Тема: Исследование измерительных характеристик тензодатчика. Определение вероятностного интервала экспериментальных значений.

Рисунок 1. Схема мостовой электрической схемы

Пусть —сопротивления тензодатчиков в омах, U— напряжение питания моста в вольтах, — источник элект­рического тока, Г — гальванометр, регистрирующий изменение тока в амперах измерительной диагонали моста (рис. 1). Тогда ток в измерительной диагонали моста можно определить по известной зависимости :

(2)

Из уравнения 2 видно, что определяющей величиной для элек­трического тока в измерительной диагонали является выражение и в случае этот случай соот­ветствует положению, когда все четыре тензодатчика не испыты­вают деформации.

Измеряя относительную деформацию различных тензоэлементов, можно установить величину и протекание нагружающих уси­лий и моментов, действующих на рабочий орган землеройных машин. При этом силы, действующие на тензоэлемент, вызывают в нем сложные деформации, например изгиб совместно с растяжением или сжатием, кручение и т. д. Тензодатчик же, наклеен­ный на тензоэлемент, реагирует одновременно на все компонен­ты. Поэтому задача измерения компонентов сложной деформации тензоэлемента (а также и сил, действующих на него) решается при помощи нескольких тензодатчиков, включенных в схему моста, который имеет свойство алгебраически скла­дывать изменение сопротивления тензодатчиков, включенных в одно плечо, и алгебраически вычитать из­менение сопротивления тензодатчи­ков, включенных в смежные плечи (см. формулу (2)). Используя это свойство моста, можно измерить значение любого компонента сил, действующих на тензоэлемент, исключив влияние других сил. В качестве примера рас­смотрим две основные схемы наклей­ки и соединения тензодатчиков при измерении сил.

Рисунок 2. Схема на­клейки тензодатчиков

На рис. 2 показана схема на­клейки тензодатчиков на тензоэлемент при замере сил растяже­ния и сжатия при одновременном действии изгибающих момен­тов. Обозначения тензодатчиков на рис.3 соответствуют обозна­чениям на электрической схеме соединения их (см. рис. 2, а). Тензодатчики и в данном случае являются рабочими, а компенсационными, которые необходимы для составле­ния мостовой электрической схемы и располагаются они обычно рядом с рабочими.

Компенсационные тензодатчики наклеивают на детали, не ис­пытывающие деформаций в процессе измерений сил, и распола­гают их в местах, одинаковых по температурным условиям с рабочими тензодатчиками.

При замере изгибающих моментов, действующих на тензоэле­мент, тензодатчики следует располагать на нем согласно схеме рис. 12, б, где и являются рабочими тензодатчиками, а и —компенсационными. Электрическая схема соединения тен­зодатчиков соответствует рис. 2, а.

На рис. 2, б показана схема соединения тензодатчиков полумостом. Вторая половина моста этой схемы находится в тензо­метрическом усилителе. Эта схема соединения тензодатчиков тре­бует меньше монтажных работ и проводов, идущих с места уста­новки тензоэлементов к измерительным приборам.

Рисунок 3.Схема соединения тензодатчиков

Рисунок 4. Тензометрическая тяга

Другие примеры простейших конструктивных схем тензоэлементов и измерительных систем даны в лабораторных работах где показаны спосошы применения тензотяг и генэоэлементов, работаю­щих на изгиб.

В практике испытаний и исследований дорожно­строительных машин час­то возникает необходи­мости определения вели­чины трех составляющих и точки приложения рав­нодействующей силы прикладываемой по неизвест­ным законам к конструк­ции исследуемой машины. Известны способы опре­деления величины равно­действующей силы и точки ее приложения при помо­щи тензотяг, но они имеют существенные недостатки: сложная система подвески, много расчетных работ при обработке результа­тов, большое внимание надо уделять выборке зазоров в сочетании тен­зотяг с конструкцией. Эти недостатки зачастую лишают экспериментатора уверенности в достоверности замеряемых величин.

В связи с этим предлагается универсальное тензометрическое звено (рис. 4), лишенное вышеперечисленных недостатков. Оно представляет собой жесткую конструкцию, на которую соот­ветствующим образом наклеены датчики и, позволяющие заме­рить три силы по осям X, У,Z, по отдельности, независимо от места их приложения, и три момента относительно осей X, У, Z, при наличии которых можно определить координаты точки приложения равнодействующей сил из уравнений:

Принцип действия универсального тензометрического звена поясним на упрощенном примере (рис. 5):

Рисунок 5.Универсальное тензометрическое звено

На консольной балке попарно наклеены четыре датчика ( ), которые соединены по схеме рис.5,б , а между парами датчиков ( ) и ( ) имеется базовое расстояние а. Пара датчиков , измеряет момент в сечении /—/, а датчики в сечении //—// и электрически они сое­динены таким образом, чтоихпоказания вычитаются друг из друга. В измерительной цепи мостовой схемы при этом возни­кает ток, пропорциональный разности моментов:

Здесь а — конструктивная пос­тоянная, т. е. этим замером можно определить силу не­зависимо от места ее при­ложения и условий действия сил и . Используя этот ме­тод, можно замерить все три составляющие равно­действующей сил при помощи датчиков соответственно (см. рис.4). Изгибающие моменты относительно осейХ, У, Z измеряются обычным спо­собом при помощи датчиков , соединенных по известной схеме (см. рис. 2, б).

Определить величину и место приложения равнодействующей сил, действующих на рабочий орган, можно также при помощи мембранных датчиков давления, конструкция которых описана в лабораторной работе № 2

При конструировании тензометрических элементов исходят из следующих принципов:

1. Напряжение в тензометрическом элементе по любому сече­нию не должно превосходить преде­ла упругости.

2. Деформации тензометрического элемента, по крайней мере в се­чениях наклейки тензодатчиков, однозначны.

3. Тензометрический элемент или тензодатчики, наклеенные на него, должны характеризовать тот компо­нент силы, который подлежит изме­рению. В частности, в динамометрах должно быть исключено влияние из­гибающих моментов.

4. Зависимость между измеряе­мой силой или моментом и показа­ниями тензоэлементов должна быть линейной.

5. Во избежание искажений ре­зультатов при измерении нестацио­нарных усилий необходимо, чтобы частота их изменений была меньше 0,3 частоты собственных колебаний измерительной системы.

Для изготовления тензоэлементов применяют стали, указанные в табл. 1. Они имеют высокие проч­ностные и упругие свойства. Наиболее высокий предел упругости имеет сталь 65С2ВА. Хромистая сталь 4Х13 имеет довольно низ­кий предел упругости, но обладает высокой коррозионной стой­костью. Следует также отметить, что в практически применяемых материалах не соблюдается строго закон Гука даже при напря­жениях, меньших предела упругости. Кривые нагружения и раз­грузки в действительности не совпадают, образуя так называе­мую «петлю гистерезиса». Явление гистерезиса сложно и в на­стоящее время еще недостаточно изучено. Для уменьшения влияния гистерезиса на характеристику тензоэлемента следует напряжения, возникающие в нем при работе, ограничивать величи­ной не более 30% от предела упругости. Одним из простейших устройств для замера усилий является тензометрическая тяга (рис. 3, а). Тензометрическая тяга предназначена для замера сжимающих и растягивающих усилии, действующих вдоль ее продольной оси. Схема соединения тензодатчиков на рисунке 3,б позволяет исключить влияние изги­бающих моментов, если таковые возникают в процессе работы.

Измерение линейных и угловых перемещений

В практике экспериментальных исследований процесса взаи­модействия рабочих органов землеройных машин с грунтом очень часто ставятся вопросы: определение функциональной зависимо­сти усилий от пути и скорости перемещения рабочего органа,

определение направления дви­жения стружки, изменение глу­бины резания в функции пути и т. д. Обычно при эксперимен­тальном исследовании постав-пенной задачи на осциллограм­му стараются записывать все механические параметры экс­перимента, что впоследствии значительно облегчает обработ­ку экспериментальных данных. Из опыта работы лаборато­рии МАДИ установлено, что для преобразования линейных и угловых перемещений в элек­трический ток весьма хорошо зарекомендовали себя реохордные датчики.

Рисунок 6. Датчик отметчика пути

На рис. 6 представлена схема, поясняющая датчик от­метчика пути.

Отметчик пути состоит из колёса диаметром 2мм, на оси кото­рого жестко закреплен подвижный контакт реохорда. Контакты реохорда посредством проводов через дополнительные сопротив­ления соединены с источником тока, регистрирующим прибором и компенсирующим потенциометром так, что все это составляет мостовую электрическую схему. Один оборот колеса соответству­ет пути , и одновременно изменится ток в измерительной диагонали моста, согласно уравнению (2). Отметчик пути уста­навливается на динамометрическую тележку и в течение экспе­римента колесо его свободно катится по рельсу или другой какой-нибудь ровной поверхности. При обработке осциллограмм, зная путь и время движения динамометрической тележки, можно всег­да определить скорость ее в процессе эксперимента, что собствен­но является скоростью процесса резания или копания при экспе­риментировании на массивных рабочих органах.

Время на осциллограмме фиксируется при помощи отметчика времени, находящегося в самом осциллографе, или же внешним отметчиком времени. Потребность во внешнем отметчике времени

возникает в случае записи на осциллограмму медленно протека­ющих во времени процессов, так как на некоторых осциллогра­фах отметчик времени дает сигналы только через и (осциллограф Н-700), что затрудняет обработку осциллограмм. На рис.7 показана принципиальная схема внеш­него отметчика времени, который монтируется в пульте управле­ния тензометрической аппаратурой.

Рисунок 7. Схема внеш­него отметчика времени

Отметка времени отбивается на осциллографной бумаге через каждую секунду, по­средством замыкания кон­тактов цепи гальванометра через кулачок, посаженный на вал двигателя марки Д-60, который совер­шает в течение секунды один оборот.

На рис.7 показан прибор, предназначенный для экспериментального определения направления движения грунта по поверхности рабочего органа при косом резании. В основу этого прибора легли все те же реохордные датчики сопротивления.

Принцип действия замеряющего устройства состоит в следующем. Во время резания грунт, перемещаясь по рабочему органу, устанавливает флюгер в направлении своего движения, при этом в измерительной цепи появляется электрический ток, пропорцио­нальный углу поворота флюгера относительно первоначального нулевого положения.

Существуют и другие методы замера линейных и угловых пе­ремещений, которые подробно описаны в соответствующей литературе, но мы ограничимся рассмотрением только этих двух случаев замера перемещений.

На исследуемые в работе ферромагнитные образцы, наклеены проволочные тензодатчики, изготовленные из тонкой константановой проволоки. Константа имеет очень малый температурный коэффициент омического сопротивления и пригоден для выполнения прецизионных измерений. В результате явление магнитострикции при намагничивании образца изменяются и линейные размеры тензодатчика, что приводит к изменению его омического сопротивления. По величине изменения омического сопротивления можно судить о величине магнитострикции. Коэффициент пропорциональности изменения омического сопротивления тензодатчика называют коэффициентом тензочуствительности. Схема собрана в виде стенда с клеммами для подключения внешних приборов, а именно: источника постоянного напряжения 10В. и микровольтметра постоянного тока. Через клеммы также подключается тензодатчик исследуемого образца и источник постоянного магнитного поля (соленоид). Измерительный проволочный тензодатчик ИТД является одним из плеч измерительного моста, во второе плечо которого включен компенсационный тензодатчик КТД, наклеенный на стальную полоску, находящуюся вне магнитного поля. Два других плеча измерительного моста образованы прецизионными резисторами R1 и R2 . Потенциометр R3 служит для грубой компенсации моста, а реоход R4 для точной компенсации. К диагонали измерительного моста через подвижный контакт реохода и клеммы x3,x4 “мкВ”

Подключается внешний микровольтметр. Резистор R5 задает ток питания датчиков. На стенде размещен также переменный резистор R6 для регулировки тока в соленоиде и, соответственно, амплитуды магнитного поля в нем. Конструктивно-технологические особенности выполнения измерений магнитострикции.

Измерение магнитострикции является прецизионным процессом, в силу малости измеряемой величены. Даже у никеля, имеющего одну из самых больших величин магнитострикции, она составляет всего 30x10^-6. Поэтому при питании тензодатчиков током порядка 5мА, разбаланс моста составляет в зависимости от величены l от 1 до 10 мкВ, что соответствует изменению сопротивления тензодатчика 10^-4-10^-3 Ом. Для сравнения: величина термоЭДС контакта медь-конктантан – 30 мкВ/град С, а переходные сопротивления контактов могут достигать величин десятых долей Ома, т.е. ,по крайней мере, два мешающих фактора существенно превосходят измеряемую величину. Основные способы отстройки от мешающих факторов использованные в стенде:

-размещение контактов индуцирующих термо ЭДС в соседних плечах моста для компенсации ее;

-использование скользящего контакта реохода (контакта с большим переходным сопротивлением) в высокоомной потнциалометрической цепи;

-обеспечение стабильного температурного режима за счет изготовления соленоида с большим запасом по мощности (во избежание его нагрева) и удаление его от измерительной схемы.