Тензометрия – что это в медицине, метод измерения деформаций

Содержание

Тензометрический метод

Неприемлем данный метод при регистрации нагрузок неустановившихся, динамичных режимов ПТМ.

Визуальный метод.

Методы измерения нагрузок

Расчетным путем точная оценка нагрузок затруднена из-за сложного характера нагруженности ПТ и ДСМ.

Экспериментальное получение достоверной информации в условиях эксплуатации пока еще остается более эффективным способом.

Методы экспериментального определения нагрузок:

Наиболее простой, регистрирует значение самой нагрузки по стрелочным приборам (например, масса поднимаемого груза).

Результаты измерений удовлетворительны при следующих условиях:

– плавное изменение нагрузок (например при установившейся работе машин непрерывного транспорта).

Более универсальный метод исследования нагруженности машин, обеспечивающий непрерывную запись напряженного состояния отдельных элементов механизмов и металлоконструкций.

Тензометрические датчики (коротко – тензодатчики) позволяют регистрировать процессы изменения нагрузок (механические напряжения, деформации, вибра­ции и т.д.), как дискретных и медленных процессов, так и протекающих с большими скоростями и частотами.

Тензодатчики (их называют месдозы) состоят из:

– корпуса с деформируемым элементом;

– тензорезистора, наклеенного на деформируемый элемент.

ИНФОРМАЦИЯ: Месдоза (реже «мессдоза», от нем. Meßdose – дословно «измерительная банка») вид динамометра, силоизмерительное устройство, как правило, основанное на использовании тензометрических или манометрических датчиков.

Тензорезистор – резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Он является основной составной частью тензодатчиков.

Решетка проволочного тензорезистора может состоять из параллельных петель «а», витков плоской катушки «б», параллельных нитей с перемычками из более толстого провода «с». Материал – проволока или фольга.

Диаметр провода решетки 0,015—0,05 мм, минимальная база датчика S = 2 мм, предел измеряемых деформаций 1%, номинальное сопротивление 50—1000 Ом.

Решетки проволочных тензодатчиков: а – петлевая; б – витковая; в – с перемычками.S – база датчика; 1 – решетка датчика; 2 – выводные проводники, 3 – перемычки

Примеры фольгового тензорезистора (в н.вр. используется наиболее широко):

Тензорезистор

Пример устройства месдозы RT:

Тензодатчик серии RT, делается из специального

алюминиевого сплава и для увеличения

устойчивости в промышленных условиях и защиты

от коррозии покрывается анодированным слоем,

реагирует на “сжатие” или “сжатие и растяжение”

по методу “балка изгиба”.

В основном используется в упаковочных машинах,

Деформируемый элемент

магазинных весах, платформенных весах и

Корпус

в конвейерном взвешивании.

Производится в максимально допустимых нагрузках:

Примеры использования:

А. Вагонные весы – производят взвешивание вагона в покое или в движении за один раз – целиком, или потележечно, или поосно:

В.Автомобильные весы – переход от рычажных к электронным:

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Сдача сессии и защита диплома – страшная бессонница, которая потом кажется страшным сном. 8815 – | 7170 – или читать все.

95.47.253.53 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Резистивный тензометр

Резистивные тензометры представляют популярную группу универсальных приборов для контроля растяжения или сжатия контролируемого изделия. В качестве чувствительного элемента в тензометрах этого типа используются тензорезисторы. Принцип действия тензорезистора базируется на изменении электрического сопротивления при деформации его вместе с изделием. Он представляет собой отрезок тонкой проволоки, уложенный змейкой на изоляционной основе. Для увеличения чувствительности в тензометрах используют по несколько тензорезисторов, включаемых по мостовой схеме.

Как и в механическом тензометре, во всех электрических тензометрах измеряется изменение базового расстояния. Тензодатчики встраиваются в конструкцию элементов тензометра воспринимающих воздействие деформирующих сил. Одна из конструкций тензометра, широко применяемая в строительстве и горном деле при заливке бетона, приведена на рис. 2.

Рис.2. Тензометр в исходном состоянии (а) и при действии растягивающих усилий (б).

Конструктивно тензометр состоит из мостовой схемы с тензорезисторами в ее плечах. Элементы схемы расположены внутри полого стержня 1 с базой равной расстоянию между силовоспринимающими фланцами 2 и 3 (рис. 2а) Внешние растягивающие силы внутри бетонной конструкции, воздействуя на фланцы, удлиняют стержень. Удлинение равно расстоянию перемещения фланца из положения 2 в положение 4 (рис. 2б). При этом изменяется сопротивление плеч моста и информация по кабелю 5 передается на средства обработки данных.

Преимуществом резистивных тензометров является простота изготовления, высокая точность при низкой стоемости. Недостатком же является изменение начального коэффициента передачи и рабочего коэффициента передачи при изменении температуры.

Струнные тензометры

Чувствительным элементом струнного тензометра служит отрезок стальной проволоки, закрепленной внутри трубки к ограничивающим торцы крепежными блоками. Принцип работы тензометра заключается в наличии зависимости частоты колебаний проволоки (струны) от ее натяжения.

Устанавливается датчик на поверхности контролируемого изделия путем приварки шаблона, с помощью болтовых соединений или клея. Датчик является изделием многоразового использования. Съем информации с помощью кабеля.

Емкостные тензометры

В емкостных тензометрах роль чувствительного элемента выполняет конденсатор переменной емкости. Принцип работы этого вида тензометров основан на зависимости емкости конденсатора от величины зазора между его пластинами.

На рис.3 представлен один из возможных вариантов емкостного тензометра.

Рис. 3. Схема устройства емкостного тензометра.

Тензометр крепится на объекте контроля 1 посредством точечной сварки 2. Измерительный конденсатор 3 закреплен на ветвях силоизмерительной рамки 4, воспринимающей растяжение или сжатие объекта. Таким образом величина зазора однозначно связана с величиной деформирующей силы. Следует отметить, что эта зависимость носит нелинейный характер.

Индуктивные тензометры

В настоящее время выпускаются индуктивные тензометры двух видов. Первый – это тензометры с опорными призмами и регулируемой базой. Второй – с ножевыми опорами для работы с изделиями стержневого вида. В обеих чувствительным элементом служит катушка индуктивности с подвижным сердечником.

Катушка индуктивности закрепляется неподвижно на объекте. Подвижный сердечник соединен с ним через подвижную призму или нож и изменяет свое положение под воздействием деформирующей силы. Это перемещение приводит к изменению индуктивности или взаимоиндуктивности катушки. Зависимость электрических параметров катушки индуктивности от положения ее подвижного элемента положено в основу работы тензометров этого типа.

оптические тензометры отличаются от механических тем, что вращательное движение второй призмы приводит к изменению положения приклеенного небольшого зеркала – изменению положения светового пятна от отраженного луча на шкале. На этом принципе основаны тензометры Мартенса, Берга и др. Увеличение измеряемой величины иногда достигает нескольких сотен или тысяч раз. Оптические тензометры могут быть изготовлены с большей чувствительностью, чем механические. Их база измерений может быть уменьшена до 2 мм при точности измерений 10 мм. Конечно, при этом используются микроскопы либо специальные системы линз и зеркал. В некоторых приборах такого типа увеличение достигает 10 тыс. раз.

Схема оптического тензометра с фотодиодом: Рычаги 7, ось вращения которых находиться в корпусе тензометра 4, закреплены на образце 6 зажимами 5. На одном из рычагов закреплена считывающая головка 1, в которой размещены источник света и фотодиод, а на другом рычаге прозрачная шкала 3 со штрихами 2. При деформации объекта считывающая головка перемещается вдоль шкалы, а фотодиода поступают на вторичную аппаратуру импульсы, число которых пропорционально деформации.

Оптические тензометры ( катетометры) отличаются большой точностью и вместе с тем сложностью. Их основной недостаток заключается в трудоемкости и периодичности проведения замеров.

Тензометрия (от лат. tensus — напряженный и греч. metron — мера) — способ измерения напряженно-деформированного состояния конструкции. Базируется на определении напряжений и деформаций в наружных слоях детали с помощью тензодатчиков и регистрирующей аппаратуры.

Тензометрический датчик (тензодатчик) — это специальное оборудование для измерения деформации конструкции под воздействием какой-то силы (сила тяжести, сила давления). Под действием силы (веса груза) происходит деформация упругого элемента вместе с тензорезистором. В результате изменения сопротивления тензорезистора, можно судить о силе воздействия на датчик, а следовательно, и о весе груза.

Тензодатчик состоит из (см. Рисунок 1):

1.Упругий элемент – тело воспринимающее нагрузку, изготавливается преимущественно из легированных углеродистых сталей предварительно термообработанные, для получения стабильных характеристик. Конструктивно может быть изготовлен в виде стержня, кольца, тел вращения, консоли. Широкое распространение получили конструкции в виде стержня (или нескольких стержней);

2.Тензорезистор – фольговый или проволочный резистор, приклеенный к упругому элементу (стержень), изменяющий свое сопротивление пропорционально деформации упругого элемента, которая в свою очередь пропорциональна нагрузке;

3.Корпус датчика – предназначен для защиты упругого элемента и тензорезистора от механических повреждений и влияния окружающей среды. Имеет различное исполнение IP (Ingress Protection Rating) в соответствии с международным стандартом IEC 60529 (DIN 40050, ГОСТ 14254-96);

4.Герметичный ввод (кабельный разъем) – предназначен для подключения тензодатчика ко вторичному прибору (весовой индикатор, электронный усилитель, АЦП ) при помощи кабеля. Возможны варианты подключения по 6-ти и 4-х проводной схеме. Тензодатчики комплектуются, кабелями различной длинны, существуют конструкции с возможностью замены кабеля;

Тензометрирование является основным методом исследования прочности, деформативности, надежности конструкций и материалов. Критерием прочности обычно служит напряженное состояние, которое, однако, не может быть оценено прямыми методами. Как правило, напряженное состояние определяется через деформации или какие-либо сопутствующие изменению напряжения эффектами (изменение оптических или магнитных свойств, частотных характеристик и т.п.).

Тензометрические методы объединяют большинство известных способов оценки напряженного состояния, однако чаще под тензометрией понимают совокупность прямых методов и средств измерения деформаций. Для перехода к напряжениям используют специальные зависимости, связывающие напряжения и деформации в упругой и за пределами упругой работы материала.

Тензометрические исследования имеют большое значение вследствие усложнения форм и условий эксплуатации конструктивных элементов, поскольку при этом существенно снижаются точность и достоверность инженерных расчетов.

Тензометрические методы могут быть использованы для решения многих задач связанных с эксплуатацией инженерных конструкций, задач, решение которых аналитическими и численными методами невозможно.

Одно из уникальных изобретений, которое когда-либо изобрело человечество, это тензометры. Они применяются почти во всех отраслях промышленности, там, где использование любого другого датчика просто невозможно.

прибор для измерения деформаций, вызываемых механическими напряжениями в твёрдых телах.

Тензометры применяются для измерения линейных деформации поверхностных волокон элементов конструкций при статических испытаниях.

По конструктивному признаку можно выделить четыре разновидности тензометров:

механические, электрические, струнные, тензорезисторные.

струнный: предназначены для измерения деформаций в железобетонных конструкциях. Измерительный сенсор датчика состоит из струнного элемента прикрепленного к специальным фланцам на концах корпуса датчика и вторичного преобразователя в виде электромагнитной катушки.

При нагрузке на конструкцию в ней возникает напряжение, которое вызывает деформацию, то есть изменение ее линейных размеров. При сжимающем напряжении конструкциясокращается,а при растягивающем напряжении—вытягивается.

1.7.2. В области упругой деформации изменение линейных размеров конструкции всегда строго пропорционально применяемойнагрузке. При переходе в область пластичной деформации увеличение нагрузки вызывает постоянную деформациюконструкции.

В основу работы струнноготензометра положен принцип зависимости частоты колебаний струны от степени её натяжения.При деформации конструкции,на которой установлен датчик, изменяется натяжение струны. Натяжение струны прямо пропорционально деформации.

1.7.11. Корпус струнного тензометра состоит из металлической трубки, в ее полость помещена высокопрочная стальная струна. Струна натянута между двумя концевыми блоками,

которые предназначены для передачи нагрузок с наблюдаемой конструкции (блоки привариваются или прикрепляются к конструкции). Посередине корпуса датчика установленаэлектромагнитная катушка для возбуждения колебанийструны и считыванияихчастоты.Кэлектромагнитной катушкеподключен сигнальный кабель,соединяющий тензометр со считывающим устройством, по которому передаются данные сдатчика.

Чувствительным элементом струнного тензометра служит отрезок стальной проволоки, закрепленной внутри трубки к ограничивающим торцы крепежными блоками. Принцип работы тензометра заключается в наличии зависимости частоты колебаний проволоки (струны) от ее натяжения.

Устанавливается датчик на поверхности контролируемого изделия путем приварки шаблона, с помощью болтовых соединений или клея. Датчик является изделием многоразового использования. Съем информации с помощью кабеля.

В основу работы электрических тензометров положен принцип измерения изменения параметров электрической цепи, например сопротивления, индуктивности или емкости. Электрические тензометры имеют особенное значение при исследовании динамических нагрузок, поскольку электрические тензометры значительно легче выполнить малоинерционными, чем тензометры механические или оптико-механические. Однако и для статических измерений электрические тензометры находят широкое применение

В настоящее время для измерения деформаций при испытаниях сооружений,

строительных конструкций и деталей наиболее широко используются тензорезисторные тензометры, в основу которых положены тензорезисторы различной конструкции. Тензорезисторы предназначены для дистанционных измерений деформаций. Принцип действия тензорезисторов основан на изменении омического сопротивления проводников и полупроводников при деформации.

Сущность тензометрического метода заключается в том, что в процессе нагружения детали измеряются деформации поверхностных волокон. По найденным деформациям на основе закона Гука вычисляются действительные напряжения. Таким образом, исходным является предположение, что материал детали упруг и изотропен. Метод тензометрирования при экспериментальном исследовании деталей машин может быть применен не только в условиях, статических нагрузок, но и в условиях динамических нагрузок, большей частью соответствующих рабочим условиям. В ряде случаев является целесообразным при измерении значительных деформаций изготовлять модель детали в увеличенном масштабе. В этом случае рассматриваемый метод обеспечивает большую точность, измерения.

Примеры использования тензометров

На рис.4 показаны примеры использования двух типов тензометров.

Рис. 4. Тензометры в работе.

На рис.4 слева показан вариант применения механического тензометра для контроля натяжения ленточного полотна. На рис.4 справа – использование электрического тензометра для контроля несущих конструкций. Появление трещин вызывает скачкообразное увеличение показаний тензометра, что обычно предшествует разрушению материала.

Тензометр — понятие и разновидности прибора

Тензометр – это прибор, который преобразует физическую величину силы воздействия на объект в электрический сигнал. Изменения тока в цепи отображаются на интерфейсе тензометра числовыми величинами в единицах измерения силы.

Физические принципы тензометрии

Метод тензометрии – это способ определения напряжённого состояния какой-либо конструкции при возникновении локальных деформаций. Методика измерений позволяет выявить слабые места конструкции, находящейся в напряжённо-деформированном состоянии. Существует несколько способов измерения деформаций:

  • оптический;
  • пневматический;
  • акустический;
  • электрический;
  • рентгеновский.

Оптический

Оптоволоконные датчики приклеивают к массиву. С помощью оптоволоконной нити, в которой сформирована брегговская решётка, происходит фиксация изменения геометрии поверхности исследуемого объекта. В результате обработки полученного электронного сигнала результат отображается на экране прибора.

Важно! Деформации оптически прозрачных тел измеряют методами, основанными на эффекте двойного лучепреломления. Также величину фотоупругости нагруженного тела меряют способом вращения плоскости поляризации.

Пневматический

Применяют поток сжатого воздуха в сопле, направленного на исследуемую поверхность объекта под силовым напряжением. Малейшее изменение расстояния между соплом и телом вызывает изменение давления воздушного потока, которое регистрируется специальными датчиками.

Акустический

Пьезоэлектрическими элементами отмечают изменения акустических параметров объекта. То есть происходят замеры скорости звука, акустического сопротивления и его затухания. В другом случае струнные датчики под воздействием деформаций объекта меняют частоту собственных колебаний.

Электрический

Измерения деформаций фиксируются тензодатчиками. Они отражают изменения электрического сопротивления нагружаемого объекта. Измерительные элементы называют тензорезистивными датчиками.

Рентгеновский

В материалах, подвергающихся силовым воздействиям, меняются расстояния между атомами в кристаллической решётке исследуемого тела. Для фиксации динамики этих процессов применяют рентгеноструктурный метод.

Тензорезистивный метод

В основу этого самого популярного метода положен принцип измерения динамического изменения удельного электрического сопротивления испытуемой детали под нагрузкой. В качестве измерителей применяются полупроводниковые тензометрические датчики. Металлический датчик, улавливая колебания электрического сопротивления детали, сам меняет величину собственного сопротивления. Изменение характеристики тока, проходящего через датчик, отражает тензометр на своём интерфейсе.

Конструкция типичного металлического датчика

Тензометрирование осуществляется с помощью металлических датчиков плёночного типа. Их изготавливают несколькими способами, но конструкция остаётся одной и той же. В одном случае на полимерную плёнку накладывают трафарет (маску) и сверху напыляют тонкий слой металлического сплава.

По-иному токопроводящую форму резистора создают методом фотолитографии. На напылённую металлическую поверхность наносят фоторезист. Через фототрафарет просвечивают поверхность ультрафиолетом. В зависимости от вида фоторезиста, растворителем смывают засвеченные участки или необлучённые поверхности. Открытый металлизированный слой смывают кислотой, получая фигурную металлическую плёнку.

Тензометрический рисунок датчика напоминает по форме сжатую пружину в плане. Чтобы снизить влияние температуры на показания тензометра, для печатной формы датчика применяют металлические сплавы с низким коэффициентом удельного сопротивления.

Датчики имеют самоклеящуюся подложку. Плёнки приклеивают к поверхности исследуемых объектов: это могут быть рычажные весы, динамометры, валы автомобилей, секции трубопроводов. Таким же способом измеряют степень деформации валопроводов и опорных подшипников в машиностроении, и др.

Обратите внимание! Чувствительность тензорезистора зависит от ориентирования датчика по направлению приложения нагрузки к объекту. Если происходит сжатие или растяжение детали, то продольные линии тензорезистора должны располагаться по оси приложения нагрузки. В противном случае чувствительность датчика будет равна нулю.

Измерительная схема

Тензорезисторная измерительная схема включает в себя так называемый сбалансированный мост Уинстона. Ниже на рисунке он представлен со встроенным по диагонали вольтметром. Проводник A – D замкнут на источнике постоянного напряжения.

Переменный резистор R2 в отсутствие нагрузки сводит напряжение к нулю. Вольтметр диагонали B – C показывает изменение уровня напряжения в схеме при наличии нагрузки, приложенной к исследуемому объекту. Параллельно этому сигнал с линии B – C подаётся через дифференциальный усилитель в тензометр.

Применение тензометрии

Тензометрия является неотъемлемой частью испытаний макетов и экспериментальных образцов, проектируемых ответственных строительных конструкций, продукции авиапрома, космической техники и пр. Тензометрии подвергают здания и сооружения, в которых были замечены нарушения целостности конструкций.

На принципах тензометрии проектируют и производят приборы измерительного назначения. К ним относятся весы, динамометры, торсиометры (датчики крутящего момента). Тензорезисторы играют большую роль в профилактике и предупреждении возникновения возможных аварийных ситуаций, связанных с разрушением строительных конструкций, различного оборудования тяжёлой промышленности и т.п.

Принцип действия тензометра

Чтобы понять принцип действия тензометра, надо вернуться к рассмотрению вышеуказанной измерительной схемы. При возникновении деформации тензорезистор Rx меняет своё сопротивление, что вызывает падение потенциала в точке схождения R3 и Rx. В результате изменяется напряжение моста B – C. На изменение сопротивления тензорезистора Rx может оказывать побочное влияние окружающая температура. При получении результатов тестирования данные корректируют, внося поправки на изменение температуры.

Виды тензометров

Для измерения деформаций различных объектов были созданы тензометры, отличающиеся принципами действия и областями применения. По этим признакам измерительное оборудование подразделяют на следующие виды:

  • механическое;
  • резистивное;
  • струнное;
  • ёмкостное;
  • индуктивное.

Механические

Измерения основаны на фиксации изменения длины объекта под нагрузкой. Работа механического тензометра заключается в определении зависимости удлинения тела от напряжения в поперечном сечении.

Резистивные

Плёночные тензоризисторы, наклеенные в разных направлениях на теле объекта, при его сжатии или растяжении меняют своё электрическое сопротивление вместе с объектом. Точность измерений деформаций обеспечивается работой не одного датчика, а группы тензорезистров.

Струнные

Струнный вариант представляет собой стальную проволоку (струну), её натягивают между опорами, которые закрепляют на поверхности объекта. Суть измерений заключаются в определении отношения частоты колебания струны к степени её натяжения при изменении длины обследуемого тела под воздействием нагрузки.

Ёмкостные

В качестве датчика применяют конденсатор с переменной ёмкостью. Деформация объекта вызывает изменение зазора между пластинами конденсатора, что отражается на характеристике тока в измерительной схеме прибора.

Индуктивные

Устройство прибора основано на применении катушки индуктивности, в которой установлен подвижный сердечник. Он напрямую контактирует с поверхностью объекта. При малейшей деформации поверхности происходит смещение сердечника в катушке. Изменяющиеся параметры катушки индуктивности фиксируются через электросхему прибором.

Примеры использования тензометров

Одним из примеров может служить максимальная оптимизация степени натяжения полотна ленточной пилы. Также стоит упомянуть об обследовании железобетонных конструкций, которые производят с помощью тензометров, фиксирующих степень напряжения арматуры в массиве бетона.

Настройка тензометра

Настройку тензоизмерений производят с помощью компьютерной программы Тензометр. Операционная система позволяет осуществлять измерения с помощью тензометрических датчиков силы, крутящего момента на основе мостовых и полумостовых схем в тензостанции ZET 017-T. С её настройкой можно проводить измерения силы, крутящего момента, веса и смещений.

Самописец программы отображает фиксированные результаты в почасовом режиме. Статистика показаний отображается графически и в табличном виде.

Параметры

Комплекс измерений формируется выбором нужных характеристик в поле «Параметры» на интерфейсе программы. К ним относятся:

  • ток питания;
  • показания;
  • единицы измерений;
  • сглаживание;
  • коррекция;
  • инверсия данных.

Тензорезистор

Для его настройки пользуются окном программы – «Тензорезистор». Для выбора процесса измерений используют раздел «Файл калибровки». Высвечивается поле «Показания». В нём указываются данные датчика.

Тензодатчик

Используют поле программы – «Тензодатчик». Для настройки применяют два параметра: это чувствительность и предел измерений.

Многоканальный

Программа поддерживает многоканальные режимы измерений. Их использует при установке на объект группы датчиков.

Подсказки в программе Тензометр

Корректировщик программы укажет во всплывающем окне неправильное задание тех или иных параметров. Разработчики программного продукта учли самые распространённые ошибки и позаботились о следующих оповещениях:

  • отсутствие опорного канала;
  • неправильно заданы каналы;
  • низкий уровень опорного сигнала (ниже 3% верхнего диапазона).

Дополнительная информация. Программное обеспечение ZETLAB TENZO содержит программу Тензометр для всех тензостанций. При сбое программ подключают Ethernet. Для этого запускают панель ZETLAB, нажимают клавишу F1 и находят строку подключения к Ethernet.

Тензометрические обследования помогают избегать просчётов в проектировании объектов, испытывающих деформации различного характера под воздействием разных внешних факторов. Своевременное выявление причин, вызывающих изменения характеристик объекта, позволяет сохранить его эксплуатационные качества и предотвратить возникновение аварийных ситуаций.

Видео

Резистивный тензометр

Резистивные тензометры представляют популярную группу универсальных приборов для контроля растяжения или сжатия контролируемого изделия. В качестве чувствительного элемента в тензометрах этого типа используются тензорезисторы. Принцип действия тензорезистора базируется на изменении электрического сопротивления при деформации его вместе с изделием. Он представляет собой отрезок тонкой проволоки, уложенный змейкой на изоляционной основе. Для увеличения чувствительности в тензометрах используют по несколько тензорезисторов, включаемых по мостовой схеме.

Как и в механическом тензометре, во всех электрических тензометрах измеряется изменение базового расстояния. Тензодатчики встраиваются в конструкцию элементов тензометра воспринимающих воздействие деформирующих сил. Одна из конструкций тензометра, широко применяемая в строительстве и горном деле при заливке бетона, приведена на рис. 2.

Рис.2. Тензометр в исходном состоянии (а) и при действии растягивающих усилий (б).

Конструктивно тензометр состоит из мостовой схемы с тензорезисторами в ее плечах. Элементы схемы расположены внутри полого стержня 1 с базой равной расстоянию между силовоспринимающими фланцами 2 и 3 (рис. 2а) Внешние растягивающие силы внутри бетонной конструкции, воздействуя на фланцы, удлиняют стержень. Удлинение равно расстоянию перемещения фланца из положения 2 в положение 4 (рис. 2б). При этом изменяется сопротивление плеч моста и информация по кабелю 5 передается на средства обработки данных.

Преимуществом резистивных тензометров является простота изготовления, высокая точность при низкой стоемости. Недостатком же является изменение начального коэффициента передачи и рабочего коэффициента передачи при изменении температуры.

Струнные тензометры

Чувствительным элементом струнного тензометра служит отрезок стальной проволоки, закрепленной внутри трубки к ограничивающим торцы крепежными блоками. Принцип работы тензометра заключается в наличии зависимости частоты колебаний проволоки (струны) от ее натяжения.

Устанавливается датчик на поверхности контролируемого изделия путем приварки шаблона, с помощью болтовых соединений или клея. Датчик является изделием многоразового использования. Съем информации с помощью кабеля.

Емкостные тензометры

В емкостных тензометрах роль чувствительного элемента выполняет конденсатор переменной емкости. Принцип работы этого вида тензометров основан на зависимости емкости конденсатора от величины зазора между его пластинами.

На рис.3 представлен один из возможных вариантов емкостного тензометра.

Рис. 3. Схема устройства емкостного тензометра.

Тензометр крепится на объекте контроля 1 посредством точечной сварки 2. Измерительный конденсатор 3 закреплен на ветвях силоизмерительной рамки 4, воспринимающей растяжение или сжатие объекта. Таким образом величина зазора однозначно связана с величиной деформирующей силы. Следует отметить, что эта зависимость носит нелинейный характер.

Индуктивные тензометры

В настоящее время выпускаются индуктивные тензометры двух видов. Первый – это тензометры с опорными призмами и регулируемой базой. Второй – с ножевыми опорами для работы с изделиями стержневого вида. В обеих чувствительным элементом служит катушка индуктивности с подвижным сердечником.

Катушка индуктивности закрепляется неподвижно на объекте. Подвижный сердечник соединен с ним через подвижную призму или нож и изменяет свое положение под воздействием деформирующей силы. Это перемещение приводит к изменению индуктивности или взаимоиндуктивности катушки. Зависимость электрических параметров катушки индуктивности от положения ее подвижного элемента положено в основу работы тензометров этого типа.

оптические тензометры отличаются от механических тем, что вращательное движение второй призмы приводит к изменению положения приклеенного небольшого зеркала – изменению положения светового пятна от отраженного луча на шкале. На этом принципе основаны тензометры Мартенса, Берга и др. Увеличение измеряемой величины иногда достигает нескольких сотен или тысяч раз. Оптические тензометры могут быть изготовлены с большей чувствительностью, чем механические. Их база измерений может быть уменьшена до 2 мм при точности измерений 10 мм. Конечно, при этом используются микроскопы либо специальные системы линз и зеркал. В некоторых приборах такого типа увеличение достигает 10 тыс. раз.

Схема оптического тензометра с фотодиодом: Рычаги 7, ось вращения которых находиться в корпусе тензометра 4, закреплены на образце 6 зажимами 5. На одном из рычагов закреплена считывающая головка 1, в которой размещены источник света и фотодиод, а на другом рычаге прозрачная шкала 3 со штрихами 2. При деформации объекта считывающая головка перемещается вдоль шкалы, а фотодиода поступают на вторичную аппаратуру импульсы, число которых пропорционально деформации.

Оптические тензометры ( катетометры) отличаются большой точностью и вместе с тем сложностью. Их основной недостаток заключается в трудоемкости и периодичности проведения замеров.

Тензометрия (от лат. tensus — напряженный и греч. metron — мера) — способ измерения напряженно-деформированного состояния конструкции. Базируется на определении напряжений и деформаций в наружных слоях детали с помощью тензодатчиков и регистрирующей аппаратуры.

Тензометрический датчик (тензодатчик) — это специальное оборудование для измерения деформации конструкции под воздействием какой-то силы (сила тяжести, сила давления). Под действием силы (веса груза) происходит деформация упругого элемента вместе с тензорезистором. В результате изменения сопротивления тензорезистора, можно судить о силе воздействия на датчик, а следовательно, и о весе груза.

Тензодатчик состоит из (см. Рисунок 1):

1.Упругий элемент – тело воспринимающее нагрузку, изготавливается преимущественно из легированных углеродистых сталей предварительно термообработанные, для получения стабильных характеристик. Конструктивно может быть изготовлен в виде стержня, кольца, тел вращения, консоли. Широкое распространение получили конструкции в виде стержня (или нескольких стержней);

2.Тензорезистор – фольговый или проволочный резистор, приклеенный к упругому элементу (стержень), изменяющий свое сопротивление пропорционально деформации упругого элемента, которая в свою очередь пропорциональна нагрузке;

3.Корпус датчика – предназначен для защиты упругого элемента и тензорезистора от механических повреждений и влияния окружающей среды. Имеет различное исполнение IP (Ingress Protection Rating) в соответствии с международным стандартом IEC 60529 (DIN 40050, ГОСТ 14254-96);

4.Герметичный ввод (кабельный разъем) – предназначен для подключения тензодатчика ко вторичному прибору (весовой индикатор, электронный усилитель, АЦП ) при помощи кабеля. Возможны варианты подключения по 6-ти и 4-х проводной схеме. Тензодатчики комплектуются, кабелями различной длинны, существуют конструкции с возможностью замены кабеля;

Тензометрирование является основным методом исследования прочности, деформативности, надежности конструкций и материалов. Критерием прочности обычно служит напряженное состояние, которое, однако, не может быть оценено прямыми методами. Как правило, напряженное состояние определяется через деформации или какие-либо сопутствующие изменению напряжения эффектами (изменение оптических или магнитных свойств, частотных характеристик и т.п.).

Тензометрические методы объединяют большинство известных способов оценки напряженного состояния, однако чаще под тензометрией понимают совокупность прямых методов и средств измерения деформаций. Для перехода к напряжениям используют специальные зависимости, связывающие напряжения и деформации в упругой и за пределами упругой работы материала.

Тензометрические исследования имеют большое значение вследствие усложнения форм и условий эксплуатации конструктивных элементов, поскольку при этом существенно снижаются точность и достоверность инженерных расчетов.

Тензометрические методы могут быть использованы для решения многих задач связанных с эксплуатацией инженерных конструкций, задач, решение которых аналитическими и численными методами невозможно.

Одно из уникальных изобретений, которое когда-либо изобрело человечество, это тензометры. Они применяются почти во всех отраслях промышленности, там, где использование любого другого датчика просто невозможно.

прибор для измерения деформаций, вызываемых механическими напряжениями в твёрдых телах.

Тензометры применяются для измерения линейных деформации поверхностных волокон элементов конструкций при статических испытаниях.

По конструктивному признаку можно выделить четыре разновидности тензометров:

механические, электрические, струнные, тензорезисторные.

струнный: предназначены для измерения деформаций в железобетонных конструкциях. Измерительный сенсор датчика состоит из струнного элемента прикрепленного к специальным фланцам на концах корпуса датчика и вторичного преобразователя в виде электромагнитной катушки.

При нагрузке на конструкцию в ней возникает напряжение, которое вызывает деформацию, то есть изменение ее линейных размеров. При сжимающем напряжении конструкциясокращается,а при растягивающем напряжении—вытягивается.

1.7.2. В области упругой деформации изменение линейных размеров конструкции всегда строго пропорционально применяемойнагрузке. При переходе в область пластичной деформации увеличение нагрузки вызывает постоянную деформациюконструкции.

В основу работы струнноготензометра положен принцип зависимости частоты колебаний струны от степени её натяжения.При деформации конструкции,на которой установлен датчик, изменяется натяжение струны. Натяжение струны прямо пропорционально деформации.

1.7.11. Корпус струнного тензометра состоит из металлической трубки, в ее полость помещена высокопрочная стальная струна. Струна натянута между двумя концевыми блоками,

которые предназначены для передачи нагрузок с наблюдаемой конструкции (блоки привариваются или прикрепляются к конструкции). Посередине корпуса датчика установленаэлектромагнитная катушка для возбуждения колебанийструны и считыванияихчастоты.Кэлектромагнитной катушкеподключен сигнальный кабель,соединяющий тензометр со считывающим устройством, по которому передаются данные сдатчика.

Чувствительным элементом струнного тензометра служит отрезок стальной проволоки, закрепленной внутри трубки к ограничивающим торцы крепежными блоками. Принцип работы тензометра заключается в наличии зависимости частоты колебаний проволоки (струны) от ее натяжения.

Устанавливается датчик на поверхности контролируемого изделия путем приварки шаблона, с помощью болтовых соединений или клея. Датчик является изделием многоразового использования. Съем информации с помощью кабеля.

В основу работы электрических тензометров положен принцип измерения изменения параметров электрической цепи, например сопротивления, индуктивности или емкости. Электрические тензометры имеют особенное значение при исследовании динамических нагрузок, поскольку электрические тензометры значительно легче выполнить малоинерционными, чем тензометры механические или оптико-механические. Однако и для статических измерений электрические тензометры находят широкое применение

В настоящее время для измерения деформаций при испытаниях сооружений,

строительных конструкций и деталей наиболее широко используются тензорезисторные тензометры, в основу которых положены тензорезисторы различной конструкции. Тензорезисторы предназначены для дистанционных измерений деформаций. Принцип действия тензорезисторов основан на изменении омического сопротивления проводников и полупроводников при деформации.

Сущность тензометрического метода заключается в том, что в процессе нагружения детали измеряются деформации поверхностных волокон. По найденным деформациям на основе закона Гука вычисляются действительные напряжения. Таким образом, исходным является предположение, что материал детали упруг и изотропен. Метод тензометрирования при экспериментальном исследовании деталей машин может быть применен не только в условиях, статических нагрузок, но и в условиях динамических нагрузок, большей частью соответствующих рабочим условиям. В ряде случаев является целесообразным при измерении значительных деформаций изготовлять модель детали в увеличенном масштабе. В этом случае рассматриваемый метод обеспечивает большую точность, измерения.

Примеры использования тензометров

На рис.4 показаны примеры использования двух типов тензометров.

Рис. 4. Тензометры в работе.

На рис.4 слева показан вариант применения механического тензометра для контроля натяжения ленточного полотна. На рис.4 справа – использование электрического тензометра для контроля несущих конструкций. Появление трещин вызывает скачкообразное увеличение показаний тензометра, что обычно предшествует разрушению материала.

Тензометрические измерения

В любой задаче в области компьютерной автоматизации измерений, испытаний и управления технологическим производством самым главным моментом является выбор первичного преобразователя. Первичные преобразователи сигналов внешнего воздействия в электрический сигнал основаны на различных физических эффектах и бывают различного типа и вида. Рассмотрим один из распространенных видов преобразователей — резистивных.

Резистивные датчики широко используются в тензометрии. Тензометрия (от лат. tensus — напряжённый, натянутый и греч. metréō — измеряю) — экспериментальное определение напряжённого состояния конструкций, основанное на измерении местных деформаций. При механической деформации материала его электрическое сопротивление изменяется. Этот эффект называется тензорезистивным эффектом. На основе этого эффекта реализованы тензодатчики, реагирующие на механическое напряжение σ:

где E — модуль Юнга материала, F — приложенная сила, dl/l = e — относительная деформация материала.

Тензометрические измерения производятся при помощи измерительных модулей ZET 7010 Tensometer-485, ZET 7110 Tensometer-CAN, ZET 7111 Tensometer-CAN; или тензостанции ZET 017-Т8 и программы «Тензодатчик». В качестве чувствительных элементов могут быть использованы тензодатчики или тензорезисторы в различных исполнениях. Тензорезистивный эффект применяется для измерения различных физических величин: веса, давления, механического напряжения и т.п. На рисунке 1, например, показаны формы измерительных решеток тензорезисторов фирмы «Месстехник-HBM». На рисунке 2 представлен внешний вид типичного датчика давления производства ООО «Метроник».

При построении многоканальных контрольно-измерительных систем автоматизации технологических процессов используются несколько тензостанций ZET 017-Т8: в этом случае количество измерительных каналов может достигать 128. Для подключения такого количества датчиков используются клеммные модули (рисунки 3 и 4). Для интеграции тензоизмерительной системы в уже существующий процесс возможна установка модулей на DIN-рейку. Для построения распределенной системы тензоизмерений используются модули ZET 7010 Tensometer-485, ZET 7110 Tensometer-CAN, ZET 7111 Tensometer-CAN.

Для контроля и управления процессами используется цифровой вход/выход тензостанции ZET 017-Т8 или управляющий модуль ZET 7060 Digital-485 или ZET 7160 Digital-CAN. Например, при превышении давления в контролируемой точке исследуемого объекта, с цифрового выхода на исполнительный механизм подается сигнал, что приводит к его срабатыванию и, например, к открытию спускового клапана. При нормализации давления сигнал с цифрового выхода выключается и продолжается нормальное функционирование системы. Пороги (уставки) срабатывания цифрового входа/выхода устанавливаются оператором. Контроль измеряемых параметров и алгоритмы срабатывания уставок могут быть различными. Весь процесс измерения параметров, срабатывания уставок и возникновение нештатных ситуаций отображается на экране в реальном времени и протоколируется для дальнейшего анализа и хранения.

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

«Точность – вежливость королей!» В наше время актуальность этого средневекового французского афоризма только растет. Для проведения точных измерительных вычислений на производстве и в быту все шире используются приборы на основе тензометрических датчиков.

Что такое тензометрия и для чего нужны тензодатчики

Тензометрия (от лат. tensus — напряжённый) – это способ и методика измерения напряжённо-деформированного состояния измеряемого объекта или конструкции. Дело в том, что нельзя напрямую измерить механическое напряжение, поэтому задача состоит в измерении деформации объекта и вычислении напряжения при помощи специальных методик, учитывающих физические свойства материала.

В основе работы тензодатчиков лежит тензоэффект — это свойство твёрдых материалов изменять своё сопротивление при различных деформациях. Тензометрические датчики представляют собой устройства, которые измеряют упругую деформацию твердого тела и преобразуют её величину в электрический сигнал. Этот процесс происходит при изменении сопротивления проводника датчика при его растяжении и сжатии. Они являются основным элементом в приборах по измерению деформации твёрдых тел (например, деталей машин, конструкций, зданий).

Устройство и принцип работы

Основу тензодатчика составляет тензорезистор, оснащенный специальными контактами, закрепленными на передней части измерительной панели. В процессе измерения чувствительные контакты панели соприкасаются с объектом. Происходит их деформация, которая измеряется и преобразуется в электрический сигнал, передаваемый на элементы обработки и отображения измеряемой величины тензометрического датчика.

В зависимости от сферы функционального использования датчики различаются как по типам, так и по видам измеряемых величин. Важным фактором является требуемая точность измерения. Например, тензодатчик грузовых весов на выезде с хлебозавода совершенно не подойдет к электронным аптекарским весам, где важна каждая сотая часть грамма.

Рассмотрим более предметно виды и типы современных тензометрических датчиков.

Датчики крутящего момента

Датчики крутящего момента предназначены для измерения крутящего момента на вращающихся частях таких систем, как коленвал двигателя или рулевой колонки. Тензодатчики крутящего момента могут определять как статический, так и динамический момент контактным либо бесконтакным (телеметрическим) способом.

Тензодатчики балочного, консольного и кромочного типов

Эти типы датчиков изготавливают обычно на основе параллелограммной конструкции со встроенным элементом изгиба для высокой чувствительности и линейности измерений. Тензорезисторы в них закрепляются на чувствительных участках упругого элемента датчика и соединяются по схеме полного моста.

Конструктивно балочный тензодатчик имеет специальные отверстия для неравномерного распределения нагрузки и выявления деформаций сжатия и растяжения. Для получения максимального эффекта тензорезисторы по специальным меткам строго ориентируют на поверхности балки в ее самом тонком месте. Высокоточные и надежные датчики этого типа используют для создания многодатчиковых измерительных систем в платформенных или бункерных весах. Нашли они свое применение и в весовых дозаторах, фасовщиках сыпучих и жидких продуктов, измерителях натяжения тросов и других измерителях силовых нагрузок.

Тензодатчики силы растяжения и сжатия

Тензодатчики силы растяжения и сжатия, как правило, имеют S-образную форму, изготавливаются из алюминия и легированной нержавеющей стали. Предназначены для бункерных весов и дозаторов с пределом измерения от 0,2 до 20 тонн. S-образные тензодатчики силы растяжения и сжатия могут использоваться в станках по производству кабелей, тканей и волокон для контроля силы натяжения этих материалов.

Тензорезисторы проволочные и фольговые

Проволочные тензорезисторы делают в виде спирали из проволоки малого диаметра и крепят на упругом элементе или исследуемой детали с помощью клея. Их отличает:

  • простота изготовления;
  • линейная зависимость от деформации;
  • малые размеры и цена.

Из недостатков отмечают низкую чувствительность, влияние температуры и влажности среды на погрешность измерения, возможность применения только в сфере упругих деформаций.

Фольговые тензорезисторы в настоящее время являются наиболее распространенным типом тензорезисторов из-за их высоких метрологических качеств и технологичности производства. Это стало доступным благодаря фотолитографической технологии их изготовления. Передовая технология позволяет получать одиночные тензорезисторы с базой от 0,3 мм, специализированные тензометрические розетки и цепочки тензорезисторов с широким рабочим температурным диапазоном от –240 до +1100 ºС в зависимости от свойств материалов измерительной решетки.

Преимущества и недостатки тензодатчиков

Широкое применение тензодатчики получили благодаря своим свойствам:

  • возможности монолитного соединения датчика деформации с исследуемой деталью;
  • малой толщине измерительного элемента, что обеспечивает высокую точность измерения с погрешностью 1-3 %;
  • удобстве крепления, как на плоских, так и на криволинейных поверхностях;
  • возможности измерения динамических деформаций, меняющихся с частотой до 50000 Гц;
  • возможности проведения измерений в сложных условиях окружающей среды в температурном интервале от -240 до +1100˚С;
  • возможности измерений параметров одновременно во многих точках деталей;
  • возможности измерения деформации объектов, расположенных на больших расстояниях от тензометрических систем;
  • возможностью измерения деформаций в движущихся (крутящихся) деталях.

Из недостатков следует отметить:

  • влияние метеоусловий (температуры и влажности) на чувствительность датчиков;
  • незначительные изменения сопротивления измерительных элементов (около 1%) требует применение усилителей сигналов.
  • при работе тензодатчиков в условиях высокотемпературной или агрессивной среды необходимы специальные меры их защиты.

Основные схемы подключения

Рассмотрим это на примере подключения тензометрических датчиков к бытовым или промышленным весам. Стандартный тензодатчик для весов имеет четыре разноцветных провода: два входа – питание (+Ex, -Ex), два других – измерительные выходы (+Sig, -Sig). Встречаются также варианты с пятью проводами, где дополнительный провод служит в качестве экрана для всех остальных. Суть работы весового измерительного датчика балочного типа довольно проста. На входы подается питание, а с выходов снимается напряжение. Величина напряжения зависит от приложенной нагрузки на измерительный датчик.

Если длина проводов от весового тензодатчика до блока АЦП значительна, то сопротивление самих проводов будет влиять на показание весов. В этом случае целесообразно добавить цепь обратной связи, которая компенсирует падение напряжения путем корректировки погрешности от сопротивления проводов, вносимую в измерительную цепь. В этом случае схема подключения будет иметь три пары проводов: питания, измерения и компенсации потерь.

Примеры использования тензометрических датчиков

  • элемент конструкции весов.
  • измерение усилий деформации при обработке металлов давлением на штамповочных прессах и прокатных станах.
  • мониторинг напряженно-деформационных состояний строительных конструкций и сооружений при их возведении и эксплуатации.
  • высокотемпературные датчики из жаропрочной легированной стали для металлургических предприятий.
  • с упругим элементом из нержавеющей стали для измерений в химически агрессивной среде.
  • для измерения давления в нефте и газопроводах.

Простота, удобство и технологичность тензодатчиков – основные факторы для дальнейшего активного их внедрения, как в метрологические процессы, так и использования в повседневной жизни в качестве измерительных элементов бытовой техники.

Источники:
http://studfile.net/preview/5336368/
http://amperof.ru/instrument/tenzometr-raznovidnosti-pribora.html
http://studfile.net/preview/5336368/
http://zetlab.com/podderzhka/tenzometriya/spravochnaya-informatsiya/tenzometricheskie-izmereniya-zetlab/
http://odinelectric.ru/knowledgebase/chto-takoe-tenzodatchik
http://dentazone.ru/preparaty-oborudovanie/oborudovanie-stomatologicheskoe/ultrazvukovoj-skaler.html

Ссылка на основную публикацию