ЖУРНАЛ СТА 4/2013

89 СТА 4/2013 www.cta.ru В ЗАПИСНУЮ КНИЖК У ИНЖЕ Н Е РА чаще из металлической фольги, сформированной в виде змейки (рис. 2) и нанесённой на подложку (носитель), кото- рая непосредственно приклеивается к испытываемому телу. Типовая длина тензодатчиков колеблется от 0,2 мм до 10 см. Змеевидная структура датчика обеспечивает большое отно- сительное изменение длины фольги в направлении вдоль дат- чика и очень малое изменение при растяжении датчика в по- перечном направлении. Поэтому коэффициент Пуассона в такой структуре минимален. Серийные тензодатчики имеют сопротивление от 30 Ом до 3 кОм при типовых значениях 120 Ом, 350 Ом и 1 кОм. Мате- риалами для них служат константан (45%Ni, 55%Cu), плати- на и её сплавы, нихром (80% Ni, 20% Cr), манганин (84% Cu, 12% Mn, 4% Ni), никель и др. Для точной передачи растяжения образца через подложку на металлический проводник очень важно правильно при- крепить датчик к испытываемому образцу. Для этого лучше всего пользоваться информацией, предоставляемой изгото- вителем тензодатчика. Длина чувствительного элемента тензодатчика и длина его подложки изменяются в зависимости от температуры. Поэтому несмотря на специальные меры, принимаемые при изготовле- нии тензодатчиков их производителями, существует проблема снижения температурной чувствительности. Температурная чув- ствительность определяется двумя физическими явлениями: за- висимостью омического сопротивления материала тензорези- стора от температуры и паразитным тензорезистивным эффек- том, который возникает вследствие несогласованности темпе- ратурных коэффициентов расширения тензорезистора и мате- риала объекта, на который наклеен тензорезистор. И ЗМЕРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ТЕНЗОДАТЧИКОВ Измерения с помощью тензодатчиков требуют регистрации очень малых изменений сопротивления. Например, относи- тельное изменение сопротивления, вызываемое относительным растяжением 0,0005 при тензорезистивном коэффициенте, рав- ном 2, составит 0,1%, что для тензодатчика сопротивлением 120 Ом эквивалентно сопротивлению всего лишь 0,12 Ом. Что- бы измерять столь малое изменение сопротивления и скомпен- сировать температурную погрешность, тензодатчики практиче- ски всегда используют в мосто- вой схеме (мост Уитстона, рис. 3), подключённой к источ- нику напряжения или тока (ис- точнику питания моста). Общепринятого стандарта для питания моста не суще- ствует. Типовыми являются на- пряжения 3 В и 10 В. Ток через тензодатчик обычно составляет от 2 до 30 мА для датчиков с со- противлением от 1 кОм до 120 Ом. Напряжение питания моста должно быть по возможности большим, чтобы увеличить отно- шение сигнала к шуму, и в то же время достаточно малым, что- бы минимизировать погрешность, вызванную саморазогревом датчика. Особые требования предъявляются к точности и ста- бильности напряжения питания моста, если не используетсяше- стипроводная схема подключения датчика (см. раздел «Влияние сопротивления соединительных проводов»). Для проверки правильности калибровки измерительной схемы используют резистор с известным (калиброванным) значением сопротивления, которым шунтируют тензодатчик. Показания измерительной системы должны соответствовать расчётному значению для этого сопротивления. В связи с малой величиной сигнала от тензодатчика во мно- гих случаях целесообразно применять фильтр, ослабляющий помехи с частотой 50 Гц. Например, в модуле ввода сигналов тензодатчика NL-2SG фирмы НИЛ АП использован sinc- фильтр 3-го порядка, подавляющий помеху с частотой 50 Гц на 120 дБ. Выходное напряжение измерительного моста (рис. 3) равно: . (8) При условии баланса моста ( R 1 / R 2 = R G / R 3 ) его выходное напряжение V 0 = 0. Малейшая разбалансировка вследствие изменения сопротивления тензодатчика приводит к появле- нию напряжения на выходе. Обозначим абсолютное изменение сопротивления тензо- датчика через Δ R . Тогда, как следует из (4), Δ R = R G • GF • ε , где R G – сопротивление тензорезистора в ненапряженном со- стоянии. Если сбалансировать мост таким образом, чтобы при от- сутствии растяжения тензодатчика R 1 = R 2 и R 3 = R G , то из (8) получим: , или окончательно: . (9) Таким образом, зная напряжение на выходе моста, из фор- мулы (9) мы можем найти относительное удлинение тензо- датчика ε и из (6) – силу F. V V GF GF o ex = ⋅ ⋅ + ⋅ ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ ε ε 4 1 1 2/ V V R R R R R R R GF GF GF o ex G G G = + + − + = + ⋅ − = ⋅ + ⋅ ⋅ Δ 2 2 2 1 2 1 2 4 2 ε ε ε V R R R R R R V o G ex = + − + ⎡ ⎣ ⎢ ⎤ ⎦ ⎥ ⋅ 3 3 2 1 2 Контакты с внешними выводами Активный чувствительный элемент Подложка Рис. 2. Структура металлического тензодатчика + – V o V ex R 1 R 2 R 3 R G Рис. 3. Мост Уитстона с источником напряжения Активный чувствительный элемент Элемент для термокомпенсации Рис. 4. Использование двух тензорезисторов для компенсации температурной погрешности