טנומטרים - מתמרי מדידה טנסומטריים
חיישן מד מתח - מתמר התנגדות פרמטרי הממיר את העיוות של גוף קשיח שנגרם מלחץ מכני המופעל עליו לאות חשמלי.
מד לחץ התנגדות הוא בסיס עם אלמנט רגיש מחובר. העיקרון של מדידת מתח באמצעות מד מתח הוא שההתנגדות של מד המתח משתנה במהלך המתח. ההשפעה של שינוי ההתנגדות של מוליך מתכתי תחת פעולת דחיסה מסביב (לחץ הידרוסטטי) התגלתה בשנת 1856 על ידי לורד קלווין ובשנת 1881 על ידי OD Hvolson.
בצורתו המודרנית, מד מתח מייצג מבחינה מבנית נגד מתח, שהאלמנט הרגיש שלו עשוי מחומר רגיש למתח (תיל, נייר כסף וכו'), המקובע באמצעות קלסר (דבק, מלט) על החלק הנחקר (איור 1). כדי לחבר את אלמנט החישה למעגל החשמלי, למד המתח יש חוטים.חלק ממדדי מתח מתכננים להתקנה קלה יותר, יש להם רפידה הממוקמת בין האלמנט הרגיש לחלק הנבדק, כמו גם אלמנט מגן הממוקם מעל האלמנט הרגיש.
איור 1 סכמטי של מד המתח: 1- אלמנט רגיש; 2- קלסר; 3- מצע; 4- פרט נחקר; 5- אלמנט מגן; 6- בלוק להלחמה (ריתוך); חיווט 7 חוטים
עם כל מגוון המשימות שנפתרו באמצעות מתמרים של מד מתח, ניתן להבחין בשני תחומים עיקריים של השימוש בהם:
- חקר התכונות הפיזיקליות של חומרים, עיוותים ומתחים בחלקים ובמבנים;
- השימוש במדדי מתח למדידת ערכים מכניים המומרים לעיוות של אלמנט אלסטי.
המקרה הראשון מאופיין במספר לא מבוטל של נקודות מדידת מתח, טווחים רחבים של שינויים בפרמטרים סביבתיים, כמו גם חוסר האפשרות לכייל את ערוצי המדידה. במקרה זה, טעות המדידה היא 2-10%.
במקרה השני, החיישנים מכוילים לפי הערך הנמדד ושגיאות המדידה הן בטווח של 0.5-0.05%.
הדוגמה הבולטת ביותר לשימוש במדדי מתח היא האיזון. המאזניים של רוב היצרנים הרוסים והזרים מצוידים במדדי מתח. סולמות תאי עומס משמשים בתעשיות שונות: מתכות לא ברזליות וברזליות, כימיקלים, בנייה, מזון ותעשיות אחרות.
עקרון הפעולה של מאזניים אלקטרוניים מצטמצם למדידת כוח הכבידה הפועל על תא העומס על ידי המרת השינויים המתקבלים, כגון דפורמציה, לאות חשמלי פלט פרופורציונלי.
השימוש הרחב של נגדי טנזור מוסבר על ידי מספר יתרונות שלהם:
- גודל ומשקל קטן;
- אינרציה נמוכה, המאפשרת שימוש במדדי מתח למדידות סטטיות ודינאמיות כאחד;
- בעלי מאפיין ליניארי;
- לאפשר ביצוע מדידות מרחוק ובנקודות רבות;
- שיטת התקנתם על החלק הנבדק אינה מצריכה התקנים מורכבים ואינה מעוותת את שדה הדפורמציה של החלק הנבדק.
ועל החיסרון שלהם, שהוא רגישות לטמפרטורה, ניתן לפצות ברוב המקרים.
סוגי ממירים ותכונות העיצוב שלהם
פעולתם של מדי מתח מבוססת על תופעת אפקט הדפורמציה, המורכבת משינוי בהתנגדות הפעילה של החוטים במהלך העיוות המכני שלהם. המאפיין של אפקט הדפורמציה של החומר הוא מקדם רגישות הדפורמציה היחסית K, המוגדר כיחס בין השינוי בהתנגדות לשינוי באורך המוליך:
k = er / el
כאשר er = dr / r - השינוי היחסי בהתנגדות של המוליך; el = dl / l - השינוי היחסי באורך החוט.
במהלך דפורמציה של גופים מוצקים, השינוי באורך שלהם קשור לשינוי בנפח, וגם התכונות שלהם, בפרט, ערך ההתנגדות, משתנות. לכן, יש לבטא את ערך מקדם הרגישות במקרה הכללי כ
K = (1 + 2μ) + מ'
כאן, הכמות (1 + 2μ) מאפיינת את השינוי בהתנגדות הקשור לשינוי בממדים הגיאומטריים (אורך וחתך רוחב) של המוליך, וכן - שינוי בהתנגדות של החומר הקשור לשינוי בפיזיות שלו. נכסים.
אם משתמשים בחומרים מוליכים למחצה בייצור הטנזור, הרגישות נקבעת בעיקר על ידי השינוי בתכונות חומר הסריג במהלך העיוות שלו ו-K »m ויכולה להשתנות עבור חומרים שונים בין 40 ל-200.
ניתן לחלק את כל הממירים הקיימים לשלושה סוגים עיקריים:
- חוט;
- נייר כסף;
- סרט.
טלמטרי תיל משמשים בטכניקה של מדידת כמויות לא חשמליות בשני כיוונים.
הכיוון הראשון הוא השימוש באפקט הדפורמציה של מוליך במצב של דחיסת נפח, כאשר ערך הקלט הטבעי של המתמר הוא הלחץ של הגז או הנוזל שמסביב. במקרה זה, המתמר הוא סליל של חוט (בדרך כלל מנגנין) המוצב באזור הלחץ הנמדד (נוזל או גז). ערך הפלט של הממיר הוא השינוי בהתנגדות הפעילה שלו.
הכיוון השני הוא להשתמש באפקט המתח של חוט המתח העשוי מחומר רגיש למתח. במקרה זה, חיישני מתח משמשים בצורה של ממירים "חינם" ובצורה של מודבקים.
מדי מתח "חינם" עשויים בצורה של חוטים אחד או שורה, קבועים בקצוות בין החלקים הנעים והבלתי ניתנים להזזה, וככלל, מבצעים בו זמנית את התפקיד של אלמנט אלסטי. ערך הקלט הטבעי של מתמרים כאלה הוא תנועה קטנה מאוד של החלק הנע.
המכשיר של הסוג הנפוץ ביותר של מד מתח תיל מלוכד מוצג באיור 2. חוט דק בקוטר של 0.02-0.05 מ"מ, המונח בתבנית זיגזג, מודבק לרצועה של נייר דק או נייר כסף לכה. חוטי נחושת עופרת מחוברים לקצוות החוט. חלקו העליון של הממיר מכוסה בשכבת לכה ולעיתים אטום בנייר או לבד.
המתמר מותקן בדרך כלל כך שהצד הארוך ביותר שלו מכוון לכיוון הכוח הנמדד. מתמר כזה, המודבק לדגימת הבדיקה, קולט את העיוותים של שכבת פני השטח שלו. לפיכך, ערך הקלט הטבעי של המתמר המודבק הוא העיוות של שכבת פני השטח של החלק אליו הוא מודבק, והפלט הוא השינוי בהתנגדות של המתמר פרופורציונלי לעיוות זה. בדרך כלל, חיישנים מודבקים משמשים לעתים קרובות יותר מאשר אלה שאינם מודבקים.
איור 2 - מד מתח חוט מחובר: 1 - חוט מד מתח; 2- דבק או מלט; 3- צלופן או גיבוי נייר; חוטי 4 חוטים
בסיס המדידה של המתמר הוא אורך החלק התפוס על ידי החוט. המתמרים הנפוצים ביותר הם בסיסים של 5-20 מ"מ עם התנגדות של 30-500 אוהם.
בנוסף לעיצוב מד המתח הנפוץ ביותר, ישנם אחרים. אם יש צורך להקטין את בסיס המדידה של המתמר (ל-3 - 1 מ"מ), זה נעשה בשיטת הפיתול, המורכבת מליפוף ספירלה של חוט רגיש לעומס על ציר בחתך עגול על צינור של נייר דק. לאחר מכן מדביקים את הצינור הזה, מסירים אותו מהדופן, משטחים את החוטים והחוטים מחוברים לקצוות החוט.
כאשר יש צורך להשיג זרם גדול ממעגל עם ממיר תרמו, הם משתמשים לעתים קרובות במדדי מתח "עוצמתיים" עם חוט מפותל... הם מורכבים ממספר רב (עד 30 - 50) חוטים המחוברים במקביל, שונים בגדלים גדולים (אורך הבסיס 150 - 200 מ"מ) ומאפשרים עלייה משמעותית בזרם העובר דרך הממיר (איור 3).
ציור 3- טנומטר עם התנגדות נמוכה ("עוצמתי"): 1 - חוט מד מתח; 2- דבק או מלט; 3- צלופן או גיבוי נייר; חוט 4 פינים
לבדיקות חוט יש שטח מגע קטן לדגימה (המצע), מה שמפחית זרמי דליפה בטמפרטורות גבוהות ומוביל למתח בידוד גבוה יותר בין האלמנט הרגיש לדגימה.
תאי עומס בנייר כסף הם הגרסה הפופולרית ביותר של תאי עומס דבקים. מתמרי נייר כסף הם רצועת נייר כסף בעובי 4-12 מיקרון, שעליה נבחר חלק מהמתכת על ידי תחריט בצורה כזו שהשאר שלה יוצר את רשת העופרת המוצגת באיור 4.
בייצור של רשת כזו, ניתן לחזות כל תבנית של הרשת, וזה יתרון משמעותי של מדי מתח בנייר כסף. בתמונה 4, a מראה את המראה של מתמר נייר כסף שנועד למדוד מצבי מתח ליניאריים, באיור. 4, ג - מתמר נייר כסף מודבק לפיר למדידת מומנטים, ובאיור. 4, ב - מודבק על הממברנה.
ציור 4- ממירי נייר כסף: 1- לולאות כוונון; 2- עיקולים רגישים לכוחות מתיחה של הממברנה; 3- סיבובים רגישים לכוחות הלחיצה של הסרעפת
יתרון רציני של ממירי נייר כסף הוא האפשרות להגדיל את החתך של קצוות הממיר; ריתוך (או הלחמה) של חוטים יכול להיעשות במקרה זה הרבה יותר אמין מאשר עם ממירי חוטים.
לעוותי נייר כסף, בהשוואה לאלה של תיל, יש יחס גבוה יותר בין פני השטח של האלמנט הרגיש לשטח החתך (רגישות) והם יציבים יותר בטמפרטורות קריטיות ועומסים מתמשכים. שטח הפנים הגדול והחתך הקטן מבטיחים גם מגע טוב בטמפרטורה בין החיישן לדגימה, מה שמפחית את החימום העצמי של החיישן.
לייצור מדי מתח בנייר כסף משתמשים באותן מתכות כמו לטלנומטרים (קונסטנטן, ניכרום, סגסוגת ניקל-ברזל וכו'), וגם חומרים נוספים משמשים, למשל סגסוגת טיטניום-אלומיניום 48T-2, המודד מתחים של עד 12%, כמו גם מספר חומרים מוליכים למחצה.
טנסור קולנוע
בשנים האחרונות צמחה שיטה נוספת לייצור המוני של זני התנגדות מלוכדים, המורכבת בסובלימציה בוואקום של חומר רגיש למתח ובעקבותיו עיבויו על גבי מצע המרוסס ישירות על חומר העבודה. מתמרים כאלה נקראים מתמרי סרטים, העובי הקטן של מדי מתח כאלה (15-30 מיקרון) נותן יתרון משמעותי בעת מדידת מתחים במצב דינמי בטמפרטורות גבוהות, כאשר מדידות מתח הן תחום מחקר מיוחד.
מספר מדי מתח סרט המבוססים על ביסמוט, טיטניום, סיליקון או גרמניום נוצרו בצורה של רצועה מוליכה אחת (איור 5).אין למתמרים כאלה את החיסרון של הפחתת הרגישות היחסית של המתמר לעומת רגישות החומר ממנו עשוי המתמר.
איור 5 - מד מתח סרט: סרט 1 - מד מתח; 2- נייר כסף לכה; חוט 3 פינים
מקדם מד המתח של מתמר מבוסס סרט מתכת הוא 2-4, וההתנגדות שלו נעה בין 100 ל-1000 אוהם. מתמרים המיוצרים על בסיס סרט מוליכים למחצה הם בעלי מקדם בסדר גודל של 50-200 ולכן הם רגישים יותר למתח המופעל. במקרה זה, אין צורך להשתמש במעגלי מגבר, מכיוון שמתח המוצא של גשר נגד המתח המוליך למחצה הוא בערך 1 V.
למרבה הצער, ההתנגדות של ממיר מוליכים למחצה משתנה עם המתח המופעל והיא למעשה לא ליניארית על פני כל טווח המתח, והיא גם תלויה מאוד בטמפרטורה. לפיכך, למרות שנדרש מגבר כאשר עובדים עם דפורמטור סרט מתכת, הליניאריות גבוהה מאוד וניתן לפצות על אפקט הטמפרטורה בקלות.