stringtranslate.com

Тензодатчик

Типовой фольговый тензодатчик; синяя область является проводящей, сопротивление измеряется от одной большой синей площадки к другой. Манометр гораздо более чувствителен к деформации в вертикальном направлении, чем в горизонтальном. Маркировка за пределами активной области помогает выровнять датчик во время установки.

Тензодатчик (также называемый тензодатчиком ) — это устройство, используемое для измерения деформации объекта . Изобретенный Эдвардом Э. Симмонсом и Артуром К. Руге в 1938 году, наиболее распространенный тип тензорезистора состоит из изолирующей гибкой основы, поддерживающей рисунок из металлической фольги. Манометр прикрепляется к объекту с помощью подходящего клея, например цианакрилата . [1] Когда объект деформируется, фольга деформируется, вызывая изменение ее электрического сопротивления . Это изменение сопротивления, обычно измеряемое с помощью моста Уитстона , связано с деформацией величиной, известной как манометрический коэффициент .

История

Эдвард Э. Симмонс и профессор Артур К. Руге независимо друг от друга изобрели тензодатчик.

Симмонс участвовал в исследовательском проекте Детвайлера и Кларка в Калифорнийском технологическом институте в период с 1936 по 1938 год. Они исследовали поведение металлов под напряжением и деформацией под ударными нагрузками. Симмонс придумал оригинальный способ измерения силы, приложенной к образцу, оснастив динамометр тонкими проволоками сопротивления.

С другой стороны, Артур К. Руге, профессор Массачусетского технологического института , проводил исследования в области сейсмологии . Он попытался проанализировать поведение модели резервуара для воды, установленной на вибростоле. Он не мог использовать стандартные методы измерения оптической деформации своего времени из-за небольшого масштаба и низкой деформации в его модели. Профессору Руге (и его помощнику Й. Ханнсу Мейеру) пришло прозрение, когда они измерили изменение сопротивления, вызванное напряжением в металлических проволоках, приклеенных к тонким стенкам модели резервуара с водой.

Разработка тензорезистора, по сути, была лишь побочным продуктом других исследовательских проектов. Эдвард Э. Симмонс и профессор Артур К. Руге разработали широко используемый и полезный инструмент измерения из-за отсутствия альтернативы в то время. Артур К. Руге осознал коммерческую полезность тензодатчика. Его работодатель в Массачусетском технологическом институте отказался от всех претензий на право изобретения, поскольку они не прогнозировали экономический и крупномасштабный потенциал использования. Это предсказание оказалось ложным. Применение тензодатчиков быстро набирало обороты, поскольку они служили для косвенного определения всех других величин, вызывающих деформацию. Кроме того, они были просты в установке учеными, не создавали никаких препятствий или изменений свойств наблюдаемого объекта и, таким образом, не искажали результаты измерений. Вероятно, последним и наиболее важным свойством была простота передачи выходного электрического сигнала. [2]

Физическая эксплуатация

Демонтированный резистивный тензорезистор из фольги

Тензорезистор использует физическое свойство электропроводности и ее зависимость от геометрии проводника. Когда электрический проводник растягивается в пределах его упругости так, чтобы он не ломался и не деформировался навсегда, он становится уже и длиннее, что увеличивает его электрическое сопротивление от начала до конца. И наоборот, когда проводник сжимается так, что он не изгибается, он расширяется и укорачивается, что уменьшает его электрическое сопротивление от начала до конца. По измеренному электрическому сопротивлению тензодатчика можно сделать вывод о величине индуцированного напряжения .

Типичный тензодатчик представляет собой длинную тонкую проводящую полоску в виде зигзагообразного узора из параллельных линий. Чувствительность это не увеличивает, поскольку процентное изменение сопротивления при данной деформации для всего зигзага такое же, как и для любой одиночной трассы. Одиночная линейная дорожка должна быть очень тонкой и, следовательно, подверженной перегреву (что может изменить ее сопротивление и вызвать ее расширение) или должна работать при гораздо более низком напряжении, что затрудняет точное измерение изменений сопротивления.

Калибровочный коэффициент

Калибровочный коэффициент определяется как:

где

изменение сопротивления, вызванное напряжением,
- сопротивление недеформированного датчика, а
это напряжение.

Для обычных манометров из металлической фольги коэффициент тензочувствительности обычно немного превышает 2. [3] Для одного активного манометра и трех фиктивных резисторов с тем же сопротивлением, что и активный манометр в конфигурации сбалансированного моста Уитстона , выходное напряжение датчика от моста примерно:

где

– напряжение возбуждения моста.

Фольговые манометры обычно имеют активную площадь размером около 2–10 мм 2 . При тщательной установке, правильном калибре и правильном клее можно измерить деформацию как минимум до 10%.

На практике

Визуализация концепции работы тензорезистора на балке при чрезмерном изгибе

На входные выводы измерительной сети подается напряжение возбуждения, а с выходных выводов снимается показание напряжения. Типичное входное напряжение составляет 5 В или 12 В, а типичные выходные значения — в милливольтах.

Тензорезисторы из фольги используются во многих ситуациях. Различные приложения предъявляют разные требования к манометру. В большинстве случаев ориентация тензорезистора имеет важное значение.

Обычно ожидается, что датчики, прикрепленные к тензодатчику, будут оставаться стабильными в течение многих лет, если не десятилетий; в то время как тем, которые используются для измерения реакции в динамическом эксперименте, возможно, потребуется оставаться прикрепленными к объекту всего несколько дней, быть под напряжением менее часа и работать менее секунды.

Тензорезисторы крепятся к подложке специальным клеем. Тип клея зависит от требуемого срока службы измерительной системы. Для кратковременных измерений (до нескольких недель) подойдет цианакрилатный клей, для длительного монтажа необходим эпоксидный клей. Обычно эпоксидный клей требует отверждения при высокой температуре (около 80-100°С). Подготовка поверхности, на которую будет наклеиваться тензорезистор, имеет первостепенное значение. Поверхность необходимо загладить (например, очень мелкой наждачной бумагой), обезжирить растворителями, затем удалить следы растворителя и сразу после этого приклеить тензорезистор во избежание окисления или загрязнения подготовленного участка. Если не следовать этим шагам, привязка тензорезистора к поверхности может оказаться ненадежной и могут возникнуть непредсказуемые ошибки измерений.

Технология, основанная на тензодатчиках, обычно используется при производстве датчиков давления . Манометры, используемые в самих датчиках давления, обычно изготавливаются из кремния, поликремния, металлической пленки, толстой пленки и фольги.

Колебания температуры

Колебания температуры вызывают множество последствий. Размер объекта изменится в результате теплового расширения, которое будет обнаружено датчиком как деформация. Изменится сопротивление датчика, изменится сопротивление соединительных проводов.

Большинство тензорезисторов изготовлены из константанового сплава. [4] Различные сплавы константана и сплавы Кармы были разработаны таким образом, что температурное воздействие на сопротивление самого тензорезистора в значительной степени компенсирует изменение сопротивления тензорезистора из-за теплового расширения испытуемого объекта. Поскольку разные материалы имеют разную степень теплового расширения, самотемпературная компенсация (STC) требует выбора конкретного сплава, соответствующего материалу испытуемого объекта.

Тензорезисторы, которые не имеют самокомпенсации по температуре (например, из изоэластичного сплава), могут иметь температурную компенсацию с использованием метода имитации датчика. Имитатор (идентичный активному тензорезистору) устанавливается на недеформированный образец из того же материала, что и испытуемый образец. Образец с манометром помещают в тепловой контакт с испытуемым образцом рядом с активным манометром. Имитатор манометра подключен к мосту Уитстона на соседнем рычаге с активным манометром, так что температурные воздействия на активный и манометрический манометры компенсируют друг друга. [5] ( Закон Мерфи изначально был придуман в ответ на неправильное подключение набора датчиков к мосту Уитстона. [6] )

Каждый материал реагирует, когда он нагревается или когда он остывает. Это приведет к тому, что тензодатчики зарегистрируют деформацию материала, что приведет к изменению сигнала. Чтобы этого не произошло, изготавливаются тензорезисторы, которые компенсируют это изменение из-за температуры. В зависимости от материала поверхности, на которой установлен тензорезистор, можно измерить различное расширение.

Температурные воздействия на подводящие провода можно устранить с помощью «3-проводного моста» или «4-проводной омной цепи» [7] (также называемой «4-проводным соединением Кельвина »).

В любом случае хорошей инженерной практикой является поддержание напряжения привода моста Уитстона на достаточно низком уровне, чтобы избежать самонагрева тензорезистора. Самонагрев тензорезистора зависит от его механических характеристик (тензорезисторы большого размера менее склонны к самонагреву). Низкие уровни напряжения моста снижают чувствительность всей системы.

Приложения

Структурный мониторинг здоровья

Мониторинг состояния конструкций (SHM) используется для мониторинга конструкций после их завершения. Чтобы предотвратить отказы, используются тензорезисторы для обнаружения и локализации повреждений и ползучести . Конкретным примером является мониторинг мостовых кабелей, повышающий безопасность за счет обнаружения возможных повреждений. Кроме того, можно проанализировать поведение моста при необычных нагрузках, например, при специальном большегрузном транспорте.

Биологические измерения

Измерение напряжения кожи может обеспечить множество биомеханических измерений, таких как поза, вращение суставов, дыхание и отек как у людей, так и у других животных. Однако для этих целей редко используются резистивные фольговые тензорезисторы из-за их низкого предела деформации. Вместо этого к одежде человека часто прикрепляют мягкие и деформируемые тензорезисторы, чтобы упростить установку датчика на нужную часть тела, хотя иногда они прикрепляются непосредственно к коже. Обычно в этих приложениях такие мягкие тензорезисторы [1] называются датчиками растяжения. Для медицинского использования датчики должны быть точными и воспроизводимыми, что обычно требует использования емкостных датчиков растяжения.

Прогностическое обслуживание

Многие объекты и материалы промышленного применения имеют ограниченный срок службы. Для увеличения срока службы и стоимости владения используются принципы профилактического обслуживания. Тензорезисторы можно использовать для мониторинга деформации как индикатора усталости материалов, что позволяет программным системам прогнозировать, когда определенные компоненты необходимо заменить или обслужить. Резистивные фольговые датчики можно использовать для измерения жестких материалов, таких как металлы, керамика, композиты и т.п., тогда как высокоэластичные тензорезисторы используются для контроля более мягких материалов, таких как резина, пластик, текстиль и т.п. [2]

Авиация

В авиации тензорезисторы являются стандартным методом измерения нагрузки на конструкцию и расчета прогиба крыла. Тензодатчики закреплены в нескольких местах самолета. Однако было показано, что системы измерения прогиба позволяют надежно измерять деформации дистанционно. Это снижает вес приборов на самолете и, таким образом, заменяет тензодатчик. [8]

Перепрофилирование

Существуют также приложения, в которых изначально не очевидно, что вам придется измерять напряжение, чтобы получить желаемый результат. Так, например, при обнаружении злоумышленников на определенных конструкциях можно использовать тензодатчики для обнаружения присутствия такого злоумышленника. Это делается путем измерения небольшого изменения деформации указанной конструкции. [9]

Ошибки и компенсации

В некоторых приложениях тензорезисторы добавляют массу и демпфирование к профилям вибрации оборудования, для измерения которого они предназначены. В турбомашиностроительной промышленности альтернативой тензодатчикам при измерении вибраций вращающегося оборудования является система неинтрузивного измерения напряжений , которая позволяет измерять вибрации лопаток без какого-либо оборудования, установленного на лопатках или дисках...

Геометрия тензорезисторов

Геометрия тензорезисторов

На рынке доступны следующие типы тензорезисторов:

Другие типы

Устройства измерения тензодатчиков склонны к проблемам с дрейфом. Кроме того, их производство требует четких требований на всех этапах производства. Таким образом, существует множество различных способов измерения деформации. [2]

Результаты корреляции цифрового изображения на купоне испытания материала
Пример бесконтактного измерения деформации с использованием корреляции цифровых изображений на купоне для испытаний материала, показывающий движущиеся структуры деформации, называемые полосами Людерса.

Бесконтактные измерения деформации

Деформацию также можно измерить с помощью корреляции цифровых изображений (DIC). При использовании этого метода одна или две камеры используются в сочетании с программным обеспечением DIC для отслеживания особенностей поверхности компонентов и обнаружения небольших движений. Можно рассчитать полную карту деформации испытуемого образца, обеспечивая отображение, аналогичное анализу методом конечных элементов . Этот метод используется во многих отраслях промышленности для замены традиционных тензорезисторов или других датчиков, таких как экстензометры , струнные датчики , 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, перемещения и деформацию бесконтактным способом, избегая некоторых проблем традиционных контактных методов, особенно при испытаниях на удары, высокую деформацию, высокую температуру или многоцикловую усталость . [18]

Промышленность

В настоящее время существует множество производителей в области измерения тензометрии. Они производят тензорезисторы для различных монтажных поверхностей, размеров и форм. Для неподготовленного персонала правильная реализация и выбор подходящего типа средства измерения весьма затруднительны. Чтобы обеспечить сбор полезных данных, необходимо знать точный процесс настройки тензорезисторов. Крупные поставщики тензорезисторов предоставляют консультации по правильному выбору для каждого применения. У них также есть программы обучения для своих клиентов, чтобы обеспечить правильное внедрение.

Одной из ведущих компаний является Zemic Europe, предлагающая тысячи различных типов тензорезисторов. [19]

Еще одна глобальная фирма — HBM (Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH). Они предлагают широкий выбор тензорезисторов и сопутствующих товаров. [20]

Литература

В 1995 году профессор, доктор технических наук. Штефан Кейл опубликовал первое издание подробной книги о тензорезисторах 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 применений тензорезисторов в различных областях. Спустя более чем 20 лет (в 2017 году) он опубликовал второе издание, которое было переведено на английский язык и, следовательно, доступно большему количеству инженеров, использующих тензорезисторы. Эта новейшая книга называется «Технология и практическое использование тензорезисторов». [2]

Теория тензодатчиков (социология)

Термин «тензодатчик» можно встретить в социологии. Теория социальной деформации - это подход к пониманию обвинений в колдовстве и колдовстве. Антрополог по имени Марвик изучал эти социологические явления в Замбии и Малави в 1965 году. [21] Обвинения в колдовстве отражают напряжение в отношениях и/или всей социальной структуре . Теория гласит, что обвинения в колдовстве были клапаном давления общества. [22]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Тензодатчик: Материалы
  2. ^ abc Кейл, Стефан (2017). Технология и практическое использование тензорезисторов с особым учетом анализа напряжений с использованием тензорезисторов . Джон Вили и сыновья, ООО ISBN 978-3-433-60666-7.
  3. ^ Тензодатчик: чувствительность
  4. ^ Константановый сплав: выбор тензодатчика
  5. ^ Шулл, Ларри К., «Базовые схемы», Ханна, Р.Л. и Рид, SE (ред.) (1992). Руководство пользователя тензодатчика , стр. 122. Общество экспериментальной механики. ISBN 0-912053-36-4
  6. ^ Спарк, Н. (2006). История закона Мерфи . Фильм «Перископ». ISBN 978-0-9786388-9-4 
  7. ^ Тензометрический датчик
  8. ^ Лизотт, Эндрю М.; Локос, Уильям А. (1 января 2005 г.). «Оценка структурных нагрузок самолета на основе прогиба в сравнении с полетом». {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  9. ^ Реам, ВК; Хопкинс, К. (1 января 1991 г.). «Тензодатчики как датчики обнаружения проникновения». Управление ядерными материалами. Протоколы ежегодного собрания; (Соединенные Штаты) . 20 . ISSN  0362-0034. ОСТИ  5494316.
  10. ^ Фонтан, Генри (08 февраля 2010 г.). «Гонка соперников Кубка Америки с ветром на крыльях». Нью-Йорк Таймс .
  11. ^ Брайжек, Дж.; Раунди, С.; Биркумшоу, Б.; Чунг, К.; Кастеллино, К.; Стеттер, младший; Вестел, М. (10 апреля 2006 г.). «Чудесный МЭМС». Журнал IEEE «Схемы и устройства» . 22 (2): 8–28. дои : 10.1109/MCD.2006.1615241. S2CID  43985063.
  12. ^ Вестервельд, WJ; Лейндерс, С.М.; Мюилвейк, премьер-министр; Посо, Дж.; ван ден Дул, TC; Вервей, доктор медицины; Юсефи, М.; Урбах, HP (10 января 2014 г.). «Характеристика интегральных оптических тензодатчиков на основе кремниевых волноводов». Журнал IEEE по избранным темам квантовой электроники . 20 (4): 101–110. Бибкод : 2014IJSTQ..20..101W. дои : 10.1109/JSTQE.2013.2289992 .
  13. ^ Милберн, Хью. «Описание и раскрытие информации NOAA DART II» (PDF) . noaa.gov . НОАА, Правительство США . Проверено 4 апреля 2020 г.
  14. ^ Эбле, MC; Гонсалес, Ф.И. «Измерения глубоководного придонного давления в северо-восточной части Тихого океана» (PDF) . noaa.gov . НОАА, Правительство США . Проверено 4 апреля 2020 г.
  15. ^ Кастаньо-Кано, Давинсон; Гроссар, Матье; Юбер, Арно (июль 2014 г.). «Многоосное измерение силы с помощью предварительно напряженных резонансных композитных пластин: альтернатива тензодатчикам силы». Международная конференция IEEE/ASME по передовой интеллектуальной мехатронике, 2014 г. (PDF) . стр. 1361–1367. дои : 10.1109/AIM.2014.6878272. ISBN 978-1-4799-5736-1. S2CID  15977483.
  16. ^ Карр, Дженнифер; Бакерсад, Джавад; Низрецкий, Кристофер; Авитабиле, Питер; Слэттери, Майкл (2012), «Динамическое напряжение-деформация лопаток турбины с использованием методов корреляции цифровых изображений. Часть 2: Динамические измерения», Темы экспериментальной динамической субструктуризации и динамики ветровых турбин, Том 2 , Springer New York, стр. 221–226, дои : 10.1007/978-1-4614-2422-2_21, ISBN 9781461424215
  17. ^ Карр, Дженнифер; Бакерсад, Джавад; Низрецкий, Кристофер; Авитабиле, Питер; Слэттери, Майкл (2012), «Динамическое напряжение-деформация лопатки турбины с использованием методов корреляции цифровых изображений. Часть 1: Статическая нагрузка и калибровка», Темы экспериментальной динамической субструктуризации и динамики ветровых турбин, Том 2 , Springer New York, стр. 215– 220, номер домена : 10.1007/978-1-4614-2422-2_20, ISBN 9781461424215
  18. ^ Литтелл, Джастин Д. (2011), «Методы фотограмметрии в большом поле при ударных испытаниях самолетов и космических аппаратов», Динамическое поведение материалов, Том 1 , Материалы конференций серии «Общество экспериментальной механики», Springer New York, стр. 55–67 , doi : 10.1007/978-1-4419-8228-5_9, hdl : 2060/20100024230 , ISBN 9781441982278
  19. ^ "Dehnungsmesstreifen" . Земская Европа (на немецком языке) . Проверено 10 мая 2022 г.
  20. ^ "Grundlagen der Dehnungsmessstreifen" . ХБМ (на немецком языке). 29.10.2019 . Проверено 10 мая 2022 г.
  21. ^ Бернард, Спенсер (2002). Энциклопедия социальной и культурной антропологии . Рутледж. п. 563. ИСБН 0-415-28558-5.
  22. ^ «Мотивация и социальные последствия обвинений в колдовстве» (PDF) . Эвер . 5 марта 2014 г.