Методические указания к лабораторной работе измерение усилий и деформаций с использованием тензорезисторных преобразователей (стр. 2 из 5)
С целью уменьшения влияния изменения температуры окружающей среды на чувствительность мостовой схемы довольно часто в качестве пассивных плеч мостовой схемы R3 и R4 также используются тензорезисторы, расположенные на объекте измерения или рядом с ним, но не воспринимающие измеряемых упругих деформаций.
В инженерной практике выходной сигнал с диагонали неравновесного моста подается на вход электронного усилителя, а затем на измерительный прибор или регистратор, в качестве которого может быть использован электромеханический светолучевой осциллограф.
На структурной схеме (рис.3) представлены возможные варианты использования выходного сигнала мостовой измерительной схемы с двумя тензорезисторами, включенными в плечи моста по дифференциальной схеме.
Под действием измеряемого усилия деформируется упругий чувствительный элемент, в качестве которого в данной лабораторной работе используется балка равного сопротивления, в других же случаях это может быть деталь любой формы, на поверхность которой наклеиваются тензорезисторы.
Рис.З.Структурная схема тензометрического измерительного устройства.
УС - электронный усилитель (усилитель постоянного тока), ЦВ - цифровой вольтметр, ЦПУ - цифропечатающее устройство, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ЭВМ - электронно-вычислительная машина, ЭВ - электронный вольтметр аналогового типа, ЭМО - электромеханический светолучевой осциллограф
Выходной сигнал мостовой неуравновешенной схемы подается на вход электродного усилителя УС с постоянным и известным коэффициентом усиления.
Выходное напряжение неравновесного моста при условии, что в состоянии равновесия сопротивления всех плеч равны R0, а напряжение источника питания E=const , определяется выражением
(8)где RН - сопротивление нагрузки на выходе мостовой схемы, т.е. входное сопротивлений УС;
относительное изменение сопротивления каждого из тензометров.Для подавляющего большинства усилителей постоянного тока можно принять, что их входное сопротивление RН>>R0 тогда на основании предыдущего выражения имеем
т.е. между измеряемой деформацией (усилием), вызывающей изменение сопротивления тензорезисторов со значения R0=R1=R2 до значений R0±DR, и выходным напряжением мостовой схемы существует практически линейная зависимость.Выходной сигнал усилителя UВЫХ (рис.3), имеющего коэффициент усиления по напряжению КУ будет равен
(10)и в зависимости от требуемой формы представления результата измерения может быть подан на вход различных измерительных и преобразующих устройств.
Для представления результата измерения в цифровой форме UВЫХ измеряется цифровым вольтметром ЦВ (рис.3), выход которого может быть подсоединен к самостоятельному цифропечатающему устройству ЦПУ с целью обеспечения документальной регистрации результатов измерения.
В том случае, если выходную информацию необходимо обрабатывать по заданному алгоритму, UВЫХ подается на аналого-цифровой преобразователь АЦП (рис.3), с выхода которого информативный сигнал в виде кода подается на ЭВМ. Обработанные результаты эксперимента выводятся на цифропечатающее устройство ЦПУ.
Выходное напряжение усилителя может быть измерено аналоговым электронным вольтметром ЭВ.
В инженерной практике чаще всего UВЫХфиксируется на фотобумаге или кинопленке посредством электромеханического светолучевого осциллографа ЭМО.
При всем многообразии задач, решаемых с помощью тензорезисторов, можно выделить две основные области их применения.
Первая область - применение тензорезисторов для измерения механических величин (сил, перемещений, давлений), преобразуемых в деформацию упругого элемента, величина которой измеряется с помощью тензорезисторов.
В этом случае имеется возможность индивидуальной градуировки тензорезистивного преобразователя, на основе которой строится его градуировочная характеристика. Текущее значение измеряемой величины определяется с использованием градуировочной характеристики. Погрешности измерений лежат в диапазоне 0,05% - 0,5%.
Вторая область применения - исследование деформаций и механических напряжений в деталях и элементах конструкций. Например, в различных точках тонкой оболочки, подвергаемой сложным нагружениям. Примером такой оболочки может служить фюзеляж современного самолета или корпус современной вакуумной установки. Для решения этих задач характерны значительное число точек тензометрирования (до сотен и даже тысяч), широкие диапазоны изменения измеряемых деформаций или напряжений и отсутствие возможности градуировки измерительных каналов. В связи с последним обстоятельством всем тензометрам приписывается осредненная градуировочная характеристика. Основной причиной погрешности в этих случаях является разброс значений сопротивлений конкретных экземпляров тензорезисторов R1, R2 и значений коэффициентов тензочувствительности КТ относительно средних для данной партии значений. В связи с этим суммарная погрешность измерений составляет 2 – 10%.Тензорезисторы применяются для измерения как статических, так и динамических деформаций. Верхняя граница частотного диапазона определяется соотношением между базой тензометра l и длиной волны l упругой деформации в материале исследуемого элемента. Эnо соотношение рекомендуется поддерживать в пределах l/l£0,1 Практически частота регистрируемых процессов может лежать в диапазоне 0 - 100 кГц.
3.Оборудование, используемое при выполнении лабораторной работы.
Рис.4. Структурная схема тензометрической установки для измерения усилий.
Р - измеряемое усилие (вес); УПП - упругий первичный преобразователь силы Р в величину упругой деформации; ТП - тензорезисторный преобразователь величины упругой деформации в соответствующее значение приращений активного сопротивления тензорезисторов; ИМС - измерительная мостовая схема; DU - выходное напряжение с диагонали И.МС; ИП - стабилизированный источник питания; УС - электронный усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления КУ, ЦВ1 и ЦВ2 – электронные цифровые вольтметры; ДК - делитель напряжения, используемый для определения значения коэффициента усиления усилителя УС.Первичный преобразователь УПП в рассматриваемой установке выполнен в виде консольной балки 1 равного сопротивления изгибу (рис.5). Балка равного сопротивления 1 имеет постоянную толщину и вид равнобедренного треугольника в плане. При приложении измеряемого усилия Р к свободному концу балки путем навески грузов 2 на шток 7 последняя прогибается. При этом характерной особенностью балки равного сопротивления является постоянство величины напряжения растяжения и сжатия в ее наружных слоях по всей длине балки независимо от координаты X, т.е. при определенной силе Р в пределах 0< Х £ l величина напряжений в наружных слоях балки будет постоянной, что можно записать в виде 8.2
(11)