Οι μετρητές καταπόνησης είναι συσκευές που μετατρέπουν τη μετρούμενη ελαστική παραμόρφωση ενός στερεού σώματος σε ηλεκτρικό σήμα. Αυτό συμβαίνει λόγω μιας αλλαγής στην αντίσταση του αγωγού του αισθητήρα όταν οι γεωμετρικές του διαστάσεις αλλάζουν από τάση ή συμπίεση.
Μέτρο καταπόνησης: αρχή λειτουργίας
Το κύριο στοιχείο της συσκευής είναι ένας μετρητής καταπόνησης τοποθετημένος σε ελαστική κατασκευή. Οι μετρητές καταπόνησης βαθμονομούνται με σταδιακή φόρτιση με δεδομένη αυξανόμενη δύναμη και μέτρηση του μεγέθους της ηλεκτρικής αντίστασης. Στη συνέχεια, αλλάζοντας το, θα είναι δυνατό να προσδιοριστούν οι τιμές του εφαρμοζόμενου άγνωστου φορτίου και η τάση ανάλογη με αυτό.
Ανάλογα με τον τύπο των αισθητήρων, μπορείτε να μετρήσετε:
- δύναμη;
- πίεση;
- move;
- ροπή;
- επιτάχυνση.
Ακόμη και με το πιο περίπλοκο σχήμα φόρτωσης της δομής, η ενέργεια ενεργοποιείταιο μετρητής τάσης μειώνεται σε τέντωμα ή συμπίεση του πλέγματος του κατά μήκος ενός μακρού τμήματος που ονομάζεται βάση.
Ποιοι μετρητές καταπόνησης χρησιμοποιούνται
Οι πιο συνηθισμένοι τύποι μετρητών καταπόνησης με αλλαγή στην ενεργό αντίσταση υπό μηχανική δράση - μετρητές καταπόνησης.
Μετρητές καταπόνησης σύρματος
Το απλούστερο παράδειγμα είναι ένα ίσιο κομμάτι λεπτού σύρματος, το οποίο είναι προσαρτημένο στο υπό μελέτη τμήμα. Η αντίστασή του είναι: r=pL/s, όπου p είναι η ειδική αντίσταση, L είναι το μήκος, s είναι η περιοχή διατομής.
Μαζί με το εξάρτημα, το κολλημένο σύρμα παραμορφώνεται ελαστικά. Ταυτόχρονα αλλάζουν και οι γεωμετρικές του διαστάσεις. Όταν συμπιέζεται, η διατομή του αγωγού αυξάνεται και όταν τεντώνεται, μειώνεται. Επομένως, η αλλαγή στην αντίσταση αλλάζει πρόσημο ανάλογα με την κατεύθυνση της παραμόρφωσης. Το χαρακτηριστικό είναι γραμμικό.
Η χαμηλή ευαισθησία του μετρητή τάσης οδήγησε στην ανάγκη να αυξηθεί το μήκος του σύρματος σε μια μικρή περιοχή μέτρησης. Για να γίνει αυτό, είναι κατασκευασμένο με τη μορφή σπειροειδούς (πλέγμα) σύρματος, κολλημένο και στις δύο πλευρές με μονωτικές πλάκες από μια μεμβράνη βερνικιού ή χαρτιού. Για τη σύνδεση στο ηλεκτρικό κύκλωμα, η συσκευή είναι εξοπλισμένη με δύο χάλκινα καλώδια. Είναι συγκολλημένα ή συγκολλημένα στα άκρα του σπειροειδούς σύρματος και είναι αρκετά ισχυρά ώστε να συνδέονται σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Το μετρητή καταπόνησης προσαρτάται στο ελαστικό στοιχείο ή στο υπό δοκιμή τμήμα με κόλλα.
Οι κυψέλες φόρτισης καλωδίων έχουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:
- απλό σχέδιο;
- γραμμική εξάρτηση από την παραμόρφωση;
- μικρό μέγεθος;
- χαμηλή τιμή.
Μειονεκτήματα περιλαμβάνουν χαμηλή ευαισθησία, επίδραση της θερμοκρασίας περιβάλλοντος, ανάγκη προστασίας από την υγρασία, χρήση μόνο στην περιοχή των ελαστικών παραμορφώσεων.
Το σύρμα θα παραμορφωθεί όταν η δύναμη πρόσφυσης της κόλλας σε αυτό υπερβαίνει κατά πολύ τη δύναμη που απαιτείται για να το τεντώσει. Η αναλογία της επιφάνειας συγκόλλησης προς το εμβαδόν της διατομής πρέπει να είναι 160 προς 200, που αντιστοιχεί στη διάμετρό της 0,02-0,025 mm. Μπορεί να αυξηθεί έως και 0,05 mm. Στη συνέχεια, κατά την κανονική λειτουργία του μετρητή καταπόνησης, το συγκολλητικό στρώμα δεν θα καταστραφεί. Επιπλέον, ο αισθητήρας λειτουργεί καλά στη συμπίεση, καθώς τα νήματα του σύρματος είναι ενσωματωμένα με την αυτοκόλλητη μεμβράνη και το εξάρτημα.
Fil Load Cells
Οι παράμετροι και η αρχή λειτουργίας της κυψέλης αλουμινίου είναι ίδιες με αυτές των συρμάτινων. Το μόνο υλικό είναι νιχρώμιο, κονταντάνη ή αλουμινόχαρτο τιτανίου-αλουμινίου. Η τεχνολογία κατασκευής φωτολιθογραφίας επιτρέπει τη λήψη μιας πολύπλοκης διαμόρφωσης πλέγματος και την αυτοματοποίηση της διαδικασίας.
Σε σύγκριση με τους μετρητές καταπόνησης σύρματος, οι μετρητές καταπόνησης μεμβράνης είναι πιο ευαίσθητοι, μεταφέρουν περισσότερο ρεύμα, μεταδίδουν την τάση καλύτερα, έχουν ισχυρότερους αγωγούς και έχουν πιο περίπλοκο σχέδιο.
Φορτοκυψέλες ημιαγωγών
Η ευαισθησία των αισθητήρων είναι περίπου 100 φορές μεγαλύτερη από τους ενσύρματους, γεγονός που τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται συχνά χωρίς ενισχυτές. Τα μειονεκτήματα είναι ευθραυστότητα, υψηλή εξάρτηση από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και σημαντικήδιάδοση παραμέτρων.
Προδιαγραφές μετρητή καταπόνησης
- Βάση - το μήκος του αγωγού πλέγματος (0,2-150 mm).
- Ονομαστική αντίσταση R - τιμή ενεργού αντίστασης (10-1000 Ohm).
- Ρεύμα τροφοδοσίας εργασίας Ip - ρεύμα στο οποίο ο μετρητής τάσης δεν θερμαίνεται αισθητά. Όταν υπερθερμανθεί, οι ιδιότητες των υλικών του αισθητηρίου στοιχείου, της βάσης και του συγκολλητικού στρώματος αλλάζουν, παραμορφώνοντας τις ενδείξεις.
- Συντελεστής παραμόρφωσης: s=(∆R/R)/(∆L/L), όπου R και L είναι η ηλεκτρική αντίσταση και το μήκος του μη φορτωμένου αισθητήρα, αντίστοιχα. ∆R και ∆L - αλλαγή αντίστασης και παραµόρφωση από εξωτερική δύναµη. Για διαφορετικά υλικά, μπορεί να είναι θετικό (το R αυξάνεται με την τάση) και αρνητικό (το R αυξάνεται με τη συμπίεση). Η τιμή του s για διαφορετικά μέταλλα κυμαίνεται από -12,6 έως +6.
Σχέδια για ενεργοποίηση μετρητών καταπόνησης
Για τη μέτρηση μικρών ηλεκτρικών σημάτων, η καλύτερη επιλογή είναι μια σύνδεση γέφυρας, στο κέντρο της οποίας βρίσκεται ένα βολτόμετρο. Το απλούστερο παράδειγμα θα ήταν ένας μετρητής τάσης, το κύκλωμα του οποίου συναρμολογείται σύμφωνα με την αρχή μιας ηλεκτρικής γέφυρας, σε έναν από τους βραχίονες της οποίας είναι συνδεδεμένος. Η αντίστασή του χωρίς φορτίο θα είναι ίδια με τις υπόλοιπες αντιστάσεις. Σε αυτήν την περίπτωση, η συσκευή θα εμφανίσει μηδενική τάση.
Η αρχή λειτουργίας ενός μετρητή τάσης είναι να αυξάνει ή να μειώνει την τιμή της αντίστασής του, ανάλογα με το εάν οι δυνάμεις είναι θλιπτικές ή εφελκυστικές.
Η θερμοκρασία του μετρητή καταπόνησης έχει σημαντική επίδραση στην ακρίβεια των μετρήσεων. Εάν μια παρόμοια αντίσταση στην καταπόνηση περιλαμβάνεται στον άλλο βραχίονα της γέφυρας, ο οποίος δεν θα φορτωθεί, θα εκτελέσει τη λειτουργία της αντιστάθμισης των θερμικών επιδράσεων.
Το κύκλωμα μέτρησης πρέπει επίσης να λαμβάνει υπόψη τις τιμές της ηλεκτρικής αντίστασης των καλωδίων που συνδέονται με την αντίσταση. Η επιρροή τους μειώνεται προσθέτοντας ένα άλλο καλώδιο συνδεδεμένο σε έναν από τους ακροδέκτες του μετρητή τάσης και του βολτόμετρου.
Εάν και οι δύο αισθητήρες είναι κολλημένοι στο ελαστικό στοιχείο με τέτοιο τρόπο ώστε τα φορτία τους να διαφέρουν ως προς το πρόσημο, το σήμα θα ενισχυθεί κατά 2 φορές. Εάν υπάρχουν τέσσερις αισθητήρες στο κύκλωμα με φορτία που υποδεικνύονται με βέλη στο παραπάνω διάγραμμα, η ευαισθησία θα αυξηθεί σημαντικά. Με αυτή τη σύνδεση μετρητών καταπόνησης σύρματος ή φύλλου, ένα συμβατικό μικροαμπερόμετρο θα δώσει μετρήσεις χωρίς ενισχυτή ηλεκτρικού σήματος. Είναι σημαντικό να επιλέξετε με ακρίβεια τις τιμές αντίστασης χρησιμοποιώντας ένα πολύμετρο, ώστε να είναι ίσες μεταξύ τους σε κάθε βραχίονα της ηλεκτρικής γέφυρας.
Εφαρμογή μετρητών καταπόνησης στη μηχανική
- Μέρος του σχεδιασμού της ζυγαριάς: κατά τη ζύγιση, το σώμα του αισθητήρα παραμορφώνεται ελαστικά και μαζί του είναι κολλημένοι οι μετρητές καταπόνησης, συνδεδεμένοι σε ένα κύκλωμα. Το ηλεκτρικό σήμα μεταδίδεται στον μετρητή.
- Παρακολούθηση της κατάστασης τάσης-παραμόρφωσης κτιριακών κατασκευών και τεχνικών κατασκευών κατά τη διαδικασία κατασκευής και λειτουργίας τους.
- Μετρητές καταπόνησης για τη μέτρηση των δυνάμεων παραμόρφωσης κατά τη μηχανική κατεργασίαπίεση μετάλλου σε ελασματουργεία και πρέσες σφράγισης.
- Αισθητήρες υψηλής θερμοκρασίας για χάλυβα και άλλες βιομηχανίες.
- Αισθητήρες μέτρησης με ελαστικό στοιχείο από ανοξείδωτο χάλυβα για λειτουργία σε χημικά επιθετικά περιβάλλοντα.
Οι τυποποιημένοι μετρητές καταπόνησης κατασκευάζονται με τη μορφή ροδέλες, κολώνες, απλές ή διπλής όψεως δοκούς, σε σχήμα S. Για όλες τις κατασκευές, είναι σημαντικό η δύναμη να εφαρμόζεται προς μία κατεύθυνση: από πάνω προς τα κάτω ή αντίστροφα. Κάτω από σοβαρές συνθήκες λειτουργίας, ειδικά σχέδια καθιστούν δυνατή την εξάλειψη της δράσης των παρασιτικών δυνάμεων. Οι τιμές τους εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από αυτό.
Για τους μετρητές καταπόνησης, η τιμή κυμαίνεται από εκατοντάδες ρούβλια έως εκατοντάδες χιλιάδες. Πολλά εξαρτώνται από τον κατασκευαστή, το σχεδιασμό, τα υλικά, την τεχνολογία κατασκευής, τις τιμές των μετρούμενων παραμέτρων, τον πρόσθετο ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Ως επί το πλείστον, είναι συστατικά διαφορετικών τύπων ζυγαριών.
Συμπέρασμα
Η αρχή λειτουργίας όλων των μετρητών καταπόνησης βασίζεται στη μετατροπή της παραμόρφωσης του ελαστικού στοιχείου σε ηλεκτρικό σήμα. Για διαφορετικούς σκοπούς, υπάρχουν διαφορετικά σχέδια αισθητήρων. Όταν επιλέγετε μετρητές καταπόνησης, είναι σημαντικό να προσδιορίσετε εάν τα κυκλώματα έχουν αντιστάθμιση για τις μετρήσεις παραμόρφωσης της θερμοκρασίας και τις παρασιτικές μηχανικές επιδράσεις.
