исследования. При этом ее*"пеобходимо располагать как можно ближе к активному тензорезистору для обеспечения идентичности темпе­ ратурных условий.

Тензорезисторы сопротивления при условии качественной их наклейки на объект исследования, выполнения тщательных тари­ ровок и обеспечения в процессе испытаний надлежащей термокомпен­ сации позволяют производить измерение с высокой точностью, аб­ солютная погрешность измерения деформации в этом случае состав­ ляет до 0,0005 %.

В заключение отметим, что широкое распространение теизорезисторов сопротивления объясняется их большими преимуществами перед другими средствами измерения деформаций и преобразовате­ лями. Они позволяют [41] измерять деформации с высокой точностью на различных базах, начиная с 0,3 мм; при большом числе точек (до 20 000 и более); в широком интервале температур — от 4,2 до 1600 К; в условиях различных внешних воздействий, неблагоприят­ ных для других средств измерения; в условиях сложного напряжен­ ного состояния на локальных участках объектов исследования; при длительном статическом, динамическом и циклическом нагружениях, практически во всем диапазоне частот, реализуемых в практике эксплуатации конструкций и при механических испытаниях. С их помощью можно автоматически управлять процессом мехапических испытаний в системах с замкнутым контуром регулирования, а также измерять (в качестве датчиков в тензорезисториых преобразователях) различные механические параметры (силу, давление, крутящий мо­ мент, ускорение и т. д.).

Кроме того, тензорезисторы сопротивления имеют пренебрежимо малую массу (0,05 г), низкий порог реагирования, характеризуются при массовом производстве высокой технологичностью, низкой стои­ мостью и высокой надежностью.

Недостатки тензорезисторов не столь существенны: они являются датчиками однократного использования, не поддаются индивидуаль­ ной тарировке и характеризуются низким абсолютным уровнем вы­ ходных сигналов. Однако эти недостатки не мешают их широкому применению как самого универсального и самого доступного средства измерений в макроэксперименте.

3. Тензорезисторные преобразователи механических величин

Тензорезисторы сопротивления используются в качестве датчи­ ков в преобразователях механических величин, предназначенных для измерения перемещений, сил, крутящих моментов, давлений, ускорений и вибраций. Эти преобразователи называются тепзорезисторными. Их чувствительным элементом является упругий элемент, на который наклеиваются тензорезисторы. Измеряемая механиче­ ская величина воздействует на упругий элемент, вызывая его дефор­ мацию, пропорциональную этой величине. При этом тензорезисторы также деформируются, изменяется их сопротивление, происходит

разбаланс моста и на выходе измерительной схемы получаем электри­ ческий сигнал, который усиливается и регистрируется такими же приборами, как и при прямом использовании тензорезисторов.

Исследуемые объекты отличаются большим разнообразием раз­ меров, конструктивных форм и условий испытаний, поэтому трудно создать унифицированные преобразователи пе только для всех ме­ ханических величин, ио и для каждой величины в отдельности. Их разработка в основном сводится к выбору и расчету упругих элемен­ тов, представляющих собой стержневые, балочные или рамные не­ сложные конструкции. Размеры других деталей преобразователя выбираются из конструктивных соображений.

Форма и размеры упругого элемента определяются диапазоном изменения механической величины, частотным диапазоном измере­ ний, собственной частотой тензорезисторного преобразователя, фор­ мой и размерами объекта исследования. Материал, используемый для изготовления упругих элементов, должен обладать совершенной упругостью, высокой прочностью, минимальным гистерезисом, вы­ соким пределом пропорциональности, хорошо сопротивляться пол­ зучести и характеризоваться высокой релаксационной стойкостью. Таким требованиям удовлетворяют специальные пружинные и ин­ струментальные стали, такие, как У8 — У 12, 60С2, ЗОХГС, угле­ родистые стали 65 и 70, а также бериллиевые бронзы, медно-цинко­ вые латуни, вольфрамокремнистые стали и некоторые другие. Для длительной и успешной эксплуатации преобразователя, обеспечиваю­ щей стабильность измерений и достаточный для усиления уровень выходных сигналов тензорезистора, максимальные напряжения в упругом элементе не должны превышать 30—60 % предела теку­ чести, что для специальных сортов стали составляет 300—1000 МПа. При этом частота изменения измеряемой величины должна не меньше чем на порядок отличаться от резонанспой частоты преобразователя. Для всех преобразователей механических величин наиболее важной характеристикой является коэффициент преобразования, который выражается зависимостью [41J

ряемая механическая величина; е, — допустимая деформация упру­ гого элемента в месте наклейки тензорезистора.

При расчете упругих элементов в формулу (VII.24) подставляют

тельного элемента в месте наклейки тензорезистора, которая соот­ ветствует, как отмечалось, максимальным напряжениям атах ^

^(0,3 — 0,6) <7о,2 и зависит от свойств материала упругого элемента.

Если преобразователь предназначен для измерений при стати­ ческом нагружении, стремятся главным образом к достижению необ­ ходимой чувствительности при линейности характеристики преоб­ разования. Для преобразователей, предназначенных для измерений

в динамическом режиме, необходимо также учитывать соотношение частоты собственных колебаний упругого элемента и частоты вынуж­ денных колебаний.

Тензорезисториый преобразователь механических величин после изготовления тарируется в зависимости от назначения на соответ­ ствующих тарировочньтх устройствах и оборудовании.

Преобразователи перемещений. Эти преобразователи применяют­ ся при оценке жесткости элементов, измерении осевых перемещений и прогибов, которые могут составлять от нескольких микрометров

1 : 3

io I

28>8г

5

Рис. 88. Схемы чувстпителыгах балочпого (а), рамного (б), арочного (в) и кольцевого (?) эле­ ментов преобразователей перемещений.

до сотен миллиметров. Коэффициент преобразования тензорезисторпых преобразователей перемещений выражается зависимостью

кп.п = 1 , (VII.25)

где б — измеряемое перемещение.

Геометрические размеры, форма и чувствительность упругих эле­ ментов преобразователей перемещений весьма разнообразны. Наи­ более универсален упругий элемент в виде консольной балки равного сопротивления изгибу (рис. 88, а); он имеет высокий коэффициент преобразования и достаточную линейность. Используют также двухконсолыше упругие элементы, В малогабаритных преобразователях в качестве упругих элементов применяются рамные (рис. 88, б) и разрезные кольцевые (рис. 88, г) упругие элементы. Чувствитель­ ный элемент в виде П-образной рамы имеет оптимальную в отноше­ нии линейности характеристику. Для выбора оптимальных размеров наиболее простых схем упругих элементов разработаны номограммы,

размеры упругих элементов заданной конструкции и оценить их жесткость в зависимости от диапазона измерений.

Геометрическая форма и габаритные размеры вспомогательных деталей преобразователя устанавливаются после расчета упругого элемента на основе конструктивных, технологических и других сооб­ ражений.

Преобразователи сил и крутящих моментов. Силы изменяются двумя способами. Первый способ основан на непосредственном тензометрировании узлов и элементов исследуемого объекта, па которые наклеиваются тензорезисторы. Его можно использовать только в тех случаях, когда материал объекта исследования деформируется упруго при напряжениях, меньших предела пропорциональности. Если это условие не выполняется, то возможны значительные погреш­ ности, обусловленные нелинейностью зависимости деформаций от напряжений и действующих сил.

Второй способ заключается в использовании специальных тензорезисторных преобразователей силы, которые последовательно вво­ дятся в силовую цепочку в каком-то ее звене. Эти преобразователи получили также название силоизмерителей, или динамометров. Они могут быть предварительно протарированы, что способствует умень­ шению погрешности измерений.

Коэффициент преобразования силоизмерителей определяется из

где Р — измеряемая сила, Н.

При экспериментальных исследованиях возникает необходимость в использовании различных по конструктивному оформлению си­ лоизмерителей. Выпускаемые промышленностью силоизмерители не всегда позволяют выполнить необходимые измерения, поэтому для постановки корректного эксперимента в конкретных условиях часто приходится использовать силоизмерители индивидуального произ­ водства.

В качестве чувствительных элементов в тензорезисторных преоб­ разователях силы применяются жесткие упругие элементы в виде стержня прямоугольного, круглого или профильного сечения (для измерения растягивающих сил более 5 кН), в виде консольных или двухопорных балочек (для измерения растягивающих сил от 0,2 до 5 кН), в виде сплошного шара (для измерения сжимающих сил более 50 кН), в виде замкнутого кольца (для измерения сжимающих и растягивающих сил от 0,5 до 10 кН), а также в виде мембран.

Кольцевые чувствительные элементы силоизмерителей могут ис­ пользоваться для измерения сил, больших 10 кН, но в этом случае необходимо учитывать нелинейность их тарировочной кривой.

Для изготовления упругих элементов применяются стали с пре­ делом текучести не менее 800 МПа, фосфоритная или бериллиевая бронза, латунь и другие сплавы с высоким пределом пропорциональ­ ности и развитым линейным участком упругого деформирования.

Крутящие моменты измеряются тремя способами. Первый способ основан на непосредственном тензометрировании исследуемой детали, на которую наклеиваются тепзорезисторы. В процессе испытаний из­ меряется деформация, пропорциональная крутящему моменту. Этот способ характеризуется такими же недостатками, как и рассмотрен­ ный выше первый способ измерения сил: во-первых, достоверные результаты при непосредственном тензометрировании можно полу­ чить только в том случае, если действующие на поверхности иссле­ дуемой детали напряжения ниже предела пропорциональности; вовторых, для крупногабаритных деталей и для деталей, которые нель­ зя демонтировать и установить в тарировочное устройство, нельзя выполнить прямую тарировку, что существенно спижает точность измерений.

Второй способ измерения крутящих моментов состоит в исполь­ зовании встроенных в силовую цепочку специальных силоизмерителей, с помощью которых измеряется передаваемая ими окружная сила. По значению этой силы с учетом радиуса вала рассчитывается значение крутящего момента.

Третий спрсоб базируется на применении тензометрических пре­ образователей крутящего момента, которые встраиваются в силовую цепочку. Упругий элемент такого преобразователя, как правило, выполняется в виде стержня или цилиндра, работающего па круче­ ние и последовательно (соосно) присоединенного к тензометрируемому валу.

Встроенный силоизмеритель и преобразователь крутящего мо­ мента могут быть протарированы, и поэтому их чувствительность устанавливается соответствующей измеряемому моменту. Коэффи­ циент преобразования в этом случае определяется зависимостью

Необходимость измерения давления возникает при исследовании уз­ лов машин с гидравлическим или пневматическим приводом; двига­ телей внутреннего сгорания; газопроводов, водоводов, паропрово­ дов, работающих под высоким давлением; различных резервуаров для хранения и транспортировки жидкостей и газов; котлотурбпнного оборудования электростанций и тому подобного оборудования и сооружений.

Реализуемый диапазон измеряемых давлений чрезвычайно ши­ рок — от нуля до нескольких тысяч мегапаскаль, и так же широк их частотный диапазон — от нуля до нескольких десятков килогерц.

Для измерения давлений, как и силы, при испытаниях используют­ ся два способа: непосредственное тензометрирование поверхности исследуемого конструктивного элемента и тензометрирование с при­ менением тензорезисторных преобразователей давления. Непосред­ ственное измерение давлений с помощью наклеенных на исследуемую поверхность тензорезисторов не всегда обеспечивает необходимую

точность и чувствительность измерений из-за невозможности про­ ведения предварительной прямой тарировки исследуемого элемента.

Преимущество этого способа заключается в том, что при его ис­ пользовании не требуется рассоединения гидро- и пневмосистем и установки специальных штуцеров для подключения преобразовате­ лей давления.

Измерение давления вторым способом получило более широкое распространение. Коэффициент преобразования тензорезисторных преобразователей давления определяется из выражения

гдз р — измеряемое давление, Па.

Рис. 89. Схемы чувствительных элементов мембранного (а), штуцер-за­ глушки (б) и сильфонного (в) преобразователей давления.

В качестве чувствительных элементов (рис. 89) в преобразовате­ лях давления используются мембраны 1 с жестким защемлением по контуру (рис. 89, а); мембраны с промежуточным преобразовате­ лем перемещений 3 в виде консольной балочки, перемещение кото­ рой сообщается с ‘ помощью толкателя 2; штуцера-заглушки (рис. 89, б); сильфопы 1 с промежуточным преобразователем 2 в виде консольной балочки (рис. 89, в).

При использовании в качестве чувствительного элемента мем­ браны или штуцера-заглушки тензорезисторы наклеиваются непо­ средственно на их поверхность. При этом для мембран применяются специальные мембранные фольговые тензорезисторы, которые со­ храняют работоспособность в широком интервале давлений и обес­ печивают падежную термокомпенсацию. В зависимости от размеров мембран тензопреобразователи позволяют измерять давления от 0,001 Па до 20 МПа. Штуцеры-заглушки используются для измере­ ния практически любых давлений выше 10 МПа; активный теизорезистор в этом случае наклеивается по центру полой части штуцера

ланса, поступающий с выхода мостовой схемы на усилитель 1 и нуль-индикатор 2 (при питании прибора переменным током в схему включен выпрямитель 3), регистрирующий ток разбаланса. Для компенсации сигнала разбаланса используется реохорд R2, с помощью которого вручную производится балансировка моста.

Для автоматизации измерений используются приборы с автома­ тическим уравновешиванием моста типа АР-2, КСТ-4 и АИ-1. Сигнал разбаланса после выхода с мостовой схемы в таких приборах подает­ ся на усилитель и далее на исполнительный реверсивный электро­ двигатель, который перемещает устройство баланса (реохорд) в сто­ рону компенсации этого сигнала. Электродвигатель останавливается,

Рис. 90. Блок-схимы приборов для измерения деформаций при сташческом нагружении с нуль-индикатором и усилителем постоянного тока (а), с нуль-ипдикатором и усилителем на несущей частоте (б).

если мост сбалансирован, так как в этом случае напряжение его питания надает до нуля. Одновременно с помощью исполнительного электродвигателя перемещается регистрирующее устройство при­ бора, что позволяет в момент остановки двигателя произвести отсчет по шкале и получить запись диаграммы.

В настоящее время для измерения статических деформаций по­ лучают распространение приборы, выполненные по схемам автокомпевсаторов с дискретным уравновешиванием и имеющие выходы на цифропечатающие и перфорирующие устройства. Они отличаются быстродействием и позволяют регистрировать данные измерений в кодовом виде.

При измерении деформаций, близких к 10 %, характеристика мостовой схемы становится нелинейной. Для устранения нелинейноссти в приборе АМ-2 используется модифицированная схема моста, позволяющая измерять деформации в диапазоне от 1 до 10 %.

Для получения результатов измерений в виде эшор используются специальные эпюрографм и эпюрные установки.

Если для измерений используются розетки тензорезисторов, то действующие на поверхности объекта напряжения определяются с помощью приборов ИСН-20 и ЭМУГ-1, которые позволяют модели­ ровать уравнение свяги деформация — напряжения для плоского напряженного состояния и получать непосредственно значения на­ пряжений.

Для измерения статических деформаций в большом количестве точек применяются приборы ИСД-3 и цифровой тензометрический мост ЦТМ-3. Измеритель статических деформаций ИСД-3, выпол­ ненный по мостовой схеме с нулевым методом измерения, позволяет обрабатывать информацию, поступающую от последовательно под­ ключаемых к измерительной цепи 20 тензорезисторов сопротивлением от 50 до 550 Ом. Питание прибора постоянным током осуществляется от батареи типа КБС-0,5 напряжением 4,5В. Отсчет показаний про­ изводится со шкалы реохорда при нулевом положении стрелки мик­ роамперметра, при этом диапазон измеряемых относительных де­ формаций составляет 0,001—1 %.

Цифровой тензометрический мост ЦТМ-3, принцип действия ко­ торого основан на реализации метода отклонений, предназначен для измерения деформации в 100 точках с помощью тензорезисторов сопро­ тивления от 5 до 400 Ом. Последовательное подключение тензорези­

предусмотрено дистанционное, ручное и автоматическое управление переключателем. Результаты измерений регистрируются на цифро­ печатающем устройстве. Прибор позволяет измерять относительную деформацию в пределах 0,001—1 %.

Для тензометрирования сложных объектов с большим количест­ вом точек, достигающим нескольких десятков тысяч, разработаны специальные информационно-измерительные системы (ИИС), пред­ назначенные для сбора, автоматической обработки и представления результатов испытаний непосредственно в процессе эксперимента; их структура и принцип действия будут рассмотрены в следующей главе.

Динамические деформации измеряются специальными тензомет­ рическими приборами с промежуточными усилителями, которые в исследовательской практике обычно называются тензостанциями. При испытаниях они применяются совместно с предназначенными для исследования быстропротекающих процессов регистрирующими приборами, такими, как светолучевые и электронные осциллографы, магнитографы, высокочастотные самописцы. Блок-схема тензометри­ ческого прибора с усилителем постоянного тока показана на рис. 91, а [19, 41]. Схема состоит из тензомоста постоянного тока Т, в измери­ тельную диагональ которого подключен высокочувствительный галь­ ванометр 3 светолучевого осциллографа, а в другую — источник пи­ тания 1. Сигнал разбаланса моста при деформировании тензорезисто­ ров поступает на гальванометр после его усиления усилителем 2. Балансировка моста осуществляется в исходном состоянии перемен­ ным сопротивлением R. Действие таких приборов основано на мето­ де отклонений. Они отличаются надежностью в эксплуатации и про­ стотой конструкции. Их частотный диапазон измерений составляет 0— 120 кГц. С использованием такой схемы выполнены тензометри­ ческие усилители типа «Топаз» и тензометрический преобразователь ПА-1.