Įtempimo matuokliai yra įtaisai, kurie išmatuotą kieto kūno tampriąją deformaciją paverčia elektriniu signalu. Taip nutinka dėl jutiklio laidininko varžos pasikeitimo, kai jo geometriniai matmenys pasikeičia dėl įtempimo ar suspaudimo.
Įtempimo matuoklis: veikimo principas
Pagrindinis prietaiso elementas yra įtempio matuoklis, sumontuotas ant elastingos konstrukcijos. Įtempimo matuokliai kalibruojami laipsniškai apkraunant tam tikra didėjančia jėga ir matuojant elektrinės varžos dydį. Tada jį pakeitus bus galima nustatyti taikomos nežinomos apkrovos ir jai proporcingos deformacijos reikšmes.
Priklausomai nuo jutiklių tipo, galite išmatuoti:
- jėga;
- slėgis;
- judėti;
- sukimo momentas;
- pagreitis.
Net ir naudojant sudėtingiausią konstrukcijos pakrovimo schemą, veiksmas tęsiasideformacijos matuoklis sumažinamas iki jo gardelės ištempimo arba suspaudimo išilgai ilgos atkarpos, vadinamos pagrindu.
Kokie deformacijos matuokliai naudojami
Dažniausiai paplitę įtempio matuokliai, kurių aktyvioji varža keičiasi veikiant mechaniniam poveikiui – deformacijos matuokliai.
Laido įtempimo matuokliai
Paprasčiausias pavyzdys yra tiesus plonos vielos gabalas, pritvirtintas prie tiriamos dalies. Jo varža yra: r=pL/s, kur p yra savitoji varža, L yra ilgis, s yra skerspjūvio plotas.
Kartu su detale klijuota viela elastingai deformuojama. Tuo pačiu metu keičiasi jo geometriniai matmenys. Suspaudus laidininko skerspjūvis didėja, o ištempus – mažėja. Todėl atsparumo pokytis keičia ženklą priklausomai nuo deformacijos krypties. Charakteristika yra tiesinė.
Dėl mažo deformacijos matuoklio jautrumo mažoje matavimo srityje reikėjo padidinti laido ilgį. Norėdami tai padaryti, jis pagamintas iš vielos spiralės (grotelės), iš abiejų pusių priklijuotas izoliacinėmis plokštėmis iš lako ar popieriaus plėvelės. Norint prisijungti prie elektros grandinės, įrenginyje yra du variniai laidai. Jie yra suvirinti arba prilituoti prie suvyniotos vielos galų ir yra pakankamai tvirti, kad būtų galima prijungti prie elektros grandinės. Įtempimo matuoklis pritvirtinamas prie elastinio elemento arba bandomosios dalies klijais.
Laidiniai apkrovos elementai turi šiuos privalumus:
- paprastas dizainas;
- tiesinė priklausomybė nuo deformacijos;
- mažas dydis;
- maža kaina.
Trūkumai – mažas jautrumas, aplinkos temperatūros įtaka, būtinybė apsaugoti nuo drėgmės, naudoti tik tamprių deformacijų srityje.
Viela deformuosis, kai klijų sukibimo jėga su ja gerokai viršys jėgą, reikalingą jai ištempti. Jungiamojo paviršiaus ir skerspjūvio ploto santykis turi būti nuo 160 iki 200, o tai atitinka jo skersmenį 0,02-0,025 mm. Jis gali būti padidintas iki 0,05 mm. Tada normaliai veikiant deformaciniam matuokliui, lipnus sluoksnis nebus sunaikintas. Be to, jutiklis gerai veikia suspaudžiant, nes vielos gijos yra neatsiejamos nuo lipnios plėvelės ir dalies.
Plėvelės apkrovos elementai
Plėvelės apkrovos elemento parametrai ir veikimo principas yra tokie patys kaip ir vielinių. Vienintelė medžiaga yra nichromo, konstantano arba titano-aliuminio folija. Fotolitografijos gamybos technologija leidžia gauti sudėtingą gardelės konfigūraciją ir automatizuoti procesą.
Palyginti su vielos įtempimo matuokliais, folijos įtempio matuokliai yra jautresni, teka daugiau srovės, geriau perduoda įtampą, turi tvirtesnius laidus ir sudėtingesnį modelį.
Puslaidininkiniai apkrovos elementai
Jutiklių jautrumas yra maždaug 100 kartų didesnis nei laidinių, todėl juos galima dažnai naudoti be stiprintuvų. Trūkumai yra trapumas, didelė priklausomybė nuo aplinkos temperatūros ir reikšmingiparametrų sklaida.
Įtempimo matuoklio specifikacijos
- Pagrindas – tinklelio laidininko ilgis (0,2–150 mm).
- Nominali varža R – aktyviosios varžos vertė (10–1000 omų).
- Darbo maitinimo srovė Ip – srovė, kuriai esant įtempio matuoklis nepastebimai įkaista. Perkaitus keičiasi jutimo elemento, pagrindo ir lipniojo sluoksnio medžiagų savybės, todėl iškreipiami rodmenys.
- Įtempimo koeficientas: s=(∆R/R)/(∆L/L), kur R ir L yra atitinkamai elektrinė varža ir neapkrauto jutiklio ilgis; ∆R ir ∆L – pasipriešinimo pokytis ir deformacija nuo išorinės jėgos. Skirtingoms medžiagoms jis gali būti teigiamas (R didėja įtempiant) ir neigiamas (R didėja suspaudus). Skirtingų metalų s reikšmė svyruoja nuo -12,6 iki +6.
Įtempimo matuoklių įjungimo schemos
Norint išmatuoti mažus elektros signalus, geriausias pasirinkimas yra tilto jungtis, kurios centre yra voltmetras. Paprasčiausias pavyzdys būtų įtempio matuoklis, kurio grandinė surenkama pagal elektrinio tiltelio principą, vienoje iš atšakų jis yra prijungtas. Jo neapkrauta varža bus tokia pati kaip ir kitų rezistorių. Tokiu atveju prietaisas rodys nulinę įtampą.
Įtempimo matuoklio veikimo principas yra padidinti arba sumažinti jo atsparumo vertę, priklausomai nuo to, ar jėgos yra gniuždomos, ar tempimo.
Įtempimo matuoklio temperatūra turi didelę įtaką rodmenų tikslumui. Jei panašus atsparumas deformacijai bus įtrauktas į kitą tilto atšaką, kuri nebus apkrauta, ji atliks šiluminio poveikio kompensavimo funkciją.
Matavimo grandinėje taip pat turi būti atsižvelgta į laidų, prijungtų prie rezistoriaus, elektrinės varžos reikšmes. Jų įtaka sumažinama pridedant kitą laidą, prijungtą prie vieno iš tenometro ir voltmetro kaiščių.
Jei abu jutikliai yra priklijuoti prie elastinio elemento taip, kad jų apkrovos skiriasi ženklu, signalas bus sustiprintas 2 kartus. Jei grandinėje yra keturi jutikliai, kurių apkrovos nurodytos rodyklėmis aukščiau esančioje diagramoje, jautrumas žymiai padidės. Su šiuo laido arba folijos įtempimo matuokliu prijungus, įprastas mikroampermetras parodys rodmenis be elektrinio signalo stiprintuvo. Svarbu tiksliai parinkti varžos reikšmes naudojant multimetrą, kad jos būtų lygios viena kitai kiekvienoje elektrinio tiltelio atšaka.
Įtempimo matuoklių taikymas inžinerijoje
- Svarstyklių konstrukcijos dalis: sveriant elastingai deformuojamas jutiklio korpusas, o kartu ir prie jo priklijuoti deformacijos matuokliai, sujungti grandine. Elektrinis signalas perduodamas į skaitiklį.
- Pastatų konstrukcijų ir inžinerinių konstrukcijų įtempių ir deformacijų būklės stebėjimas jų statybos ir eksploatacijos metu.
- Įtempimo matuokliai, skirti matuoti deformacijos jėgas apdirbantmetalo slėgis valcavimo staklynuose ir štampavimo presuose.
- Aukštos temperatūros jutikliai plieno ir kitoms pramonės šakoms.
- Matavimo jutikliai su nerūdijančio plieno elastiniu elementu, skirti veikti chemiškai agresyvioje aplinkoje.
Standartiniai deformacijos matuokliai gaminami poveržlių, stulpelių, paprastų arba dvipusių sijų, S formos. Visoms konstrukcijoms svarbu, kad jėga būtų taikoma viena kryptimi: iš viršaus į apačią arba atvirkščiai. Esant sunkioms eksploatavimo sąlygoms, specialios konstrukcijos leidžia pašalinti parazitinių jėgų veikimą. Jų kainos labai priklauso nuo to.
Įtempimo matuoklių kaina svyruoja nuo šimtų rublių iki šimtų tūkstančių. Daug kas priklauso nuo gamintojo, konstrukcijos, medžiagų, gamybos technologijos, išmatuojamų parametrų verčių, papildomos elektroninės įrangos. Dažniausiai jie yra skirtingų tipų svarstyklių komponentai.
Išvada
Visų deformacijų matuoklių veikimo principas pagrįstas tampriojo elemento deformacijos pavertimu elektriniu signalu. Skirtingiems tikslams yra skirtingos jutiklių konstrukcijos. Renkantis deformacijos matuoklius, svarbu nustatyti, ar grandinės turi kompensaciją dėl temperatūros rodmenų iškraipymo ir parazitinio mechaninio poveikio.
