ЛЕКЦИЯ 9. Тарирование измерительной аппаратуры и приборов

Для определения основных характеристик измерительных уст­ройств проводят их тарировочные испытания. При проведении таких испы­таний используют градуировочные установки, обеспечивающие воспроиз­ведение заданных действительных значений измеряемой величины. Для каждой из определяемых характеристик разрабатывают схему градуировки, которая включает оценку коэффициентов влияния различных факторов: температуры, влажности, магнитных полей и др. На основе полученных данных определяется схема анализа погрешностей.

Градуировка силоизмерительных устройств обычно осуществляет­ся с использованием испытательной машины или гидравлического пресса; для контроля усилия последовательно с поверяемым преобразователем ус­танавливают образцовый динамометр. Класс точности (относительная по­грешность градуировки, отнесенная к максимальному значению на шкале и выраженная в процентах) образцовой меры должен не менее чем в 3 раза превышать класс аттестуемого силоизмерителя.

Статическую градуировку датчиков давления производят с помо­щью грузопоршневых устройств или гидравлических установок с образцо­выми манометрами. Универсальные измерители перемещений и тензомет­ры градуируют на механических или оптико-механических компараторах с ценой деления шкалы 1.. .5 мкм.

В процессе выполнения градуировки преобразователи нагружают и разгружают ступенями, составляющими 0.1 от верхнего предела диапазона; полный цикл повторяют не менее шести раз. По полученным результатам вычисляют средние значения сигналов преобразователя на каждой ступени и по этим данным строят статическую градуировочную характеристику, а также определяют чувствительность, относительную нелинейность, меха­нический гистерезис.

Датчики нормальных напряжений, предназначенные для установки внутри дисперсных сред, сначала градуируют в гидростатической камере по той же методике, что и обычные датчики давления. По результатам гид­ростатических испытаний определяют чувствительность, нелинейность ха­рактеристики и механический гистерезис; устанавливают основную по­грешность и класс точности.

Однако в отличие от обычных датчиков давления, необходимо до­полнительно определить влияние на статическую характеристику условий взаимодействия преобразователя со средой. Так, для проведения испытаний грунтов применяют различные вспомогательные устройства (одометры), воспроизводящие на границах пробы грунта или сыпучей среды со стан­дартными механическими свойствами заданные значения компонентов на­пряженного состояния.

При градуировке виброметров перемещения и ускорения для воз­буждения заданных гармонических колебаний применяют градуировочные и испытательные вибростенды. Наибольшее распространение получили эксцентриковые и электродинамические вибростенды.

В эксцентриковых стендах возвратно-поступательное движение рабочей платформы создается кривошипно-шатунным механизмом, приво­димым в движение электродвигателем, с диапазоном частот от 0.2...5 до 80...100 Гц.

В электродинамических стендах используется мощный магнито­электрический преобразователь, питаемый от специального блока управле­ния и допускающий плавную регулировку частоты и амплитуды колебаний виброплатформы.

Для воспроизведения гармонических колебаний с частотой менее 1Гц и амплитудой до 500 мм применяются астатические маятники с плос­кими вертикальными пружинами, физические маятники большой длины и другие приспособления.

При определении амплитудно-частотной характеристики вибро­метр или акселерометр закрепляют на виброплатформе стенда соосно с на­правлением генерируемых колебаний. К вибропреобразователю присоеди­няют соответствующие элементы измерительного канала (усилитель, регис­трирующий прибор), после чего небольшими ступенями изменяют частоту колебаний виброплатформы.

Контроль параметров движения виброплатформы может быть осу­ществлен несколькими способами. Обычно вибростенды оснащены преоб­разователем индукционного типа и электронно-лучевым осциллографом.

В качестве поверочного средства может быть использован образцо­вый вибропрсобразоватсль, установленный рядом с калибруемым. При дру­гом способе контроля измеряются частота и размах колебаний. Для опреде­ления частоты на ленту с виброграммой, полученной с помощью калибруе­мой аппаратуры, параллельно записывается сигнал заданной частоты. Наи­более точным методом измерения амплитуды (или размаха) колебаний виброплатформы является оптический.

Используют измерительные микроскопы с окулярным микромет­ром. Микроскоп фокусируют на торцевую поверхность виброплатформы и измеряют длину размытого изображения (двойную амплитуду) какой-либо характерной точки (например, отпечатка, оставленного алмазной пирамидкой). При высоких частотах 5...10 кГц и очень малых амплитудах 1...2 мкм применяют интерферометрический метод измерения перемещений.

В отличие от тензометров, тензорезисторы не могут быть установ­лены повторно и, следовательно, не могут быть индивидуально проградуированы. Поэтому характеристики определяются для некоторой выборки тензорезисторов. составляющей 5...1% оцениваемой партии.

Полученные результаты обрабатываются статистическими метода­ми. Установленные для испытанной выборки средние значения характерис­тик тензорезисторов и средние квадратические отклонения от этих значе­ний, а также аппроксимированные функции влияния температуры, влажно­сти и других факторов присваивают всей партии тензорезисторов.

В качестве эталонного упругого элемента, обеспечивающего де­формирование тензорезисторов. рекомендуется использовать балку равного сопротивления (рис. 31) или постоянного сечения, нагруженную в преде­лах рабочего участка моментом.

Рис.31. Схема татировочного устройства с балкой равного сопротивления

Деформацию рабочей зоны балки принимают за действительную величину. Тензорезисторы устанавливают вдоль оси балки на растянутую или сжатую поверхность; при нагружении балки измеряют стрелу выгиба балки и вычисляют относительную фибровую деформацию поверхностных волокон балки соответственно для консольной балки равного сопротивле­ния по формуле:

где f - мах прогиб балки консольного типа в месте приложения нагрузки; S- толщина балки, м; l - длина балки, см, а для балки постоянного сечения (рис.32) - с использованием формулы:

где f- выгиб балки в пределах пролета балки, равного l₀

S - толщина балки, см.

Рис 32. Схема тарировочного устройства с балкой равного сечения

На градуировочном устройстве определяют статическую характеристику преобразования, механический гистерезис, ползучесть, функцию влияния температуры на чувствительность тензорезисторов Усталостная характеристика тензорезистора может быть определена с использованием установки, схема которой показана на рнс.33.

Перемещение свободного конца консольной градуировочной балки с тензорезисторами осуществляется качающейся кулисой, которая последняя приводится в движение кривошипным механизмом. Амплитуду колебаний балки и, следовательно, деформацию ее поверхности регу­лируют изменением плеча кривошипного механизма.

При смешении по вертикали опоры можно варьировать и коэффициент асимметрии цикла. Число циклов деформирования регистрируется счетчиком.

Рис. 33. Схема устройства для градуировки тензорезисторов при циклической нагрузке: 1 - градуировочная балка; 2 - тензорезнсторы; 3 - кулиса; 4 - кривошипный механизм; 5 - опора

При определении усталостной характеристики циклическое деформирование производят при нескольких уровнях амплитуды и фиксируют число циклов, при котором происходит отказ тензорезисторов. Поскольку в процессе циклического деформирования накапливаются усталостные повреждения в материале чувствительного элемента, а также происходит расстройство адгезионных связей в связующем слое, то постепенно начинает проявляться эффект ухода нуля, т. с. изменение соп­ротивления тензорезисторов при нулевой или постоянной средней деформа­ции.

Признаком отказа тензорезистора вэтом случае является не обрыв чувствительного элемента, а достижение заданного уровня относительного смешения нуля, например, 0.005-0.01%.