2.1.4. Пневматические тензометры

Действие основано на измерении изменения расхода воздуха через измерительное сопло, вызванного деформацией объекта исследования (рис. 2.4). Сжатый воздух от компрессора 1 под давлением поступает в фильтр 2, где очищается от твердых частиц, пыли, масла, влаги, далее – в стабилизатор давления 3. Здесь давление воздуха несколько понижается и поддерживается на постоянном уровне ( ). Из стабилизатора воздух подается во входное сопло 5 и затем к измерительному соплу 6, из которого истекает в атмосферу через зазор между соплом и заслонкой 7. Камера между стабилизатором и входным соплом называется рабочей, а давление в ней – рабочим. Камера между входным и измерительным соплами называется измерительной, а давление – измерительным. Большой точностью измерения отличается дифференцированная измерительная система, состоящая из двух симметричных выходных ветвей (пунктирная линия): входное сопло 11, измерительное сопло 10, заслонка 9. При равенстве диаметров входных отверстий, входных сопел 5, 11 и измерительных 6, 10 чувствительность обеих измерительных ветвей будет одинакова и разность давлений между ними будет зависеть только от разности зазоров и . Если величина одного из этих зазоров установлена постоянной, а заслонка другого связана с подвижной опорой, то в процессе деформирования расстояние между подвижной и неподвижной опорами и зазор изменятся, изменение расхода воздуха будет зафиксировано дифференцированным манометром.

Рис. 2.4. Схема пневматической измерительной системы

Коэффициент преобразования составляет 200000, что обеспечивает абсолютную погрешность не выше 0,000001%. Эти тензометры являются одними из наиболее чувствительных и находят применение для высокочастотных измерений на малых базах.

2.1.5. Электрические тензометры

Действие электрических тензометров основано на измерении изменения параметров электрической цепи тензометра или его магнитных свойств. Для преобразования перемещения опорных призм в электрические сигналы, которые передаются на измерительные приборы, используют типы преобразователей: емкостные, индуктивные, пьезоэлектрические, магнитно-упругие, трансформаторные и преобразователи соспротивления.

В подгруппу преобразователей сопротивления входят потенциометрические, электролитические, механотронные и резисторные преобразователи (тензорезисторы).

Потенциометрические преобразователи. Основаны на измерении изменения сопротивления между ползуном потенциометра, жестко связанным с деформируемым объектом, и его крайним выводом. В этих тензометрах (рис. 2.5,а) опорная подвижная призма 5 непосредственно или через механическую передачу соединена с ползуном 3 переменного резистора 4 (потенциометра). В процессе деформирования исследуемого объекта расстояние между подвижной 5 и неподвижной 1 призмами изменяется и ползун перемещается относительно резистора, который жестко связан с неподвижной опорой.

Рис. 2.5. Схемы потенциометрического (а) и механотронного (б) тензометров

Длина резистора, заключенного между ползуном и крайним выводом 2, определяет сопротивление в измеряемом плече. Можно непосредственно измерять сопротивление между ползуном и крайним выводом потенциометра.

Механотронные преобразователи (рис. 2.5,б). Представляют собой электронные лампы, управление электрическим током в которых осуществляется путем механического перемещения электродов, а также вакуумные диоды и триоды. Принцип действия основан на использовании эффекта изменения внутреннего сопротивления вакуумных электронных ламп при изменении расстояния между их электродами в процессе деформирования объекта.

Механотронные преобразователи выполняют в виде стеклянных баллонов 4, в которых находятся неподвижный катод 2 и подвижные аноды 1, 8, связанные со стержнем 5. Вакуумный вывод стержня осуществлен через мембрану 7, не препятствующую перемещениям стержня при деформации объекта. Катод вместе с накальным устройством прикреплен к стеклянному баллону, который закреплен неподвижно относительно деформируемого объекта. Поэтому при его деформировании стержень с анодами перемещается относительно катода, его внутреннее сопротивление изменяется, вызывая изменения выходного тока. Измеряя ток, можно определить перемещение.

Емкостные преобразователи. Основаны на измерении изменения электрической емкости между двумя пластинами, взаимное перемещение которых пропорционально измеряемой деформации.

Как известно, емкость плоского конденсатора определяют из соотношения

, (2.2)

где – действующая площадь пластин (обкладок), из которых состоит конденсатор; – относительная диэлектрическая проницаемость (для воздуха ); – толщина диэлектрика или зазора.

Изменение емкости преобразователя может происходить при взаимном перемещении пластин за счет изменения или действующей площади, или расстояния между пластинами, или диэлектрической проницаемости вещества зазора.

Тензометрам с емкостными преобразователями присущи такие недостатки, как высокая чувствительность к влиянию пыли, влаги, переменных температур, т.е. к влиянию окружающей среды. Поэтому они получили основное применение для измерения перемещений в средах с постоянной температурой и при лабораторных испытаниях. Так, для измерения деформации образцов при испытаниях в жидком гелии (4,2 К) используют емкостный тензометр с плоскими параллельными пластинами (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Схемы емкостного тензометра (а) и его измерительной цепи (б)

Образец 3 удерживается захватами 1, к которым параллельно образцу крепится корпус тензометра 2, выполненный из фторопласта, являющегося изолирующим материалом. К корпусу с помощью хладостойкого клея приклеивают пластины 4. В процессе деформирования образца расстояние между пластинами увеличивается и изменяется емкость преобразователя. Следует отметить чрезвычайно высокую чувствительность, точность измерения составляет до 0,000001%.

Схема подключения представлена на рис. 2.6,б. Параллельные пластины 1 с помощью экранированных проводов 2 соединяют с емкостным мостом 3, к которому подключен звуковой генератор 7. Сигнал с моста по экранированным проводам передают в частотный фильтр 4, преобразователь 5 и затем на регистрирующий прибор 6.

Индуктивные преобразователи. Принцип действия основан на использовании зависимости индуктивного и активного сопротивления катушки от перемещений деталей магнитопровода, связанных с деформируемым объектом.

В индуктивном преобразователе магнитопровод имеет несколько разрывов, зазор или площадь которых могут изменяться при перемещении подвижного элемента, называемого якорем. Якорь жестко связан с объектом исследования и при деформировании последнего перемещается, вызывая изменение сопротивления магнитной цепи и индуктивность катушки, питаемой переменным током.

Различают индуктивные датчики с переменным воздушным зазором, переменной площадью магнитопровода в сечении разрыва и датчики соленоидного типа (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Схема включения индуктивных преобразователей

с переменным зазором (а), переменной площадью (б)

и соленоидного типа (в)

Индуктивные преобразователи с переменным зазором реагируют на изменение зазора порядка 1·10^-4 – 5·10^-4 мм и позволяют измерять перемещения в интервале от 0,1 до 1 мм.

Индуктивные преобразователи с переменной площадью выполняют измерение достаточно больших перемещений – до 8 мм. Отличаются линейностью.

Индуктивные преобразователи соленоидного типа применяют при измерении больших деформаций на большой базе. В них перемещение в катушке ферромагнитного якоря вызывает изменение индуктивности обмотки. Тензометры имеют базу от 10 до 100 мм, с их помощью можно измерять деформации до 60 мм.