Тензорезисторные тензометры

В настоящее время для измерения деформаций при испытаниях со­оружений, строительных конструкций и деталей наиболее широко исполь­зуются тензорезисторные тензометры, в основу которых положены тензорезисторы различной конструкции.

Тензорезисторы предназначены для дистанционных измерений де­формаций.

Принцип действия тензорезисторов основан на изменении омичес­кого сопротивления R проводников и полупроводников при деформации.

Основной характеристикой тензорезистора является его коэффици­ент тензочувствительности

К=

т.е. отношение относительного изменения электросопротивления ∆R/R тензорезистора к вызывающей это изменение деформации исследуемо­го материала, где l - длина базы тензорезистора.

Для изготовления тензорезисторов используются обычно сплавы меди и никеля (константам, элинвар), характеризующиеся высокий коэффициентом тензочувствительности К, постоянством значений К в тре­буемом диапазоне деформаций, большим удельным омическим сопротив­лением = R/AI (где А - поперечное сечения проводника, которое может быть взято достаточно малым) и практически постоянством значений при колебаниях температуры, возможных в условиях пользования тензорезисторами при испытаниях строительных конструкций.

Следует отметить, что с помощью тензорезисторов измеряется от­носительное удлинение , а не изменение ∆l длины базы (как у механичес­ких тензометров).

Однако длина базы имеет существенное значение и для тензорезис­торов, поскольку при исследованиях материалов с неоднородной структу­рой для получения усредненных значений деформаций в рассматриваемой тоне длина базы должна в несколько раз превосходить размеры наиболее крупных составляющих материала. Однако при исследовании деформаций в зонах концентрации напряжений длину базы следует брать по возможнос­ти наименьшей.

При испытаниях строительных конструкций используют проволоч­ные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы.

Петлевые проволочные тензорезисторы (рис. 21а) из тонкой проволоки (диаметром 12...30 мк), приклеенной к бумажкой или пленочной подложке, были еще сравнительно недавно основным типом приборов, применявшихся при испытании сооружений. Эти тензорезисторы (с базой обычно от 5 до 100 мм) удобны в работе и несложны в изготовлении. Одна­ко им свойственна в большинстве случаев поперечная чувствительность, обусловленная наличием закруглений, соединяющих прямые участки тензорешетки и воспринимающих деформации, направленные перпендикулярно к продольной оси тензорезистора. Наличие поперечной чувствительнос­ти тензорезистора снижает его осевую тензочувствительностъ.

. а б

в г

Рис. 21. Типы тензорезисторов: а - проволочный петлевой; б - проволочный беспетлевой.

в - фольговый; г - полупроводниковый; 1 - тензочувствительные элементы; 2 - низкоомные перемычки; 3 - выводные контакты; 4 - подложка («основа») и наклеенный над тензорешеткой защитный слой тонкой бумаги; l - база тензорезистора.

От этого недостатка свободны беспетлевые тензорезисторы (рис.21б) с низкоомическими медными перемычками. Из-за отсутствия поперечной тензочувствительности и лучших условий передача деформа­ций (ввиду продолжения прямолинейных участков тензорешетки и за перемычки) база их может быть уменьшена до 2.. .3 мм.

В настоящее время все большее распространение получают фоль­говые тензорезисторы (рис.21в) из металлической фольги толщиной не более 4...6 мк. Этим тензорезисторами при изготовлении фотолитографским способом могут быть приданы любые очертания, требуемые условия­ми эксперимента. Вследствие низкой поперечной чувствительности и пло­ского сечения элементов тензорешетки. они имеют при той же плошали сечения более развитую поверхность приклейки, что улучшает условия их работы.

Полупроводниковые тензорезисторы (рис.21г) по сравнению с рассмотренными выше типами обладают значительно большей тензочувствительностью, меняющейся, однако, при деформации и при изменениях температуры. Несмотря на это, они эффективно применяются в упругих элементах различных измерительных приборов (например, динамометров), где большое значение имеет их высокая чувствительность, а отмеченные недостатки могут быть компенсированы.

Тензорезисторы, применяемые при испытаниях сооружений, долж­ны давать возможность измерения деформаций в диапазоне до 10 ^-5: при исследовании упругой стадии работы материала - до (5...7) ∙10³ и упруго-пластической до 10 ^-1 и более. Необходимым условием является также стабильность показаний тензорезисторов, их влагостойкость т.п.

Влияние температурных погрешностей, обусловленных темпера­турным коэффициентом изменения сопротивления тензонитей и разно­стью температурного коэффициента расширения материала тензорезистора α_т и исследуемого материала α_и, исключают установкой компенсационных тензорезисторов.

В случаях, когда установка компенсационных тензорезисторов не­возможна или они не могут быть помешены в те же температурные усло­вия, используют так называемые самокомпенсированные тензорезисторы. материал которых должен удовлетворять условию (α_и - α_т)∙К, где К - коэффициент тензочувствительности тензорезистора.

Повышенные требования предъявляются к глубинным тензорезисторам разной конструкции, закладываемым в толщу схватывающегося ма­териала (например, бетона), когда должна быть обеспечена их безотказная работа в течение длительного времени.

Изменения сопротивления тензорезисторов в процессе испытаний весьма малы (тысячные доли ома). Для измерения столь малых колебаний сопротивления применяют в большинстве случаев мостовые измерительные схемы (рис. 22).

а б

Рис. 22. Измерительные мости: а - схема моста Уитстона; б - мост с реохордом;

R₁, R₂, R₃, R₄ - сопротивления, включенные в плечи моста; r₁ и r₂- сопротивление реохорда

Во внешние плечи моста включены «рабочий» тензорезистор с со­противлением R₁ воспринимающий наблюдаемые деформации, и «компен­сационный» тензорезистор с сопротивлением R₂ = R₁, помещаемый в оди­наковых с ним температурных условиях в непосредственной близости от рабочего, но не подверженный воздействию измеряемых деформаций. Во внутренние плечи включены тензорезисторы с сопротивлениями R₃ и R₄ , помещаемые в регистрирующем приборе и связанные с рабочим и компен­сационным тензорезисторами электропроводами. Как известно, мост будет сбалансирован (т.е. ток в его измерительной диагонали bd будет равен ну­лю) при условии

R₁∙ R₄= R₂∙ R₃ ()

Возможны два метола измерений:

1) метод отклонений (называемый также «методом непосредствен­ных отсчетов»), когда изменение сопротивления ∆R₁ рабочего тензорезистора определяется по силе тока, возникающего в измерительной диагонали ранее сбалансированного моста.

2)нулевой метод (более совершенный), при котором относительные изменения сопротивления ∆R₁/ R₁ определяют балансировкой моста с по­мощью включенного в цепь (рис.22б) реохорда тп изменением отноше­ния сопротивлений r₁/r₂. Этот метод является основным при статических испытаниях.

В настоящее время разработано большое количество различных си­стем коммутаторов, которые позволяют последовательно присоединять к отсчетному устройству большое количество (до нескольких сот) тензорезисторов.

Вес это, а также дешевизна, крайне малый вес, малые габариты тензорезисторов и возможность крепления (приклейки) в любых точках исследуемой конструкции, обусловливают широкое их применение на практике.

Сдвигомеры

Приборы, измеряющие деформации сдвига, называются сдвигомерами. Широкое распространение из этой группы приборов получил тензо­метр - сдвигомер Аистова (ТСА). Он может быть использован как тензо­метр или сдвигомер. При этом кинематическая схема указанного сдвигомера практически полностью аналогична представленному выше электроме­ханическому тензометру на рис. 23. с той лишь разницей, что у тензометра-сдвигомера Аистова имеется еще дополнительно оснастка (рис. 23) для установки прибора на строительную конструкцию, состоящую из нескольких элементов, между которыми в процессе испытания возможны сдвиговые деформации.

Рис. 23. Дополнительная оснастка и схема установки тензометра-сдвигометра на строительную конструкцию