линейно связанных с массой грузов. Для этого необходимо провести следующие расчеты:

-32-


= F L (E W) , где

F - вес груза, L - рабочая длина балки, E - модуль упругости балки,

W = bh2 6 - момент сопротивления балки,

b - ширина балки в месте крепления, h - толщина балки.

Результирующая формула имеет вид:

= 6 F L ( E b h 2 ) (1)

При выбранных для лабораторной установки значениях

h =8 мм, b = 100 мм, L = 520 мм,

E =7200 кг с/мм2, F = 2, 4, 6, 8, 10, 12 ( кгс)

используя формулу (1), получаем следующую таблицу :

Таблица 1.



Вес грузов, кг с.

Деформация ,  %.

2

0,0135

4

0,0277

6

0,0406

8

0,0542

10

0,0677

12

0,0812

-33-

2.3. Расчет электрической части установки.


  1. Расчет тока тензорезистора.

1.Для того чтобы мощность, выделяемая на микросборке М2УПМ1791, не превышала максимального допустимого значения требуется, чтобы Iтензомоста  20 мА..

2. Выбранное напряжение питания тензомоста равно 2,5 В.

3.Рассчитываем ток тензомоста по формуле:

Iтензомоста = Uпит Rсум

Rcyм- суммарное сопротивление моста ( рис. 15).

Рис.15. Схема включения тензодатчика

Суммарное сопротивление моста рассчитывается по формуле:

Rсум = (RT1+RT2)(R1+R2)(Rт1+Rт2+ R1+R2),

-34-
при Rт1=Rт2= R1=R2 =100 Ом, Rсум = 100 Ом, получим значение : Iтенззомоета = 2,5/100 =25 мА

Так как ток тензомоста превышает максимальное допустимое значение, вместо постоянных резисторов R1,R2 с номинальным сопротивлением 100 Ом включены резисторы с номинальным сопротивлением 200 Ом ( рис. 16.). Вместо одного тензорезистора в каждом плече включены два последовательно соединенных тензорезистора с номинальным сопротивлением Rсум = 200 Ом.

Iтензомоста.= 2,5/200 =12,5 мА


  1. Расчет относительного изменения сопротивления по показаниям вольтметра. Произведем расчет относительного изменения сопротивления на примере тензорезистора RÒ1.

Сигнал с выхода тензомоста усиливается в К-раз схемой на основе нормирующего преобразователя М2УПМ1791 ( рис. 16.), напряжение на выходе схемы (Uпок.в.) измеряется вольтметром, его можно оценить по выражению:

Uпок.в.= Uвых.тенз.K ,

или


Uпок.в.=. K(U ((Rтр1+Rò1)/ (Rтр1+Rт1+ Rт2+Rт3с) - UR1/(R1+R2)),

Rтр1 - исследуемый на растяжение тензорезистор,

-35-
Rт1, Rт2 - тензорезисторы, предназначенные для задания рабочего тока тензомоста ( не подвергаются деформции).



R1,R2 - постоянные резисторы,

Rт3с - компенсационный тензорезистрор.

При отсутствии деформации напряжение, регистрируемое

вольтметром равно нулю ( = 0, Rтр1+Rт1=Rт2+Rт3с=R1+R2 = 200Ом). Если исследуемый тензорезистор подвергается деформации растяжения, то его сопротивление рассчитывается по формуле:

Rтр1 = R +R , где

R - номинальное сопротивление тензорезистора, равное 100 Ом.

R - относительное изменение сопротивления.

Сопротивление компенсационного тензорезистора, подвергающегося деформации сжатия определяется по формуле:

Rт3с = R -R .

Таким образом, напряжение, на входе вольтметра будет равно:



Uпок.в.=.K(U((R+R+R)/(R+R+R+R+R-R)-2R/(2R+2R))=

=KU R/4R,

следовательно: R/R= Uпок.в .4/(KU). (2)

-36-

2.4. Основные настройки электрической схемы экспериментальной установки.

Принципиальная электрическая схема экспериментальной установки показана на рис. 16, а механическая часть показана на рисунке 13.1. Перед использованием установки для исследования характеристик тензо датчиков необходимо произвести настройку рабочего режима схемы. Необходимо выполнить следующие операции.

1. Снять грузы 5 с балки 1, (рис 13).

2. Установить переключатель SA1(рис.1б) в положение, соответствующее коэффициенту усиления " 200 ".

3. Установить в точке а (рис.1б) с помощью подстроечного резистора R13 напряжение Uстаб.=10 В.


  1. Установить в разрыве между точками b и c ток Iстаб.=10 мА с помощью подстроечного резистора R14.

  1. Произвести настройку Iстаб и Uстаб несколько (3-5)раз, повторив пункты 3 и 4.

  1. Установить с помощью резистора R4 нулевое показание вольтметра.

-37-

-38-


  1. Нагрузить балку до максимального значения, равного 12 кГс.

  1. С помощью резистора R3 ( рис.16.) добиться минимального показания вольтметра, тем самым выключив режим плавной установки коэффициента усиления.

Примечание: При включении схемы загорается светодиод HL (сигнализация зашиты), необходимо его погасить, нажав кнопку S1 несколько раз.

2.5. Структурная схема нормирующего преобразователя.

Структурная схема нормирующего преобразователя приведена на рис.17. Питание датчиков перемещения ( тензомост ) осуществляется от усилителей мощности УМ1 и УМ2, работающих в режиме повторителей напряжения. Каждая пара проводов, подключенная к вершинам диагонали питания тензомоста, работающих в режиме повторителей напряжения. Каждая пара проводов, подключенная к вершинам диагонали питания

тензомоста, образует цепь глубокой отрицательной обратной связи соответствующего усилителя мощности, поэтому сопротивления проводов (и их изменения) и контактов разъемов, включенных в эти цепи, не влияют на результат измерения.
-39-

Рис.17. Структурная схема нормирующего преобразователя.

-40-

Поскольку длина линий связи с датчиками может достигать 150м, то в схеме предусмотрен анализатор аварийных ситуаций в линии связи. Короткие замыкания проводов между собой или на общую шину, обрывы проводов, а также любые комбинации межд^ собой этих аварийных ситуаций приводят к обесточиванию усилителей мощности и выдаче аварийного сигнала ТТЛ уровня. Входные сигналы усилителей мощности являются последовательностями разнополярных импульсов, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°. Сигнал с измерительной диагонали тензомоста подается через коммутатор 1 на вход прецизионного измерительного усилителя. Далее сигнал дополнительно усиливается масштабирующим усилителем с управляемым коэффициентом усиления. Усиленный сигнал подвергается амплитудной демодуляции с весовым суммированием отдельных выборок сигнала в устройстве выборки-хранения (УВХ) , после чего сигнал ограничивается по частоте, проходя фильтр нижних частот. Импульсные последовательности через коммутатор 2 попадают на устройство балансировки начального небаланса тензомоста или на вход прецизионного делителя (построенного на основе сетки сопротивлений R-2R), вход которого подключен к коммутатору 1. Управляя коммутатором 1, можно подавать на вход



-41-

инструментального усилителя калибровочный (тестовый) сигнал и производить оценку работоспособности всего тракта усиления.


2.5.1.Основные характеристики нормирующего преобразователя.

Таблица 2.



1.

Основная приведенная погрешность

при 20°С и коэффициенте усиления 2000, %.




0,02

2.

Амплитуда импульсов питания тензомоста, В.

20; 10; 5; 2,5

3.

Коэффициент усиления.

2000; 1000; 400; 200

4.

Температурная погрешность, %.

0,02 на 10 °С (-10°С -+70°С)

5.

Подавление шума, дБ.

120

Режимы работы.

1. С внутренним генератором импульсов (внешний только кварцевый резонатор).

2. С внешним генератором импульсов, когда используется генератор другой схемы.

3. С внутренним источником опорного напряжения ( внешний только стабилитрон 2С191Ф).

4. С внешним опорным напряжением, например, от другой схемы.

-42-
5. Рабочий режим работы (работа идет с тензомостом и работает схема балансировка).


  1. Тестовый режим работы. В зависимости от состояния коммутаторов 1 и 2 может быть:

  1. Датчик отключен коммутатором 1, вместо него подключен тестовый сигнал с делителя R-2R, «баланс 0» отключен коммутатором 2.. В этом режиме тестируется усиление канала

  2. Датчик отключен, вход коммутатора 1 заземлен. Коммутатор 2 включает «баланс 0» и отключает делитель R-2R. В этом режиме тестируется балансировка моста.

2.6. Методика проведения эксперимента.
Экспериментальные исследования решают следующие задачи.

  1. Построение зависимости относительного изменения сопротивления тензодатчиков от деформации (растяжения, сжатия).

  1. Определение коэффициента чувствительности тензодатчиков.

  1. Определение погрешности измерения.

Все исследования проводятся для двух режимов деформации: растяжения и сжатия.

-43-

2.6.1 Исследование тензодатчиков на растяжение.

1.1. Установить переключатель HL ( рис. 16.) в положение RтрN (для первого опыта в положение Rтр1).

1.2. Включить экспериментальную установку.

1.3. Произвести сброс схемы защиты кнопкой S1 (светодиод VD1 должен быть погашен).

1.4. Произвести несколько нагружений балки 1 ( рис. 13.) до максим значения (12кГс), обеспечив тем самым уменьшение влияния гистерезиса на характеристику тензопреобразователя.

1.5. Снять груз и вычислить по показаниям вольтметра, относительное изменение R/R сопротивления тензорезистора, пользуясь формулой (2).

1.6. Значение расчетной деформации взять из табл.1.

1.7. Нагрузить балку до 4, 6, 8, 10, 12кГс. Соответствующие значения деформации взять из таблицы 1. После каждого нагружения рассчитать относительное изменение сопротивления тензодатчика, пользуясь формулой (2) и показанием вольтметра.


  1. Повторить п.1,1., п.1.5.-п.1.7. для исследования тензорезисторов

Rтр1-Rтр5.

-44-


1.9. Для каждого нагружения, по полученным значениям относительного изменения сопротивления тензорезисторов Rтр1-Rтр5 вычислить среднее значение отношения R/R.

1.10. Построить зависимость относительного изменения сопротивления тензорезистора от деформации.

1.11. По полученной зависимости найти функцию преобразования относительного изменения сопротивления тензорезистора от деформации, в виде полинома:

R/R =A1+A22+A33+A44+A55 .



2.6.2. Определение коэффициента чувствительности тензопреобразователей.

Чувствительность схемы определяется по формуле:



S = Sтп.Sм.u , где

Sтп - чувствительность тензопреобразователя;

Sм.u-чувствительность мостовой схемы тензодатчика по напряжеию.

Sм.u =U/4=2,5/4=0,625 (В) .

Следовательно: Sтп =. S /Sм.U = 1,6S.


-45-
2.1. По средним значениям относительного изменения сопротивлений для каждого значения деформации, полученных в пункте 1.9, найти чувствительность схемы по формуле:



S =(R/R) /  .

2.2. Вычислить среднее значение чувствительности по полученным в п. 2.1. данным.

2.3. Вычислить значение чувствительности тензопреобразователя по формуле: Sтп = 1,6 Sср

2.6.3.Определение погрешности измерения.


3.1. По значению относительного изменения сопротивления тензорезистора (пункт1.9), соответствующему максимальному нагружению балки (12кГс), и значению чувствительности тензопреобразователя (пункт 2.3) найти измеренное значение деформации по формуле:

измер= Sтп/(1,6 R/R)

3.2. Зная расчетное значение деформации (пункт1) оценить относительную погрешность результата измерения деформации

-46-
по формуле:  = (измер -расч.)/расч. .



Исследование тензодатчиков на сжатие.

Для исследования тезодатчиков на сжатие (Rтс1- Rтс5) повторить пункты 1 -3 разделов 2.6.1.-2.6.3.



Примечание: при исследовании тензодатчжов на сжатие необходимо учитывать, что показания вольтметра и значения

деформации будут отрицательными.

Список литературы.





  1. М. Л. Дайчик, Н. И. Пригоровский., Г. X. Хуршудов. Методы и средства натурной тензометрии.-М.: Машиностроение, 1989.

  1. К. Финк., X. Рорбах. Измерение напряжений и деформаций.-М.: Машиностроение, 1961.

  1. А. Л. Поляков, О. Б. Людмирская. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. -М.: ВНИИНМАШ, 1981.

-47-



  1. А. Л. Поляков., О. Б. Людмирская. Методы и средства поверки испытательного оборудования.-М.: ВНИИНМАШ, 1981 .

  1. Н.Н. Евтихеев и др. Измерение электрических и неэлектрических величин.-М.: Энергоатомиздат, 1990 .

  1. С.П. Гончаров, В. В. Киценко., А. И. Маргулис.-Измерение напряжений и усилий.- М.: Машиностроение, 1955.



страница 1


Смотрите также:





     

скачать файл




 



 

 
 

 

 
   E-mail:
   © zaeto.ru, 2018