podstawy_tensometrii.pdf

(1021 KB) Pobierz
Praca Dyplomowa.
WYBRANE ZAGADNIENIA TENSOMETRII
OPOROWEJ .
SPIS TREŚCI.
Wstęp
1. Podstawowe wiadomości o tensometrii oporowej
1.1. Zasada działania
1.2. Czujniki tensometryczne
1.3. Mocowanie tensometrów do powierzchni
1.4. Kompensacja wpływu temperatury
1.5. Parametry tensometrów
1.6. Mostki tensometryczne
2. Tensometryczne czujniki siły stosowane w wagach
2.1. Rodzaje tensometrycznych czujników siły stosowane
w wagach elektronicznych
2.2. Parametry tensometrycznych czujników siły
3. Podstawowe wiadomości o wagach
3.1. Podział wag
3.2. Parametry wag. Definicje
3.3. Legalizacja i zatwierdzenie typu
3.4. Podstawy budowy i działania wag elektronicznych z czujnikami
tensometrycznymi
3.5. Nośność wagi a ilość czujników
3.6. Inne rodzaje czujników stosowane w wagach elektronicznych
3.6.1. Czujniki indukcyjne
3.6.2. Czujniki magnetoelektryczne
3.6.3. Czujniki magnetosprężyste (pressduktorowe)
3.6.4. Czujniki pojemnościowe
4. Wzmacniacze tensometryczne stosowane w wagach
4.1. Proces przetwarzania sygnału z czujnika
4.2. Programowanie i kalibracja
4.3. Wzmacniacz tensometryczny firmy RADWAG
5. Projekty wag elektronicznych wykonanych przez autora pracy
5.1. Waga pomostowa z jednym czujnikiem siły
5.2. Waga kolejkowa o nośności 500kg z dwoma czujnikami siły
5.3. Waga pomostowa o nośności 3000kg z czterema czujnikami siły
6. Zastosowanie wagowego wzmacniacza tensometrycznego do
pomiaru sił na prasie
7.
Literatura
Wstęp.
Tematem tej pracy dyplomowej są wybrane zagadnienia elektrycznej tensometrii oporowej.
Jest to technika umożliwiająca pomiar odkształceń fizycznych za pomocą czujników
rezystancyjnych zwanych tensometrami. Są to elementy rezystancyjne wykonane w formie
elastycznych pasków o małej powierzchni dzięki czemu można je nakleić na prawie każdy
materiał. Dzięki temu odkształcenia występujące w materiale mają swoje dokładne
odzwierciedlenie w zmianie oporu czujnika. Pomiar odkształceń umożliwia pośredni pomiar
wielkości pochodnych takich jak siła, naprężenie i ciężar. Tensometry już od blisko 70 lat
stanowią podstawowe źródło sygnału określającego wartość wielkości mechanicznych,
mierzonych metodami obróbki sygnału elektrycznego. Są szeroko stosowane od wielu lat
wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba mierzenia sił i naprężeń np. w konstrukcjach mostów,
zbiorników, budynków, statków i samolotów itp. Często wykorzystuje się tą technikę w pracach
prototypowych i badaniach naukowych. Jest pomocna w monitorowaniu różnych procesów
przemysłowych, np. w procesach obróbki skrawaniem (tokarki, frezarki) do odczytu sił
skrawania lub w procesach obróbki plastycznej (prasy, młoty) do odczytu sił występujących
podczas procesów. Innym zastosowaniem tensometrii jest budowa różnego rodzaju czujników,
na przykład: dynamometrów, czujników masy, momentomierzy, ciśnieniomierzy, czujników
drgań i czujników przemieszczenia. Ich zadaniem jest zamiana wielkości mechanicznej na
sygnał elektryczny.
Zagadnienia pomiarów wykonywanych w laboratorium obróbki plastycznej są związane z
tensometrią oporową ze względu na potrzebę mierzenia sił występujących podczas procesów.
Autor pracy jest specjalistą z zakresu zastosowania tensometrów w budowie wag
elektronicznych. W związku z tym w pracy jest zawarta wiedza z zakresu konstrukcji wag na
przykładzie wag skonstruowanych przez autora pracy. Dodatkowo zostaną opisane
wzmacniacze tensometryczne stosowane w wagach. Ich podstawową zaletą w stosunku do
profesjonalnych wzmacniaczy jest stosunkowo niski koszt i duża dokładność. Jest to związane
z dużym postępem w miniaturyzacji układów elektronicznych i z masową produkcją tego typu
wzmacniaczy. Autor podejmie się próby zastosowania takich wzmacniaczy do mierzenia sił
występujących na prasach podczas procesów obróbki plastycznej .
1. Podstawowe wiadomości o tensometrii oporowej
Technika ta wykorzystuje zjawisko odkryte przez Lorda Kelvina w 1856 roku polegające na
zmianie oporności metalowego drutu pod wpływem działającej na niego siły rozciągającej.
Właściwe wykorzystanie tej wiedzy do pomiaru siły nastąpiło dopiero w 1937r. w USA. W roku
1939 zaczęto produkować na skalę przemysłową pierwsze na świecie tensometryczne czujniki
siły zbliżone formą do stosowanych obecnie. Technika ta ma już kilkadziesiąt lat i nadal jest
udoskonalana.
1.1. Zasada działania tensometru
Zastosowanie tensometru do pomiaru odkształceń polega na pomiarze rezystancji czujnika
naklejonego lub przymocowanego w inny sposób do badanego elementu konstrukcji. Istotę
pomiaru odkształcenia tą metodą przedstawia rys.1a.
i
czujnik pomiarowy
z drutu
0
b)
_
+
U R
a)
mV
R
mV
U W
_
R
U Z
F
F
+
rozciągany element
konstrukcji
L
U W = U Z - U R U Z = const
Rys. 1. Pomiar siły działającej na rozciągany pręt wg metody stosowanej wiele lat temu.
a) schemat poglądowy, b) schemat elektryczny.
Na rys.1b przedstawiono schemat elektryczny omawianego układu. Metalowy element badany
jest poddany działaniu rozciągającej siły F w zakresie odkształceń sprężystych. Do jego
końców jest przymocowany czujnik z cienkiego drutu o oporności R połączony szeregowo w
zamkniętym obwodzie ze źródłem napięcia i woltomierzem.
Pod wpływem sił działających na rozciągany element rozciągnięciu ulega czujnik – jego
długość L wzrasta a pole przekroju A zmniejsza się. Wpływ tych zmian na rezystancję drutu
opisuje wzór (1),
gdzie:
R – rezystancja drutu oporowego w Ω,
ρ – rezystywność, opór elektryczny właściwy w Ω ·m,
L – długość przewodnika w m,
A – powierzchnia przekroju przewodnika w m 2 ,
L
­
(1)
R
­= A
ρ
¯
Jak wynika z powyższego wzoru rezystancja drutu wzrasta pod wpływem siły. Powodując
wzrost napięcia U R na odcinku pomiarowym zgodnie z prawem Ohma, wzór (2).
U R ↑ = R↑ . I
(2)
Ponieważ w obwodzie jest stałe napięcie zasilające U Z zmiana napięcia na czujniku U R
powoduje zmianę wskazań napięcia U W wskazywanego przez miernik, wzór (2a).
U W = U Z - U R
(2a)
gdzie:
U Z = const – napięcie zasilania,
U R – napięcie na czujniku,
U W – napięcie wskazywane na mierniku.
Napięcie U W maleje a jego zmiana jest proporcjonalna do odkształcenia elementu
rozciąganego. Przy zapewnieniu proporcjonalności (liniowości) przyrostu oporu elektrycznego
do przyrostu wydłużenia otrzymujemy proste lecz precyzyjne narzędzie zamiany odkształceń
mechanicznych na sygnał elektryczny. Zakres siły działającej na drut pomiarowy musi zawierać
się w zakresie odkształceń sprężystych materiału z którego jest wykonany, gdyż po
jednorazowym przekroczeniu granicy plastyczności rozciąganego drutu jego parametry nie
powróciłyby do pierwotnych wartości - czujnik uległby uszkodzeniu. Dlatego przez wiele lat
rozwoju tensometrii naukowcy dobierali odpowiednie stopy metali aby uzyskać jak najlepsze
parametry użytkowe czujników.
Nowoczesne czujniki tensometryczne działają w taki sam sposób jak pierwowzór złożony z
jednego rozciąganego drutu ale ich wymiary zmniejszono poprzez zastosowanie innego
kształtu drutu oporowego ułożonego w charakterystyczną wężykowatą mozaikę zwaną też
drabinką pomiarową (rys.2).
418903954.082.png 418903954.093.png 418903954.103.png 418903954.114.png 418903954.001.png 418903954.012.png 418903954.023.png 418903954.034.png 418903954.036.png 418903954.037.png 418903954.038.png 418903954.039.png 418903954.040.png 418903954.041.png 418903954.042.png 418903954.043.png 418903954.044.png 418903954.045.png 418903954.046.png 418903954.047.png 418903954.048.png 418903954.049.png 418903954.050.png 418903954.051.png 418903954.052.png 418903954.053.png 418903954.054.png 418903954.055.png 418903954.056.png 418903954.057.png 418903954.058.png 418903954.059.png 418903954.060.png 418903954.061.png 418903954.062.png 418903954.063.png 418903954.064.png 418903954.065.png 418903954.066.png 418903954.067.png 418903954.068.png 418903954.069.png 418903954.070.png 418903954.071.png 418903954.072.png 418903954.073.png 418903954.074.png 418903954.075.png 418903954.076.png 418903954.077.png 418903954.078.png 418903954.079.png 418903954.080.png 418903954.081.png 418903954.083.png 418903954.084.png 418903954.085.png 418903954.086.png 418903954.087.png 418903954.088.png 418903954.089.png 418903954.090.png 418903954.091.png 418903954.092.png
 
Rys. 2. Czujnik tensometryczny.
a) zasada działania,
b) siły działające na czujnik
tensometryczny
y
F
F
x
x
a
L
y
Dzięki umieszczeniu na nośniku z papieru (lub tworzywa sztucznego) wielokrotności małego
odcinka pomiarowego L wymiary gabarytowe czujnika są mniejsze a zmiany oporności są w
przybliżeniu takie same jak drutu wyprostowanego. Zmniejsza się dzięki temu wielkość
czujnika (tzw. baza pomiarowa) a jego użycie staje się łatwiejsze.
Czujnik mocuje się do powierzchni badanej za pomocą kleju, tak aby jego oś symetrii
pokrywała się z osią działania siły x-x (rys.2b). Dzięki temu największe zmiany oporności
uzyskujemy w kierunku zgodnym z położeniem odcinków pomiarowych o długości L.
Każdy tensometr charakteryzuje się tzw. stałą tensometryczną, opisującą bezwymiarowo
własności metrologiczne czujnika (zależne od materiału i technologii). Zawarte są w niej
wymiary i własności materiału z którego wykonany jest czujnik. Liczba ta wyraża stosunek
przyrostu względnego rezystancji do wydłużenia względnego przewodnika pod wpływem
działania siły według wzoru (3):
ΔR
ΔL
ΔR
ΔL
ε
=
R
=
×
k
(3)
=
k
podstawiając:
L
D
L
R
L
L
gdzie:
k – stała tensometryczna
ε – wydłużenie względne przewodnika
ΔR
=
k
×
ε
Otrzymujemy wzór :
(4)
R
, z którego wynika że względna zmiana oporu tensometru jest wprost proporcjonalna do
wydłużenia względnego przewodnika.
Zastosowanie tensometrów do pomiaru naprężeń w konstrukcjach bazuje na prawie
Hooke'a, które mówi że naprężenie σ (dla jednoosiowego stanu małych naprężeń) jest wprost
proporcjonalne do wydłużenia względnego ε oraz do współczynnika sprężystości wzdłużnej E
(tzw. modułu Young'a), zgodnie ze wzorem:
σ
=
ε
×
E
(5)
418903954.094.png 418903954.095.png 418903954.096.png 418903954.097.png 418903954.098.png 418903954.099.png 418903954.100.png 418903954.101.png 418903954.102.png 418903954.104.png 418903954.105.png 418903954.106.png 418903954.107.png 418903954.108.png 418903954.109.png 418903954.110.png 418903954.111.png 418903954.112.png 418903954.113.png 418903954.115.png 418903954.116.png 418903954.117.png 418903954.118.png 418903954.119.png 418903954.120.png 418903954.121.png 418903954.122.png 418903954.123.png 418903954.124.png 418903954.002.png 418903954.003.png
, gdzie:
σ – naprężenie σ=F/A (gdzie: F - siła osiowa - ściskająca lub rozciągająca,
A - pole powierzchni przekroju poprzecznego)
ε – wydłużenie względne ε = Δ L/L o (gdzie: L o - długość początkowa,
ΔL - przyrost długości wywołany działaniem siły F)
E – współczynnik sprężystości wzdłużnej (moduł Young'a)
Jak łatwo zauważyć, znając moduł Young'a (informacja dostępna w każdym poradniku) oraz
wymiary poprzeczne badanego elementu, wystarczy zmierzyć wydłużenie względne (przez
pomiar odkształcenia) aby określić wielkość działającej siły. Jest to jedno z podstawowych
zadań tensometrii. Ponieważ względny przyrost oporu tensometru jest wprost proporcjonalny
do wydłużenia względnego (współczynnik k to stały parametr charakterystyczny dla każdego
tensometru) pozostaje go tylko zmierzyć.
Przy pomiarze siły tą metodą należy przykleić tensometr na badaną powierzchnię,
w miejscu gdzie występuje odkształcenie charakterystyczne dla danego rodzaju konstrukcji.
Przykład: jeśli chcemy określić siłę wywieraną przez prasę na odkówkę podczas procesu
obróbki plastycznej, tensometr lub zespół tensometrów możemy nakleić na korpus prasy, gdyż
naprężenia występujące w korpusie są proporcjonalne do siły nacisku prasy.
Zastosowanie techniki tensometrycznej skupia się wokół trzech zastosowań :
• analiza naprężeń powstających w elementach konstrukcji podczas ich pracy w
obiekcie lub podczas prób w laboratorium,
• analiza naprężeń własnych w elementach konstrukcji nie poddanych obciążeniom,
(np. metodą wierconego otworu. Metoda jest stosowana i propagowana przez firmę HBM)
• budowa przetworników wielkości mechanicznych – wówczas tensometry naklejone
są na materiał o znanych parametrach wytrzymałościowych i o określonym
kształcie (np. belka zginana - przetworniki siły lub wagi, membrana – przetworniki ciśnienia).
1.2. Rodzaje tensometrów
Rozróżniamy trzy podstawowe typy tensometrów ze względu na technologię wykonania:
• drucikowe (drut o średnicy od 0,02 do 0,05mm) – odporne na wysoką temperaturę
(wężykowe lub kratowe),
• foliowe (folia metalowa o grubości od 0,002 do 0,02mm) – używane najczęściej,
• półprzewodnikowe (wysoka stała k, od 100 do 150), silny wpływ temperatury,
delikatne.
Pierwsze czujniki tego typu były produkowane przez nałożenie drutu oporowego na podkładkę
z papieru (w późniejszym czasie na podkładki z tworzyw – np. z poliamidu lub żywic
fenolowych). Czujniki tego typu nazwa się tensometrami drucikowymi.Drut oporowy jest
mocowany do podkładu w całości (czujniki wężykowe – rys.3a) lub w odcinkach (czujniki
kratowe - rys.3b).
drut naklejony
w całości
a)
b)
drut naklejony
w odcinkach
Rys. 3. Czujniki tensometryczne drucikowe: a) typu wężykowego, b) typu kratowego .
Technologia wykonania jest dość pracochłonna z uwagi na to, iż podstawowym warunkiem
stworzenia dobrej jakości czujnika jest nie tylko jego ułożenie w wężykowaty kształt ale i
odpowiednie napięcie (wyprostowanie) drucika przed naklejeniem na podłoże.
Nowocześniejszym rozwiązaniem są częściej stosowane czujniki foliowe, gdzie drut oporowy
zastąpiono cienkim paskiem ze specjalnego stopu (np. miedzi, konstantanu lub nichromu).
Pasek oporowy jest trwale połączony z podłożem z tworzywa sztucznego a jego kształt ułożony
jest również w charakterystyczną wężykowatą mozaikę (rys.4).
418903954.004.png 418903954.005.png 418903954.006.png 418903954.007.png 418903954.008.png 418903954.009.png 418903954.010.png 418903954.011.png 418903954.013.png 418903954.014.png 418903954.015.png 418903954.016.png 418903954.017.png 418903954.018.png 418903954.019.png 418903954.020.png 418903954.021.png 418903954.022.png 418903954.024.png 418903954.025.png 418903954.026.png 418903954.027.png 418903954.028.png 418903954.029.png 418903954.030.png 418903954.031.png 418903954.032.png 418903954.033.png 418903954.035.png
 

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin