Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Химический состав и коэффициент тензочувствительности сплавов, используемых в изготовлении тензорезисторов

Введение

Для определения основных характеристик измерительных устройств проводят их тарировочные (градуировочные) испытания. При проведении таких испытаний используют градуировочные установки, обеспечивающие воспроизведение заданных действительных значений измеряемой величины. Для каждой из определяемых характеристик разрабатывают схему градуировки, которая включает оценку коэффициентов влияния различных факторов: температуры, влажности, магнитных полей и др.

Градуировка (тарировка) – установление зависимости выходной величины от входной в виде формул и таблиц. Когда речь идёт о стандартных датчиках (например, термопарах, термопреобразователях), изготовленных по стандартным технологическим параметрам, то градуировочные зависимости описываются в соответствующих ГОСТах на эти типы датчиков. Градировочная зависимость может быть линейной и нелинейной.

Примеры градуировочной зависимости:

Зависимость между прочностью тяжелого бетона и соотношением размера отпечатков в методе молотка Кашкарова.

Зависимость между показаниями индикатора часового типа образцового динамометра и нагрузкой.

Зависимость между показаниями термометров психометра и относительной влажностью

Теоретическая часть

Среди различных экспериментальных методов измерения деформаций подавляющее большинство исследователей отдает предпочтение измерениям с применением тензодатчиков или тензорезисторов, поскольку они наилучшим образом удовлетворяют критерию стоимость-эффективность, обладая оптимальным сочетанием характеристик.

Тензорезисторы применяются в качестве чувствительных элементов датчиков, разработанных для измерения сил, перемещений, моментов, давления и т.д.

В строительстве тензорезисторы используются при испытаниях зданий и сооружений для определения напряжений в материале по его деформации от прикладываемой нагрузки.

Принцип работы тензорезистора заключается в изменении электрического сопротивления при изменении длины проводника.

Известно, что величина электрического сопротивления проводника R определяется соотношением

(1.1)

где ρ – удельное сопротивление материала проводника, l – его длина, F – площадь поперечного сечения. Рассматривая сопротивление R как функцию трех переменных, найдем его дифференциал:

(1.2)

Отсюда, разделив одно на другое, перейдем к относительному изменению сопротивления:

(1.3)

Полученное соотношение показывает, что относительное изменение сопротивления проводника зависит от суммы относительных изменений: удельного сопротивления материала, длины и площади проводника. Первый член правой части (1.3) в соответствии с исследованиями де Фореста равен:

(1.4)

где m – коэффициент пропорциональности. Современная физика объясняет это явление изменением числа электронов, приходящихся на единицу объема проводника при упругом деформировании последнего.
Второй член – это относительное удлинение проводника:

(1.5)

Для провода круглого поперечного сечения

(1.5)

По определению коэффициент Пуассона есть отношение поперечной деформации к продольной:

Тогда (1.6) перепишем в следующем виде:

(1.6)

Подставив (1.4), (1.5) и (1.7) в (1.3), получим

(1.7)

Величину

(1.8)

называют коэффициентом тензочувствительности металла к деформации.

Коэффициент тензочувствительности K характеризует интенсивность D R/R изменения относительного сопротивления проводника в зависимости от воздействующей относительной деформации.

Первый член в коэффициенте K определяется изменением удельного сопротивления металла проводника при его деформировании, а два других – изменением его геометрии (dl и dF). При малых упругих деформациях коэффициент Пуассона μ = 0,3. Следовательно, вклад в коэффициент тензочувствительности изменения геометрии проводника при деформировании различных. металлов одинаков и равен примерно

Переходя к конечным величинам, получим основное уравнение тензоэффекта:

(1.9)

В табл. 1 представлен перечень сплавов, которые широко применяются в производстве тензорезисторов. Для этих сплавов в области упругого деформирования коэффициент тензочувствительности R больше чем 1,6за счет вклада в тензоэффект члена, связанного с изменением удельного сопротивления сплава (dρ/ρ)/(dl/l).

Таблица 1

Химический состав и коэффициент тензочувствительности сплавов, используемых в изготовлении тензорезисторов

Материалы для тензорезисторов должны удовлетворять следующим требованиям [3]:

- иметь высокое удельное сопротивление, позволяющее изготавливать малобазные тензорезисторы с достаточно большим сопротивлением;

- обладать высокой и стабильной чувствительностью к деформации;

- изменения сопротивления, вызванные деформацией, должны подчиняться линейному закону в достаточно широком диапазоне;

- быть нечувствительным к влиянию температуры, т.е. температурный коэффициент сопротивления должен быть близким к нулю;

- термоЭДС в паре с медью должна быть как можно меньше, что очень важно при питании тензорезисторов постоянным током;

- температурные коэффициенты линейного расширения материала проволоки и материала исследуемой детали, на которую наклеивается тензорезистор, должны быть равными или незначительно отличаться, в противном случае изменения температуры будут вызывать кажущуюся деформацию и, следовательно, создавать погрешности при измерениях;

- не иметь гистерезиса; обладать технологичностью, позволяющей изготавливать фольгу микронных размеров;

- иметь высокое отношение предела пропорциональности к модулю упругости;

- сплавы, применяемые для изготовления высокотемпературных тензорезисторов, должны хорошо противостоять окисляющему воздействию внешней среды.

Константан. В настоящее время большинство тензорезисторов изготавливается из этого сплава в силу следующих его достоинств:

- постоянство коэффициента тензочувствительности в весьма широком диапазоне деформаций (до 8%);

- в отожженном состоянии константан может быть использован при измерении деформаций до 20%; однако в этом случае у константана обнаруживается изменение начального сопротивления, свидетельствующее о систематическом изменении сопротивления при каждом цикле нагружения;

- отсутствие существенных изменений при переходе от упругого деформирования к пластическому;

- константан обладает, кроме того, высоким удельным сопротивлением (ρ = 0,49 мкОм/м);

- обладает высокой температурной стабильностью;

- возможность создания температурно-компенсированных тензодатчиков путем согласования коэффициента температурного расширения датчика с аналогичным параметром технического материала.

Обычно тензорезисторы изготавливаются из мягкого отожженного константана. Основными его недостатками являются:

- низкий коэффициент тензочувствительности (около 2,1);

- большая термоЭДС в паре с медью

Тензорезистор (тензодотчик) – это первичный преобразователь, предназначенный для измерения деформаций. Первичный преобразователь – средство измерения, как правило являющееся частью измерительного прибора или измерительной установки. Его действие заключается в преобразовании входящего сигнала измеряемой информации. В данном случае происходит преобразование информации о деформации (удлинение или укорочение) тензорезистора в выходящую информацию об электрическом сопротивлении датчика.

Существует большое разнообразие конструкций тензорезисторов различающиеся по форме и материалы – керамические, фольговые, проволочные и т.д.

В данной работе рассматривается петлевой проволочный тензорезистор, который представляет собой несколько петель микропровода, прикрепленных к пленочной или бумажной основе. Тензорезисторы (рис. 1) выпускаются с базой 3…150 мм и начальным сопротивлением 70…400 Ом.

Рис. 1 Схема петлевого тензорезистора.
1- микропровод, 2 –основа (подложка), 3 – контакты.

Приклеиваемые тензорезисторы – одноразовые датчики. Их нельзя снять с детали, протарировать и опять установить. Их метрологические характеристики определяют косвенным путем.

Определение коэффициента К проводится для части тензорезисторов (5% из каждой партии). В ходе тарировки задается величина деформаций, а изменение сопротивления определяется экспериментально. Осредненное по результатам испытаний значение коэффициента тензочувствительности K _срприсваивается всей партии.

Погрешность измерения деформаций в последующих испытаниях с использованием тензорезисторов из партии, прошедшей тарировку, характеризуется коэффициентом вариации величины К.

(1.10)

где – оценка среднеквадратичного отклонения коэффициентов тензочувствительности испытанных датчиков, – среднее арифметическое значение коэффициента тензочувствительности партии.

При плоском напряженном состоянии, когда ориентация главных площадок неизвестна, для экспериментального определения величины главных напряжений используются тензорозетки (рис. 2). Условно считается, что измеренные деформации относятся к одной точке. Размер базы на прямую связан с чувствительностью датчика – чем больше база, тем больше изменение сопротивления датчика при одной и той-же деформации, следовательно выше чувствительность, однако при необходимости определить напряжения в конкретной точке преимущество надо отдавать тензорезисторам с меньшей базой, т.к. метод измерения даёт среднее значение деформации по длине базы тензорезистора.

Рис. 2 Тензорозетка

Угол наклона главных площадок и значения главных деформаций
вычисляются по формулам:

(1.11) (1.12) (1.13)

В упругой области переход от главных деформаций к главным напряжениям осуществляется на основании закона Гука для плоского напряженного состояния:

(1.14)

(1.15)

Описание оборудования

При определении коэффициента тензочувствительности тензорезисторы наклеиваются на эталонный упругий элемент, называемый консолью равного сопротивления (рис. 3).

Рис. 3 Консоль равного сопротивления (градуировочная балка)

Ширина консоли увеличивается от свободного края к заделке по линейному закону, так как изгибающий момент M силы Р также возрастает линейно, поэтому деформации на поверхности консоли по всей ее длине будут постоянны и могут быть определены по формуле

(1.16)

Измерения относительного сопротивления D R/R при нагружении консоли силой Р проводятся с помощью цифрового тензометрического моста АИД-4 (рис. 4). В недеформированном состоянии активного тензорезистора мост сбалансирован, ток в гальванометре равен нулю. По цифровому табло определяется начальный отсчет. Деформирование тензорезистора вызывает изменение его сопротивления, под воздействием которого автоматическое устройство вновь балансирует мост, а прибор дает вторичный отсчет в единицах относительного изменения сопротивления.

Рис.4 Схема тензометрического моста

Компенсационный тензорезистор аналогичен активному и наклеен на недеформируемый образец, который изготовлен из того же материала, что и исследуемая конструкция. Устройство размещено вблизи конструкции, что дает возможность устранить влияние изменений температуры на показания активных тензорезисторов. Также компенсационным тензорезистором можно компенсировать иные негативные факторы, например поперечную деформацию.

Порядок работы

Консоль равного сопротивления подготавливается к работе – подключается тензометрический мост, определяются 4 датчика для тарирования.

Данные, полученные в ходе работы вносятся в таблицу 1.

Определяются показатели относительного сопротивления при нулевой нагрузке.

Добавляется единичная нагрузка P, снимаются показания с прибора.

Повторно добавляется единичная нагрузка, снимаются показания с прибора.

Удаляется единичная нагрузка, снимаются показания с прибора.

На консоли выбирается точка определения относительной деформации. В принятой точке измеряется ширина консоли b и плечо момента L (расстояние от точки приложения нагрузки до выбранного сечения). Измеряется толщина консоли h.

Обработка результатов

Полученные при обработке величины заносятся в таблицы 2-3.

– отсчёт по прибору для тензорезистора j на этапе нагружения i;

– абсолютная величина разности соседних отсчётов;

2) – средняя абсолютная величина разности соседних отсчётов одного датчика, где n – количество разностей соседних отсчётов;

3) – среднее значение разности отсчётов всей партии, где m – количество тарируемых датчиков;

4) – среднее относительное сопротивление, где с – цена деления прибора (для АИД-4 с =1·10^-5), – предустановленная величина чувствительности прибора (уточнить у преподавателя);