Tázometry jsou zařízení, která převádějí naměřenou elastickou deformaci pevného tělesa na elektrický signál. K tomu dochází v důsledku změny odporu vodiče snímače, když se jeho geometrické rozměry mění v důsledku tahu nebo tlaku.
Tazometr: princip činnosti
Hlavním prvkem zařízení je tenzometr namontovaný na elastické konstrukci. Tenzometry se kalibrují postupným zatěžováním danou rostoucí silou a měřením velikosti elektrického odporu. Jeho změnou pak bude možné určit hodnoty aplikovaného neznámého zatížení a úměrné přetvoření.
V závislosti na typu senzorů můžete měřit:
- síla;
- tlak;
- přesunout;
- torque;
- zrychlení.
I při nejsložitějším schématu zatížení konstrukce je akce zapnutátenzometr se redukuje na roztažení nebo stlačení své mřížky podél dlouhé části zvané základna.
Jaké tenzometry se používají
Nejběžnější typy tenzometrů se změnou aktivního odporu při mechanickém působení - tenzometry.
Drátové tenzometry
Nejjednodušším příkladem je rovný kus tenkého drátu, který je připevněn ke studovanému dílu. Jeho odpor je: r=pL/s, kde p je měrný odpor, L je délka, s je plocha průřezu.
Společně s dílem je lepený drát elasticky deformován. Zároveň se mění jeho geometrické rozměry. Při stlačení se průřez vodiče zvětšuje a při natahování se zmenšuje. Změna odporu tedy mění znaménko v závislosti na směru deformace. Charakteristika je lineární.
Nízká citlivost tenzometru vedla k potřebě zvětšit délku drátu na malé měřicí ploše. K tomu je vyrobena ve formě spirály (mříže) drátu, přilepená na obou stranách izolačními deskami z filmu laku nebo papíru. Pro připojení k elektrickému obvodu je zařízení vybaveno dvěma měděnými vodiči. Jsou přivařeny nebo připájeny ke koncům stočeného drátu a jsou dostatečně pevné pro připojení k elektrickému obvodu. Tenzometr je připevněn k pružnému prvku nebo k testované části lepidlem.
Drátové siloměry mají následující výhody:
- jednoduchý design;
- lineární závislost na napětí;
- malá velikost;
- nízká cena.
Mezi nevýhody patří nízká citlivost, vliv okolní teploty, nutnost ochrany před vlhkostí, použití pouze v oblasti elastických deformací.
Drát se zdeformuje, když adhezní síla lepidla k němu výrazně překročí sílu potřebnou k jeho natažení. Poměr lepené plochy k ploše průřezu by měl být 160 ku 200, což odpovídá jejímu průměru 0,02-0,025 mm. Lze ji zvětšit až na 0,05 mm. Potom při běžném provozu tenzometru nedojde k destrukci lepicí vrstvy. Kromě toho senzor funguje dobře při stlačení, protože drátěné prameny jsou integrální s lepicí fólií a součástí.
Fóliové snímače zatížení
Parametry a princip činnosti fóliového siloměru jsou stejné jako u drátěných. Jediným materiálem je nichrom, konstantan nebo titan-hliníková fólie. Výrobní technologie fotolitografie umožňuje získat komplexní konfiguraci mřížky a automatizovat proces.
Ve srovnání s drátovými tenzometry jsou fóliové tenzometry citlivější, přenášejí větší proud, lépe přenášejí napětí, mají silnější vodiče a mají složitější vzor.
Polovodičové siloměry
Citlivost snímačů je přibližně 100krát vyšší než u drátových, což umožňuje jejich časté používání bez zesilovačů. Nevýhodou je křehkost, velká závislost na okolní teplotě a značnéparametr spread.
Specifikace tenzometru
- Základ - délka síťového vodiče (0,2-150 mm).
- Jmenovitý odpor R - hodnota aktivního odporu (10-1000 Ohm).
- Pracovní napájecí proud Ip - proud, při kterém se tenzometr znatelně nezahřívá. Při přehřátí se mění vlastnosti materiálů snímacího prvku, základny a lepicí vrstvy, což zkresluje hodnoty.
- Faktor deformace: s=(∆R/R)/(∆L/L), kde R a L jsou elektrický odpor a délka nezatíženého snímače; ∆R a ∆L - změna odporu a deformace od vnější síly. Pro různé materiály může být pozitivní (R se zvyšuje s tahem) a negativní (R se zvyšuje s tlakem). Hodnota s pro různé kovy se pohybuje od -12,6 do +6.
Schémata pro zapínání tenzometrů
Pro měření malých elektrických signálů je nejlepší možností můstkové připojení, v jehož středu je voltmetr. Nejjednodušším příkladem by byl tenzometr, jehož obvod je sestaven podle principu elektrického můstku, v jehož jednom z ramen je zapojen. Jeho nezatížený odpor bude stejný jako u zbytku rezistorů. V tomto případě bude zařízení ukazovat nulové napětí.
Princip činnosti tenzometru spočívá ve zvýšení nebo snížení hodnoty jeho odporu v závislosti na tom, zda se jedná o síly tlakové nebo tahové.
Teplota tenzometru má významný vliv na přesnost odečtů. Pokud je podobný deformační odpor obsažen v druhém rameni mostu, které nebude zatěžováno, bude plnit funkci kompenzace tepelných vlivů.
Měřicí obvod musí také brát v úvahu hodnoty elektrického odporu vodičů připojených k rezistoru. Jejich vliv se sníží přidáním dalšího vodiče připojeného k jednomu z kolíků tenzometru a voltmetru.
Pokud jsou oba senzory nalepeny na pružný prvek tak, že se jejich zatížení liší ve znaménku, signál se zesílí 2x. Pokud jsou v obvodu čtyři snímače se zátěží označenou šipkami na výše uvedeném schématu, citlivost se výrazně zvýší. S tímto připojením drátových nebo fóliových tenzometrů bude běžný mikroampérmetr udávat údaje bez zesilovače elektrického signálu. Je důležité přesně zvolit hodnoty odporu pomocí multimetru tak, aby byly stejné v každém rameni elektrického můstku.
Použití tenzometrů ve strojírenství
- Součást konstrukce vah: při vážení se pružně deformuje tělo snímače a s ním nalepené tenzometry zapojené do obvodu. Elektrický signál je přenášen do měřiče.
- Monitorování napěťově-deformačního stavu stavebních konstrukcí a inženýrských staveb v procesu jejich výstavby a provozu.
- Tímoměry pro měření deformačních sil při obráběnítlak kovu ve válcovnách a lisech.
- Vysokoteplotní senzory pro ocelářství a další průmyslová odvětví.
- Měřicí senzory s elastickým prvkem z nerezové oceli pro provoz v chemicky agresivním prostředí.
Standardní tenzometry se vyrábí ve formě podložek, sloupů, jednoduchých nebo oboustranných nosníků, tvaru S. U všech konstrukcí je důležité, aby síla působila jedním směrem: shora dolů nebo naopak. V náročných provozních podmínkách umožňují speciální konstrukce eliminovat působení parazitních sil. Jejich ceny do značné míry závisí na tom.
U tenzometrů se cena pohybuje od stovek rublů po stovky tisíc. Hodně záleží na výrobci, konstrukci, materiálech, technologii výroby, hodnotách měřených parametrů, doplňkovém elektronickém vybavení. Z velké části se jedná o součásti různých typů vah.
Závěr
Princip činnosti všech tenzometrů je založen na přeměně deformace pružného prvku na elektrický signál. Pro různé účely existují různé konstrukce snímačů. Při výběru tenzometrů je důležité určit, zda obvody mají kompenzaci zkreslení teplotních hodnot a parazitních mechanických vlivů.
