Tenômetros — transdutores de medição tensométrica

Sensor de extensômetro — um transdutor resistivo paramétrico que converte a deformação de um corpo rígido causada por uma tensão mecânica aplicada a ele em um sinal elétrico.

Um medidor de pressão resistiva é uma base com um elemento sensível anexado. O princípio da medição de deformação usando um medidor de deformação é que a resistência do medidor de deformação muda durante a deformação. O efeito da mudança de resistência de um condutor metálico sob a ação da compressão total (pressão hidrostática) foi descoberto em 1856 por Lord Kelvin e em 1881 por OD Hvolson.

Em sua forma moderna, um medidor de tensão representa estruturalmente um resistor de deformação, cujo elemento sensível é feito de um material sensível à tensão (fio, folha, etc.), fixado com um aglutinante (cola, cimento) na parte sob investigação (Figura 1). Para conectar o elemento sensor ao circuito elétrico, o extensômetro possui fios.Alguns extensômetros são projetados para facilitar a instalação, eles possuem uma almofada localizada entre o elemento sensível e a parte sob teste, bem como um elemento protetor localizado acima do elemento sensível.

Figura 1 Esquema do extensômetro: 1- elemento sensível; 2- aglutinante; 3- substrato; 4- detalhe investigado; 5- elemento protetor; 6- bloco para solda (soldagem); fiação de 7 fios

Com toda a variedade de tarefas resolvidas usando transdutores de extensômetro, duas áreas principais de uso podem ser distinguidas:

— estudo das propriedades físicas dos materiais, deformações e tensões em peças e estruturas;

— o uso de extensômetros para medir valores mecânicos que são convertidos em deformação de um elemento elástico.

O primeiro caso é caracterizado por um número significativo de pontos de medição de tensão, amplas faixas de mudanças nos parâmetros ambientais, bem como a impossibilidade de calibrar os canais de medição. Neste caso, o erro de medição é de 2-10%.

No segundo caso, os sensores são calibrados de acordo com o valor medido e os erros de medição estão na faixa de 0,5-0,05%.

O exemplo mais marcante do uso de extensômetros é a balança. As balanças da maioria dos fabricantes russos e estrangeiros são equipadas com extensômetros. As balanças de célula de carga são usadas em várias indústrias: metalurgia não ferrosa e ferrosa, química, construção, alimentos e outras indústrias.

O princípio de funcionamento das balanças eletrônicas é reduzido à medição da força da gravidade atuando na célula de carga, convertendo as mudanças resultantes, como deformações, em um sinal elétrico de saída proporcional.

O amplo uso de resistores tensores é explicado por várias de suas vantagens:

— pequeno tamanho e peso;

— baixa inércia, que permite o uso de extensômetros para medições estáticas e dinâmicas;

— ter uma característica linear;

— permitir medições remotas e em vários pontos;

— o método de instalação na peça examinada não requer dispositivos complexos e não distorce o campo de deformação da peça examinada.

E sua desvantagem, que é a sensibilidade à temperatura, pode ser compensada na maioria dos casos.

Tipos de conversores e seus recursos de design

O funcionamento dos extensômetros baseia-se no fenômeno do efeito de deformação, que consiste na alteração da resistência ativa dos fios durante sua deformação mecânica. A característica do efeito de deformação do material é o coeficiente de sensibilidade relativa à deformação K, definido como a razão entre a mudança na resistência e a mudança no comprimento do condutor:

k = er/el

onde er = dr / r — a mudança relativa na resistência do condutor; el = dl / l — a mudança relativa no comprimento do fio.

Durante a deformação de corpos sólidos, a mudança em seu comprimento está associada a uma mudança em volume, e suas propriedades, em particular, o valor da resistência, também mudam. Portanto, o valor do coeficiente de sensibilidade no caso geral deve ser expresso como

K = (1 + 2μ) + m

Aqui, a quantidade (1 + 2μ) caracteriza a mudança na resistência associada a uma mudança nas dimensões geométricas (comprimento e seção transversal) do condutor e - uma mudança na resistência do material associada a uma mudança em sua física propriedades.

Se materiais semicondutores forem usados ​​na produção do tensor, a sensibilidade é determinada principalmente pela mudança nas propriedades do material da rede durante sua deformação e K »m e pode variar para diferentes materiais de 40 a 200.

Todos os conversores existentes podem ser divididos em três tipos principais:

- arame;

- papel alumínio;

- um filme.

Os telémetros de fio são usados ​​na técnica de medição de grandezas não elétricas em duas direções.

A primeira direção é a utilização do efeito de deformação de um condutor em estado de compressão de volume, quando o valor natural de entrada do transdutor é a pressão do gás ou líquido circundante. Nesse caso, o transdutor é uma bobina de fio (geralmente manganina) colocada na área da pressão medida (líquido ou gás). O valor de saída do conversor é a mudança em sua resistência ativa.

A segunda direção é usar o efeito de tensão do fio de tensão feito de um material sensível à tensão. Nesse caso, os sensores de tensão são utilizados na forma de conversores "livres" e na forma de colados.

Extensômetros "livres" são feitos na forma de um ou uma fileira de fios, fixados nas extremidades entre as partes móveis e imóveis e, via de regra, desempenham simultaneamente o papel de elemento elástico. O valor de entrada natural de tais transdutores é muito pouco movimento da parte móvel.

O dispositivo do tipo mais comum de medidor de tensão de fio colado é mostrado na figura 2. Um fio fino com diâmetro de 0,02-0,05 mm, colocado em zigue-zague, é colado a uma tira de papel fino ou folha de laca. Fios de cobre com chumbo são conectados às extremidades do fio. A parte superior do conversor é coberta com uma camada de verniz e às vezes selada com papel ou feltro.

O transdutor geralmente é instalado de modo que seu lado mais longo esteja orientado na direção da força medida. Tal transdutor, colado ao corpo de prova, percebe as deformações de sua camada superficial. Assim, o valor natural de entrada do transdutor colado é a deformação da camada superficial da peça à qual está colado, e a saída é a variação da resistência do transdutor proporcional a esta deformação. Geralmente, os sensores colados são usados ​​com muito mais frequência do que os não colados.

Figura 2 - extensômetro do fio colado: 1 - fio do extensômetro; 2- cola ou cimento; 3- papel celofane ou papel; fios de 4 fios

A base de medição do transdutor é o comprimento da parte ocupada pelo fio. Os transdutores mais usados ​​são bases de 5-20 mm com resistência de 30-500 ohms.

Além do design de extensômetro de contorno mais comum, existem outros. Se for necessário reduzir a base de medição do transdutor (para 3 - 1 mm), isso é feito pelo método do enrolamento, que consiste em enrolar uma espiral de fio sensível à carga em um mandril de seção transversal circular em um tubo de papel fino. Esse tubo é então colado, retirado do mandril, achatado e os fios são presos nas pontas do fio.

Quando é necessário obter uma grande corrente de um circuito com um termoconversor, eles costumam usar extensômetros "poderosos" com um fio enrolado... Eles consistem em um grande número (até 30 - 50) fios conectados em paralelo, diferem em tamanhos grandes (comprimento da base 150 — 200 mm) e permitem um aumento significativo na corrente passada pelo conversor (Figura 3).

Desenho 3- Tenômetro de baixa resistência ("potente"): 1 - fio do extensômetro; 2- cola ou cimento; 3- papel celofane ou papel; fio de 4 pinos

As sondas de fio possuem uma pequena área de contato com a amostra (substrato), o que reduz as correntes de fuga em altas temperaturas e leva a uma maior tensão de isolamento entre o elemento sensível e a amostra.

Células de carga de folha são a versão mais popular de células de carga adesivas. Os transdutores de folha são uma tira de folha de 4 a 12 mícrons de espessura, na qual uma porção do metal é selecionada por corrosão de forma que o restante forme a grade de chumbo mostrada na Figura 4.

Na produção de tal grade, qualquer padrão da grade pode ser previsto, o que é uma vantagem significativa dos extensômetros de folha. Na imagem 4, a mostra a aparência de um transdutor de folha projetado para medir estados de tensão linear, na fig. 4, c — um transdutor de folha colado ao eixo para medir torques, e na fig. 4, b — colado à membrana.

Desenho 4- Conversores de folha: 1- Loops de ajuste; 2- dobras sensíveis às forças de tração da membrana; 3- rotações sensíveis às forças compressivas do diafragma

Uma grande vantagem dos conversores de folha é a possibilidade de aumentar a seção transversal das extremidades do conversor; a soldagem (ou soldagem) de fios pode ser feita neste caso de maneira muito mais confiável do que com conversores de fios.

Os deformadores de folha, em comparação com os de arame, têm uma proporção maior da superfície do elemento sensível para a área da seção transversal (sensibilidade) e são mais estáveis ​​em temperaturas críticas e cargas sustentadas. A grande área de superfície e a pequena seção transversal também garantem um bom contato de temperatura entre o sensor e a amostra, o que reduz o autoaquecimento do sensor.

Para a produção de extensômetros de folha, são usados ​​​​os mesmos metais que para telenômetros (constantan, nicromo, liga de níquel-ferro, etc.), e outros materiais também são usados, por exemplo, liga de titânio-alumínio 48T-2, que mede deformações de até 12%, bem como vários materiais semicondutores.

tensores de filme

Nos últimos anos, surgiu outro método para produção em massa de deformações de resistência coladas, que consiste na sublimação a vácuo de um material sensível à deformação e sua posterior condensação em um substrato pulverizado diretamente sobre a peça de trabalho. Esses transdutores são chamados de transdutores de filme. A pequena espessura de tais medidores de deformação (15-30 mícrons) oferece uma vantagem significativa ao medir deformações no modo dinâmico em altas temperaturas, onde as medições de deformação são uma área especializada de pesquisa.

Vários medidores de tensão de filme baseados em bismuto, titânio, silício ou germânio foram feitos na forma de uma única tira condutora (Figura 5).Tais transdutores não têm a desvantagem de reduzir a sensibilidade relativa do transdutor em comparação com a sensibilidade do material do qual o transdutor é feito.

Figura 5- Strain gauge de filme: 1- filme de strain gauge; 2- folha de laca; fio de 3 pinos

O coeficiente de strain gauge de um transdutor baseado em filme de metal é 2-4 e sua resistência varia de 100 a 1000 ohms. Os transdutores feitos com base em filme semicondutor têm um coeficiente da ordem de 50-200 e, portanto, são mais sensíveis à tensão aplicada. Nesse caso, não há necessidade de usar circuitos amplificadores, pois a tensão de saída da ponte de resistência de tensão semicondutora é de aproximadamente 1 V.

Infelizmente, a resistência de um conversor de semicondutor varia com a tensão aplicada e é essencialmente não linear em toda a faixa de tensão e também é altamente dependente da temperatura. Assim, embora seja necessário um amplificador ao trabalhar com um deformador de filme metálico, a linearidade é muito alta e o efeito da temperatura pode ser facilmente compensado.