Желбаков И.Н., Кончаловский В.Ю., Солодов Ю.С. Метрология, стандартизация, сертификация - файл n1.doc

приобрести
Желбаков И.Н., Кончаловский В.Ю., Солодов Ю.С. Метрология, стандартизация, сертификация
скачать (8721.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc8722kb.07.07.2012 01:23скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   41

Разовое действие.



При некоторых применениях, в частности, при испытании материалов и конструкций на прочность, проявляется определённый недостаток, состоящий в «разовом действии»: ИП можно приклеить, но нельзя отклеить. Между тем, для определения механического напряжения ? надо знать ?l, а значит, надо знать S – коэффициент преобразования ?l в относительное изменение сопротивления ?R. Для экспериментального определения S на градуировочной установке надо наклеить ИП на деформируемую деталь, например, на балку, изгибаемую грузом с известной массой. Но отклеить, чтобы далее использовать ИП с известным значением S на другом объекте, нельзя.

Приходится идти на выборочное определение S для некоторого количества ИП из данной партии, а остальным экземплярам приписывать усреднённое для выборки значение S с определённым допуском. Например, для ИП из константановой фольги S = 2,1 ± 0,2. Допуск большой (около 10%), а этот допуск есть ни что иное, как погрешность, но при испытаниях на прочность и не требуется высокой точности, т.к. всегда принимают запас прочности.

Эта особенность проявляется не всегда. Манометры, динамометры и торсиометры с приклеенными ИП можно проградуировать, а потом использовать для измерений.
Необходимость температурной компенсации.
Изменение сопротивления ИП под воздействием температуры окружающей среды (вредное влияние) соизмеримо с изменением от деформации (полезное влияние). В связи с этим тензорезисторные ИП не могут работать без температурной компенсации. Изменение сопротивления ИП под воздействием температуры ?R? можно представить в виде
?R? = ?R?' + ?R?'',
где ?R?' – изменение, которое было бы единственным, если бы ИП не был приклеен;

?R?'' – изменение, связанное с различием коэффициентов линейного расширения материала объекта, на который наклеен ИП (?об), и материала самого ИП (?ип).

Если температурную зависимость R(?) считать близкой к линейной, то
?R?' = ?R0 ??,
где ? – температурный коэффициент сопротивления (т.к.с.) материала ИП, например, константана;

R0 – сопротивление ИП при ? = 0оС;

?? – отклонение температуры ? от того значения, относительно которого определяется изменение ?R?'.

Разность (?об – ?ип) может быть как положительной, так и отрицательной. Например, для ИП из константана, наклеенного на сталь ?об на 30-35% меньше, чем ?ип. Поэтому при увеличении температуры ? для константана возникает деформация сжатия, что равноценно отрицательному т.к.с., но если этот же ИП наклеен на дюраль, то ?об > ?ип, что равноценно положительному т.к.с. В любом случае
?R?'' = SR(?об – ?ип) ??
и в целом
?R? = [? + S(?об – ?ип)]R ??,
или, вводя обозначение ?R,? = ?R?/R – относительное изменение сопротивления ИП, вызванное изменением температуры
?R,? = [? + S(?об – ?ип)] ??.
Пример.
ИП из константана наклеен на сталь. В этом случае: ? = ± 50Ч10–6 1/oC;

?ип = 15Ч10–6 1/oC; ?об = 11Ч10–6 1/oC; (?об – ?ип) = – 5Ч10–6 1/oC; S = 2,1 ± 0,2.

При S = 2 имеем
? + S(?об – ?ип) = (± 50 – 10)Ч10–6 1/oC = (– 60 ч 40)Ч10–6 1/oC.
В худшем случае

|? + S(?об – ?ип)|max = 60Ч10–6 1/oC.
При ?l = 10–3 = 0,1% (в пределах упругих деформаций ?l,max = 0,2%) и ?? = ± 20оС изменение сопротивления ИП, вызванное деформацией (полезное изменение) будет

?R = S?l = 0,2%,
а вызванное изменением температуры (вредное)
?R,? = ± 60Ч10–6Ч20 = 1,2Ч10–3 = ± 0,12%,
т.е. вредное изменение соизмеримо с полезным. Следовательно, без температурной компенсации обойтись нельзя. Она осуществляется в измерительных цепях с тензорезисторными ИП.

3.3.3. Измерительные цепи.



В основу большинства измерительных цепей с тензорезисторными ИП положены неравновесные мосты. На рис. 3.3,а показан мост с двумя рабочими тензорезисторами R1 и R3. Оба они испытывают деформацию либо растяжения, либо сжатия.

а)


б)


Рис. 3.3. Схемы неравновесных мостов а) с двумя рабочими тензорезисторами (R1 и R3); б) с четырьмя.
Тензорезисторы R2 и R4, такие же, как R1 и R3, деформации не испытывают, но обеспечивают температурную компенсацию. Для этого они должны быть приклеены на такой же материал, что и R1 и R3 и находится при той же температуре. При деформации растяжения в выходной диагонали моста образуется напряжение U со знаком плюс, а при деформации сжатия – со знаком минус.

При идеальной идентичности R1 ч R4 и отсутствии деформации мост находится в состоянии равновесия и U = 0. Легко показать, что при наличии деформации

,
ибо в пределах упругих деформаций ?R << 1, или в безразмерной форме

.
На рис. 3.3,б показан мост, в котором все четыре тензорезистора – рабочие, причём R1 и R3 испытывают деформацию растяжения (или сжатия), а R2 и R4 – соответственно сжатия (или растяжения). В данном случае

,
т.е. при тех же значениях ?R и Е значение U будет в два раза больше, причём это равенство точное, т.е. зависимость U(?R) принципиально линейна.

Отношение U/E при номинальной нагрузке называют «рабочим коэффициентом передачи» (РКП) и выражают в мВ/В, например, 2 мВ/В. При данном РКП повышение Е для повышения U ограничено допустимым током Iдоп через тензорезистор из соображений его нагрева этим током. Например, при Iдоп = 20 мА и R = 200 Ом получим Еmax = 8 В (см. рис. 3.3), что при РКП = 2 мВ/В даёт Umax = 16 мВ.

У схемы рис. 3.3,б есть ещё одно преимущество по сравнению со схемой рис. 3.3,а: проводники, идущие к мосту от источника питания (ЭДС Е) и идущие от моста к средству измерения напряжения U, входят не в плечи, а в диагонали моста. Известно, что равновесие моста не нарушается при изменении сопротивлений в диагоналях. При выходе из состояния равновесия сопротивления этих проводников немного влияют на значение U, но гораздо меньше, чем если бы они входили в плечи моста, как в схеме рис. 3.3,а. Однако схема рис. 3.3,б применима только в тех случаях, когда тензорезисторы можно приклеить так, чтоб две пары испытывали деформацию разного знака. {3К4}

Промышленность разных стран выпускает большое количество тензодатчиков разнообразных форм и конструкций. {3К5}

Напряжение на выходе моста при номинальных значениях измеряемых величин составляет обычно несколько милливольт. Для измерения его надо усилить. Каким напряжение питать мост – напряжением постоянного тока, синусоидальным или каким-либо другим?

В первом случае потребуется усилитель постоянного напряжения. Известно, что такой усилитель имеет недостаток – дрейф напряжения смещения нулевого уровня (температурный и временнуй «дрейф нуля»), а усилитель переменного напряжения от этого избавлен. По этой причине на первых этапах развития тензометрии мосты с тензорезисторами питали синусоидальным напряжением. Усиленное до нескольких вольт выходное напряжение моста можно измерить, например, аналоговым электронным вольтметром (см. раздел 2.1.6).

Однако в дальнейшем были разработаны операционные усилители с температурным коэффициентом напряжения смещения нулевого уровня 1 мкВ/ оС и менее. Это позволило перейти к питанию тензомоста постоянным напряжением и, соответственно, к усилению выходного напряжения этого моста усилителем постоянного напряжения.

Повсеместная тенденция перехода от аналоговой техники к цифровой коснулась, конечно, и тензометрии. Появились микросхемы, содержащие в своём составе усилитель постоянного напряжения вместе с АЦП и рассчитанные на непосредственное подключение моста с тензорезисторами. {3К6}

Иногда в измерительные цепи содержат наклеиваемые подстроечные резисторы. {3К7}

На тензорезисторные датчики, предназначенные для измерения сил, существует стандарт, регламентирующий значения «рабочих коэффициентов передачи» (РКП) и метрологические характеристики. {3К8}


ВОПРОСЫ:

1. Что представляет собой тензорезисторный измерительный преобразователь? Для измерения каких неэлектрических величин он используется?

2. Каков принцип действия тензорезисторного измерительного преобразователя?

3. Какие материалы используются для изготовления тензорезисторных измерительных преобразователей? Каковы технические требования к этим материалам?

4. Каковы особенности применения тензорезисторных измерительных преобразователей по сравнению с другими ИП?

5. Как осуществляется температурная компенсация в схемах с тензорезисторными измерительными преобразователями?

6. Нарисуйте простейшие схемы включения тензорезисторных измерительных преобразователей.

3.4. Терморезисторные измерительные преобразователи.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   41


Разовое действие
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации