Tenómetros: transductores de medición tensométricos

Sensor de galgas extensométricas: un transductor resistivo paramétrico que convierte la deformación de un cuerpo rígido causada por una tensión mecánica que se le aplica en una señal eléctrica.

Un manómetro resistivo es una base con un elemento sensible adjunto. El principio de la medición de la deformación con una galga extensométrica es que la resistencia de la galga extensométrica cambia durante la deformación. El efecto del cambio de resistencia de un conductor metálico bajo la acción de compresión total (presión hidrostática) fue descubierto en 1856 por Lord Kelvin y en 1881 por OD Hvolson.

En su forma moderna, una galga extensométrica representa estructuralmente una resistencia de deformación, cuyo elemento sensible está hecho de un material sensible a la tensión (alambre, lámina, etc.), fijado con un aglutinante (pegamento, cemento) en la parte bajo investigación. (Figura 1). Para conectar el elemento sensor al circuito eléctrico, el medidor de tensión tiene cables.Algunas galgas extensiométricas se diseñan para facilitar la instalación, tienen una almohadilla ubicada entre el elemento sensible y la parte bajo prueba, así como un elemento protector ubicado sobre el elemento sensible.

Figura 1 Esquema de la galga extensiométrica: 1- elemento sensible; 2- aglutinante; 3- sustrato; 4- detalle investigado; 5- elemento protector; 6- bloque para soldar (soldadura); cableado de 7 hilos

Con toda la variedad de tareas resueltas utilizando transductores de galgas extensométricas, se pueden distinguir dos áreas principales de su uso:

— estudio de las propiedades físicas de los materiales, deformaciones y tensiones en piezas y estructuras;

— el uso de galgas extensométricas para medir valores mecánicos que se convierten en deformación de un elemento elástico.

El primer caso se caracteriza por un número importante de puntos de medida de tensión, amplios rangos de cambios en los parámetros ambientales, así como la imposibilidad de calibrar los canales de medida. En este caso, el error de medición es del 2-10%.

En el segundo caso, los sensores se calibran de acuerdo con el valor medido y los errores de medición están en el rango de 0,5-0,05%.

El ejemplo más llamativo del uso de galgas extensométricas es la balanza. Las básculas de la mayoría de los fabricantes rusos y extranjeros están equipadas con galgas extensométricas. Las básculas de celdas de carga se utilizan en diversas industrias: metalurgia no ferrosa y ferrosa, química, construcción, alimentos y otras industrias.

El principio de funcionamiento de las básculas electrónicas se reduce a medir la fuerza de gravedad que actúa sobre la celda de carga convirtiendo los cambios resultantes, como la deformación, en una señal eléctrica de salida proporcional.

El amplio uso de las resistencias tensoriales se explica por varias de sus ventajas:

— pequeño tamaño y peso;

— baja inercia, que permite el uso de galgas extensométricas para mediciones tanto estáticas como dinámicas;

— tener una característica lineal;

— permitir que se realicen mediciones a distancia y en muchos puntos;

— el método de su instalación en la parte examinada no requiere dispositivos complejos y no distorsiona el campo de deformación de la parte examinada.

Y su desventaja, que es la sensibilidad a la temperatura, puede compensarse en la mayoría de los casos.

Tipos de convertidores y sus características de diseño.

El funcionamiento de las galgas extensométricas se basa en el fenómeno del efecto de deformación, que consiste en un cambio en la resistencia activa de los cables durante su deformación mecánica. La característica del efecto de deformación del material es el coeficiente de sensibilidad relativa a la deformación K, definido como la relación entre el cambio de resistencia y el cambio de longitud del conductor:

k = er / el

donde er = dr / r — el cambio relativo en la resistencia del conductor; el = dl / l — el cambio relativo en la longitud del cable.

Durante la deformación de cuerpos sólidos, el cambio en su longitud está asociado con un cambio en el volumen, y también cambian sus propiedades, en particular, el valor de la resistencia. Por lo tanto, el valor del coeficiente de sensibilidad en el caso general debe expresarse como

K = (1 + 2μ) + metro

Aquí, la cantidad (1 + 2μ) caracteriza el cambio en la resistencia asociado con un cambio en las dimensiones geométricas (longitud y sección transversal) del conductor, y — un cambio en la resistencia del material asociado con un cambio en su físico propiedades.

Si se utilizan materiales semiconductores en la producción del tensor, la sensibilidad está determinada principalmente por el cambio en las propiedades del material de la red durante su deformación y K »m y puede variar para diferentes materiales de 40 a 200.

Todos los convertidores existentes se pueden dividir en tres tipos principales:

- cable;

— lámina;

- una película.

Los telémetros de alambre se utilizan en la técnica de medir cantidades no eléctricas en dos direcciones.

La primera dirección es el aprovechamiento del efecto de deformación de un conductor en estado de compresión volumétrica, cuando el valor de entrada natural del transductor es la presión del gas o líquido circundante. En este caso, el transductor es una bobina de alambre (generalmente manganina) colocada en el área de la presión medida (líquido o gas). El valor de salida del convertidor es el cambio en su resistencia activa.

La segunda dirección es usar el efecto de tensión del alambre de tensión hecho de un material sensible a la tensión. En este caso, los sensores de voltaje se utilizan en forma de convertidores "libres" y en forma de pegados.

Los medidores de tensión "libres" están hechos en forma de uno o una fila de cables, fijados en los extremos entre las partes móviles e inmóviles y, por regla general, desempeñan simultáneamente el papel de un elemento elástico. El valor de entrada natural de tales transductores es muy poco movimiento de la parte móvil.

El dispositivo del tipo más común de medidor de tensión de alambre unido se muestra en la figura 2. Un alambre delgado con un diámetro de 0.02-0.05 mm, colocado en un patrón en zigzag, se pega a una tira de papel delgado o lámina de laca. Los cables de cobre con plomo están conectados a los extremos del cable. La parte superior del convertidor se cubre con una capa de barniz y, a veces, se sella con papel o fieltro.

El transductor generalmente se instala de modo que su lado más largo esté orientado en la dirección de la fuerza medida. Tal transductor, pegado a la muestra de prueba, percibe las deformaciones de su capa superficial. Así, el valor de entrada natural del transductor pegado es la deformación de la capa superficial de la pieza a la que está pegado, y la salida es el cambio de resistencia del transductor proporcional a esta deformación. Generalmente, los sensores pegados se usan con mucha más frecuencia que los no pegados.

Figura 2 - galga extensiométrica de alambre unido: 1 - alambre galga extensiométrica; 2- cola o cemento; 3- soporte de celofán o papel; cables de 4 hilos

La base de medición del transductor es la longitud de la parte ocupada por el cable. Los transductores más utilizados son las bases de 5-20 mm con una resistencia de 30-500 ohmios.

Además del diseño más común de galgas extensométricas de contorno, existen otros. Si es necesario reducir la base de medición del transductor (a 3 — 1 mm), se hace por el método de bobinado, que consiste en enrollar una espiral de alambre sensible a la carga sobre un mandril de sección transversal circular sobre un tubo de papel fino. Luego, este tubo se pega, se retira del mandril, se aplana y los alambres se unen a los extremos del alambre.

Cuando es necesario obtener una gran corriente de un circuito con un termoconvertidor, a menudo usan galgas extensométricas "Potentes" con un cable en espiral... Consisten en una gran cantidad (hasta 30 — 50) cables conectados en paralelo, difieren en tamaños grandes (longitud de la base 150 — 200 mm) y permiten un aumento significativo de la corriente que pasa por el convertidor (Figura 3).

Dibujo 3- Tenómetro de baja resistencia ("potente"): 1 — cable de galgas extensiométricas; 2- cola o cemento; 3- soporte de celofán o papel; cable de 4 pines

Las sondas de alambre tienen un área de contacto pequeña con la muestra (sustrato), lo que reduce las corrientes de fuga a altas temperaturas y conduce a un mayor voltaje de aislamiento entre el elemento sensible y la muestra.

Las celdas de carga de lámina son la versión más popular de las celdas de carga adhesivas. Los transductores de lámina son una tira de lámina de 4 a 12 micras de espesor, en la que se selecciona una parte del metal grabando de tal manera que el resto forma la rejilla de plomo que se muestra en la Figura 4.

En la producción de una rejilla de este tipo, se puede prever cualquier patrón de rejilla, lo que es una ventaja significativa de las galgas extensométricas de lámina. En la imagen 4, a muestra la apariencia de un transductor de lámina diseñado para medir estados de tensión lineales, en la fig. 4, c: un transductor de lámina pegado al eje para medir pares, y en la fig. 4, b — pegado a la membrana.

Dibujo 4- Convertidores de láminas: 1- bucles de ajuste; 2- dobleces sensibles a las fuerzas de tracción de la membrana; 3- rotaciones sensibles a las fuerzas de compresión del diafragma

Una gran ventaja de los convertidores de láminas es la posibilidad de aumentar la sección transversal de los extremos del convertidor; La soldadura (o la soldadura blanda) de los cables se puede realizar en este caso de manera mucho más confiable que con los convertidores de cables.

Los deformadores de lámina, en comparación con los de alambre, tienen una mayor relación entre la superficie del elemento sensible y el área de la sección transversal (sensibilidad) y son más estables a temperaturas críticas y cargas sostenidas. La gran superficie y la pequeña sección transversal también aseguran un buen contacto de temperatura entre el sensor y la muestra, lo que reduce el autocalentamiento del sensor.

Para la producción de galgas extensométricas de lámina se utilizan los mismos metales que para los telenómetros (constantán, nicromo, aleación de níquel-hierro, etc.) y también se utilizan otros materiales, por ejemplo, la aleación de titanio y aluminio 48T-2, que mide tensiones de hasta el 12 %, así como una serie de materiales semiconductores.

tensores de película

En los últimos años, ha surgido otro método para la producción en masa de deformaciones de resistencia aglomeradas, que consiste en la sublimación al vacío de un material sensible a la deformación y su posterior condensación sobre un sustrato rociado directamente sobre la pieza de trabajo. Dichos transductores se denominan transductores de película.El pequeño grosor de tales galgas extensiométricas (15-30 micras) brinda una ventaja significativa al medir deformaciones en modo dinámico a altas temperaturas, donde las mediciones de deformaciones son un área especializada de investigación.

Se han fabricado varias galgas extensométricas de película basadas en bismuto, titanio, silicio o germanio en forma de una sola tira conductora (Figura 5).Dichos transductores no tienen la desventaja de reducir la sensibilidad relativa del transductor en comparación con la sensibilidad del material del que está hecho el transductor.

Figura 5- Película extensométrica: 1- Película extensométrica; 2- lámina de laca; cable de 3 pines

El coeficiente de galgas extensométricas de un transductor basado en una película metálica es de 2 a 4, y su resistencia varía de 100 a 1000 ohmios. Los transductores fabricados a base de película semiconductora tienen un coeficiente del orden de 50-200 y, por tanto, son más sensibles a la tensión aplicada. En este caso, no es necesario utilizar circuitos amplificadores, ya que el voltaje de salida del puente de resistencia de tensión del semiconductor es de aproximadamente 1 V.

Desafortunadamente, la resistencia de un convertidor de semiconductores varía con el voltaje aplicado y es esencialmente no lineal en todo el rango de voltaje, y también depende en gran medida de la temperatura. Así, aunque se requiere un amplificador cuando se trabaja con un deformador de película metálica, la linealidad es muy alta y el efecto de la temperatura se puede compensar fácilmente.