Некрасова Марія Валеріївна

магістрантка

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського»,

Україна, м. Київ

Морозова Марія Миколаївна,

кандидат технічних наук

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського»,

Україна, м. Київ

 Анотація: у статті розглянуто теоретичні засади та сфери використання тензометрії, існуючі методи та засоби вимірювання пружно-деформованих станів об’єктів, різновиди тензочутливих елементів.

 Ключові слова: деформація, тензорезистор, тензометрія, вимірювання.

 В основу тензометрії покладено явище тензоефекту, що полягає в зміні активного опору провідника первинного перетворювача (тензодатчика) під дією механічних напружень і деформацій. Використання тензодатчиків при проведенні науково-технічних досліджень дозволяє здійснювати контроль деформацій і напружень при дії статичних і динамічних навантажень. Особливо актуальним це є при роботі зі статично невизначеними механічними системами, параметри навантаження яких можуть бути визначені лише за допомогою непрямих емпіричних методів. Тензометрія, як сукупність методів та засобів для визначення напружено-деформованих станів об’єктів та конструкцій, широко використовується не лише при вимірюванні ступеню деформацій, а й при визначенні ваги у контролі на стрічкових конвеєрах, маси транспортних засобів (автомобілів, залізничних вагонів), обгрунтуванні надійності та безпечності конструкцій атомної енергетики тощо. 

 В даний час тензорезистори застосовуються в багатьох областях науки і техніки [1]. При цьому виникає багато складних теоретичних і практичних проблем. Серед різних експериментальних методів вимірювання деформацій переважна більшість дослідників віддає перевагу вимірам із застосуванням тензодатчиків або тензорезисторів, оскільки вони найкращим чином відповідають критеріям вартість-ефективність, володіючи оптимальним поєднанням характеристик.

 Тензорезистори широко застосовуються в якості чутливих елементів датчиків, розроблених для вимірювання сил, переміщень, моментів, тиску та ін. Основною характеристикою чутливості матеріалу до механічної деформації є коефіцієнт відносної тензочутливості, який визначається як відношення відносної зміни опору до відносної зміни довжини провідника: . Оскільки опір провідника пов'язаний із питомим опором матеріалу, довжиною і площею поперечного перерізу цього провідника,  , то відносна зміна опору, що викликана деформацією провідника під дією рівномірного механічного напруження σ , становить  . З останнього виразу випливає, що при зміні напруження відносна зміна опору  .

 При деформації твердих тіл зміна їх довжини пов'язана зі зміною об’єму. При цьому зміна об’єму в зоні пружних деформацій для кожного матеріалу є величиною постійною і характеризується коефіцієнтом Пуасона  , де   ,  d - діаметр провідника круглого перетину або поперечний розріз провідника квадратного перетину. Враховуючи що  , вираз для коефіцієнта відносної тензочутливості  .

 Механічне напруження в досліджуваній деталі пов'язане з модулем пружності матеріалу цієї деталі співвідношенням  . Рівняння перетворення тензорезистора можна представити у вигляді  . 

 Дротяні тензорезистори в техніці вимірювань неелектричних величин використовуються за двома напрямками. Перший напрямок - використання тензоефекту провідника, що знаходиться в стані об'ємного стиснення, коли вхідною величиною перетворювача є тиск оточуючого його газу або рідини. На цьому принципі будуються манометри для вимірювання високих і надвисоких тисків. Вихідною величиною перетворювача є зміна його активного опору.

 Другий напрямок - використання тензоефекту при пружних деформаціях дроту. Випускаються в даний час тензорезистори, розроблені в основному для використання в діапазоні від’ємних температур, до 223К. При температурах охолодженого і скрапленого газу більшість матеріалів, що застосовуються при виготовленні тензорезисторів (мікродротяні, металева фольга, клей, цемент), стають крихкими, зростає їх електрична провідність і можливість руйнування клейового шару. Залежно від типу матеріалу, виду напруженого стану, характеру навантаження і рівня деформацій, руйнування може бути обумовлено накопиченим пошкодженням, накопиченою деформацією або їх сукупністю. У зв'язку з цим необхідно вимірювати як величину сумарної односторонньої накопиченої деформації, так і зміну амплітуди деформації при кожному циклі навантаження. 

 При експериментальних дослідженнях зміна відносного опору тензорезистора залежить від двох чинників: рівня вимірюваної деформації і величини зміни температури в місці установки датчика [2]. Зміна температури тензорезистора залежить як від коливань температури навколишнього середовища в процесі вимірювань, так і від саморозігріву датчика, викликаного проходженням через нього електричного струму. Найчастіше вплив температури є небажаним фактором. Ступінь розігріву датчика визначається кількістю теплоти, що виділяється, а також умовами охолодження. У свою чергу умови охолодження залежать від розмірів деталі і її теплопровідності, площі поверхні решітки, відношення поверхні решітки до її об’єму, товщини клейового шару і його теплопровідності, температури навколишнього середовища і швидкості руху потоків повітря поряд з місцем розміщення тензорезистора та ін.

 При зміні температури датчика і деталі спостерігаються такі механізми, що здатні впливати на результати вимірювань: а) змінюється коефіцієнт тензочутливості матеріалу тензорешітки; б) зі зміною температури подовжуються (або скорочуються) решітка датчика та деталь; в) температурний вплив змінює опір тензорешітки. Здійснити температурну компенсацію вдається в процесі виробництва відповідних температурно-компенсованих датчиків. Однак, домогтися повної температурної компенсації в широкому діапазоні температур не вдається, тому застосовують методику вимірювання температури поблизу датчика, з використанням залежності уявної деформації від температури.

 При застосуванні з’єднувальних проводів виникають проблеми: зниження рівня сигналу і температурна чутливість. Зниження рівня сигналу відбувається тому, що знижується зміна відносного опору плеча моста. Для датчика, що має значення 100 Ом, опір лінії має бути меншим 0,5 Ом. Таким опором володіє мідний провід перетином 0,2 мм2 і довжиною приблизно 6 метрів.

Література:

1. Оптимизация конструктивного исполнения средств натурного тензометрирования по результатам сравнительных испытаний (електронний ресурс) – режим доступу: http://www.gidropress.podolsk.ru/files/proceedings/kms2014/documents/kms2014-013.pdf .

2. Мехеда В.А. Тензометрический метод измерения деформаций: учеб. пособие / В.А. Мехеда. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011. - 56 с.