Tenometer — transduser pengukur tensometrik

Sensor pengukur regangan - transduser resistif parametrik yang mengubah deformasi benda kaku yang disebabkan oleh tekanan mekanis yang diterapkan padanya menjadi sinyal listrik.

Pengukur tekanan resistif adalah alas dengan elemen sensitif terpasang. Prinsip pengukuran regangan menggunakan pengukur regangan adalah bahwa resistansi pengukur regangan berubah selama regangan. Efek perubahan resistansi konduktor logam di bawah aksi kompresi serba (tekanan hidrostatik) ditemukan pada tahun 1856 oleh Lord Kelvin dan pada tahun 1881 oleh OD Hvolson.

Dalam bentuknya yang modern, pengukur regangan secara struktural mewakili penahan regangan, yang elemen sensitifnya terbuat dari bahan yang peka terhadap tegangan (kawat, kertas timah, dll.), Diikat dengan pengikat (lem, semen) pada bagian yang diselidiki. (Gambar 1). Untuk menghubungkan elemen penginderaan ke sirkuit listrik, pengukur regangan memiliki kabel.Beberapa pengukur regangan dirancang untuk pemasangan yang lebih mudah, mereka memiliki bantalan yang terletak di antara elemen sensitif dan bagian yang diuji, serta elemen pelindung yang terletak di atas elemen sensitif.

Gambar 1 Skema pengukur regangan: 1- elemen sensitif; 2- pengikat; 3- substrat; 4- detail yang diselidiki; 5- elemen pelindung; 6- blok untuk penyolderan (pengelasan); kabel 7-kawat

Dengan semua variasi tugas yang diselesaikan menggunakan transduser pengukur regangan, dua area utama penggunaannya dapat dibedakan:

— studi tentang sifat fisik bahan, deformasi dan tegangan pada bagian dan struktur;

— penggunaan pengukur regangan untuk mengukur nilai mekanis yang diubah menjadi deformasi elemen elastis.

Kasus pertama ditandai dengan sejumlah besar titik pengukuran tegangan, rentang perubahan parameter lingkungan yang luas, serta ketidakmungkinan mengkalibrasi saluran pengukuran. Dalam hal ini, kesalahan pengukuran adalah 2-10%.

Dalam kasus kedua, sensor dikalibrasi sesuai dengan nilai terukur dan kesalahan pengukuran berada dalam kisaran 0,5-0,05%.

Contoh paling mencolok dari penggunaan strain gauges adalah neraca. Timbangan sebagian besar pabrikan Rusia dan asing dilengkapi dengan pengukur regangan. Timbangan sel beban digunakan di berbagai industri: metalurgi non-besi dan besi, kimia, konstruksi, makanan, dan industri lainnya.

Prinsip pengoperasian timbangan elektronik direduksi menjadi pengukuran gaya gravitasi yang bekerja pada sel beban dengan mengubah perubahan yang dihasilkan, seperti deformasi, menjadi sinyal listrik keluaran proporsional.

Penggunaan resistor tensor yang luas dijelaskan oleh sejumlah keunggulannya:

— ukuran dan berat kecil;

— inersia rendah, yang memungkinkan penggunaan pengukur regangan untuk pengukuran statis dan dinamis;

— memiliki karakteristik linier;

— memungkinkan pengukuran dilakukan dari jarak jauh dan di banyak titik;

— metode pemasangannya pada bagian yang diperiksa tidak memerlukan perangkat yang rumit dan tidak merusak bidang deformasi bagian yang diperiksa.

Dan kerugiannya, yaitu sensitivitas suhu, dapat dikompensasi dalam banyak kasus.

Jenis konverter dan fitur desainnya

Pengoperasian pengukur regangan didasarkan pada fenomena efek deformasi, yang terdiri dari perubahan resistansi aktif kabel selama deformasi mekanisnya. Karakteristik efek deformasi material adalah koefisien sensitivitas deformasi relatif K, yang didefinisikan sebagai rasio perubahan resistansi terhadap perubahan panjang konduktor:

k = er / el

dimana er = dr / r — perubahan relatif dalam resistansi konduktor; el = dl / l — perubahan relatif panjang kawat.

Selama deformasi benda padat, perubahan panjangnya dikaitkan dengan perubahan volume, dan sifat-sifatnya, khususnya nilai resistansi, juga berubah. Oleh karena itu, nilai koefisien sensitivitas dalam kasus umum harus dinyatakan sebagai

K = (1 + 2μ) + m

Di sini, kuantitas (1 + 2μ) mencirikan perubahan resistansi yang terkait dengan perubahan dimensi geometris (panjang dan penampang) konduktor, dan — perubahan resistansi material yang terkait dengan perubahan fisiknya properti.

Jika bahan semikonduktor digunakan dalam produksi tensor, kepekaan terutama ditentukan oleh perubahan sifat bahan kisi selama deformasi dan K »m dan dapat bervariasi untuk bahan yang berbeda dari 40 hingga 200.

Semua konverter yang ada dapat dibagi menjadi tiga jenis utama:

- kabel;

— menggagalkan;

- film.

Telemeter kabel digunakan dalam teknik mengukur kuantitas non-listrik dalam dua arah.

Arah pertama adalah penggunaan efek deformasi konduktor dalam keadaan kompresi volume, ketika nilai input alami transduser adalah tekanan gas atau cairan di sekitarnya. Dalam hal ini, transduser adalah gulungan kawat (biasanya manganin) yang ditempatkan di area yang diukur tekanannya (cair atau gas). Nilai keluaran konverter adalah perubahan resistansi aktifnya.

Arah kedua adalah menggunakan efek tegangan dari kawat tegangan yang terbuat dari bahan yang peka terhadap tegangan. Dalam hal ini, sensor tegangan digunakan dalam bentuk konverter "bebas" dan dalam bentuk yang direkatkan.

Pengukur regangan "bebas" dibuat dalam bentuk satu atau deretan kabel, dipasang di ujung antara bagian yang dapat digerakkan dan tidak dapat digerakkan dan, biasanya, secara bersamaan menjalankan peran elemen elastis. Nilai masukan alami dari transduser tersebut adalah gerakan yang sangat kecil dari bagian yang bergerak.

Perangkat dari jenis pengukur regangan kawat berikat yang paling umum ditunjukkan pada Gambar 2. Kawat tipis dengan diameter 0,02-0,05 mm, ditempatkan dalam pola zigzag, direkatkan ke selembar kertas tipis atau kertas pernis. Kabel tembaga bertimbal terhubung ke ujung kabel. Bagian atas konverter ditutup dengan lapisan pernis dan terkadang ditutup dengan kertas atau kain kempa.

Transduser biasanya dipasang sehingga sisi terpanjangnya diorientasikan ke arah gaya yang diukur. Transduser semacam itu, yang direkatkan ke benda uji, mendeteksi deformasi lapisan permukaannya. Dengan demikian, nilai input alami dari transduser yang direkatkan adalah deformasi lapisan permukaan bagian yang direkatkan, dan outputnya adalah perubahan resistansi transduser yang sebanding dengan deformasi ini. Secara umum, sensor yang direkatkan lebih sering digunakan daripada yang tidak direkatkan.

Gambar 2 - pengukur regangan kawat berikat: 1 - kawat pengukur regangan; 2- lem atau semen; 3- alas plastik atau kertas; kabel 4 kawat

Basis pengukur transduser adalah panjang bagian yang ditempati oleh kawat. Transduser yang paling umum digunakan adalah basis 5-20 mm dengan resistansi 30-500 ohm.

Selain desain pengukur regangan kontur yang paling umum, ada yang lain. Jika perlu untuk mengurangi dasar pengukuran transduser (menjadi 3 — 1 mm), itu dilakukan dengan metode penggulungan, yang terdiri dari penggulungan spiral kawat yang peka terhadap beban pada mandrel penampang melintang pada tabung kertas tipis. Tabung ini kemudian direkatkan, dikeluarkan dari mandrel, diratakan, dan kabel dipasang di ujung kabel.

Ketika diperlukan untuk mendapatkan arus besar dari rangkaian dengan termokonverter, mereka sering menggunakan pengukur regangan "kuat" dengan kawat melingkar... Mereka terdiri dari sejumlah besar (hingga 30 — 50) kabel yang dihubungkan secara paralel, berbeda dalam ukuran besar (panjang alas 150 — 200 mm) dan memungkinkan peningkatan yang signifikan pada arus yang melewati konverter (Gambar 3).

Gambar 3- Tenometer dengan resistansi rendah ("kuat"): 1 — kawat pengukur regangan; 2- lem atau semen; 3- alas plastik atau kertas; 4 pin kawat

Probe kawat memiliki area kontak kecil ke sampel (substrat), yang mengurangi arus bocor pada suhu tinggi dan menyebabkan tegangan isolasi yang lebih tinggi antara elemen sensitif dan sampel.

Sel beban foil adalah versi sel beban berperekat yang paling populer. Transduser foil adalah strip foil setebal 4-12 mikron, di mana sebagian logam dipilih dengan mengetsa sedemikian rupa sehingga sisanya membentuk jaringan timah yang ditunjukkan pada Gambar 4.

Dalam produksi kisi semacam itu, pola kisi apa pun dapat diramalkan, yang merupakan keuntungan signifikan dari pengukur regangan foil. Pada gambar 4, a menunjukkan tampilan transduser foil yang dirancang untuk mengukur keadaan tegangan linier, pada gambar. 4, c - transduser foil yang direkatkan ke poros untuk mengukur torsi, dan dalam gambar. 4, b — terpaku pada membran.

Gambar 4- Konverter foil: 1- loop penyesuaian; 2- membungkuk sensitif terhadap gaya tarik membran; 3- rotasi peka terhadap gaya tekan diafragma

Keuntungan serius dari konverter foil adalah kemungkinan untuk meningkatkan penampang ujung konverter; pengelasan (atau penyolderan) kabel dapat dilakukan dalam hal ini jauh lebih andal daripada dengan konverter kabel.

Deformer foil, dibandingkan dengan kawat, memiliki rasio permukaan elemen sensitif yang lebih tinggi terhadap luas penampang (sensitivitas) dan lebih stabil pada suhu kritis dan beban berkelanjutan. Luas permukaan yang besar dan penampang yang kecil juga memastikan kontak suhu yang baik antara sensor dan sampel, yang mengurangi pemanasan sendiri pada sensor.

Untuk produksi pengukur regangan foil, logam yang sama digunakan untuk telenometer (constantan, nichrome, paduan nikel-besi, dll.), Dan bahan lain juga digunakan, misalnya paduan titanium-aluminium 48T-2, yang mengukur regangan hingga 12%, serta sejumlah bahan semikonduktor.

Tensor film

Dalam beberapa tahun terakhir, metode lain untuk produksi massal strain resistensi terikat telah muncul, yang terdiri dari sublimasi vakum dari bahan yang sensitif terhadap regangan dan kondensasi selanjutnya pada substrat yang disemprotkan langsung ke benda kerja. Transduser semacam itu disebut transduser film.Ketebalan kecil dari pengukur regangan tersebut (15-30 mikron) memberikan keuntungan yang signifikan saat mengukur regangan dalam mode dinamis pada suhu tinggi, di mana pengukuran regangan merupakan bidang penelitian khusus.

Sejumlah pengukur regangan film berdasarkan bismut, titanium, silikon atau germanium telah dibuat dalam bentuk strip konduktif tunggal (Gambar 5).Transduser semacam itu tidak memiliki kelemahan dalam mengurangi sensitivitas relatif transduser dibandingkan dengan sensitivitas bahan pembuat transduser.

Gambar 5- Pengukur regangan film: 1- film pengukur regangan; 2- foil pernis; kabel 3 pin

Koefisien pengukur regangan dari transduser berbasis film logam adalah 2-4, dan ketahanannya bervariasi dari 100 hingga 1000 ohm. Transduser yang dibuat berdasarkan film semikonduktor memiliki koefisien urutan 50-200 dan karenanya lebih sensitif terhadap tegangan yang diberikan. Dalam hal ini, tidak perlu menggunakan rangkaian penguat, karena tegangan keluaran jembatan resistor regangan semikonduktor kira-kira 1 V.

Sayangnya, resistansi konverter semikonduktor bervariasi dengan voltase yang diberikan dan pada dasarnya non-linier pada seluruh rentang voltase, dan juga sangat bergantung pada temperatur. Jadi, meskipun penguat diperlukan saat bekerja dengan deformasi film logam, linearitasnya sangat tinggi dan efek suhu dapat dengan mudah dikompensasi.