Struktura

Snímače mechanického namáhání - odporové tenzometry

Snímače mechanického namáhaní - odporové tenzometry

Měří mechanické napětí – TENZI – mechanicky namáhaných strojních součástí. Používají se nepřímé metody využívající závislosti deformace na mechanickém napětí (přímé měření není možné). Při měření je využíváno také některých z již probraných typů senzorů (například kapacitní).

Odporové tenzometry

Tenzometry jsou odporové snímače, jejichž odpor je závislý na deformaci a teplotě okolí.

Rozdělení tenzometrů:

  • kovové

    • drátkové

    • fóliové

    • napařované

  • polovodičové

    • monokrystalické (řezané)

    • difuzní odpory

Provedení tenzometrů: s výjimkou napařovaných vždy vlastní čidlo (drátek fólie, vrstva křemíku) a podložka (pryskyřice, papír). Podložka zajišťuje elektrickou izolaci čidla a zprostředkovává přenos informace z povrchu tělesa na vlastní čidlo.

Významné vlastnosti: směrová citlivost, tepelná závislost odporu, klidový odpor, rozměry.

obrazek

obrazek

Obr. 1: Vliv prodloužení tenzometru na jeho odpor

Nejběžněji se pro měření síly nebo krouticího momentu používají tenzometry. K dispozici jsou dva druhy: kovové tenzometry a polovodičové tenzometry. Jejich princip funkce je odlišný. Kovové tenzometry využívají zúžení odporové dráhy při jejím protažení při neměnném měrném odporu materiálu, ze kterého se vyrábějí. Jedná se o slitinu konstantan (55% mědi a 45% cínu), jejíž měrný odpor téměř nezávisí na teplotě, zatímco polovodičové tenzometry mění svůj měrný odpor v důsledku piezorezistentního jevu. Oba druhy tenzometrů mají rozdílné použití. Polovodičové tenzometry mají vysokou citlivost, naproti tomu kovové tenzometry jsou málo závislé na teplotě a mají vysokou stálost a také přesnost.

Kovové tenzometry se vyrábějí z jemného konstantanového drátku o průměru 0,01 až 0,02 mm nebo se leptají z tohoto materiálu, který je nanesen na fólii a jeho tloušťka je 0,001 mm. Elektrický odpor je 120 až 600 Ω. Přesnost měření pozitivně ovlivňuje nízký teplotní součinitel elektrického odporu konstantanu 5x10-6 °C 1/K. Polovodičové tenzometry mají součinitel deformační citlivosti roven 130.

Vedle tenzometrů pro měření povrchové deformace v tahu a tlaku v určeném směru jsou vyráběny tenzometry s mřížkami vzájemně pootočenými o 45°, které jsou určeny k měření torzní povrchové deformace (např. hřídelů zatěžovaných krouticím momentem). Pro měření hlavního vektoru povrchové deformace v neznámé rovině napjatosti se používají tzv. rozety, složené nejčastěji ze dvou tenzometrů vzájemně pootočených o 90°.

Aktivní délka tyčinek polovodičových tenzometrů mezi zlatými vývody je 2 až 10 mm, šířka 0,2 až 0,4 mm a tloušťka 0,01 až 0,03 mm. Ohmický odpor polovodičového tenzometru může být 60 až 1000 Ω. Polovodičové tenzometry jsou vyráběny pouze s přibližně stejnými metrologickými parametry a pro zapojení do měřicích obvodů jsou vybírány s těmito co nejpodobnějšími daty. Nároky na tmel spojující polovodičové tenzometry s měřeným objektem jsou vyšší, než tomu je u kovových tenzometrů.

obrazek

Obr. 2: Provedení kovových a polovodičových tenzometrů

Ukázka jejich provedení je na obrázku 3. Na obrázku 4 je znázorněno umístění tenzometrů pro měření síly a krouticího momentu. Pro měření síly na konci vetknutého nosníku a pro měření krouticího momentu jsou použity dva tenzometry. U vetknutého nosníku je tenzometr T1 namáhán na tah a druhý na tlak. Při namáhání profilu prostým krutem je velikost hlavních napětí shodná s velikostí maxima smykových napětí v rovinách pootočených o 45°, což určuje polohu tenzometrů T1 a T2, z nichž první je namáhán na tah a druhý na tlak. Oba tenzometry jsou shodně ovlivňovány teplotou, a proto se její účinek ruší, jestliže jsou ve větvi můstku, která je připojena na napájecí napětí. Při použití čtyř tenzometrů pro měření síly působící na deformační člen je jedna dvojice aktivní (největší citlivost na protažení) a druhá dvojice tenzometrů plní funkci pro kompenzaci teploty. Oba aktivní tenzometry jsou v můstku na jeho protějších stranách. Aktivní a kompenzační tenzometr jsou ve větvi můstku, která je připojena k napájecímu napětí. Vliv změn teplot na velikost odporu nemění dělicí poměr této větve. Tvar deformačního elementu může být volen tak, aby se dosáhlo co největší citlivosti měření. Zároveň je třeba jistit snímač proti přetížení, jak je ukázáno na nákresu deformačního členu v obrázku 4 vpravo.

obrazek

Obr. 3: Provedení kovových a polovodičových  tenzometrů

Snímače krouticího momentu jsou umísťovány na rotující hřídel, což způsobí problém přenosu na stacionární vyhodnocovací zařízení. Přenos se řeší rádiovým signálem.

Zdroje

  • BENEŠ, P. a kol. Automatizace a automatizační technika 3, Prostředky automatizační techniky. 1. vyd. Praha: Computer Press, 2003. ISBN 80-7226-248-3.
  • Měřící člen regulačního obvodu. [online]. [cit. 2014-08-10]. Dostupné na WWW: <http://www.spsei.cz/att/soubory/automatizace.pdf>.
  • SCHMID, D. a kol. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. 1. vyd. Praha: Europa - Sobotáles, 2005. ISBN 80-86106-10-9.
  • Základy automatizace. [online]. [cit. 2014-07-15]. Dostupné na WWW: < http://www.elearn.vsb.cz/archivcd/FS/Zaut/Skripta_text.pdf>

Obrázky:

 

Logolink