Тензодатчик (также пишется как тензодатчик ) — это устройство, используемое для измерения деформации объекта. Изобретенный Эдвардом Э. Симмонсом и Артуром К. Руге в 1938 году, наиболее распространенный тип тензодатчика состоит из изолирующей гибкой подложки, которая поддерживает рисунок металлической фольги. Датчик прикрепляется к объекту с помощью подходящего клея, такого как цианоакрилат . [1] Когда объект деформируется, фольга деформируется, вызывая изменение его электрического сопротивления . Это изменение сопротивления, обычно измеряемое с помощью моста Уитстона , связано с деформацией величиной, известной как коэффициент тензодатчика .
Эдвард Э. Симмонс и профессор Артур К. Руге независимо друг от друга изобрели тензодатчик.
Симмонс участвовал в исследовательском проекте Детвайлера и Кларка в Калтехе между 1936 и 1938 годами. Они исследовали поведение металлов под действием ударных нагрузок. Симмонс придумал оригинальный способ измерения силы, приложенной к образцу, оснастив динамометр тонкими резистивными проводами.
С другой стороны, Артур К. Руге, профессор Массачусетского технологического института , проводил исследования в области сейсмологии . Он пытался проанализировать поведение модели резервуара с водой, установленного на вибростоле. Он не мог использовать стандартные оптические методы измерения деформации своего времени из-за малого масштаба и низких деформаций в своей модели. Профессор Руге (и его помощник Дж. Ханнс Мейер) испытали озарение, измерив изменение сопротивления, вызванное деформацией в металлических проводах, зацементированных на тонких стенках модели резервуара с водой.
Разработка тензодатчика была по сути просто побочным продуктом других исследовательских проектов. Эдвард Э. Симмонс и профессор Артур К. Руге разработали широко используемый и полезный измерительный инструмент из-за отсутствия альтернативы в их время. Артур К. Руге осознал коммерческую полезность тензодатчика. Его работодатель в Массачусетском технологическом институте отказался от всех претензий на право изобретения, поскольку они не предсказали экономический и крупномасштабный потенциал использования. Это предсказание оказалось ложным. Применение тензодатчиков быстро набирало обороты, поскольку они служили для косвенного обнаружения всех других величин, которые вызывают деформацию. Кроме того, они были просты в установке учеными, не вызывали никаких препятствий или изменений свойств наблюдаемого объекта и, таким образом, не фальсифицировали результаты измерений. Вероятно, последним и самым важным свойством была простота передачи электрического выходного сигнала. [2]
Тензодатчик использует физическое свойство электропроводности и ее зависимость от геометрии проводника. Когда электрический проводник растягивается в пределах его эластичности так, что он не ломается или не деформируется навсегда, он становится уже и длиннее, что увеличивает его электрическое сопротивление от конца до конца. И наоборот, когда проводник сжимается так, что он не прогибается, он расширяется и укорачивается, что уменьшает его электрическое сопротивление от конца до конца. Из измеренного электрического сопротивления тензодатчика можно вывести величину индуцированного напряжения .
Типичный тензодатчик размещает длинную тонкую проводящую полоску в зигзагообразном узоре параллельных линий. Это не увеличивает чувствительность, поскольку процентное изменение сопротивления для данной деформации для всего зигзага такое же, как для любого отдельного следа. Отдельный линейный след должен быть чрезвычайно тонким, следовательно, подверженным перегреву (что изменит его сопротивление и приведет к его расширению), или должен будет работать при гораздо более низком напряжении, что затруднит точное измерение изменений сопротивления.
Коэффициент чувствительности определяется как:
где
Для обычных тензорезисторов из металлической фольги коэффициент тензорезистора обычно немного больше 2. [3] Для одного активного тензорезистора и трех фиктивных резисторов с одинаковым сопротивлением относительно активного тензорезистора в сбалансированной конфигурации моста Уитстона выходное напряжение датчика с моста приблизительно равно:
где
Фольгированные датчики обычно имеют активные области размером около 2–10 мм 2 . При аккуратной установке, правильном датчике и правильном клее можно измерять деформации по крайней мере до 10 %.
Напряжение возбуждения подается на входные выводы сети датчика, а показания напряжения снимаются с выходных выводов. Типичные входные напряжения составляют 5 В или 12 В, а типичные выходные показания — в милливольтах.
Фольгированные тензодатчики используются во многих ситуациях. Различные приложения предъявляют различные требования к датчику. В большинстве случаев ориентация тензодатчика имеет значение.
Датчики, прикрепленные к тензодатчику, обычно должны оставаться стабильными в течение многих лет, если не десятилетий; в то время как датчики, используемые для измерения реакции в динамическом эксперименте, могут оставаться прикрепленными к объекту всего несколько дней, находиться под напряжением менее часа и работать менее секунды.
Тензодатчики крепятся к подложке с помощью специального клея. Тип клея зависит от требуемого срока службы измерительной системы. Для краткосрочных измерений (до нескольких недель) подходит цианоакрилатный клей, для долговременной установки требуется эпоксидный клей. Обычно эпоксидный клей требует высокотемпературного отверждения (примерно при 80-100 °C). Подготовка поверхности, на которую будет приклеиваться тензодатчик, имеет первостепенное значение. Поверхность должна быть выровнена (например, очень мелкой наждачной бумагой), обезжирена растворителями, следы растворителя должны быть удалены, а тензодатчик должен быть приклеен сразу после этого, чтобы избежать окисления или загрязнения подготовленной области. Если эти шаги не соблюдаются, привязка тензодатчика к поверхности может быть ненадежной, и могут возникнуть непредсказуемые ошибки измерения.
Технология на основе тензодатчиков обычно используется при производстве датчиков давления . Датчики, используемые в датчиках давления, обычно изготавливаются из кремния, поликремния, металлической пленки, толстой пленки и склеенной фольги.
Изменения температуры вызовут множество эффектов. Объект изменится в размерах из-за теплового расширения, что будет обнаружено датчиком как деформация. Сопротивление датчика изменится, и сопротивление соединительных проводов изменится.
Большинство тензодатчиков изготавливаются из константанового сплава. [4] Различные константановые сплавы и сплавы Karma были разработаны таким образом, чтобы температурные эффекты на сопротивление самого тензодатчика в значительной степени компенсировали изменение сопротивления датчика из-за теплового расширения испытываемого объекта. Поскольку различные материалы имеют разную степень теплового расширения, самокомпенсация температуры (STC) требует выбора определенного сплава, соответствующего материалу испытываемого объекта.
Тензодатчики, которые не являются самокомпенсированными по температуре (например, изоупругий сплав), могут быть температурно скомпенсированы с помощью техники фиктивного датчика. Фиктивный датчик (идентичный активному тензодатчику) устанавливается на недеформированный образец из того же материала, что и испытуемый образец. Образец с фиктивным датчиком помещается в тепловой контакт с испытуемым образцом, рядом с активным датчиком. Фиктивный датчик подключается к мосту Уитстона на соседнем плече к активному датчику, так что температурные эффекты на активном и фиктивном датчиках компенсируют друг друга. [5] ( Закон Мерфи был первоначально придуман в ответ на набор датчиков, неправильно подключенных к мосту Уитстона. [6] )
Каждый материал реагирует, когда нагревается или остывает. Это заставит тензодатчики зарегистрировать деформацию в материале, которая заставит его изменить сигнал. Чтобы этого не произошло, тензодатчики сделаны так, чтобы они компенсировали это изменение из-за температуры. В зависимости от материала поверхности, на которой установлен тензодатчик, можно измерить различное расширение.
Температурные эффекты на подводящих проводах можно устранить, используя «3-проводной мост» или «4-проводную омическую цепь» [7] (также называемую «4-проводным соединением Кельвина »).
В любом случае хорошей инженерной практикой является поддержание напряжения управления мостом Уитстона достаточно низким, чтобы избежать саморазогрева тензодатчика. Саморазогрев тензодатчика зависит от его механических характеристик (большие тензодатчики менее склонны к саморазогреву). Низкие уровни напряжения управления мостом снижают чувствительность всей системы.
Мониторинг состояния конструкций (SHM) используется для контроля конструкций после их завершения. Для предотвращения отказов используются тензодатчики для обнаружения и локализации повреждений и ползучести . Конкретным примером является мониторинг мостовых тросов, повышающий безопасность за счет обнаружения возможных повреждений. Также можно проанализировать поведение моста при необычных нагрузках, таких как специальные большегрузные транспортные средства.
Измерение деформации кожи может обеспечить множество биомеханических измерений, таких как осанка, вращение суставов, дыхание и отек как у людей, так и у других животных. Однако резистивные фольговые тензодатчики редко используются для этих целей из-за их низкого предела деформации. Вместо этого мягкие и деформируемые тензодатчики часто прикрепляются к одежде хозяина, чтобы упростить прикрепление датчика к нужной части тела, хотя иногда их прикрепляют непосредственно к коже. Обычно в этих целях такие мягкие тензодатчики [1] известны как датчики растяжения. Для медицинского использования датчики должны быть точными и воспроизводимыми, что обычно требует использования емкостных датчиков растяжения.
Многие объекты и материалы в промышленных приложениях имеют конечный срок службы. Для улучшения их срока службы и стоимости владения используются принципы предиктивного обслуживания. Тензодатчики могут использоваться для контроля деформации как индикатора усталости материалов, чтобы позволить программным системам предсказывать, когда определенные компоненты необходимо заменить или обслужить. Резистивные фольговые датчики могут использоваться для измерения жестких материалов, таких как металлы, керамика, композиты и т. п., тогда как высокоэластичные тензодатчики используются для контроля более мягких материалов, таких как резина, пластик, текстиль и т. п. [2]
В авиации тензодатчики являются стандартным подходом к измерению нагрузки на конструкцию и расчету прогиба крыла. Тензодатчики закреплены в нескольких местах на самолете. Однако было показано, что системы измерения прогиба измеряют надежные деформации удаленно. Это снижает вес приборов на самолете и, таким образом, заменяет тензодатчик. [8]
Существуют также приложения, где не очевидно, что вы сначала будете измерять деформацию, чтобы получить желаемый результат. Так, например, при обнаружении нарушителей на определенных конструкциях, тензодатчики могут использоваться для обнаружения присутствия такого нарушителя. Это делается путем измерения небольшого изменения деформации указанной конструкции. [9]
В некоторых приложениях тензодатчики добавляют массу и демпфирование к профилям вибрации оборудования, которое они должны измерять. В турбомашиностроении одной из альтернатив технологии тензодатчиков при измерении вибраций вращающегося оборудования является неинтрузивная система измерения напряжений , которая позволяет измерять вибрации лопаток без каких-либо лопаток или дисковых креплений...
На рынке доступны следующие виды тензодатчиков:
Устройства измерения деформации склонны к проблемам дрейфа. Кроме того, их производство требует точных требований на всех этапах производства. Поэтому существует множество различных способов измерения деформации. [2]
Деформацию также можно измерить с помощью цифровой корреляции изображений (DIC). С помощью этой техники одна или две камеры используются в сочетании с программным обеспечением DIC для отслеживания особенностей на поверхности компонентов для обнаружения небольшого движения. Можно рассчитать полную карту деформации испытуемого образца, обеспечив отображение, аналогичное анализу конечных элементов . Эта техника используется во многих отраслях промышленности для замены традиционных тензодатчиков или других датчиков, таких как экстензометры , струнные потенциометры , LVDT , акселерометры . [16] .. Точность коммерчески доступного программного обеспечения DIC обычно составляет от 1/100 до 1/30 пикселя для измерений смещений, что приводит к чувствительности к деформации от 20 до 100 мкм/м. [17] Метод DIC позволяет быстро измерять форму, смещения и деформацию бесконтактно, избегая некоторых проблем традиционных контактных методов, особенно при ударах, высокой деформации, высокой температуре или испытании на усталость при большом цикле . [18]
В настоящее время существует множество производителей в области измерения деформации. Они производят тензодатчики для различных монтажных поверхностей, размеров и форм. Для неподготовленного персонала правильная реализация и выбор подходящего типа измерительного инструмента очень сложны. Необходимо знание точного процесса настройки тензодатчиков, чтобы обеспечить сбор пригодных для использования данных. Крупные поставщики тензодатчиков предоставляют консультации по правильному выбору для каждого приложения. Они также имеют программы обучения для своих клиентов, чтобы обеспечить правильное внедрение.
Одной из ведущих компаний является Zemic Europe, предлагающая тысячи различных типов тензодатчиков. [19]
Другая глобальная фирма — HBM (Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH). Они предлагают широкий ассортимент тензодатчиков и сопутствующих товаров. [20]
В 1995 году профессор доктор технических наук Штефан Кайль опубликовал первое издание подробной книги о тензодатчиках и их использовании под названием «Dehnungsmessstreifen». Хотя это первое издание было опубликовано только на немецком языке, оно стало популярным за пределами Германии из-за широкого спектра использования тензодатчиков в различных областях. Спустя более 20 лет (в 2017 году) он опубликовал второе издание, переведенное на английский язык, поэтому оно стало доступно большему количеству инженеров, использующих тензодатчики. Эта новейшая книга называется «Технология и практическое использование тензодатчиков». [2]
Термин «тензодатчик» можно встретить в социологии. Теория социального тензодатчика — это подход к пониманию обвинений в колдовстве и чародействе. Южноафриканский антрополог Максвелл Марвик изучал эти социологические явления в Замбии и Малави в 1965 году. [21] Обвинения в колдовстве отражают напряжение в отношениях и/или во всей социальной структуре. Теория утверждает, что обвинения в колдовстве были клапаном давления общества. [22]
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )