Projektowanie systemów pomiarowych. 04 Mostek pomiarowy Pomiary tensometryczne

Transkrypt

1 Projektowanie systemów pomiarowych 04 Mostek pomiarowy Pomiary tensometryczne 1

2 Historia rozwoju pomiarów tensometrycznych najważniejsze daty (według HBM) 1843 C. Wheatstone opisał efekt zmiany rezystancji w przewodniku elektrycznym wskutek działania naprężeń mechanicznych 1938 E.E. Simmons i A.C. Ruge (USA) wymyślili niemal jednocześnie ale niezależnie tensometry 1941 założenie firmy Baldwin-Southwark Corp. (USA) do produkcji tensometrów 1952 wzmianka o tzw. technice drukowanego obwodu, która w swojej udoskonalonej formie doprowadziła do rozwoju tensometru foliowego 1963 rozpoczęcie produkcji tensometrów foliowych w HBM - Darmstadt (D) 2

3 Zastosowania tensometrów Badania doświadczalne Eksperymentalna analiza naprężeń Określenie naprężeń resztkowych Analiza obciążenia (np. analiza zmęczeniowa) Określenie naprężeń termicznych Do budowy przetworników: Siły Wagi Momentu siły Ciśnienia 3

4 Wartość względnej zmiany rezystancji R/R 0 = k ε k ~ 2 R (typ.) = 120Ω lub 350Ω (typowe oporności tenometrów) ε na przykład ( wydłużenie wzgl. dla przetworników) 1000 µm/m = 1mm/m (0,1%) Np.: tensometr 120Ω- przy 1mm/m = zmiana rezystancji 0,24Ω Dlatego pomiary z użyciem omomierza są niemożliwe 4

5 Dane tensometru ważne dane na opakowaniu Kompensacja Temperatury Materiał, wsp.rozszerzalności termicznej Pozostające odchylenie temperaturowe Wielomian (pozostającego odchylenia temperaturowego) Toteż pojawiający się błąd pomiarowy może być skorygowany matematycznie 5

6 Przypomnienie klucz do pomiarów tensometrycznych Rezystancja przewodu przed wydłużeniem wynosi: gdzie ρ rezystywność, s pole przekroju poprzecznego s=πr 2 Działanie siły F spowoduje: - zwiększenie długości przewodnika l o Δl, - przy założeniu kołowego przekroju poprzecznego, średnica 2r ulegnie zmniejszeniu o 2Δr, - rezystywność przewodnika zmieni się o Δρ (w skutek deformacji siatki krystalicznej) 6

7 Idea zmiany oporu wraz z zmianą długości przewodu została wykorzystana do budowy tensometru. Aby odcinek przewodu był dłuższy wykonuje się go w postaci drabinki. Tensometr jest wrażliwy na deformacje wzdłuż szczebelków drabinki tak jak opisano na rysunku. 7

8 Budowa tensometru (wersja z wąsami pomiarowymi) Opisano podstawowe parametry (długość, szerokość, długość i szerokość odcinka pomiarowego drabinki pomiarowej) 8

9 Zalety i wady tensometrów foliowych obecnie najczęściej stosowanych + mogą być stosowane dla większości materiałów + niska masa / mały rozmiar + łatwy w stosowaniu + bezstratny kontakt pomiędzy tensometrem, a powierzchnią materiału (przy użyciu specjalnego kleju) + znakomita liniowość w szerokim zakresie naprężenia + znane skutki związane ze zmianą temperatury + długotrwała stabilność, niskie koszty + duży wybór różnych tensometrów - ograniczony zakres temperatur (powyżej wszystkich w produkcji przetworników) - nie mogą być powtórnie użyte - czułe na wpływ następujących czynników: wilgotność, zmiany temperatury, promieniowanie, pole magnetyczne 9

10 Podstawowe typy tensometrów 10

11 Zastosowania typowych tensometrów (do poprzedniego slajdu) N,R: Basic strain gauges for measuring and analysis of stress and strains. T,U: Strain gauges with the leads at both ends. Z: For shearing stress and torque measurement. Q: Pressure sensor. 4 elements. Y: Yielding type. For measurement of large strains ranging to plastic sphere. Designed not to cause stress concentration at the point where leads are soldered. C: For crack analysis Gauge grids are arranged in parallell. Gauge resistance increases in the form of stairs when a crack takes place somewhere within the grids. X: For crack propagation detection. With the lengthy grid of this gauge, cracks propagating extensively can be sensed. P: For application to internal surface of pipes or threaded holes where gauges are difficult to install. The test object is perforated for installation of this gauge inside. Note however that application is considerably critical as the gauge is likely to be damaged when installed or its performance is affected by air bubbles introduced during installation. W: Waterproof moulded type strain gauge. Vinyl cable (2 parallel wires of 1 mm. in external dia., resp.) is being connected with strain gauge and the gauge is moulded with special Epoxy resins. No special protection for waterproofing is necessary after its having been installed on the test object. This feature can be applied to all versions in Nxx-FA series of gauge length from 2mm. to 10mm., except N34, N35 and N

12 Podstawowe konfiguracje rozmieszczenia tensometrów 12

13 Ćwierć mostek pomiarowy (uwzględniono opór długich przewodów) 13

14 W przypadku konieczności zastosowana długich przewodów w układzie ćwierć mostka wskazane jest modyfikacja układu polegającą na doprowadzeniu zasilania bezpośrednio na tensometr (Rwire3), dzięki temu opory przewodów 1 i 2 sumują się z obu stron mostka i układ ma szansę się zrównoważyć 14

15 Pomiar pół mostkiem (half bridge) - Pomiar naprężeń będących rezultatem obciążenia siłą bądź momentem gnącym (R4) - Brak wpływu zmiany temperatury na pomiar (R3) 15

16 Pełny mostek pomiarowy (full bridge) Czy mostek będzie mierzył siłę wzdłużną (a) czy moment gnący (b) czy zależy od konfiguracji tensometrów (a) (b) 16

17 Dwa pełne mostki pomiarowe na elemencie z kompozytu węglowego 17