Тензометрические преобразователи

За последние годы большое значение приобрел метод измерения неэлектрических величин, основанный на изменении электрического сопротивления резистора, испытывающего деформацию. Весьма тонкий металлический проводник под действием растягивающих или сжимающих сил изменяет свое электрическое сопротивление.

При деформации оно изменяется не только вследствие изменения размеров (длины и площади поперечного сечения ), но также и вследствие изменения структуры материала .

Сопротивление R резистора определяется по формуле

(2.3)

где — удельное сопротивление материала.

Относительное изменение сопротивления , с одной стороны, пропорционально относительной деформации , т. е.

(2.4)

где — коэффициент электромеханической связи резистора, а с другой, выражается через параметры резистора в виде проводника

(2.5)

На основании выражений (2.4) и (2.5) можно написать

(2.6)

Учитывая, что , ,

где — коэффициент Пуассона, получим

(2.7)

Экспериментальные исследования показывают, что относительное изменение удельного сопротивления пропорционально относительной деформации, т. е.

(2.8)

где — коэффициент пропорциональности, различный для разных материалов.

Следовательно:

(2.9)

Отсюда следует, что коэффициент связи , характеризующий чувствительность проволочного преобразователя, зависит от материальных констант и и для данного материала остается постоянным.

Значение коэффициента Пуассона для разных материалов . Приняв , получим . Экспериментами установлено, что значения коэффициента колеблются в пределах . Следовательно, чувствительность проволочного преобразователя изменяется от 2 до 3,5. При относительной деформации в 1% изменение сопротивления составляет 2—3,5%.

На величину удельного сопротивления существенное влияние оказывает характер обработки проволоки и температура окружающей среды. Величина для некоторых сплавов, как, например, константана, достаточно постоянна независимо от обработки и температуры. Такие сплавы имеют широкое применение в измерительной технике. Они используются для изготовления проволочных преобразователей, получивших название тензодатчиков.

Метод проволочного сопротивления находит применение при измерении деформации упругих тел, а также при измерении таких неэлектрических величин, которые можно преобразовать в деформацию. Проволочные преобразователи выполняются в виде решетки из тонкой проволоки диаметром порядка 20—30 мк, приклеиваемой к бумажной полоске или органической пленке (рис.2.5).

Бумажную полоску наклеивают на ту деталь, деформацию которой необходимо измерить. Сопротивление датчика обычно составляет 100—200 Oм при размерах решетки 8X10 мм.

Преимуществами проволочных преобразователей являются малые габариты и вес, возможность измерения деформации в труднодоступных местах и возможность измерения быстроизменяющихся величин.

К недостаткам метода следует отнести малую чувствительность, обычно вызывающую необходимость усиления, и необходимость в индивидуальной градуировке в связи с различием в параметрах датчиков.

Повышение чувствительности тензодатчиков достигается заменой проволоки тонкой фольгой () и изготовлением решетки из полупроводников ().

Большое распространение получили методы измерения неэлектрических величин, основанные на зависимости электрического сопротивления R резистора от его температуры . т.е.

Температура резистора , а, следовательно, и его сопротивление R зависят от многих физических и геометрических факторов: плотности протекающего по проводнику тока; температуры окружающей среды и арматуры; геометрических размеров резистора и формы его поверхности; геометрических размеров и формы арматуры, к которой крепится резистор; скорости, плотности и состава среды.