مقياس توتر - محولات قياس الشد

مستشعر قياس الضغط - محول طاقة حدودي مقاوم يحول تشوه الجسم الصلب الناجم عن الضغط الميكانيكي المطبق عليه إلى إشارة كهربائية.

مقياس الضغط المقاوم هو قاعدة متصلة بعنصر حساس. مبدأ قياس الانفعال باستخدام مقياس الانفعال هو ان مقاومة مقياس الانفعال تتغير اثناء الانفعال. تم اكتشاف تأثير تغير مقاومة الموصل المعدني تحت تأثير الضغط الشامل (الضغط الهيدروستاتيكي) في عام 1856 من قبل اللورد كلفن وفي عام 1881 بواسطة OD Hvolson.

في شكله الحديث ، يمثل مقياس الإجهاد من الناحية الهيكلية مقاومة إجهاد ، يتكون العنصر الحساس منها من مادة حساسة للتوتر (سلك ، رقائق معدنية ، إلخ) ، مثبتة بمادة رابطة (غراء ، أسمنت) على الجزء قيد البحث (شكل 1). لتوصيل عنصر الاستشعار بالدائرة الكهربائية ، يحتوي مقياس الضغط على أسلاك.بعض مقاييس الضغط مصممة لتسهيل التثبيت ، فهي تحتوي على وسادة تقع بين العنصر الحساس والجزء قيد الاختبار ، بالإضافة إلى عنصر الحماية الموجود فوق العنصر الحساس.

الشكل 1 رسم تخطيطي لمقياس الضغط: 1- عنصر حساس ؛ 2 - الموثق. 3 - الركيزة. 4- التفاصيل التي تم التحقق منها. 5- عنصر الحماية. 6- كتلة لحام (لحام) ؛ 7 أسلاك

مع حل جميع المهام المتنوعة باستخدام محولات قياس الإجهاد ، يمكن تمييز مجالين رئيسيين لاستخدامها:

- دراسة الخصائص الفيزيائية للمواد والتشوهات والضغوط في الأجزاء والهياكل ؛

- استخدام مقاييس الانفعال لقياس القيم الميكانيكية التي يتم تحويلها إلى تشوه لعنصر مرن.

تتميز الحالة الأولى بعدد كبير من نقاط قياس الجهد ، ونطاقات واسعة من التغييرات في المعلمات البيئية ، فضلاً عن استحالة معايرة قنوات القياس. في هذه الحالة ، يكون خطأ القياس 2-10٪.

في الحالة الثانية ، تتم معايرة المستشعرات وفقًا للقيمة المقاسة وتتراوح أخطاء القياس بين 0.5-0.05٪.

إن أبرز مثال على استخدام مقاييس الإجهاد هو التوازن. موازين معظم الشركات المصنعة الروسية والأجنبية مجهزة بمقاييس الإجهاد. تستخدم موازين خلايا الحمل في صناعات مختلفة: المعادن غير الحديدية والفلزية والصناعات الكيماوية والبناء والأغذية وغيرها من الصناعات.

يتم تقليل مبدأ تشغيل المقاييس الإلكترونية لقياس قوة الجاذبية التي تعمل على خلية الحمل عن طريق تحويل التغييرات الناتجة ، مثل التشوه ، إلى إشارة خرج كهربائية متناسبة.

يفسر الاستخدام الواسع لمقاومات التوتر من خلال عدد من مزاياها:

- صغر الحجم والوزن ؛

- القصور الذاتي المنخفض ، والذي يسمح باستخدام مقاييس الإجهاد لكل من القياسات الثابتة والديناميكية ؛

- لها خاصية خطية ؛

- السماح بإجراء القياسات عن بعد وفي نقاط كثيرة ؛

- طريقة تركيبها على الجزء الذي تم فحصه لا تتطلب أجهزة معقدة ولا تشوه مجال التشوه للجزء الذي تم فحصه.

ويمكن تعويض عيوبها ، وهي الحساسية لدرجة الحرارة ، في معظم الحالات.

أنواع المحولات وخصائص تصميمها

يعتمد تشغيل مقاييس الإجهاد على ظاهرة تأثير التشوه ، والتي تتمثل في تغيير المقاومة النشطة للأسلاك أثناء تشوهها الميكانيكي. إن خاصية تأثير التشوه للمادة هي معامل حساسية التشوه النسبي K ، والمُعرَّفة على أنها نسبة التغير في المقاومة للتغير في طول الموصل:

ك = er / el

حيث er = dr / r - التغير النسبي في مقاومة الموصل ؛ el = dl / l - التغير النسبي في طول السلك.

أثناء تشوه الأجسام الصلبة ، يرتبط التغيير في طولها بتغير في الحجم ، كما تتغير خصائصها ، على وجه الخصوص ، قيمة المقاومة. لذلك ، يجب التعبير عن قيمة معامل الحساسية في الحالة العامة كـ

ك = (1 + 2 μ) + م

هنا ، الكمية (1 + 2 μ) تميز التغير في المقاومة المرتبط بالتغير في الأبعاد الهندسية (الطول والمقطع العرضي) للموصل ، و - تغيير في مقاومة المادة المرتبطة بتغيير في المادي ملكيات.

إذا تم استخدام مواد أشباه الموصلات في إنتاج الموتر ، يتم تحديد الحساسية بشكل أساسي من خلال التغيير في خصائص مادة الشبكة أثناء تشوهها و K m ويمكن أن تختلف للمواد المختلفة من 40 إلى 200.

يمكن تقسيم جميع المحولات الموجودة إلى ثلاثة أنواع رئيسية:

- الأسلاك؛

- رقائق؛

- فيلم.

تستخدم أجهزة القياس عن بعد السلكية في تقنية قياس الكميات غير الكهربائية في اتجاهين.

الاتجاه الأول هو استخدام تأثير التشوه للموصل في حالة ضغط الحجم ، عندما تكون قيمة الإدخال الطبيعي للمحول هي ضغط الغاز أو السائل المحيط. في هذه الحالة ، يكون محول الطاقة عبارة عن ملف من الأسلاك (عادةً منجانين) يوضع في منطقة الضغط المقاس (سائل أو غاز). قيمة خرج المحول هي التغيير في مقاومته النشطة.

الاتجاه الثاني هو استخدام تأثير التوتر لسلك الشد المصنوع من مادة حساسة للتوتر. في هذه الحالة ، يتم استخدام مستشعرات الجهد في شكل محولات "حرة" وفي شكل محولات ملتصقة.

تصنع مقاييس الإجهاد "الحرة" على شكل واحد أو صف من الأسلاك ، مثبتة في النهايات بين الأجزاء المتحركة وغير المنقولة ، وكقاعدة عامة ، تؤدي في نفس الوقت دور العنصر المرن. قيمة المدخلات الطبيعية لمثل هذه المحولات هي حركة قليلة جدًا للجزء المتحرك.

يظهر الجهاز من النوع الأكثر شيوعًا لمقاييس إجهاد الأسلاك المترابطة في الشكل 2. سلك رفيع بقطر 0.02-0.05 مم ، موضوع في نمط متعرج ، يتم لصقها على شريط من الورق الرقيق أو رقائق اللك. يتم توصيل الأسلاك النحاسية المحتوية على الرصاص بنهايات السلك. الجزء العلوي من المحول مغطى بطبقة من الورنيش وأحيانًا يتم ختمه بالورق أو اللباد.

عادة ما يتم تثبيت محول الطاقة بحيث يتم توجيه أطول جانب له في اتجاه القوة المقاسة. مثل هذا المحول ، الذي تم لصقه على عينة الاختبار ، يدرك تشوهات طبقته السطحية. وبالتالي ، فإن قيمة الإدخال الطبيعي لمحول الطاقة الملصق هو تشوه الطبقة السطحية للجزء الذي تم لصقها عليه ، والمخرج هو التغيير في مقاومة محول الطاقة المتناسب مع هذا التشوه. بشكل عام ، يتم استخدام المستشعرات اللاصقة أكثر بكثير من المستشعرات غير اللاصقة.

الشكل 2 - مقياس إجهاد الأسلاك المستعبدة: 1 - سلك قياس الضغط ؛ 2- غراء أو أسمنت. 3- السيلوفان أو ورق التغليف ؛ 4 أسلاك

قاعدة قياس محول الطاقة هي طول الجزء الذي يشغله السلك. المحولات الأكثر استخدامًا هي قواعد 5-20 مم بمقاومة 30-500 أوم.

بالإضافة إلى تصميم مقياس الإجهاد الكنتوري الأكثر شيوعًا ، هناك آخرون. إذا كان من الضروري تقليل قاعدة القياس لمحول الطاقة (إلى 3-1 مم) ، يتم ذلك بطريقة اللف ، والتي تتكون من لف دوامة من السلك الحساس للحمل على مغزل مقطع عرضي دائري على أنبوب من ورقة رقيقة. ثم يتم لصق هذا الأنبوب ، وإزالته من المغزل ، وتسويته ، وتوصيل الأسلاك بنهايات السلك.

عندما يكون من الضروري الحصول على تيار كبير من دائرة بمحول حراري ، فغالبًا ما يستخدمون مقاييس إجهاد "قوية" بسلك ملفوف ... وهي تتكون من عدد كبير (حتى 30-50) أسلاك متصلة بالتوازي ، تختلف بأحجام كبيرة (طول القاعدة 150-200 مم) وتمكين زيادة كبيرة في التيار الذي يمر عبر المحول (الشكل 3).

الرسم 3- مقياس الضغط بمقاومة منخفضة ("قوية"): 1 - سلك مقياس الضغط ؛ 2- غراء أو أسمنت. 3- السيلوفان أو ورق التغليف ؛ 4 دبوس سلك

تحتوي المجسات السلكية على منطقة تلامس صغيرة للعينة (الركيزة) ، مما يقلل من تيارات التسرب في درجات الحرارة العالية ويؤدي إلى جهد عزل أعلى بين العنصر الحساس والعينة.

تعد خلايا تحميل الرقائق هي الإصدار الأكثر شيوعًا لخلايا التحميل اللاصقة. محولات الطاقة ذات الرقائق المعدنية عبارة عن شريط من رقائق معدنية بسماكة 4-12 ميكرون ، يتم اختيار جزء من المعدن عليه بالحفر بطريقة تجعل باقيه يشكل شبكة الرصاص الموضحة في الشكل 4.

في إنتاج مثل هذه الشبكة ، يمكن توقع أي نمط للشبكة ، وهي ميزة مهمة لمقاييس إجهاد الرقائق. في الصورة 4 ، يُظهر a مظهر محول طاقة ذو رقائق مصممة لقياس حالات الإجهاد الخطي ، في الشكل. 4 ، ج - محول طاقة ذو رقائق ملتصقة بالعمود لقياس عزم الدوران ، وفي الشكل. 4 ، ب - لصقها على الغشاء.

الرسم 4- محولات الفويل: 1- ضبط الحلقات. 2- الانحناءات الحساسة لقوى الشد الغشائية ؛ 3- دورات حساسة لقوى الضغط للحجاب الحاجز

الميزة الجادة لمحولات الرقائق هي إمكانية زيادة المقطع العرضي لنهايات المحول ؛ يمكن إجراء اللحام (أو اللحام) للأسلاك في هذه الحالة بشكل أكثر موثوقية من محولات الأسلاك.

تتميز مشوهات الرقائق المعدنية ، مقارنةً بالأسلاك ، بنسبة أعلى من سطح العنصر الحساس إلى منطقة المقطع العرضي (الحساسية) وتكون أكثر ثباتًا في درجات الحرارة الحرجة والأحمال المستمرة. تضمن مساحة السطح الكبيرة والمقطع العرضي الصغير أيضًا تلامسًا جيدًا لدرجة الحرارة بين المستشعر والعينة ، مما يقلل من التسخين الذاتي لجهاز الاستشعار.

لإنتاج مقاييس إجهاد الرقائق ، يتم استخدام نفس المعادن المستخدمة في أجهزة القياس عن بعد (كونستانتان ، والنيكروم ، وسبائك النيكل والحديد ، وما إلى ذلك) ، وتستخدم أيضًا مواد أخرى ، على سبيل المثال ، سبائك التيتانيوم والألومنيوم 48T-2 ، والتي تقيس سلالات تصل إلى 12٪ ، وكذلك عدد من مواد أشباه الموصلات.

موتر الفيلم

في السنوات الأخيرة ، ظهرت طريقة أخرى للإنتاج الضخم لسلالات المقاومة المستعبدة ، والتي تتمثل في التسامي الفراغي لمادة حساسة للإجهاد وتكثيفها اللاحق على ركيزة يتم رشها مباشرة على قطعة العمل. تسمى محولات الطاقة هذه بالمحولات الغشائية ، وتعطي السماكة الصغيرة لمقاييس الإجهاد هذه (15-30 ميكرون) ميزة كبيرة عند قياس السلالات في الوضع الديناميكي في درجات حرارة عالية ، حيث تكون قياسات الإجهاد مجالًا متخصصًا للبحث.

تم صنع عدد من مقاييس سلالة الفيلم القائمة على البزموت أو التيتانيوم أو السيليكون أو الجرمانيوم في شكل شريط موصل واحد (الشكل 5).مثل هذه المحولات ليس لها عيب في تقليل الحساسية النسبية للمحول مقارنة بحساسية المادة التي يتكون منها محول الطاقة.

شكل 5- مقياس إجهاد الفيلم: 1- غشاء مقياس الضغط ؛ 2 - احباط ورنيش. سلك 3 دبوس

معامل قياس الضغط لمحول طاقة معدني قائم على الفيلم هو 2-4 ، وتتنوع مقاومته من 100 إلى 1000 أوم. محولات الطاقة المصنوعة على أساس فيلم أشباه الموصلات لها معامل بترتيب 50-200 وبالتالي فهي أكثر حساسية للجهد المطبق. في هذه الحالة ، ليست هناك حاجة لاستخدام دارات مكبر للصوت ، لأن الجهد الناتج لجسر مقاومة الإجهاد شبه الموصّل هو 1 فولت تقريبًا.

لسوء الحظ ، تختلف مقاومة محول أشباه الموصلات باختلاف الجهد المطبق وهي في الأساس غير خطية على نطاق الجهد بأكمله ، كما أنها تعتمد بدرجة كبيرة على درجة الحرارة. وبالتالي ، على الرغم من أن مكبر الصوت مطلوب عند العمل باستخدام مشوه غشاء معدني ، فإن الخطية عالية جدًا ويمكن تعويض تأثير درجة الحرارة بسهولة.