Spriegojuma mērītāji ir ierīces, kas pārvērš izmērīto cieta ķermeņa elastīgo deformāciju elektriskā signālā. Tas notiek sensora vadītāja pretestības izmaiņu dēļ, kad tā ģeometriskie izmēri mainās no spriedzes vai saspiešanas.
Spriegojuma mērītājs: darbības princips
Ierīces galvenais elements ir deformācijas mērītājs, kas uzstādīts uz elastīgas konstrukcijas. Tenzijas mērītājus kalibrē, pakāpeniski noslogojot ar noteiktu pieaugošu spēku un mērot elektriskās pretestības lielumu. Pēc tam, to mainot, varēs noteikt pieliktās nezināmās slodzes un tai proporcionālās deformācijas vērtības.
Atkarībā no sensoru veida varat izmērīt:
- spēks;
- spiediens;
- pārvietot;
- griezes moments;
- paātrinājums.
Pat ar vissarežģītāko struktūras ielādes shēmu, darbība uzdeformācijas mērītājs tiek samazināts līdz tā režģa izstiepšanai vai saspiešanai gar garu posmu, ko sauc par pamatni.
Kuri deformācijas mērītāji tiek izmantoti
Visizplatītākie tenzometru veidi ar aktīvās pretestības izmaiņām mehāniskās iedarbības ietekmē - tenzometri.
Vadu stiepes mērītāji
Vienkāršākais piemērs ir taisns tievas stieples gabals, kas ir piestiprināts pie pētāmās daļas. Tā pretestība ir: r=pL/s, kur p ir pretestība, L ir garums, s ir šķērsgriezuma laukums.
Kopā ar detaļu līmētā stieple ir elastīgi deformēta. Tajā pašā laikā mainās tā ģeometriskie izmēri. Saspiežot, vadītāja šķērsgriezums palielinās, un, izstiepjot, tas samazinās. Tāpēc pretestības izmaiņas maina zīmi atkarībā no deformācijas virziena. Raksturojums ir lineārs.
Tiepes mērītāja zemā jutība izraisīja nepieciešamību palielināt stieples garumu nelielā mērījumu zonā. Lai to izdarītu, tas ir izgatavots stieples spirāles (režģa) veidā, kas abās pusēs ir pielīmēts ar izolācijas plāksnēm no lakas vai papīra plēves. Lai izveidotu savienojumu ar elektrisko ķēdi, ierīce ir aprīkota ar diviem vara vadiem. Tie ir piemetināti vai pielodēti pie tinuma stieples galiem un ir pietiekami izturīgi, lai savienotos ar elektrisko ķēdi. Tenzijas mērītājs ir piestiprināts pie elastīgā elementa vai pārbaudāmās daļas ar līmi.
Vadu slodzes elementiem ir šādas priekšrocības:
- vienkāršs dizains;
- lineāra atkarība no deformācijas;
- mazs izmērs;
- zema cena.
Trūkumi ir zema jutība, apkārtējās temperatūras ietekme, nepieciešamība aizsargāt pret mitrumu, izmantot tikai elastīgo deformāciju zonā.
Vads deformēsies, ja līmvielas saķeres spēks ar to ievērojami pārsniedz spēku, kas nepieciešams, lai to izstieptu. Savienojuma virsmas attiecībai pret šķērsgriezuma laukumu jābūt 160 pret 200, kas atbilst tās diametram 0,02-0,025 mm. To var palielināt līdz 0,05 mm. Tad, normālas deformācijas mērītāja darbības laikā, līmējošais slānis netiks iznīcināts. Turklāt sensors labi darbojas saspiešanas gadījumā, jo stiepļu pavedieni ir neatņemami kopā ar līmplēvi un daļu.
Folijas slodzes šūnas
Folijas slodzes elementa parametri un darbības princips ir tādi paši kā stieples parametri un darbības princips. Vienīgais materiāls ir nihroma, konstantāna vai titāna-alumīnija folija. Fotolitogrāfijas ražošanas tehnoloģija ļauj iegūt sarežģītu režģa konfigurāciju un automatizēt procesu.
Salīdzinājumā ar stieples tenzometriem, folijas tenzometri ir jutīgāki, pārvada lielāku strāvu, labāk pārvada deformāciju, tiem ir spēcīgāki vadi un sarežģītāks modelis.
Pusvadītāju slodzes šūnas
Sensoru jutība ir aptuveni 100 reižu lielāka nekā vadu, kas ļauj tos bieži izmantot bez pastiprinātājiem. Trūkumi ir trauslums, liela atkarība no apkārtējās vides temperatūras un ievērojamaparametru izplatība.
Spriegojuma mērītāja specifikācijas
- Bāze - režģa vadītāja garums (0,2-150 mm).
- Nominālā pretestība R - aktīvā pretestības vērtība (10-1000 omi).
- Darba avota strāva Ip - strāva, pie kuras deformācijas mērītājs manāmi nesasilst. Pārkarstot, mainās sensora elementa, pamatnes un līmējošā slāņa materiālu īpašības, izkropļojot rādījumus.
- Deformācijas koeficients: s=(∆R/R)/(∆L/L), kur R un L ir attiecīgi elektriskā pretestība un nenoslogota sensora garums; ∆R un ∆L - pretestības un deformācijas izmaiņas no ārēja spēka. Dažādiem materiāliem tas var būt pozitīvs (R palielinās līdz ar spriegumu) un negatīvs (R palielinās līdz ar saspiešanu). S vērtība dažādiem metāliem svārstās no -12,6 līdz +6.
Shēmas deformācijas mērītāju ieslēgšanai
Lai izmērītu mazus elektriskos signālus, vislabākais variants ir tilta savienojums, kura centrā ir voltmetrs. Vienkāršākais piemērs būtu deformācijas mērītājs, kura ķēde ir salikta pēc elektriskā tilta principa, vienā no svirām tas ir savienots. Tā izlādētā pretestība būs tāda pati kā pārējiem rezistoriem. Šādā gadījumā ierīce rādīs nulles spriegumu.
Spriegojuma mērītāja darbības princips ir palielināt vai samazināt tā pretestības vērtību atkarībā no tā, vai spēki ir spiedes vai stiepes.
Spriegojuma mērītāja temperatūrai ir būtiska ietekme uz rādījumu precizitāti. Ja līdzīga deformācijas pretestība ir iekļauta tilta otrajā atzarā, kas netiks noslogota, tā veiks termisko efektu kompensācijas funkciju.
Mērīšanas ķēdē jāņem vērā arī rezistoram pievienoto vadu elektriskās pretestības vērtības. To ietekme tiek samazināta, pievienojot vēl vienu vadu, kas savienots ar vienu no deformācijas mērītāja un voltmetra tapām.
Ja abi sensori ir pielīmēti uz elastīgā elementa tā, ka to slodzes atšķiras pēc zīmes, signāls tiks pastiprināts 2 reizes. Ja ķēdē ir četri sensori ar slodzēm, kas norādītas ar bultiņām iepriekš redzamajā diagrammā, jutība ievērojami palielināsies. Izmantojot šo stieples vai folijas deformācijas mērītāju savienojumu, parasts mikroampermetrs rādīs rādījumus bez elektriskā signāla pastiprinātāja. Ir svarīgi precīzi atlasīt pretestības vērtības, izmantojot multimetru, lai tās būtu vienādas viena ar otru katrā elektriskā tilta plecā.
Spriegojuma mērītāju pielietojums inženierzinātnēs
- Svaru konstrukcijas daļa: sverot elastīgi deformējas sensora korpuss, un līdz ar to tam pielīmētie tenzometri, kas savienoti ķēdē. Elektriskais signāls tiek pārraidīts uz skaitītāju.
- Ēku konstrukciju un inženierbūvju sprieguma-deformācijas stāvokļa uzraudzība to būvniecības un ekspluatācijas procesā.
- Tiepes mērītāji deformācijas spēku mērīšanai apstrādes laikāmetāla spiediens velmētavās un štancēšanas presēs.
- Augstas temperatūras sensori tēraudam un citām nozarēm.
- Mērīšanas sensori ar nerūsējošā tērauda elastīgo elementu darbam ķīmiski agresīvā vidē.
Standarta deformācijas mērītāji ir izgatavoti kā paplāksnes, kolonnas, vienkāršas vai divpusējas sijas, S-veida. Visām konstrukcijām ir svarīgi, lai spēks tiktu pielikts vienā virzienā: no augšas uz leju vai otrādi. Smagos ekspluatācijas apstākļos īpašas konstrukcijas ļauj novērst parazītu spēku darbību. To cenas lielā mērā ir atkarīgas no tā.
Spriegojuma mērītājiem cena svārstās no simtiem rubļu līdz simtiem tūkstošu. Daudz kas ir atkarīgs no ražotāja, dizaina, materiāliem, ražošanas tehnoloģijas, izmērīto parametru vērtībām, papildu elektroniskā aprīkojuma. Lielākoties tās ir dažāda veida svaru sastāvdaļas.
Secinājums
Visu deformācijas mērītāju darbības princips ir balstīts uz elastīgā elementa deformācijas pārveidošanu elektriskajā signālā. Dažādiem nolūkiem ir dažādi sensoru dizaini. Izvēloties deformācijas mērītājus, ir svarīgi noteikt, vai ķēdēm ir kompensācija temperatūras rādījumu kropļošanai un parazitārai mehāniskai ietekmei.
