Датчик деформации: принцип работы и история создания.

Введение

Электрокомпонент, используемый для измерения деформации.

Тензодатчик (также пишутся тензометры) – это устройство, используемое для измерения деформации объекта. Изобретенный Эдвардом Э. Симмонсом и Артуром С. Руджем в 1938 году, наиболее распространенный тип тензодатчика состоит из гибкой изолирующей подложки, на которой нанесен металлический рисунок. Тензодатчик крепится к объекту подходящим клеем, например, цианоакрилатом. При деформации объекта деформируется и металлический рисунок, что приводит к изменению его электрического сопротивления. Это изменение сопротивления, обычно измеряемое с помощью моста Уитстона, связано с деформацией величиной, известной как коэффициент чувствительности.

История

Эдвард Э. Симмонс и профессор Артур С. Рудж независимо друг от друга изобрели тензодатчик. Симмонс участвовал в исследовательском проекте Дэтвилера и Кларка в Калифорнийском технологическом институте в период с 1936 по 1938 год. Они изучали поведение металлов при ударных нагрузках. Симмонс предложил оригинальный способ измерения силы, прикладываемой к образцу, оснастив динамометр тонкими резистивными проводами. Артур Руж, профессор МТИ, с другой стороны, проводил исследования в области сейсмологии. Он попытался проанализировать поведение модели резервуара с водой, установленной на виброплатформе. Он не мог использовать стандартные оптические методы измерения деформаций своего времени из-за малого масштаба и низких деформаций в его модели. Профессор Руге (и его ассистент Й. Ханс Мейер) пришли к идее измерения изменения сопротивления, вызванного деформацией в металлических проводах, приклеенных к тонким стенкам модели резервуара. Разработка тензодатчика по сути была лишь побочным продуктом других исследовательских проектов. Эдвард Э. Симмонс и профессор Артур С. Рудж разработали широко используемый и полезный измерительный инструмент из-за отсутствия альтернативы в то время. Артур Руж осознал коммерческую перспективность тензодатчика. Его работодатель в МТИ отказался от всех прав на изобретение, поскольку не предвидел его экономического и масштабного потенциала. Это предвидение оказалось ошибочным. Области применения тензодатчиков быстро расширялись, поскольку они позволяли косвенно определять любые величины, вызывающие деформацию. Кроме того, они были просты в установке для ученых, не создавали препятствий и не изменяли свойства наблюдаемого объекта, тем самым не искажая результаты измерений. Вероятно, последним и самым важным свойством была простота передачи электрического выходного сигнала.

Физическая операция

Измеритель деформации использует физическое свойство электрической проводимости и его зависимость от геометрии проводника. Когда электрический проводник растягивается в пределах своей упругости, не допуская его разрыва или необратимой деформации, он становится уже и длиннее, что увеличивает его электрическое сопротивление. И наоборот, когда проводник сжимается, не допуская его изгиба, он расширяется и укорачивается, что уменьшает его электрическое сопротивление. По измеренному электрическому сопротивлению измерителя деформации можно определить величину вызванного напряжения. Типичный измеритель деформации располагает длинную тонкую проводящую полоску зигзагообразным узором из параллельных линий. Это не повышает чувствительность, поскольку процентное изменение сопротивления при заданной деформации для всего зигзага такое же, как и для отдельной полосы. Одному прямолинейному проводнику пришлось бы быть чрезвычайно тонким, что сделало бы его склонным к перегреву (что изменило бы его сопротивление и привело бы к его расширению), или потребовалось бы работать при гораздо более низком напряжении, что затруднило бы точное измерение изменений сопротивления.

На практике

На входные выводы измерительной сети подается напряжение возбуждения, а с выходных выводов снимается показание напряжения. Типичные входные напряжения составляют 5 или 12 В, а типичные выходные показания измеряются в милливольтах. Фольговые датчики деформации используются во многих ситуациях. Различные области применения предъявляют различные требования к датчику. В большинстве случаев ориентация датчика деформации имеет значение. Ожидается, что датчики, прикрепленные к тензодатчику, останутся стабильными в течение многих лет, а то и десятилетий; в то время как датчики, используемые для измерения отклика в динамическом эксперименте, могут оставаться прикрепленными к объекту всего несколько дней, находиться под напряжением менее часа и работать менее секунды. Датчики деформации прикрепляются к подложке специальным клеем. Тип клея зависит от требуемого срока службы измерительной системы. Для краткосрочных измерений (до нескольких недель) подходит цианоакрилатный клей, для долговременной установки требуется эпоксидный клей. Обычно эпоксидный клей требует высокотемпературной вулканизации (при температуре около 80-100 °C). Подготовка поверхности, на которую будет приклеен датчик деформации, имеет первостепенное значение. Поверхность должна быть отшлифована (например, очень мелкой наждачной бумагой), обезжирена растворителями, следы растворителя должны быть удалены, а затем датчик деформации должен быть приклеен немедленно после этого, чтобы избежать окисления или загрязнения подготовленной области. Если эти шаги не соблюдены, сцепление датчика деформации с поверхностью может быть ненадежным и могут возникнуть непредсказуемые ошибки измерений. Технология, основанная на датчиках деформации, обычно используется при производстве датчиков давления. Датчики, используемые в датчиках давления, обычно изготавливаются из кремния, поликремния, металлической пленки, толстой пленки и фольги, нанесенной на подложку.

Изменения температуры

Изменения температуры вызовут множество эффектов. Объект изменит свои размеры за счет теплового расширения, которое будет регистрироваться датчиком как деформация. Сопротивление датчика изменится, а также изменится сопротивление соединительных проводов. Большинство тензодатчиков изготавливаются из сплава константан. Различные сплавы константана и карма были разработаны таким образом, чтобы температурное влияние на сопротивление самого тензодатчика в значительной степени компенсировало изменение сопротивления, вызванное тепловым расширением испытываемого объекта. Поскольку разные материалы имеют разные коэффициенты теплового расширения, самокомпенсация температуры (STC) требует выбора конкретного сплава, соответствующего материалу испытываемого объекта. Тензодатчики, не имеющие самокомпенсации температуры (например, из изоэластического сплава), могут быть компенсированы с помощью метода использования компенсационного (фиктивного) датчика. Компенсационный датчик (идентичный активному тензодатчику) устанавливается на не деформированном образце из того же материала, что и испытываемый образец. Образец с компенсационным датчиком помещается в тепловой контакт с испытываемым образцом, рядом с активным датчиком. Компенсационный датчик включается в мост Уитстоуна на плечо, смежное с активным датчиком, чтобы температурные эффекты на активном и компенсационном датчиках взаимно компенсировались. (Закон Мерфи изначально возник в ответ на неправильное подключение набора датчиков к мосту Уитстоуна.) Любой материал реагирует при нагревании или охлаждении. Это приведет к тому, что тензодатчики зарегистрируют деформацию материала, что изменит сигнал. Чтобы этого избежать, тензодатчики изготавливаются с учетом компенсации этого изменения, вызванного температурой. В зависимости от материала поверхности, на которую установлен тензодатчик, можно измерить разное расширение. Температурные эффекты на подводящих проводах можно устранить, используя "трехпроводную схему" или "четырехпроводную схему измерения сопротивления" (также называемую "четырехпроводным соединением Кельвина"). В любом случае, хорошей инженерной практикой является поддержание напряжения питания моста Уитстоуна на достаточно низком уровне, чтобы избежать самонагрева тензодатчика. Самонагрев тензодатчика зависит от его механических характеристик (тензодатчики большего размера менее подвержены самонагреву). Низкие уровни напряжения питания моста снижают чувствительность всей системы.

Variations in temperature will cause a multitude of effects. The object will change in size by thermal expansion, which will be detected as a strain by the gauge. Resistance of the gauge will change, and resistance of the connecting wires will change. Most strain gauges are made from a constantan alloy. Various constantan alloys and Karma alloys have been designed so that the temperature effects on the resistance of the strain gauge itself largely cancel out the resistance change of the gauge due to the thermal expansion of the object under test. Because different materials have different amounts of thermal expansion, self temperature compensation (STC) requires selecting a particular alloy matched to the material of the object under test. Strain gauges that are not self temperature compensated (such as isoelastic alloy) can be temperature compensated by use of the dummy gauge technique. A dummy gauge (identical to the active strain gauge) is installed on an unstrained sample of the same material as the test specimen. The sample with the dummy gauge is placed in thermal contact with the test specimen, adjacent to the active gauge. The dummy gauge is wired into a Wheatstone bridge on an adjacent arm to the active gauge so that the temperature effects on the active and dummy gauges cancel each other. (Murphy's law was originally coined in response to a set of gauges being incorrectly wired into a Wheatstone bridge.) Every material reacts when it heats up or when it cools down. This will cause strain gauges to register a deformation in the material which will make it change signal. To prevent this from happening strain gauges are made so they will compensate this change due to temperature. Dependent on the material of the surface where the strain gauge is assembled on, a different expansion can be measured. Temperature effects on the lead wires can be cancelled by using a "3 wire bridge" or a "4 wire ohm circuit" (also called a "4 wire Kelvin connection"). In any case it is a good engineering practice to keep the Wheatstone bridge voltage drive low enough to avoid the self heating of the strain gauge. The self heating of the strain gauge depends on its mechanical characteristic (large strain gauges are less prone to self heating). Low voltage drive levels of the bridge reduce the sensitivity of the overall system.

Структурный мониторинг здоровья

Мониторинг структурного здоровья (SHM) используется для контроля состояния конструкций после их постройки. Для предотвращения разрушений тензодатчики применяются для обнаружения и локализации повреждений и ползучести. Конкретным примером является мониторинг тросов мостов, повышающий безопасность за счет выявления возможных дефектов. Также можно анализировать поведение моста под воздействием необычных нагрузок, таких как перевозка особо тяжеловесных грузов.

Биологические измерения

Измерение деформации кожи может предоставить множество биомеханических измерений, таких как осанка, вращение суставов, дыхание и отечность, как у людей, так и у других животных. Однако резистивные тензодатчики редко используются для этих целей из-за их небольшого предела деформации. Вместо этого часто применяют мягкие и деформируемые тензодатчики, которые прикрепляют к одежде, чтобы упростить установку датчика на нужную часть тела, хотя иногда их прикрепляют непосредственно к коже. Как правило, в таких приложениях подобные мягкие тензодатчики называют датчиками растяжения. Для медицинского применения датчики должны быть точными и воспроизводимыми, что обычно требует использования емкостных датчиков растяжения.

Прогнозирующее обслуживание

Многие объекты и материалы в промышленных приложениях имеют ограниченный срок службы. Для увеличения срока службы и снижения стоимости владения применяются принципы предиктивного обслуживания. Тензодатчики могут использоваться для мониторинга деформации как индикатора усталости материалов, что позволяет программным системам прогнозировать, когда определенные компоненты нуждаются в замене или обслуживании. Резистивные фольговые тензодатчики применяются для контроля жестких материалов, таких как металлы, керамика, композиты и подобные, в то время как высокоэластичные тензодатчики используются для мониторинга более мягких материалов, таких как резина, пластмассы, текстиль и тому подобное.

Авиация

В авиации тензодатчики являются стандартным методом измерения структурной нагрузки и расчета прогиба крыла. Тензодатчики устанавливаются в нескольких точках на самолете. Однако системы измерения прогиба показали возможность дистанционного и надежного измерения деформаций. Это снижает вес приборного оборудования на самолете и, таким образом, заменяет тензодатчики.

Переназначение

Есть также области применения, где не сразу очевидно, что измерение деформации поможет достичь желаемого результата. Например, при обнаружении посторонних на определенных конструкциях тензодатчики могут использоваться для выявления их присутствия. Это достигается путем измерения незначительных изменений деформации данной конструкции.

Ошибки и компенсации

Нулевой сдвиг. Если импеданс четырех плеч измерительной цепи не идентичен после прикрепления датчика к силовому коллектору, возникнет нулевой сдвиг, который можно компенсировать, добавив параллельный резистор к одному или нескольким плечам. Температурный коэффициент коэффициента чувствительности (TCGF) – это изменение чувствительности устройства к деформации при изменении температуры. Обычно это компенсируется введением фиксированного сопротивления в цепь питания, при этом эффективное приложенное напряжение уменьшается с повышением температуры, компенсируя увеличение чувствительности. Это известно как модульная компенсация в схемах преобразователей. По мере повышения температуры элемент тензодатчика становится более эластичным, и, следовательно, при постоянной нагрузке будет деформироваться больше, что приведет к увеличению выходного сигнала, хотя нагрузка остается прежней. Важный момент заключается в том, что резистор в цепи питания моста должен быть чувствительным к температуре и соответствовать материалу, к которому приклеен датчик, а также материалу самого элемента датчика. Значение этого резистора зависит от обоих этих параметров и может быть рассчитано. Проще говоря, если выходной сигнал увеличивается, то и значение резистора увеличивается, тем самым уменьшая общее напряжение на преобразователе. Правильно подобрав значение резистора, можно добиться отсутствия изменений. Сдвиг нуля с температурой. Если TCGF каждого датчика не одинаков, возникнет сдвиг нуля с температурой. Это также может быть вызвано аномалиями в силовом коллекторе. Обычно это компенсируется одним или несколькими резисторами, стратегически расположенными в компенсационной сети. Линейность – это ошибка, при которой чувствительность изменяется в диапазоне давления. Обычно это зависит от выбора толщины силового коллектора для предполагаемого диапазона давления и качества приклеивания. Гистерезис – это ошибка возврата к нулю после воздействия давления. Повторяемость. Эта ошибка иногда связана с гистерезисом, но проявляется во всем диапазоне давления. Ошибки, вызванные электромагнитными помехами (EMI). Поскольку выходное напряжение тензодатчиков находится в диапазоне милливольт (мВ), а иногда и микровольт (мкВ), если напряжение питания моста Уитстона поддерживается на низком уровне для предотвращения самонагрева элемента, необходимо проявлять особую осторожность при усилении выходного сигнала, чтобы избежать усиления наложенного шума. Часто используемым решением является использование усилителей с "несущей частотой", которые преобразуют изменение напряжения в изменение частоты (как в генераторах с управлением напряжением) и имеют узкую полосу пропускания, тем самым уменьшая влияние помех вне полосы пропускания. Перегрузка. Если тензодатчик подвергается нагрузке, превышающей его расчетный предел (измеряемый в микродеформациях), его характеристики ухудшаются и не могут быть восстановлены. Обычно хорошая инженерная практика предполагает, чтобы деформация тензодатчиков не превышала ±3000 микродеформаций. Влажность. Если провода, соединяющие тензодатчик с преобразователем сигнала, не защищены от влаги (например, оголенные провода), может произойти коррозия, приводящая к паразитному сопротивлению. Это может привести к протеканию тока между проводами и подложкой, к которой приклеен датчик, или между двумя проводами напрямую, вызывая ошибку, конкурирующую с током, протекающим через тензодатчик. По этой причине тензодатчики с высоким током и низким сопротивлением (120 Ом) менее подвержены этому типу ошибок. Чтобы избежать этой ошибки, достаточно защитить провода тензодатчика изоляционной эмалью (например, эпоксидной или полиуретановой). Тензодатчики с незащищенными проводами могут использоваться только в сухой лабораторной среде, но не в промышленных условиях. В некоторых приложениях тензодатчики добавляют массу и демпфирование к вибрационным профилям оборудования, которое они предназначены для измерения. В турбомашиностроении альтернативой технологии тензодатчиков при измерении вибраций вращающегося оборудования является бесконтактная система измерения напряжений, которая позволяет измерять вибрации лопаток без какого-либо оборудования, установленного на лопатках или диске.

Zero Offset If the impedance of the four gauge arms are not exactly the same after bonding the gauge to the force collector, there will be a zero offset which can be compensated by introducing a parallel resistor to one or more of the gauge arms. Temperature coefficient of gauge factor (TCGF) is the change of sensitivity of the device to strain with change in temperature. This is generally compensated for by the introduction of a fixed resistance in the input leg, whereby the effective supplied voltage will decrease with a temperature increase, compensating for the increase in sensitivity with the temperature increase. This is known as modulus compensation in transducer circuits. As the temperature rises the load cell element becomes more elastic and therefore under a constant load will deform more and lead to an increase in output; but the load is still the same. The clever bit in all this is that the resistor in the bridge supply must be a temperature sensitive resistor that is matched to both the material to which the gauge is bonded and also to the gauge element material. The value of that resistor is dependent on both of those values and can be calculated. In simple terms if the output increases then the resistor value also increase thereby reducing the net voltage to the transducer. Get the resistor value right and you will see no change. Zero shift with temperature If the TCGF of each gauge is not the same, there will be a zero shift with temperature. This is also caused by anomalies in the force collector. This is usually compensated for with one or more resistors strategically placed in the compensation network. Linearity is an error whereby the sensitivity changes across the pressure range. This is commonly a function of the force collection thickness selection for the intended pressure and the quality of the bonding. Hysteresis is an error of return to zero after pressure excursion. Repeatability This error is sometimes tied in with hysteresis but is across the pressure range. Electromagnetic interference (EMI) induced errors As the output voltage of strain gauges is in the mV range, even μV if the Wheatstone bridge voltage drive is kept low to avoid self heating of the element, special care must be taken in output signal amplification to avoid amplifying also the superimposed noise. A solution which is frequently adopted is to use "carrier frequency" amplifiers, which convert the voltage variation into a frequency variation (as in voltage controlled oscillators) and have a narrow bandwidth, thus reducing out of band EMI. Overloading – If a strain gauge is loaded beyond its design limit (measured in microstrain) its performance degrades and can not be recovered. Normally good engineering practice suggests not to stress strain gauges beyond ±3000 microstrain. Humidity – If the wires connecting the strain gauge to the signal conditioner are not protected against humidity, such as bare wire, corrosion can occur, leading to parasitic resistance. This can allow currents to flow between the wires and the substrate to which the strain gauge is glued, or between the two wires directly, introducing an error which competes with the current flowing through the strain gauge. For this reason, high current, low resistance strain gauges (120 ohm) are less prone to this type of error. To avoid this error it is sufficient to protect the strain gauges wires with insulating enamel (e. g., epoxy or polyurethane type). Strain gauges with unprotected wires may be used only in a dry laboratory environment but not in an industrial one. In some applications, strain gauges add mass and damping to the vibration profiles of the hardware they are intended to measure. In the turbomachinery industry, one used alternative to strain gauge technology in the measurement of vibrations on rotating hardware is the non intrusive stress measurement system, which allows measurement of blade vibrations without any blade or disc mounted hardware

Другие виды

Измерительные приборы для тензометрических измерений подвержены проблемам с дрейфом. Кроме того, их производство требует соблюдения строгих требований на всех этапах. Существует множество различных способов измерения деформаций. Для измерения деформаций можно использовать другие оптические методы, такие как электронная интерферометрия спекл-узоров или цифровая корреляция изображений. Микроскопические тензодатчики широко используются в микроэлектромеханических системах (МЭМС) для измерения деформаций, вызванных силой, ускорением, давлением или звуком. Например, подушки безопасности в автомобилях часто активируются с помощью МЭМС-акселерометров. В качестве альтернативы пьезорезистивным тензодатчикам для измерения деформаций в микрооптоэлектромеханических системах (МОЭМС) могут использоваться интегрированные оптические кольцевые резонаторы. Емкостные тензодатчики используют переменный конденсатор для индикации уровня механической деформации. Вибрирующие струнные тензодатчики применяются в геотехнических и строительных инженерных задачах. Датчик состоит из вибрирующей натянутой струны. Деформация рассчитывается путем измерения резонансной частоты струны (увеличение натяжения повышает резонансную частоту). Кварцевые кристаллические тензодатчики также используются в геотехнических приложениях. Датчик давления, резонансный кварцевый кристаллический тензодатчик с трубчатым уловителем силы Бурдона, является ключевым датчиком DART. DART обнаруживает волны цунами со дна открытого океана. Он имеет разрешение по давлению около 1 мм водяного столба при измерении давления на глубине в несколько километров. Многоосные силовые датчики могут иметь значительные преимущества перед тензодатчиками с точки зрения безопасности, маневренности и возможностей совместной работы. Они основаны на предварительно напряженных резонансных композитных пластинах, измерения с которых выполняются пьезоэлектрическими преобразователями. Это позволяет измерять 3 компоненты внешних сил. Кроме того, необходимое оборудование дешевле, чем для классических тензодатчиков.

Измерения напряжения без контакта

Напряжение также можно измерить с помощью цифровой корреляции изображений (DIC). В этой технике используется одна или две камеры в сочетании с программным обеспечением DIC для отслеживания признаков на поверхности компонентов и определения малых перемещений. Можно вычислить полную карту деформаций испытываемого образца, что обеспечивает отображение, аналогичное результатам конечно-элементного анализа. Эта техника широко применяется в различных отраслях промышленности для замены традиционных датчиков деформации или других сенсоров, таких как экстензометры, потенциометры, LVDT, акселерометры. Точность коммерчески доступного программного обеспечения DIC обычно составляет от 1/100 до 1/30 пикселя при измерении перемещений, что соответствует чувствительности к деформации от 20 до 100 мкм/м. Метод DIC позволяет быстро и бесконтактно измерять форму, перемещения и деформации, избегая некоторых проблем, связанных с традиционными контактными методами, особенно при ударных нагрузках, высоких деформациях, высоких температурах или испытаниях на усталость при высоких циклах.

Промышленность

В настоящее время на рынке измерительных приборов деформации представлено множество производителей. Они выпускают тензодатчики для различных типов поверхностей, размеров и форм. Неподготовленным специалистам бывает сложно правильно выбрать и применить подходящий тип измерительного инструмента. Для получения достоверных данных необходимо обладать знаниями о точной процедуре монтажа тензодатчиков. Крупные поставщики тензодатчиков предоставляют консультации по оптимальному выбору для каждой конкретной задачи. Они также организуют обучающие программы для своих клиентов, чтобы обеспечить правильную установку и эксплуатацию. Одной из ведущих компаний является Zemic Europe, предлагающая тысячи различных моделей тензодатчиков. Еще одна глобальная компания – HBM (Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH), предлагающая широкий ассортимент тензодатчиков и сопутствующих продуктов.