Tenometers — ทรานสดิวเซอร์วัดเทนโซเมตริก

เซนเซอร์สเตรนเกจ — ทรานสดิวเซอร์ตัวต้านทานแบบพาราเมตริกที่แปลงการเสียรูปของร่างกายที่แข็งซึ่งเกิดจากความเค้นเชิงกลที่กระทำต่อให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า

เกจวัดความดันแบบต้านทานเป็นฐานที่มีส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อนติดอยู่ หลักการของการวัดความเครียดโดยใช้สเตรนเกจ คือ ความต้านทานของสเตรนเกจจะเปลี่ยนไปในระหว่างที่เกิดความเครียด ผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงความต้านทานของตัวนำที่เป็นโลหะภายใต้การกระทำของการบีบอัดทุกรอบ (ความดันไฮโดรสแตติก) ถูกค้นพบในปี 1856 โดย Lord Kelvin และในปี 1881 โดย OD Hvolson

ในรูปแบบสมัยใหม่ สเตรนเกจในโครงสร้างแสดงถึงตัวต้านทานสเตรน ส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อนซึ่งทำจากวัสดุที่ไวต่อแรงดึง (ลวด ฟอยล์ ฯลฯ) ยึดด้วยสารยึดเกาะ (กาว ซีเมนต์) บนชิ้นส่วนที่ตรวจสอบ (รูปที่ 1). ในการเชื่อมต่อองค์ประกอบการตรวจจับเข้ากับวงจรไฟฟ้า สเตรนเกจจะมีสายไฟสเตรนเกจบางรุ่นออกแบบมาให้ติดตั้งได้ง่ายขึ้น มีแผ่นรองอยู่ระหว่างชิ้นส่วนที่ไวต่อการทดสอบและชิ้นส่วนที่ทดสอบ รวมทั้งมีแผ่นป้องกันที่อยู่เหนือชิ้นส่วนที่ไวต่อการทดสอบ

รูปที่ 1 แผนผังของสเตรนเกจ: 1- องค์ประกอบที่ละเอียดอ่อน; 2- เครื่องผูก; 3- พื้นผิว; 4- ตรวจสอบรายละเอียด; 5- องค์ประกอบป้องกัน; 6- บล็อกสำหรับการบัดกรี (การเชื่อม); สายไฟ 7 เส้น

ด้วยความหลากหลายของงานแก้ไขโดยใช้ทรานสดิวเซอร์สเตรนเกจ จึงสามารถแยกแยะการใช้งานหลักสองส่วน:

— ศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุ การเสียรูปและความเค้นในชิ้นส่วนและโครงสร้าง

— การใช้สเตรนเกจเพื่อวัดค่าทางกลที่แปลงเป็นการเปลี่ยนรูปขององค์ประกอบยืดหยุ่น

กรณีแรกโดดเด่นด้วยจุดวัดแรงดันไฟฟ้าจำนวนมาก การเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ด้านสิ่งแวดล้อมที่หลากหลาย ตลอดจนความเป็นไปไม่ได้ในการปรับเทียบช่องการวัด ในกรณีนี้ ข้อผิดพลาดในการวัดคือ 2-10%

ในกรณีที่สอง เซ็นเซอร์ได้รับการปรับเทียบตามค่าที่วัดได้และข้อผิดพลาดในการวัดจะอยู่ในช่วง 0.5-0.05%

ตัวอย่างที่โดดเด่นที่สุดของการใช้สเตรนเกจคือเครื่องชั่ง เครื่องชั่งของผู้ผลิตในรัสเซียและต่างประเทศส่วนใหญ่ติดตั้งสเตรนเกจ เครื่องชั่งโหลดเซลล์ใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ: โลหะวิทยาที่ไม่ใช่เหล็กและเหล็ก เคมี การก่อสร้าง อาหาร และอุตสาหกรรมอื่นๆ

หลักการทำงานของเครื่องชั่งอิเล็กทรอนิกส์ลดลงเหลือการวัดแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อโหลดเซลล์โดยแปลงการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น เช่น การเสียรูป ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าเอาต์พุตตามสัดส่วน

การใช้ตัวต้านทานแบบเทนเซอร์อย่างกว้างขวางนั้นอธิบายได้ด้วยข้อดีหลายประการ:

- ขนาดและน้ำหนักน้อย

— ความเฉื่อยต่ำ ซึ่งอนุญาตให้ใช้สเตรนเกจสำหรับการวัดทั้งแบบสถิตและไดนามิก

— มีลักษณะเชิงเส้น

— อนุญาตให้ทำการวัดจากระยะไกลและหลายจุด

— วิธีการติดตั้งในส่วนที่ตรวจสอบไม่ต้องการอุปกรณ์ที่ซับซ้อนและไม่บิดเบือนฟิลด์การเปลี่ยนรูปของส่วนที่ตรวจสอบ

และข้อเสียของพวกเขาซึ่งก็คือความไวต่ออุณหภูมิสามารถชดเชยได้ในกรณีส่วนใหญ่

ประเภทของตัวแปลงและคุณสมบัติการออกแบบ

การทำงานของสเตรนเกจขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์เอฟเฟกต์การเสียรูป ซึ่งประกอบด้วยการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่ใช้งานของสายไฟระหว่างการเสียรูปเชิงกล ลักษณะของเอฟเฟกต์การเปลี่ยนรูปของวัสดุคือค่าสัมประสิทธิ์ของความไวในการเสียรูปสัมพัทธ์ K ซึ่งกำหนดเป็นอัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงความยาวของตัวนำ:

k = เอ้อ / เอล

โดยที่ er = dr / r — การเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ของความต้านทานของตัวนำ el = dl / l — การเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ของความยาวของเส้นลวด

ในระหว่างการเสียรูปของวัตถุที่เป็นของแข็ง การเปลี่ยนแปลงความยาวจะสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร และคุณสมบัติโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ค่าความต้านทานก็จะเปลี่ยนไปเช่นกัน ดังนั้นค่าสัมประสิทธิ์ความไวในกรณีทั่วไปควรแสดงเป็น

K = (1 + 2μ) + ม

ที่นี่ ปริมาณ (1 + 2μ) แสดงลักษณะการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของมิติทางเรขาคณิต (ความยาวและส่วนตัดขวาง) ของตัวนำ และ — การเปลี่ยนแปลงของความต้านทานของวัสดุที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ คุณสมบัติ.

หากใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ในการผลิตเทนเซอร์ ความไวจะพิจารณาจากการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุขัดแตะระหว่างการเสียรูปและ K »m และอาจแตกต่างกันไปตามวัสดุต่างๆ ตั้งแต่ 40 ถึง 200

ตัวแปลงที่มีอยู่ทั้งหมดสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก:

- ลวด;

- กระดาษฟอยล์;

- ภาพยนตร์.

เทเลมิเตอร์แบบใช้สายใช้ในเทคนิคการวัดปริมาณที่ไม่ใช้ไฟฟ้าในสองทิศทาง

ทิศทางแรกคือการใช้เอฟเฟกต์การเสียรูปของตัวนำในสถานะของการบีบอัดปริมาตร เมื่อค่าอินพุตตามธรรมชาติของทรานสดิวเซอร์คือความดันของก๊าซหรือของเหลวโดยรอบ ในกรณีนี้ ทรานสดิวเซอร์เป็นขดลวด (โดยปกติคือแมงกานีส) ที่วางอยู่ในบริเวณความดันที่วัดได้ (ของเหลวหรือก๊าซ) ค่าเอาต์พุตของตัวแปลงคือการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานที่ใช้งานอยู่

ทิศทางที่สองคือการใช้แรงดึงของลวดความตึงที่ทำจากวัสดุไวต่อแรงดึง ในกรณีนี้เซ็นเซอร์แรงดันไฟฟ้าจะใช้ในรูปแบบของตัวแปลง "ฟรี" และในรูปแบบของตัวติดกาว

สเตรนเกจ "ฟรี" ทำขึ้นในรูปแบบของเส้นลวดหนึ่งแถวหรือหนึ่งแถวโดยยึดที่ปลายระหว่างชิ้นส่วนที่เคลื่อนย้ายได้และเคลื่อนย้ายไม่ได้และตามกฎแล้วจะทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบยืดหยุ่นพร้อมกัน ค่าอินพุตตามธรรมชาติของทรานสดิวเซอร์ดังกล่าวคือการเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวน้อยมาก

อุปกรณ์ของสเตรนเกจลวดผูกมัดชนิดที่พบมากที่สุดแสดงอยู่ใน รูปที่ 2 ลวดเส้นเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.02-0.05 มม. วางในรูปแบบซิกแซกติดกาวกับแถบกระดาษบางหรือกระดาษฟอยล์เคลือบเงา สายทองแดงตะกั่วเชื่อมต่อกับปลายสาย ด้านบนของคอนเวอร์เตอร์ถูกเคลือบด้วยชั้นเคลือบเงาและบางครั้งก็ปิดผนึกด้วยกระดาษหรือสักหลาด

โดยปกติแล้ว ทรานสดิวเซอร์จะถูกติดตั้งเพื่อให้ด้านที่ยาวที่สุดหันไปในทิศทางของแรงที่วัดได้ ทรานสดิวเซอร์ดังกล่าวติดกาวกับชิ้นงานทดสอบ รับรู้ถึงการเสียรูปของชั้นผิวของมัน ดังนั้น ค่าอินพุตตามธรรมชาติของทรานสดิวเซอร์ที่ติดกาวคือการเสียรูปของชั้นผิวของชิ้นส่วนที่ติดกาว และเอาต์พุตคือการเปลี่ยนแปลงความต้านทานของทรานสดิวเซอร์ตามสัดส่วนกับการเสียรูปนี้ โดยทั่วไปแล้ว เซ็นเซอร์แบบติดกาวจะถูกใช้บ่อยกว่าเซ็นเซอร์แบบไม่ติดกาว

รูปที่ 2 - สเตรนเกจลวดผูกมัด: 1 - สเตรนเกจลวด; 2- กาวหรือซีเมนต์ 3- กระดาษแก้วหรือกระดาษสำรอง; สาย4เส้น

ฐานการวัดของทรานสดิวเซอร์คือความยาวของส่วนที่ถูกครอบครองโดยเส้นลวด ทรานสดิวเซอร์ที่ใช้บ่อยที่สุดคือฐาน 5-20 มม. ที่มีความต้านทาน 30-500 โอห์ม

นอกจากการออกแบบสเตรนเกจแบบคอนทัวร์ที่พบมากที่สุดแล้ว ยังมีแบบอื่นๆ อีก หากจำเป็นต้องลดฐานการวัดของทรานสดิวเซอร์ (เป็น 3 — 1 มม.) ให้ใช้วิธีม้วนซึ่งประกอบด้วยการพันเกลียวลวดที่ไวต่อแรงกดบนแมนเดรลที่มีหน้าตัดวงกลมบนท่อ กระดาษบาง จากนั้นหลอดนี้จะถูกติดกาว ดึงออกจากแมนเดรล รีดให้แบน และต่อสายไฟเข้ากับปลายลวด

เมื่อจำเป็นต้องรับกระแสไฟฟ้าจำนวนมากจากวงจรที่มีเทอร์โมคอนเวอร์เตอร์ มักใช้เกจสเตรนเกจที่ "ทรงพลัง" พร้อมขดลวด... ประกอบด้วยสายไฟจำนวนมาก (มากถึง 30 — 50 เส้น) ที่เชื่อมต่อแบบขนานซึ่งแตกต่างกัน ในขนาดใหญ่ (ความยาวของฐาน 150 — 200 มม.) และช่วยให้กระแสที่ไหลผ่านคอนเวอร์เตอร์เพิ่มขึ้นอย่างมาก (รูปที่ 3)

การวาด 3- Tenometer ที่มีความต้านทานต่ำ ("ทรงพลัง"): 1 — สายสเตรนเกจ; 2- กาวหรือซีเมนต์ 3- กระดาษแก้วหรือกระดาษสำรอง; สาย4พิน

หัววัดแบบลวดมีพื้นที่สัมผัสขนาดเล็กกับตัวอย่าง (ซับสเตรต) ซึ่งช่วยลดกระแสไฟรั่วที่อุณหภูมิสูงและทำให้แรงดันไฟฟ้าแยกสูงขึ้นระหว่างชิ้นส่วนที่ละเอียดอ่อนและตัวอย่าง

โหลดเซลล์แบบฟอยล์เป็นโหลดเซลล์แบบมีกาวรุ่นที่ได้รับความนิยมสูงสุด ฟอยล์ทรานสดิวเซอร์เป็นแถบฟอยล์หนา 4-12 ไมครอน ซึ่งส่วนหนึ่งของโลหะจะถูกเลือกโดยการกัดในลักษณะที่ส่วนที่เหลือก่อตัวเป็นเส้นตารางตะกั่วดังแสดงในรูปที่ 4

ในการผลิตตะแกรงดังกล่าว สามารถคาดการณ์รูปแบบใดๆ ของตะแกรงได้ ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญของสเตรนเกจแบบฟอยล์ ในภาพที่ 4 a แสดงลักษณะที่ปรากฏของตัวแปลงสัญญาณฟอยล์ที่ออกแบบมาเพื่อวัดสถานะความเค้นเชิงเส้น ในรูป 4, c - ตัวแปลงสัญญาณฟอยล์ติดอยู่กับเพลาเพื่อวัดแรงบิดและในรูป 4, b — ติดกาวที่เมมเบรน

การวาด 4- ตัวแปลงฟอยล์: 1- ลูปปรับ; 2- โค้งงอไวต่อแรงดึงของเมมเบรน 3- การหมุนที่ไวต่อแรงอัดของไดอะแฟรม

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของตัวแปลงฟอยล์คือความเป็นไปได้ในการเพิ่มส่วนตัดขวางของส่วนท้ายของตัวแปลง การเชื่อม (หรือการบัดกรี) ของสายไฟสามารถทำได้ในกรณีนี้อย่างน่าเชื่อถือมากกว่าตัวแปลงลวด

ตัวเปลี่ยนรูปแบบฟอยล์เมื่อเทียบกับลวดมีอัตราส่วนพื้นผิวของชิ้นส่วนที่ละเอียดอ่อนต่อพื้นที่หน้าตัด (ความไว) สูงกว่าและมีความเสถียรมากกว่าที่อุณหภูมิวิกฤตและโหลดที่ต่อเนื่อง พื้นที่ผิวขนาดใหญ่และหน้าตัดขนาดเล็กยังช่วยให้มั่นใจได้ถึงการสัมผัสอุณหภูมิที่ดีระหว่างเซ็นเซอร์และตัวอย่าง ซึ่งช่วยลดความร้อนในตัวเองของเซ็นเซอร์

สำหรับการผลิตสเตรนเกจแบบฟอยล์ จะใช้โลหะชนิดเดียวกันกับเทเลโนมิเตอร์ (คอนสแตนแทน นิโครม โลหะผสมนิกเกิล-เหล็ก ฯลฯ) และยังใช้วัสดุอื่นๆ เช่น โลหะผสมไททาเนียม-อะลูมิเนียม 48T-2 ซึ่งวัด กรองได้ถึง 12 % เช่นเดียวกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อีกจำนวนหนึ่ง

เทนเซอร์ฟิล์ม

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีอีกวิธีหนึ่งสำหรับการผลิตจำนวนมากของสายพันธุ์ต้านทานที่ถูกผูกมัด ซึ่งประกอบด้วยการระเหิดในสุญญากาศของวัสดุที่ไวต่อความเครียดและการควบแน่นที่ตามมาบนพื้นผิวที่พ่นโดยตรงไปยังชิ้นงาน ทรานสดิวเซอร์ดังกล่าวเรียกว่า ทรานสดิวเซอร์ ฟิล์ม ความหนาเล็กน้อยของสเตรนเกจดังกล่าว (15-30 ไมครอน) ให้ข้อได้เปรียบที่สำคัญเมื่อทำการวัดสเตรนในโหมดไดนามิกที่อุณหภูมิสูง

เกจวัดความเครียดของฟิล์มจำนวนมากที่ใช้บิสมัท ไททาเนียม ซิลิกอน หรือเจอร์เมเนียม ถูกสร้างขึ้นในรูปแบบของแถบนำไฟฟ้าเส้นเดียว (รูปที่ 5)ทรานสดิวเซอร์ดังกล่าวไม่มีข้อเสียในการลดความไวสัมพัทธ์ของทรานสดิวเซอร์เมื่อเทียบกับความไวของวัสดุที่ใช้ทำทรานสดิวเซอร์

รูปที่ 5- เกจวัดความเครียดของฟิล์ม: 1- ฟิล์มเกจวัดความเครียด; 2- ฟอยล์เคลือบเงา; สาย3ขา

ค่าสัมประสิทธิ์สเตรนเกจของทรานสดิวเซอร์ที่ใช้ฟิล์มโลหะคือ 2-4 และความต้านทานแตกต่างกันไปตั้งแต่ 100 ถึง 1,000 โอห์ม ทรานสดิวเซอร์ที่ทำจากฟิล์มเซมิคอนดักเตอร์มีค่าสัมประสิทธิ์ของลำดับที่ 50-200 ดังนั้นจึงมีความไวต่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้มากกว่า ในกรณีนี้ ไม่จำเป็นต้องใช้วงจรขยายสัญญาณ เนื่องจากแรงดันเอาต์พุตของบริดจ์ตัวต้านทานความเครียดของสารกึ่งตัวนำมีค่าประมาณ 1 V

น่าเสียดายที่ความต้านทานของตัวแปลงเซมิคอนดักเตอร์จะแปรผันตามแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ และโดยพื้นฐานแล้วไม่เป็นเชิงเส้นตลอดช่วงแรงดันไฟฟ้าทั้งหมด และยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่สูงอีกด้วย ดังนั้น แม้ว่าจำเป็นต้องใช้แอมพลิฟายเออร์เมื่อทำงานกับดีฟอร์มเมอร์แบบฟิล์มโลหะ แต่ค่าความเป็นเชิงเส้นจะสูงมากและสามารถชดเชยผลกระทบจากอุณหภูมิได้อย่างง่ายดาย