SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ DEFORMACE

Experimentální metody – přednáška 8 Snímače pro měření deformace

SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ DEFORMACE

• 8.1. Odporové tenzometry • 8.2. Optické tenzometry • 8.3. Bezkontaktní optické metody


8.1. ODOPROVÉ TENZOMETRY

• 8.1.1. Princip měření deformace • 8.1.2. Kovové tenzometry • 8.1.3. Polovodičové tenzometry • 8.1.4. Teplotní závislost tenzometrů • 8.1.5. Typická zapojení tenzometrů • 8.1.6. Aplikace tenzometrů


8.1.1. PRINCIP MĚŘENÍ DEFORMACE • působením síly F na těleso dojde k jeho prodloužení z původní délky l1 na délku l2 • rozdíl délek se označuje jako absolutní prodloužení ∆l = l2 – l1 • relativní prodloužení ε je absolutní prodloužení vztažené k původní délce

l2 F

l1

∆l

ε=

∆l l1


8.1.1. PRINCIP MĚŘENÍ DEFORMACE • již v roce 1843 zjistil Wheatstone změnu odporu vodiče při jeho deformaci S

∆S F

l

R =ρ

l S

∆l • deformací vodiče se změní: • délka o hodnotu ∆l • průřez o hodnotu ∆S • měrný odpor o hodnotu ∆ρ (vlivem mikrostrukturální změny materiálu)


8.1.1. PRINCIP MĚŘENÍ DEFORMACE S

∆S F

l

∆l

• relativní změna odporu

∆R R

∆l

=

-

l

∆S S

geometrické změny

• změna průřezu • poměr

∆l

∆S S

=-2µ

∆l l

+

∆ρ ρ

mikrostrukturální změny

kde µ je Poissonova konstanta

je poměrné prodloužení ε

l • změna měrného odporu ∆ρ závisí na Youngově modulu pružnosti a piezorezistentní konstantě materálu


8.1.1. PRINCIP MĚŘENÍ DEFORMACE S

∆S F

l ∆l po dosazení a úpravách lze závislost poměrné změny odporu na poměrné deformaci vyjádřit jako polynom:

∆R R

= c1 ε + c2 ε2 + c3 ε3 + ….

pro malé deformace a vhodně zvolené materiály s minimálními mikrostrukturálními změnami lze vyyší členy polynomu zanedbat:

∆R R

= c1 ε

kde c1 se zapisuje jako K, tedy

∆R =Kε R

K se označuje jako tenzometrická konstanta nebo součinitel deformační citlivosti


8.1.1. PRINCIP MĚŘENÍ DEFORMACE • na objekt, jehož deformaci chceme změřit připevníme vodič • ten se deformuje spolu s objektem Tenzometr F

l

∆l

• měříme změnu odporu tohoto vodiče, která je úměrná deformaci • takovýto vodič se nazývá TENZOMETR

∆R R

=Kε


8.1.2. KOVOVÉ TENZOMETRY • kovové

drátkové (drátek nalepený na nevodivé podložce) - historie fóliové (kovová vrstva litograficky nanesená na podložce) vrstvové (jen pro spec. aplikace – kovová vrstva nanesena přímo na materiál)

• aby byla změna odporu větší, používá se vodič ve tvaru meandru • větší délka – větší deformace – větší změna odporu • fóliové • kovová vrstva tloušťky 5 µm • podložka (např. polyamid) 20 µm • K = cca 2 (dle materiálu kovové vrstvy) • εPRAC = ±0,15% (provozní deformace) • εMAX = ±0,5% (max. deformace – spec. typy) • εMIN = cca 1 µm/m • 107 cyklů • pájecí plošky nebo drátkové vývody


8.1.2. KOVOVÉ TENZOMETRY • příčná citlivost • citlivost na deformaci v bočním směru • je nažádoucí hlavně při víceosých aplikacích • snižuje se speciálním provedením meandru


8.1.2. KOVOVÉ TENZOMETRY • fóliové

Podrobnosti na www.hbm.cz www.vishay.com/strain-gages

• široká škála délek (0.6 až 150mm) • jednoosé, dvouosé, růžice


8.1.3. POLOVODIČOVÉ TENZOMETRY • polovodičové

monokrastalické (výřez křemíkového krystalu)

nelineární závislost

∆R R

= c1 ε + c2 ε2

• bez podložky nebo na podložce • c1 = cca 120 , c2 = cca 4000 • kladné pro polovodič typu P • záporné pro polovodič typu N

• εMAX = ±0,3% • drátkové vývody

• polovodičové přibližně 60x citlivější než kovové


8.1.3. POLOVODIČOVÉ TENZOMETRY polovodičové • jen jednoosé provedení • délky od 3 do 10 mm

Podrobnosti na www.vtsz.cz


8.1.4. TEPLOTNÍ ZÁVISLOST TENZOMETRŮ • typické hodnoty odporu tenzometrů v nezatíženém stavu • 120Ω • 350Ω • 1000Ω příklad: poměrná deformace je 10 µstrain (10µm/m) tenzometr 120Ω, K=2

ε = 10*10-6 ∆R

=Kε

R ∆R = R K ε = 120 * 2 * 10-5 ∆R = 0,0024Ω / 10µstrain Změny odporu jsou velmi malé – velké nároky na přesnost a stabilitu obvodů pro úpravu signálu – velké zesílení, stabilní napájení


8.1.4. TEPLOTNÍ ZÁVISLOST TENZOMETRŮ • elektrický odpor každého materiálu závisí na teplotě R = R20 (1 + α ∆t)

kde R20 je odpor při 20°C α je teplotní součinitel ∆t je rozdíl skutečné teploty od 20°C

• α je řádově 2*10-5 K-1 příklad: změna teploty o 10°C vyvolá změnu odporu 0,0002Ω porovnejte s hodnotou 0,0024Ω pro 10 µstrain • u tenzometru je změna odporu od teploty srovnatelná se změnou od deformace !! • další chyby způsobuje • závislost K na teplotě (cca 1*10-4 K-1) • teplotní roztažnost podložky tenzometru


8.1.4. TEPLOTNÍ ZÁVISLOST TENZOMETRŮ výstupní signál je ovlivněn teplotou F = konstantní

teplota

teplota způsobí: teplotní dilataci materiálu změnu odporu tenzometru změnu K tenzometru

Omezení teplotní závislosti: samokompenzační tenzometr systém zapojení tenzometru


8.1.4. TEPLOTNÍ ZÁVISLOST TENZOMETRŮ samokompenzační tenzometry • jen foliové • vhodnou volbou materiálu tenzometru lze nastavit jeho teplotní součinitel obráceně než působí změna nosného materiálu „o co se odpor zvětší vlivem teplotní dilatace materiálu, o to se zmenší vlivem vhodně zvoleného teplotního součinitele α materiálu vlastního tenzometru“

speciální typy pro různé materály (ocel, hliník, další materiály víceméně na zakázku) je potřeba dodržet přesně technologii lepení, aby nedocházelo ke změně vlastnostní vlivem vrstvy lepidla

Teplotní dilatace materiálu se plně přenese na tenzometr a kompenzace nastavená pro tento materiál ji vyruší

Teplotní dilatace materiálu se vlivem chyby v lepení nepřenese zcela na tenzometr, ale ten kompenzuje jako by se přenesla – je „překompenzováno“ – chyba


8.1.5. TYPICKÁ ZAPOJENÍ TENZOMETRŮ • ∆R se většinou převádí na změnu napětí • napěťový dělič

R1 UNAP

UOUT =

R2

UNAP

R1 + R2 R2

UOUT

• protože změna odporu tenzometru je malá používá se pro vyhodnocení prakticky výhradně Wheatstonův můstek (tj. vlastně dva napěťové děliče)


8.1.5. TYPICKÁ ZAPOJENÍ TENZOMETRŮ • Wheatstonův můstek

• je tvořen čtyřmi tenzometry • do jedné diagonály se přivede napájení • v druhé diagonále se měří napětí • vyhodnocení diferenciálním zesilovačem

+UIN

UOUT

UOUT = Z *(+UIN – -UIN) -UIN

• některé tenzometry ve Wheatstonově můstku lze nahradit pevnými odpory • většina zesilovačů pro tenzometry obsahuje odpory pro doplnění můstku, pokud nepoužijeme čtyři tenzometry


8.1.5. TYPICKÁ ZAPOJENÍ TENZOMETRŮ • jeden tenzometr - čtvrtmůstek

• tah i ohyb • jeden aktivní tenzometr, tři pevné odpory • toto zapojení nijak nekompenzuje vliv teploty


8.1.5. TYPICKÁ ZAPOJENÍ TENZOMETRŮ • dva tenzometry – polomůstek – varianta 1 = jeden aktivní tenzometr

• tah i ohyb • jeden aktivní tenzometr, jeden kompenzační tenzometr, dva pevné odpory • toto zapojení kompenzuje vliv teploty • • • •

materiál dilatuje v obou směrech shodně oba tenzometry reagují na teplotu shodně protože jsou oba zapojeny v jedné větvi můstku, změna se vyruší předpokládá se rovnoměrné rozložení teploty, tj. teplota obou tenzometrů je shodná


8.1.5. TYPICKÁ ZAPOJENÍ TENZOMETRŮ • dva tenzometry – polomůstek – varianta 2 = dva aktivní tenzometry

• ohyb (nebo tah) • pozor na zapojení (jinak tah, jinak ohyb) • dva aktivní tenzometry, dva pevné odpory • dvojnásobná citlivost • toto zapojení kompenzuje vliv teploty • • • •

materiál dilatuje v obou směrech shodně oba tenzometry reagují na teplotu shodně protože jsou oba zapojeny v jedné větvi můstku, změna se vyruší předpokládá se rovnoměrné rozložení teploty, tj. teplota obou tenzometrů je shodná


8.1.5. TYPICKÁ ZAPOJENÍ TENZOMETRŮ • čtyři tenzometry - plný můstek – varianta 1 = dva aktivní tenzometry

• tah NEBO ohyb • pozor na zapojení (jinak tah, jinak ohyb) • dva aktivní tenzometry, dva kompenzační tenzometry • dvojnásobná citlivost • toto zapojení kompenzuje vliv teploty • • • •

materiál dilatuje v obou směrech shodně všechny tenzometry reagují na teplotu shodně v můstku se změna vyruší předpokládá se rovnoměrné rozložení teploty, tj. teplota obou tenzometrů je shodná


8.1.5. TYPICKÁ ZAPOJENÍ TENZOMETRŮ • čtyři tenzometry - plný můstek – varianta 2 = čtyři aktivní tenzometry

• jen ohyb • čtyři aktivní tenzometry • čtyřnásobná citlivost • toto zapojení kompenzuje vliv teploty • • •

všechny tenzometry reagují na teplotu shodně v můstku se změna vyruší předpokládá se rovnoměrné rozložení teploty, tj. teplota obou tenzometrů je shodná


8.1.5. TYPICKÁ ZAPOJENÍ TENZOMETRŮ • kompenzace úbytku na vodičích I

0 + SENSE

∆U1 = I *RVODIČE 1

+ EXC

I

UMŮSTEK = UNAP - ∆U1 – ∆U2

UNAP

∆U2 = I *RVODIČE 2

NAPÁJECÍ ZDROJ

- EXC

I - SENSE I

0

• napájecí zdroj odměřuje skutečné napětí na můstku měřicí vodiče prakticky nezatíženy proudem, tj. bez úbytku • napájecí zdroj zvýší UNAP tak, aby na můstku bylo požadované napětí


8.1.5. TYPICKÁ ZAPOJENÍ TENZOMETRŮ • diferenciální zesilovač • rezistory pro kompletaci můstku • přesný napájecí zdroj čtvrmost

+ SENSE

+ EXC

350

polomost

120

plný most

+ IN

+UIN

- IN

-UIN

- EXC - SENSE

UOUT


8.1.5. TYPICKÁ ZAPOJENÍ TENZOMETRŮ

+ EXC + IN - SENSE GND

+ SENSE - IN - EXC


8.2. OPTICKÉ TENZOMETRY • založené na principu odrazu světla na Braggově mřížce • • •

Vytvořena rytím nebo laserem uvnitř světlovodného vlákna rozteč mřížky je úměrná jedné vlnové délce světla světlo shodné vlnové délky se odrazí, ostatní projde

světlovod

Braggova mřížka

• deformací mřížky se změní její rozteč • odrazí se jiná část spektra • deformace mřížky • mechanickým namáháním • teplotou


8.2. OPTICKÉ TENZOMETRY • aplikace (lepení) shodné s odporovými • připojují se světlovodem ke speciální elektronice • výhody • nejsou rušeny elektromagnetickým polem • lze použít ve výbušném prostředí • nevýhody • cenově náročné – speciální elektronika

Podrobnosti na www.hbm.cz


8.3. BEZKONTAKTNÍ OPTICKÉ METODY • založené na principu snímání pohybu struktury naneseného vzoru • • •

na tělese vytvořen kontrastní nástřik těleso se snímá se kamerou (kamerami) pohyb struktury nástřiku odpovídá deformaci tělesa Podrobnosti na www.mcae.cz

• výhody • bezkontaktní metoda • vzorek opatřen jen nástřikem • nevýhody • cenově náročné zařízení • kriteria na prostředí (osvětlení, vibrace, prostor na umístění kamer)

SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ DEFORMACE

Recommend Documents