Исследование тензометрических измерительных преобразователей (тензодатчиков) Руководство по выполнению лабораторной работы для студентов специальностей 15.
 Скачать 214.56 Kb.
|
|
Кафедра компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) МЕТРОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ Томск, 2018 2 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) УТВЕРЖДАЮ Зав. каф. КСУП _________ Ю. А. Шурыгин «Исследование тензометрических измерительных преобразователей (тензодатчиков)» Руководство по выполнению лабораторной работы для студентов специальностей 15.03.04 Автоматизация технологических процессов и производств», других специальностей при изучении дисциплин «Метрология и технические измерения», «Метрология и радиоизмерения», «Метрология и измерительная техника», «Метрология, стандартизация и сертификация» и прочих дисциплин метрологического профиля. Разработчик: ассистент каф. КСУП _________ К. К. Жаров Томск 2018 3 Содержание 1 Цель работы...................................................................................................................................4 2 Основные положения....................................................................................................................4 3 Домашнее задание.........................................................................................................................7 4 Контрольные вопросы..................................................................................................................7 5 Описание лабораторной установки.............................................................................................8 6 Лабораторное задание..................................................................................................................9 7 Методические указания к выполнению работы.......................................................................10 8 Требования к оформлению отчета.............................................................................................12 9 Рекомендуемая литература.........................................................................................................12 4 1 Цель работы Исследование основных характеристик наклеиваемых тензометрических дат- чиков и на их основе измерительной установки для измерения механических усилий и деформаций. 2 Основные положения Тензометрические преобразователи используются в приборах (измеритель- ных установках и системах) для измерения деформаций и напряжений в деталях машин и механизмов или других физических величин, преобразуемых предва- рительно в деформацию. Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта, заключающегося в изменении омического сопротивле- ния проводника за счет изменения его геометрических размеров (длины и пло- щади поперечного сечения) и физических свойств (удельного сопротивления материала проводника) при деформации. Обобщенной характеристикой тензо- эффекта, учитывающей эти изменения, является коэффициент относительной тензочувствительности K, определяемый как отношение относительного изме- нения сопротивления γ R к относительному изменению длины проводника тен- зодатчика γ l : K = γ R γ l , (2.1) где γ R = Δ R R , γ l = Δ l l Коэффициент тензочувствительности существенно зависит от материала про- водника. Для металлических тензорезисторов он положительный и лежит в пре- делах 2 – 3; для никеля 10 – 12, для висмута 20 – 22, для полупроводниковых материалов достигает значений от -100 до +100. При измерении поверхностных деформаций наибольшее применение получи- ли фольговые и пленочные тензорезисторы, наклеиваемые на испытуемую де- таль. Фольговые тензорезисторы изготавливаются из металлической ленты тол- щиной 4 – 12 мкм, из которой часть металла выбрана травлением таким об- разом, что оставшаяся его часть образует показанную на рисунке 2.1,а решетку с выводами. а) б) Рисунок 2.1 P h в l 5 Конфигурация, показанная на рисунке 2.1,а, наиболее удобна для измерения линейных деформаций. При этом решетка наклеивается на деталь так, чтобы измерительная база преобразователя (длина решетки) совпадала с направлени- ем интересующих деформаций. Для уменьшения влияния поперечных деформа- ций, воспринимаемых участками решетки в местах поворота проводника и ис- кажающих характеристику преобразования, сечение проводника на этих участках увеличено. Влияние поперечных деформаций уменьшается также при увеличении базы преобразователя, однако при этом оценка соосных деформа- ций перестает быть точечной и становится интегральной по длине базы. Наибо- лее часто используются преобразователи с базами (5 – 20) мм, обладающие но- минальным сопротивлением R ном = 30 – 500 Ом . Тензометрические преобразователи относятся к группе параметрических преобразователей неэлектрических величин в электрические. Естественной входной величиной наклеиваемых тензорезисторов является деформация по- верхностного слоя детали, на которую он наклеен, а естественной выходной ве- личиной — изменение сопротивления, пропорциональное этой деформации. Наклеиваемые тензорезисторы использованы в данной работе для измерения упругих деформаций стальной консольной балки (на рисунке 2.1,б), возникаю- щих под действием сосредоточенной силы P , приложенной к свободному кон- цу балки. При этом тензорезистор, наклеенный на верхнюю поверхности балки, испытывает деформацию растяжения, а нижний тензорезистор - деформацию сжатия. Абсолютная величина Δ l и знак линейной деформации тензоматериа- ла определяется соответствующей деформацией участка поверхности балки, на который наклеен тензорезистор. Статическая (тарировочная) характеристика отдельного тензопреобразователя линейна в области упругих деформаций, когда K = const : Δ R = f (Δ l) = K⋅ R l ⋅Δl , (2.2) γ R = f (Δ l) = K⋅γ l (2.3) При измерении сосредоточенной силы P консольная балка может рассматри- ваться как упругий механический преобразователь неэлектрических величин. Статическая характеристика такого преобразователя определяется выражением: Δ l = f (P) = 6 ⋅l 2 ⋅P E ⋅b⋅h 2 , (2.4) где Δ l — абсолютная линейная деформация поверхности балка в точке измере- ния, см; P — сосредоточенная сила - нагрузка балки, кг; l —длина участка балки между точкой приложения нагрузки и точкой из- мерения, см; 6 h — толщина балки, см; b — ширина балки, см; E — модуль упругости материала балки, кг/cм 2 Для балки, используемой в работе l = 90 см , b = 4 см , h = 1см , E = 2⋅10 6 кг /см 2 Относительная линейная деформация γ l тензопреобразователя в выражениях (2.1) и (2.2) равна относительной линейной деформации балки γ l = Δ l l , рас- считанной по формуле (2.3), что позволяет тарировать тензопреобразователь по усилию: γ R = f (P) = K⋅ 6 ⋅l⋅P E ⋅b⋅h 2 (2.5) Изменение сопротивления тензорезистора, как и любого параметра электри- ческой цепи, может быть выявлено только путем измерения обусловленных им измерений токов или напряжений электрической цепи, в которую включен тен- зорезистор. Наиболее часто тензопреобразователь включается в одно из плеч неравновесного моста постоянного или переменного тока. Выходное напряже- ние ΔU, снимаемое с измерительной диагонали моста, при включении в смеж- ное плечо моста эквивалентного постоянного сопротивления, равного номи- нальному сопротивлению тензорезистора, определяется выражением: Δ U = 1 4 U пит γ R 1 + γ R , (2.6) где U пит - напряжение питания моста. Мостовая схема с источником питания является, таким образом, преобразова- телем вида электрической величины. Статическая характеристика тензорезистора линейна ( K = const ) при относи- тельной деформации не превышающей (для исследуемых тензорезисторов) ве- личины γ R = 2,5⋅10 −3 . При этом относительное изменение сопротивления не превышает γ R = (5 – 8)⋅10 −3 , а максимальное выходное напряжение моста не бо- лее U max = (1,25 – 2)⋅10 −3 ⋅U пит Во избежание помех при последующей обработке или передаче, а также для индикации столь малых напряжений необходимо дополнительное усиление. С этой целью измерительная диагональ моста подключается к входу измери- тельного усилителя со стабильным коэффициентом усиления и мальм дрейфом нуля, обеспечивающего масштабное унифицирующее преобразование вида U ' = K УС ⋅Δ U , (2.7) где K УС — коэффициент усиления; Δ U — выходное напряжение (унифицированный электрический сигнал). 7 Основным источником погрешности тензопреобразователей является темпе- ратурная зависимость сопротивления тензоматериала. Изменение сопротивле- ния γ t , обусловленное изменением температуры проводника, сравнимо с его изменением γ R за счет измеряемой деформации и непосредственно добавляется к результату преобразования. Кроме того, наклеиваемые тензорезисторы вслед- ствие разного температурного коэффициента расширения детали и тензоматериала испытывают дополнительные деформации растяжения или сжа- тия при отсутствии внешней нагрузки. Для уменьшения температурной погреш- ности в соседнее плечо моста включается такой же преобразователь, наклеен- ный на тот же самый материал ипомещенный в те же температурные условия, что и рабочий преобразователь. Если при этом оба терморезистора испытывают равные деформации противоположного знака, то наряду с температурной кор- рекцией вдвое повышается чувствительность мостовой схемы: Δ U = 1 2 U пит γ R (2.8) В измерительной установке на основе тензодатчиков, как следует из выраже- ний (2.1) – (2.7), реализуется цепь последовательных измерительных преобразо- ваний от воздействия измеряемой физической величины Р до формирования унифицированного первичного электрического сигнала U. P→ Δ l → Δ R→ Δ U → U ' (2.9) 3 Домашнее задание 3.1) Ознакомиться с принципом действия, устройством и характеристиками тензометрических преобразователей (тензодатчиков). 3.2) Ознакомиться с теорией мостовой схемы, применяемой в лабораторной работе, и вывести формулу баланса моста, необходимую для расчета сопротив- ления тензодатчика. 3.3) Произвести расчет статической характеристики консольной балки при γ l = f 2 (P) изменении нагрузки от 0 до 5 кг с использованием формулы (2.3). 4 Контрольные вопросы 4.1) В чем заключается явление тензоэффекта? 4.2) Какие виды тензодатчиков Вы знаете? Какими коэффициентами тензочувствительности они характеризуются? 4.3) Что такое коэффициент тензочувствительности? Как его измерить (по- дробное пошаговое описание)? 4.4) Для измерения каких физических величин могут быть использованы тен- зопреобразователи? 8 4.5) Какую форму имеет тензодатчик? Почему именно такую? 4.6) Нарисуйте мостовую схему. Обоснуйте необходимость применения мо- стовой схемы для измерений, производимых с помощью тензодатчиков. Приведите вывод уравнения баланса моста. 4.7) Какое включение тензодатчиков называют дифференциальным? При ка- ких условиях дифференциальное включение увеличит чувствительность измерительной установки? 4.8) Поясните природу температурной погрешности тензодатчиков и опиши- те, каким образом она может быть уменьшена. 4.9) Изобразите цепь последовательных преобразований, которым подвергается измеряемая физическая величина в измерительной установке, и определите тип каждого преобразователя в соответствии с классификацией из- мерительных преобразователей. 4.10) Зачем тарировка измерительной установки по усилию производилась для нагрузки и разгрузки балки? Как называется такой метод измерений, и для чего он используется? 5 Описание лабораторной установки Лабораторная установка для измерения механических усилий и деформаций содержит: 1) консольную балку, закрепленную на рабочем месте; 2) два тензорезистора с номинальными сопротивлениями R ном = 200 Ом , на- клеенные на противоположные грани балки и испытывающие равные деформа- ции разного знака; 3) набор гирь для создания деформирующих усилий; 4) лабораторный макет; 5) магазин сопротивлений. Структурная схема лабораторного макета показана на рисунке 5.1: Рисунок 5.1 Основным элементом лабораторного макета является измерительный нерав- дат.2 дат.1 R 2 R 1 Источн. питан. Вход. делит. Усилит Индик. 9 новесный мост. Источником питания моста является стабилизированный вы- прямитель с постоянным выходным напряжением U пит = 5 В . Тензорезисторы включаются в нижние смежные плечи моста с помощью клемм ДАТЧИК I и ДАТЧИК II. При этом общая клемма заземлена и к ней подключаются шина датчиков и корпус балки. При исследовании одного тензодатчика в плечо моста (ДАТЧИК I) включает- ся тензорезистор. В другое плечо (ДАТЧИК II) подсоединяется постоянный ре- зистор с эквивалентным сопротивлением, равным номинальному сопротивле- нию тензорезистора R экв = R ном = 200 Ом . В верхние плечи моста включены по- стоянный резистор с номинальным сопротивлением R 2 = 1000 Ом и переменный резистор R 1 для балансировки моста, в качестве которого используется магазин сопротивлений. При исследовании дифференциального включения тензодатчи- ков тензорезисторы включаются в нижние плечи моста. Клеммы ДАТЧИК I, ДАТЧИК II, МАГАЗИН расположены на передней панели лабораторного маке- та. Напряжение с измерительной диагонали моста поступает на вход ступенча- того декадного делителя напряжения и далее на вход усилителя постоянного напряжения с плавной регулировкой усиления. Переключатель ДЕЛИТЕЛЬ и ручка УСИЛЕНИЕ выведены на переднюю панель макета и предназначены для грубой и плавной регулировки чувствительности прибора. На передней панели прибора установлены также стрелочный индикатор, подключенный к выходу усилителя, и тумблер СЕТЬ для включения прибора. 6 Лабораторное задание 6.1) Собрать мост для исследования одного тензометрического датчика. При сборке измерительной схемы руководствоваться указаниями, изложенными в разделе 5. 6.2) Определить точное значение сопротивления первого тензодатчика. 6.3) Определить коэффициент тензочувствительности первого тензодатчика при нагрузке P = 2 кг и P = 4 кг 6.4) Произвести тарировку измерительной установки по усилию и деформа- ции, т.е. снять зависимость α = f 1 (P) и α = f 2 (P) .Результаты представить в виде графиков. 6.5) Определить чувствительность измерительной установки к усилию S P и деформации S l для двух значений нагрузки P = 0 кг и P = 4 кг 6.6) Повторить п.п. 6.1 – 6.5 для второго тензодатчика. 6.7) Собрать схему дифференциального тензопреобразователя(включены оба тензорезистора). Снять тарировочные характеристики и определить чувстви- тельность измерительной установки в соответствии с п.п. 6.4 – 6.5 для диффе- 10 ренциального включения тензодатчиков. 7 Методические указания к выполнению работы Для исследования тензометрических датчиков необходимо собрать измери- тельную схему (см. рис. 5.1). ВНИМАНИЕ! Перед сборкой схемы и включением макета в сеть необхо- димо убедиться, что переключатель ДЕЛИТЕЛЬ находится в положении “ВЫКЛ” (вход усилителя закорочен), а балка разгружена. В дальнейшем лю- бые изменения в схеме соединений производить только при закороченном входе усилителя во избежание выхода макета из строя. Для исследования первого тензодатчика необходимо: 7.1) подключить тензодатчик к клеммам ДАТЧИК I; 7.2) подключить эквивалентное сопротивление R экв = 200 Ом к клеммам ДАТ- ЧИК II; 7.3) подключить магазин сопротивлений (резистор R 1 ) к клеммам МАГА- ЗИН, установив ориентировочно его сопротивление равным R 1 = 1000 Ом (реко- мендуется для удобства регулировки установить десять сотен, а не одну тыся- чу); 7.4) включить тумблер СЕТЬ; 7.5) сбалансировать мост изменением сопротивления магазина до получения нулевых показаний индикатора при максимальной чувствительности усилителя. Балансировка моста производится с помощью магазина сопротивлений при по- следовательном увеличении чувствительности усилителя сначала ступенями с помощью переключателя ДЕЛИТЕЛЬ, а затем плавно с помощью ручки УСИ- ЛЕНИЕ. Мост должен быть уравновешен при такой максимальной чувствитель- ности, когда изменение сопротивления магазина на 1 Ом от равновесного состояния приводит к отклонению стрелки индикатора на 150 – 200 делений шкалы; 7.6) точное значение сопротивления тензодатчика R д из условия баланса мо- ста (см. рисунок 5.1) определится как: R дат = R экв ⋅ R 1 R 2 (7.1) где R дат — сопротивление тензодатчика, подключенного к клеммам ДАТЧИК I; R 1 — сопротивление магазина при балансе моста; R 2 = 1000 Ом , R экв = 200 Ом ; 7.7) определение коэффициента тензочувствительности тензодатчика при на- грузках P = 2 кг и P = 4 кг : 11 7.7.1) установив нагрузку P = 2 кг , сбалансировать мост и по формуле (7.1) рассчитать новое сопротивление тензодатчика R дат ; 7.7.2) коэффициент тензочувствительности K рассчитывается по форму- лам (2.1) – (2.3), где относительное приращение сопротивления тензорезистора определяется выражением γ R = Δ R R = R ' дат − R дат R дат , (7.2) где R ' дат и R дат — сопротивления нагруженного и ненагруженного тензорези- сторов, определяемые из условия баланса моста (7.1); 7.7.3) установив нагрузку P = 4 кг , вновь сбалансировать мост и по преды- дущей методике рассчитать коэффициент тензочувствительности тензодатчика; 7.8) для тарировки измерительной установки по усилию и деформации снять зависимости показанийиндикатора от величины нагрузки Р на балку и дефор- мации Δ l балки α = f 1 (P) и α = f 2 (P) . Тарировку по усилию производить, на- гружая балку гирями через 0,5 кг от 0 кг до 4 кг. Для устранения влияния меха- нического гистерезиса тарировку произвести для процессов нагрузки и разгруз- ки балки. Статические (тарировочные) характеристики α = f 1 (P) и α = f 2 (P) построить, полагая значение α длякаждого значения нагрузки равным среднему значению показаний индикатора при нагрузке и разгрузке; 7.9) определение чувствительности измерительной установки по усилию S P и деформации S l ненагруженного тензодатчикапроизводится следующим об- разом: 7.9.1) сбалансировать мост при Р=0кг; 7.9.2) увеличить нагрузку балки на (0,5-1)кг; 7.9.3) снять показание индикатора Δα; 7.9.4) определить чувствительность по формулам: S P = Δ α Δ P ( дел кг ) , (7.3) S l = Δ α Δ l ( дел см ) , (7.4) где Δα - приращение показания индикатора при изменении нагрузки на величи- ну ΔР или деформации на величину Δl; 7.10) определение чувствительности измерительной установки по усилию S Р и деформации S l для нагрузки Р=4кг производится по аналогичной методике: 7.10.1) сбалансировать мост при Р=4кг; после чего повторить п.п. 7.9.2,7.9.3,7.9.4; 7.11) для исследования дифференциального включения тензодатчиков к клем- 12 мам ДАТЧИК 1 подключается один, а к клеммам ДАТЧИК 2 – второй тензодат- чик. Общий контакт присоединить к корпусной клемме макета. Тарировочные характеристики и чувствительность измерительной установки производить со- гласно п.п. 7.8 и 7.9 методических указаний. В связи с резким увеличением чувствительности при дифференциальном включении двух датчиков возможно зашкаливание измерительного прибора при усилиях, превышающих 4 кг. Для устранения зашкаливания рекомендуется после балансировки моста в п. 7.5 перебалансировать мост на -100 делений (в сторону, противоположную отклонению стрелки при нагрузке). 8 Требования к оформлению отчета 8.1) Отчет должен содержать результаты выполнения всех пунктов лабора- торного задания и выводы по проделанной работе. 8.2) При оформлении отчета следует придерживаться образовательного стан- дарта ОС ТУСУР 2013. 9 Рекомендуемая литература 1) Евтихиев Н.Н. и др. Параметрические измерительные преобразователи. – М. Высшая школа. 1997. 2) Н. Н. Евтихиев, Измерение электрических и неэлектрических величин, учебное пособие для вузов, Москва: Энергоатомиздат, 1990, 352с. 3) Образовательный стандарт вуза ОС ТУСУР 01-2013. Работы студенческие по направлениям подготовки и специальностям технического профиля. Общие требования и правила оформления - [Электронный ресурс] — Режим доступа — https://regulations.tusur.ru/documents/70 , дата обращения 06.06.2018 |