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 деформации (также называемый тензодатчиком ) — это устройство, используемое для измерения 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. Датчик прикрепляется к объекту с помощью подходящего клея, например цианакрилата . По мере деформации объекта фольга деформируется, в результате чего ее электрическое сопротивление изменяется . 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.

Артур К. Руге, профессор Массачусетского технологического института С другой стороны, , 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 тензодатчика, 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 тензорезистора. 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.

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 снижает его сквозное электрическое сопротивление. По измеренному электрическому сопротивлению тензодатчика о величине индуцированного напряжения можно сделать вывод .

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 будет работать при гораздо более низком напряжении, что затрудняет точное измерение изменений сопротивления.

Калибровочный коэффициент

Калибровочный коэффициент $GF$ определяется как:

$GF={\frac {\Delta R/R_{G}}{\epsilon }}$

где

$\Delta R$ изменение сопротивления, вызванное напряжением,

$R_{G}$ - сопротивление недеформированного датчика, а

$\epsilon$ это напряжение.

Для обычных калибров из металлической фольги коэффициент тензочувствительности обычно составляет немногим более 2. Для одного активного датчика и трех фиктивных резисторов с одинаковым сопротивлением относительно активного датчика в конфигурации балансного моста Уитстона выходное напряжение датчика $SV$ от моста примерно:

$SV=EV{\frac {GF\cdot \epsilon }{4}}$

где

$EV$ – напряжение возбуждения моста.

Датчики из фольги обычно имеют активную площадь около 2–10 мм. ² по размеру. 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 же после этого приклеить тензорезистор, чтобы избежать 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. 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. ( Закон Мерфи первоначально был придуман в ответ на неправильное подключение ряда датчиков к мосту Уитстона. )

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». (также называемое «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. Тензометры 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.

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.

Ошибки и компенсации

• Смещение нуля. Если импеданс четырех измерительных рычагов не совсем одинаков после подключения датчика к коллектору силы, возникнет смещение нуля, которое можно компенсировать, подключив параллельный резистор к одному или нескольким измерительным рычагам.
• Температурный коэффициент тензочувствительности (TCGF) представляет собой изменение чувствительности устройства к деформации при изменении температуры. Обычно это компенсируется введением фиксированного сопротивления во входной ветви, благодаря чему эффективное подаваемое напряжение будет уменьшаться с увеличением температуры, компенсируя увеличение чувствительности с увеличением температуры. В схемах преобразователей это называется компенсацией модуля. По мере повышения температуры элемент тензодатчика становится более эластичным и, следовательно, под постоянной нагрузкой будет больше деформироваться, что приведет к увеличению выходной мощности; но нагрузка все та же. Хитрость во всем этом заключается в том, что резистор в источнике питания моста должен быть термочувствительным резистором, который соответствует как материалу, к которому прикреплен датчик, так и материалу элемента датчика. Значение этого резистора зависит от обоих этих значений и может быть рассчитано. Проще говоря, если выходной сигнал увеличивается, значение резистора также увеличивается, тем самым уменьшая чистое напряжение на преобразователе. Установите правильное значение резистора, и вы не увидите никаких изменений.
• Сдвиг нуля в зависимости от температуры. Если TCGF каждого датчика не одинаков, произойдет сдвиг нуля в зависимости от температуры. Это также вызвано аномалиями в коллекторе силы. Обычно это компенсируется с помощью одного или нескольких резисторов, стратегически размещенных в компенсационной сети.
• Линейность — это ошибка, при которой чувствительность меняется в диапазоне давления. Обычно это зависит от выбора толщины воспринимающего усилие в зависимости от предполагаемого давления и качества соединения.
• Гистерезис – это ошибка возврата к нулю после скачка давления.
• Повторяемость. Эта ошибка иногда связана с гистерезисом, но сохраняется во всем диапазоне давлений.
• Ошибки, вызванные электромагнитными помехами ( EMI ). Поскольку выходное напряжение тензорезисторов находится в диапазоне мВ, даже мкВ, если напряжение привода моста Уитстона поддерживается на низком уровне во избежание самонагрева элемента, необходимо соблюдать особую осторожность при усилении выходного сигнала. чтобы избежать усиления наложенного шума. Часто используемое решение состоит в использовании усилителей «несущей частоты», которые преобразуют изменение напряжения в изменение частоты (как в генераторах, управляемых напряжением ) и имеют узкую полосу пропускания, тем самым уменьшая внеполосные электромагнитные помехи.
• Перегрузка. Если тензорезистор нагружен сверх расчетного предела (измеренного в микродеформации), его характеристики ухудшаются и не могут быть восстановлены. Обычно хорошая инженерная практика предполагает не подвергать тензорезисторы нагрузкам, превышающим ±3000 микродеформаций.
• Влажность. Если провода, соединяющие тензорезистор с формирователем сигнала, не защищены от влаги (например, оголенные провода), может возникнуть коррозия, приводящая к паразитному сопротивлению. Это может привести к протеканию токов между проводами и подложкой, к которой приклеен тензорезистор, или непосредственно между двумя проводами, внося ошибку, которая конкурирует с током, протекающим через тензорезистор. По этой причине сильноточные тензорезисторы с низким сопротивлением (120 Ом) менее подвержены ошибкам такого типа. Чтобы избежать этой ошибки, достаточно защитить провода тензорезисторов изолирующей эмалью (например, эпоксидной или полиуретановой). Тензорезисторы с незащищенными проводами допускается использовать только в сухих лабораторных условиях, но не в промышленных.

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:

• Линейные тензодатчики
• Тензорезисторы с мембранной розеткой
• Двойные линейные тензодатчики
• Полномостовые тензорезисторы
• Датчики деформации сдвига
• Полумостовые тензорезисторы
• Тензорезисторы колонные
• Розетка 45° (3 направления измерения)
• Розетка 90° (2 направления измерения).

Другие типы

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

• Для измерения малых деформаций полупроводниковые тензорезисторы, так называемые пьезорезисторы , часто предпочтительнее фольговых датчиков. обычно Полупроводниковый манометр имеет больший коэффициент тензорности, чем фольговый манометр. Полупроводниковые датчики, как правило, дороже, более чувствительны к изменениям температуры и более хрупкие, чем фольговые датчики.
• Тензометры на основе наночастиц становятся новой многообещающей технологией. Эти резистивные датчики, активная область которых состоит из совокупности проводящих наночастиц, таких как золото или углерод , сочетают в себе высокий коэффициент чувствительности, большой диапазон деформации и небольшое потребление электроэнергии из-за их высокого импеданса.
• При биологических измерениях, особенно кровотоке вариант, называемый ртутно-резиновым тензодатчиком и набухании тканей, используется . Этот тип тензодатчика состоит из небольшого количества жидкой ртути, заключенной в небольшую резиновую трубку, которую наносят, например, на палец ноги или ногу. Отек части тела приводит к растяжению трубки, делая ее как длиннее, так и тоньше, что увеличивает электрическое сопротивление.
• Волоконно-оптическое зондирование можно использовать для измерения деформации вдоль оптического волокна . Измерения могут быть распределены по волокну или сняты в заранее определенных точках волокна. 2010 года, , участвующих в Кубке Америки На лодках Alinghi 5 и USA-17 используются встроенные датчики этого типа.

Пример бесконтактного измерения деформации с использованием корреляции цифровых изображений на купоне для испытаний материала, показывающих движущиеся структуры деформации, называемые полосами Людерса.

• Для измерения деформаций можно использовать другие методы оптических измерений, такие как электронная интерферометрия спекл-паттернов или корреляция цифровых изображений .
• Микромасштабные тензорезисторы широко используются в микроэлектромеханических системах (МЭМС) для измерения деформаций, вызванных силой, ускорением, давлением или звуком. Например, подушки безопасности в автомобилях часто срабатывают с помощью акселерометров MEMS. В качестве альтернативы пьезорезисторным тензорезисторам встроенные оптические кольцевые резонаторы . можно использовать для измерения деформации в микрооптоэлектромеханических системах (МОЭМС)
• В емкостных тензодатчиках используется переменный конденсатор для индикации уровня механической деформации.
• Тензорезисторы с вибрационной проволокой используются в геотехнических и гражданских проектах. Датчик состоит из вибрирующей натянутой проволоки. Деформация рассчитывается путем измерения резонансной частоты проволоки (увеличение натяжения увеличивает резонансную частоту).
• Кварцевые тензорезисторы также используются в геотехнических целях. Датчик давления , резонансный кварцевый тензодатчик с силовым коллектором с трубкой Бурдона , является важнейшим датчиком DART . DART обнаруживает волны цунами со дна открытого океана. Он имеет разрешение по давлению примерно 1 мм водного столба при измерении давления на глубине в несколько километров.
• Многоосные датчики силы могут иметь множество преимуществ перед тензодатчиками с точки зрения их безопасности, маневренности и возможностей совместной работы. В их основе лежат предварительно напряженные резонансные композитные пластины, измерения которых осуществляются пьезоэлектрическими преобразователями. Он позволяет измерять 3 компонента внешних сил. Кроме того, необходимое оборудование дешевле, чем классические тензорезисторы.

Бесконтактные измерения деформации

Деформацию также можно измерить с помощью корреляции цифровых изображений (DIC). При использовании этого метода одна или две камеры используются вместе 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 . .. 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. Метод DIC позволяет быстро измерять форму, перемещения и деформации бесконтактным способом, избегая некоторых проблем традиционных контактных методов, особенно при испытаниях на удары, высокую деформацию, высокую температуру или многоцикловую усталость .

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.

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

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».

Теория тензодатчиков (социология)

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

См. также

• Термометр сопротивления
• Компрессометр