테노미터 — 텐소메트릭 측정 변환기

스트레인 게이지 센서 — 적용된 기계적 응력으로 인한 강체의 변형을 전기 신호로 변환하는 파라메트릭 저항 변환기입니다.

저항성 압력 게이지는 민감한 요소가 부착된 베이스입니다. 스트레인 게이지를 이용한 스트레인 측정의 원리는 스트레인 게이지의 저항이 스트레인 동안 변한다는 것입니다. 만능 압축(정수압) 작용 하에서 금속 도체의 저항 변화의 효과는 1856년 Lord Kelvin과 1881년 OD Hvolson에 의해 발견되었습니다.

현대적인 형태의 스트레인 게이지는 조사 중인 부품에 바인더(접착제, 시멘트)로 고정된 장력에 민감한 재료(와이어, 호일 등)로 만들어진 민감한 요소인 스트레인 저항기를 구조적으로 나타냅니다. (그림 1). 감지 요소를 전기 회로에 연결하기 위해 스트레인 게이지에는 와이어가 있습니다.일부 스트레인 게이지는 보다 쉬운 설치를 위해 설계되었으며 민감한 요소와 테스트 중인 부품 사이에 패드가 있고 민감한 요소 위에 보호 요소가 있습니다.

그림 1 스트레인 게이지의 개략도: 1- 민감한 요소; 2-바인더; 3- 기질; 4- 조사된 세부 사항; 5- 보호 요소; 6- 납땜용 블록(용접); 7선 배선

스트레인 게이지 트랜스듀서를 사용하여 다양한 작업을 해결하면 두 가지 주요 사용 영역을 구분할 수 있습니다.

- 부품 및 구조의 재료, 변형 및 응력의 물리적 특성에 대한 연구;

- 탄성 요소의 변형으로 변환되는 기계적 값을 측정하기 위한 스트레인 게이지의 사용.

첫 번째 경우는 상당한 수의 전압 측정 지점, 환경 매개 변수의 광범위한 변화 및 측정 채널 보정 불가능이 특징입니다. 이 경우 측정 오차는 2-10%입니다.

두 번째 경우 센서는 측정된 값에 따라 보정되며 측정 오류는 0.5-0.05% 범위에 있습니다.

스트레인 게이지 사용의 가장 두드러진 예는 저울입니다. 대부분의 러시아 및 외국 제조업체의 저울에는 스트레인 게이지가 장착되어 있습니다. 로드 셀 저울은 비철 및 철 야금, 화학, 건설, 식품 및 기타 산업과 같은 다양한 산업에서 사용됩니다.

전자 저울의 작동 원리는 변형과 같은 결과적인 변화를 비례 출력 전기 신호로 변환하여 로드 셀에 작용하는 중력을 측정하는 것으로 축소됩니다.

텐서 저항기의 광범위한 사용은 여러 가지 장점으로 설명됩니다.

- 작은 크기와 무게;

- 정적 및 동적 측정 모두에 스트레인 게이지를 사용할 수 있는 낮은 관성;

- 선형 특성을 갖는다;

- 측정이 원격으로 여러 지점에서 이루어지도록 허용합니다.

- 검사 부품에 설치하는 방법은 복잡한 장치를 필요로 하지 않으며 검사 부품의 변형 필드를 왜곡하지 않습니다.

그리고 온도 민감성이라는 단점은 대부분의 경우 보상할 수 있습니다.

변환기 유형 및 설계 기능

스트레인 게이지의 작동은 기계적 변형 동안 와이어의 활성 저항의 변화로 구성된 변형 효과 현상을 기반으로 합니다. 재료의 변형 효과의 특성은 도체 길이의 변화에 ​​대한 저항 변화의 비율로 정의되는 상대 변형 민감도 K 계수입니다.

k = 어 / 엘

여기서 er = dr / r - 도체 저항의 상대적인 변화; el = dl / l — 와이어 길이의 상대적 변화.

솔리드 바디의 변형 중에 길이의 변화는 볼륨의 변화와 관련이 있으며 속성, 특히 저항 값도 변경됩니다. 따라서 일반적인 경우의 감도계수 값은 다음과 같이 표현되어야 한다.

K = (1 + 2μ) + m

여기서 양(1 + 2μ)은 도체의 기하학적 치수(길이 및 단면)의 변화와 관련된 저항의 변화를 특성화합니다. 속성.

텐서 생산에 반도체 재료가 사용되는 경우 감도는 주로 변형 중 격자 재료의 특성 변화와 K »m에 의해 결정되며 재료에 따라 40에서 200까지 다양할 수 있습니다.

기존의 모든 변환기는 세 가지 주요 유형으로 나눌 수 있습니다.

- 와이어;

- 포일;

- 영화.

와이어 원격 측정기는 비전기량을 두 방향으로 측정하는 기술에 사용됩니다.

첫 번째 방향은 변환기의 자연 입력 값이 주변 가스 또는 액체의 압력일 때 체적 압축 상태에서 전도체의 변형 효과를 사용하는 것입니다. 이 경우 변환기는 측정된 압력(액체 또는 기체) 영역에 배치된 와이어 코일(일반적으로 망가닌)입니다. 컨버터의 출력 값은 활성 저항의 변화입니다.

두 번째 방향은 장력에 민감한 소재로 만들어진 장력 와이어의 장력 효과를 이용하는 것이다. 이 경우 전압 센서는 "자유"변환기 형태와 접착식 변환기 형태로 사용됩니다.

"자유" 스트레인 게이지는 하나 또는 한 줄의 와이어 형태로 만들어지며, 가동 부품과 고정 부품 사이의 끝 부분에 고정되며 일반적으로 탄성 요소의 역할을 동시에 수행합니다. 이러한 트랜스듀서의 자연스러운 입력 값은 움직이는 부품의 움직임이 매우 적다는 것입니다.

가장 일반적인 유형의 본드 와이어 스트레인 게이지 장치는 그림 2에 나와 있습니다. 지그재그 패턴으로 배치된 직경 0.02-0.05mm의 얇은 와이어가 얇은 종이 또는 래커 호일 스트립에 접착됩니다. 납이 함유된 구리선이 전선 끝에 연결됩니다. 변환기의 상단은 바니시 층으로 덮여 있으며 때로는 종이나 펠트로 밀봉됩니다.

변환기는 일반적으로 가장 긴 면이 측정된 힘의 방향을 향하도록 설치됩니다. 테스트 표본에 접착된 이러한 변환기는 표면층의 변형을 감지합니다. 따라서 접착된 트랜스듀서의 자연 입력 값은 접착된 부품의 표면층의 변형이고 출력은 이 변형에 비례하는 트랜스듀서의 저항 변화입니다. 일반적으로 접착식 센서는 비접착식 센서보다 훨씬 더 자주 사용됩니다.

그림 2 - 접합 와이어 스트레인 게이지: 1 - 스트레인 게이지 와이어; 2- 접착제 또는 시멘트; 3- 셀로판 또는 종이 뒷면; 4선 와이어

변환기의 측정 베이스는 와이어가 차지하는 부분의 길이입니다. 가장 일반적으로 사용되는 트랜스듀서는 30-500옴의 저항을 가진 5-20mm 베이스입니다.

가장 일반적인 컨투어 스트레인 게이지 디자인 외에도 다른 디자인이 있습니다. 트랜스듀서의 측정 베이스를 줄여야 하는 경우(3 ~ 1mm), 튜브의 원형 단면 맨드릴에 하중에 민감한 와이어 나선형을 감는 방식으로 수행됩니다. 얇은 종이. 그런 다음 이 튜브를 접착하고 맨드릴에서 제거하고 평평하게 한 다음 와이어를 와이어 끝에 부착합니다.

열 변환기가있는 회로에서 큰 전류를 얻어야 할 때 코일 와이어가있는 "강력한" 스트레인 게이지... 병렬로 연결된 많은 수 (최대 30 — 50) 와이어로 구성되며 서로 다릅니다. 큰 크기(베이스 길이 150 - 200mm)에서 컨버터를 통과하는 전류를 크게 증가시킬 수 있습니다(그림 3).

도면 3 - 저항이 낮은 테노미터("강력한"): 1 — 스트레인 게이지 와이어; 2- 접착제 또는 시멘트; 3- 셀로판 또는 종이 뒷면; 4핀 와이어

와이어 프로브는 샘플(기판)에 대한 접촉 면적이 작기 때문에 고온에서 누설 전류가 감소하고 민감한 요소와 샘플 사이에 더 높은 절연 전압이 발생합니다.

호일 로드 셀은 접착 로드 셀의 가장 인기 있는 버전입니다. 포일 트랜스듀서는 4-12미크론 두께의 포일 스트립으로, 금속의 일부가 에칭에 의해 선택되어 나머지 부분이 그림 4에 표시된 리드 그리드를 형성합니다.

이러한 그리드를 생산할 때 그리드의 모든 패턴을 예측할 수 있으며 이는 호일 스트레인 게이지의 중요한 이점입니다. 이미지 4에서 a는 그림에서 선형 응력 상태를 측정하도록 설계된 호일 변환기의 모양을 보여줍니다. 4, c - 토크를 측정하기 위해 샤프트에 접착된 포일 트랜스듀서, 그리고 그림에서. 4, b - 멤브레인에 접착됨.

그림 4- 포일 변환기: 1- 조정 루프; 2- 멤브레인 인장력에 민감한 벤드; 3- 다이어프램의 압축력에 민감한 회전

포일 변환기의 심각한 이점은 변환기 끝단의 단면적을 증가시킬 수 있다는 것입니다. 이 경우 와이어 변환기보다 훨씬 더 안정적으로 와이어 용접(또는 납땜)을 수행할 수 있습니다.

호일 디포머는 와이어 디포머에 비해 단면적(감도)에 대한 민감한 요소의 표면 비율이 더 높고 임계 온도 및 지속 하중에서 더 안정적입니다. 넓은 표면적과 작은 단면적은 또한 센서와 샘플 사이의 우수한 온도 접촉을 보장하여 센서의 자체 발열을 줄입니다.

포일 스트레인 게이지의 생산에는 텔레노미터와 동일한 금속(콘스탄탄, 니크롬, 니켈-철 합금 등)이 사용되며, 예를 들어 티타늄-알루미늄 합금 48T-2와 같은 다른 재료도 사용됩니다. 최대 12%의 변형과 다양한 반도체 재료.

필름 텐서

최근 몇 년 동안 결합된 저항 변형의 대량 생산을 위한 또 다른 방법이 등장했는데, 이는 변형에 민감한 재료의 진공 승화와 공작물에 직접 분무되는 기판에 대한 후속 응축으로 구성됩니다. 이러한 변환기를 필름 변환기라고 합니다 이러한 스트레인 게이지(15-30 미크론)의 작은 두께는 변형률 측정이 전문 연구 영역인 고온의 동적 모드에서 변형률을 측정할 때 상당한 이점을 제공합니다.

비스무트, 티타늄, 실리콘 또는 게르마늄을 기반으로 하는 여러 필름 스트레인 게이지가 단일 전도성 스트립 형태로 만들어졌습니다(그림 5).이러한 변환기는 변환기를 만드는 재료의 감도에 비해 변환기의 상대적 감도를 감소시키는 단점이 없습니다.

그림 5- 필름 스트레인 게이지: 1- 스트레인 게이지 필름; 2- 래커 호일; 3핀 와이어

금속 필름 기반 트랜스듀서의 스트레인 게이지 계수는 2-4이며 저항은 100에서 1000옴까지 다양합니다. 반도체 필름을 기반으로 만들어진 변환기는 50-200 정도의 계수를 가지므로 인가된 전압에 더 민감합니다. 이 경우 반도체 변형 저항 브리지의 출력 전압이 약 1V이므로 증폭 회로를 사용할 필요가 없습니다.

불행하게도, 반도체 컨버터의 저항은 인가된 전압에 따라 달라지며 전체 전압 범위에서 본질적으로 비선형적이며 또한 온도에 크게 의존합니다. 따라서 금속 필름 변형기로 작업할 때 증폭기가 필요하지만 선형성이 매우 높고 온도 효과를 쉽게 보상할 수 있습니다.