Įtempimo matuoklio jutikliai: konstrukcija, veikimas ir bendras naudojimas
2026-01-05 4547

Įtempimo matuokliai yra plačiai naudojami jutikliai, aptinkantys nedidelius medžiagos formos pokyčius, kuriuos sukelia veikiančios jėgos.Šie jutikliai fizinę deformaciją paverčia elektriniais signalais, leidžiančiais tiksliai išmatuoti deformaciją, kurios negalima stebėti tiesiogiai.Šiame straipsnyje nagrinėjama, kaip veikia deformacijų matuokliai, kaip jie sukonstruoti, kaip matuojami jų signalai ir kur jie dažniausiai naudojami inžinerijos ir pramonės srityse.

Katalogas

Įtempimo matuoklio pagrindai

A deformacijos matuoklis yra jutiklis, naudojamas matuoti įtempti, kuris yra medžiagos deformacija kai an išorinė jėga yra taikomas.Ši jėga gali atsirasti dėl įtempimo, suspaudimo, lenkimo, slėgio ar sukimo momento.Kai a apkrova veikia medžiagą, sukuria vidinį pasipriešinimą, vadinamą streso ir sukelia nedidelį formos pasikeitimą.

Įtempimo matuoklis yra pritvirtintas tiesiai prie medžiagos paviršiaus, todėl jis deformuojasi kartu su konstrukcija.Kaip medžiaga driekiasi arba kompresai, matuoklio elektrinė varža kinta proporcingai deformacijai.Šis nuspėjamas ir pakartojamas elgesys leidžia išmatuoti itin mažas deformacijas, kurių akimis nematyti.

Įtampa prieš stresą

2 pav. Medžiagų įtempimas ir įtempimas

Padermė	Stresas
Įtampa yra santykinė medžiagos deformacija dėl taikomo įtempio.	Stresas yra vidinė jėga vienam ploto vienetas medžiagoje, kurią sukelia išorinė apkrova.
Apskaičiuota kaip ilgio pokytis padalytas iš pradinio ilgio (ε = ΔL / L).	Apskaičiuota kaip jėga, padalinta iš skerspjūvio plotas (σ = F / A).
Nurodo, kiek medžiagos deformuojasi.	Nurodo, kaip stipriai vidinis jėgos veikia medžiagoje.
Bematis kiekis, dažnai išreikštas mikrokamienu (με).	Matuojama paskaliais (Pa).
Naudojamas medžiagos elgesiui tirti ir netiesiogiai apskaičiuokite stresą.	Naudojamas medžiagai įvertinti stiprumo ir saugumo ribas.
Matuojama netiesiogiai naudojant deformaciją matuokliai.	Negalima išmatuoti tiesiogiai.

Įtempimo matuoklio komponentai

3 pav. Pažymėta įtempio matuoklio, prijungto prie bandinio, diagrama

Vežėjas: Laikiklis yra plona atraminė medžiaga, kuri palaiko deformacijos matuoklį.Jis laiko jutimo tinklelį vietoje ir leidžia matuokliui tvirtai prisitvirtinti prie bandinio paviršiaus.

Metalinis tinklelio raštas: Tai įtempio matuoklio jutiklinis elementas.Jis pagamintas iš plonos metalinės folijos, išdėstytos serpantino būdu, kad padidintų jautrumą.Kai bandinys deformuojasi, šis tinklelis išsitempia arba susispaudžia, todėl pasikeičia elektrinė varža.

Veda: Švino laidai įtempimo matuoklį sujungia su išorine matavimo įranga.Jie perduoda pasipriešinimo pokytį iš jutiklio tinklelio į tilto grandinę arba signalo kondicionierių.

Bandomasis pavyzdys: Tai matuojama medžiaga arba struktūra.Įtempimo matuoklis yra pritvirtintas tiesiai prie jo paviršiaus, todėl jis deformuojasi tokiu pat greičiu kaip ir bandinys, veikiamas apkrovos.

Įtempimo matuoklio konstrukcija

4 pav. Įtempimo matuoklio pagrindiniai struktūriniai elementai

Apsauginis laminato sluoksnis- Apsaugo matuoklį nuo drėgmės, dulkių ir mechaninių pažeidimų, tuo pačiu užtikrindama elektros izoliaciją.

Metalinis jutimo elementas- Plona metalinė folija, išdėstyta tinkleliu, kad padidintų jautrumą.Įprastos medžiagos yra konstantano ir karmos lydiniai dėl jų stabilių elektrinių charakteristikų.

Bazinis arba nešiklio sluoksnis- Paprastai pagamintas iš poliimido ar panašių polimerų, šis sluoksnis palaiko jutimo elementą ir užtikrina tolygų įtempių perdavimą nuo bandomojo paviršiaus.

Įtempimo matuoklio veikimo principas

5 pav. Įtempimo matuoklio veikimo principas

Įtempimo matuokliai veikia konvertuodami mechaninė deformacija į pasikeitimą elektrinė varža.Kai surištas paviršius patiria įtempimą, matuoklis deformuojasi tokiu pat greičiu.Tempimas padidina pasipriešinimą, o suspaudimas jį sumažina.

Už metalinė folija Įtempimo matuokliai, šiame pasipriešinimo pokytyje vyrauja geometriniai efektai, konkrečiai – jautraus elemento ilgio ir skerspjūvio ploto pokyčiai.Medžiagai būdingas pjezorezistinis poveikis sudaro tik nedidelę viso pasipriešinimo pokyčio dalį.Šis skirtumas yra svarbus lyginant metalinius matuoklius su puslaidininkių deformacijos jutikliais.

Deformacijos matuoklio lygtis ir matuoklio koeficientas

Ryšys tarp deformacijos ir pasipriešinimo pokyčio pateikiamas taip:

6 pav. Pagrindinė deformacijos matuoklio lygtis

kur ΔR yra pokytis pasipriešinimas, R yra originalus pasipriešinimas, K yra matuoklis veiksnys, ir ε yra įtempti.

Daugumos metalinės folijos deformacijų matuoklių matuoklio koeficientas paprastai svyruoja nuo nuo 2,0 iki 2,2, siūlanti pusiausvyrą tarp jautrumo ir ilgalaikio stabilumo.

Signalo matavimas naudojant Vitstono tiltą

7 pav. Deformacijos matuoklio matavimai

Įtempimo matuoklių atsparumo pokyčiai yra labai maži, todėl tiesioginis matavimas yra nepraktiškas.A Vitstono tilto grandinė naudojamas šiems pokyčiams paversti išmatuojamais įtampos signalas.

Wheatstone tiltas susideda iš keturių varžinių elementų, išdėstytų deimantine konfigūracija.Kai visos varžos yra lygios, tiltas yra subalansuotas, o išėjimo įtampa yra nulis.Bet koks pasipriešinimo pokytis, kurį sukelia deformacija, išbalansuoja tiltą ir sukuria įtampą, proporcingą pritaikytam deformavimui.

Įprastos tilto konfigūracijos

• Kvartalinis tiltelis: vienas aktyvus deformacijos matuoklis su trimis fiksuotais rezistoriais.Naudojamas paprastiems, vienos krypties matavimams.

• Pusė tilto: du aktyvūs matuokliai, paprastai išdėstyti taip, kad vienas būtų įtemptas, o kitas suspaustas.Pagerina temperatūros kompensavimą ir signalo išvestį.

• Pilnas tiltas: keturi aktyvūs deformacijos matuokliai.Užtikrina maksimalų jautrumą, puikų temperatūros stabilumą ir stiprų triukšmo atmetimą.Dažniausiai naudojamas apkrovos elementuose.

Signalo kondicionavimas

Reikia tilto išvesties signalų stiprinimas ir filtravimas.Signalo kondicionavimo elektronika sustiprina signalą, sumažina triukšmą, kompensuoti už temperatūros poveikis, ir konvertuoti analoginį signalą į skaitmeninius duomenis stebėjimui ar įrašymui.

Įprasti deformacijos matuoklių tipai

Klasifikacija	Padermė Matuoklio tipas	Darbas Principas	Savybės	Programos
Remiantis darbo principu	Mechaninis deformacijų matuoklis	Matuoja fizinį judėjimą naudodamas skalė ir rodyklė	Jokių elektrinių komponentų, paprasta vizualinė indikacija	Įtrūkimų stebėjimas pastatuose ir tiltai
	Elektrinis deformacijos matuoklis	Pasipriešinimas pasikeičia tempiant arba suspaustas	Tikslus, patikimas, plačiai naudojamas	Apkrovos matavimas, stresas analizė, bandymai
	Pjezoelektrinis deformacijos matuoklis	Generuoja įtampą, kai yra įtempimas taikomos	Labai didelis jautrumas, dinamiškas atsakymą	Vibracija, smūgis, smūgis matavimai
Remiantis montavimo būdu	Priklijuotas deformacijos matuoklis	Matuoklis pritvirtintas tiesiai prie paviršiaus su klijais	Tiesioginis įtempių perdavimas, didelis tikslumu	Struktūriniai bandymai, apkrovos elementai
	Nesujungtas deformacijos matuoklis	Viela ištempta tarp fiksuoto ir kilnojami rėmai	Nepritvirtintas prie paviršiaus, stabilus sąranka	Apkrovos elementai, slėgio keitikliai
Remiantis Statyba	Folijos deformacijos matuoklis	Metalinės folijos tinklelis, pritvirtintas prie izoliuojantis pagrindas	Patvarus, stabilus, ekonomiškas	Pramoninė ir laboratorija matavimai
	Puslaidininkio deformacijos matuoklis	Naudoja pjezorezistinį poveikį silicio arba germanio	Labai didelis jautrumas, jautrus temperatūrai	Mažų deformacijų matavimas, jutikliai
	Fotoelektrinis deformacijos matuoklis	Naudoja šviesos spindulį ir optinį grotelės	Itin didelė raiška, subtilus	Tikslioji laboratorija ir tyrimai dirbti

Deformacijos matuoklio išdėstymas

• Linijinė deformacija matuokliai matuoja deformaciją išilgai vienos ašies, kai žinoma apkrovos kryptis

• Diafragmos įtempimas matuokliai matuoja deformaciją plonuose paviršiuose ir yra dažni slėgio jutikliuose

• Rozetės padermė matuokliai matuoja deformaciją keliomis kryptimis, kai pagrindinė deformacijos orientacija nežinoma

• Sukimo ir šlyties deformacija matuokliai nustato sukimo momentą ant besisukančių velenų

• Dviguba lygiagreti deformacija matuokliai pagerina lenkimo matavimus, lygindami įtempimą ir suspaudimą

• Tee rozetės padermė matuokliai matuoja dviašį įtempimą, kai žinomos pagrindinės kryptys

Įtempimo matuoklių naudojimas

- Apkrovos paskirstymo ir nuovargio analizės konstrukcijų ir mechanikos inžinerija

- Apkrovos ir jėgos matavimas apkrovos elementuose ir sukimo momento jutikliuose

- Slėgio ir srauto matavimas naudojant diafragmas ir vamzdynus

- Tyrimai ir eksperimentinė streso analizė

- Aviacijos, automobilių ir energetikos pramonė, skirta patvarumo ir saugos stebėjimui

- Pramoninės būklės stebėjimas nuspėjamai priežiūrai

Įtempimo matuoklio įrengimo iššūkiai

8 pav. Įtempimo matuoklio įrengimo iššūkiai

Temperatūros poveikis

Įtempimo matuokliai yra jautrūs temperatūros pokyčiams.Kintant temperatūrai, matuoklio medžiagos elektrinė varža gali keistis, todėl gali atsirasti matavimo poslinkis, nesusijęs su faktine deformacija.Be tinkamo temperatūros kompensavimo ar valdymo šis efektas gali sumažinti tikslumą.Tinkamos matuoklio medžiagos pasirinkimas ir kompensavimo technikos naudojimas padeda sumažinti šiluminę įtaką.

Aplinkos poveikis

Aplinkos sąlygos gali trukdyti deformacijos matuoklio veikimui.Drėgmė ir drėgmė gali susilpninti lipniuosius ryšius, o vibracija ir elektromagnetiniai trukdžiai gali sukelti signalo triukšmą.Apsauginės dangos, tinkamas ekranavimas ir kontroliuojama montavimo aplinka padeda sumažinti šią riziką, ypač pramonėje ar lauke.

Klijavimo kokybė

Saugus sujungimas yra svarbus norint tiksliai išmatuoti deformaciją.Įtempimo matuoklis turi būti tvirtai pritvirtintas, kad tiksliai deformuotųsi su matuojamu paviršiumi.Blogas paviršiaus paruošimas, nelygios medžiagos arba neteisingas klijų pasirinkimas gali sukelti signalo nestabilumą arba netikslius rodmenis.Kruopštus valymas, paviršiaus paruošimas ir tinkamos klijavimo procedūros užtikrina patikimą deformacijos perdavimą.

Patikimų matavimų pasiekimas

Norint išspręsti šias problemas, reikia tinkamų įrengimo metodų, kalibravimo ir aplinkos kontrolės.Teisingai sumontuoti deformacijos matuokliai pateikia tikslius ir patikimus duomenis, kurie palaiko struktūrinę analizę, našumo testavimą ir ilgalaikės stebėsenos programas.

Įtempimo matuoklių privalumai ir trūkumai

Argumentai "už"

Didelis tikslumas ir jautrumas

Patikimas apkrovos matavimas, kai naudojamas apkrovos elementuose

Lengvas integravimas su elektroninėmis sistemomis

Tinka stebėjimui realiu laiku ir ilgalaikiam

Minusai

Jautrus temperatūrai v ariat jonai

Montavimas reikalauja tikslumo ir patirties

Našumą veikia atšiauri aplinka

Labai mažus signalus reikia sustiprinti

Ribotas pakartotinis naudojimas dėl nuolatinių klijavimo ir kalibravimo apribojimų

Išvada

Įtempimo matuokliai užtikrina tikslius ir patikimus deformacijos matavimus apkrovai, įtempiams ir konstrukcijų stebėjimui.Jų tikslumas priklauso nuo tinkamo pasirinkimo, įrengimo ir signalo kondicionavimo.Tinkamai pritaikius deformacijos matuoklius išlieka svarbiomis inžinerijos, tyrimų ir pramoninių matavimo sistemų priemonėmis.