Принцип на действие на тензометричните схеми
Структура на тензометричната схема
Традиционните тензометрични схеми са изградени от подложка (фолио) и електрически проводник (електропроводимо покритие). Защо традиционни? Защото бяха въведени нови технологии и при тензометричните схеми, като например оптовлакнестите сензори на Браг, които функционират по съвсем различен начин. „Традиционни“ в случая означава електрически фолийни тензометрични схеми.
За да се разбере структурата на тензометричната схема е нужно да се разгледа процеса на създаването й, като се използва за пример един стандартен модел – Подложката е изградена от полиимидно фолио. Върху него се полага слой от константан, който е електропроводим. С помощта на шаблон биват отстранени чрез ецване всички повърхности, които не трябва да бъдат електропроводими. Така това, което остава, е една изключително фина измервателна решетка от константан, здраво свързана със полиимидното фолио (подложката).
Измервателната решетка се състои от редица по-малки структури, наподобяващи лабиринт (меандър).
Структура на една обикновена тензометрична схема
Какво прави тензометричните схеми толкова важни? Обикновено не се фокусираме върху тях, но те се използват почти навсякъде в нашите продукти.
Принцип на действие
Тензометричните схеми измерват деформацията, но това което ни интересува всъщност е механичното напрежение. Механичното напрежение показва колко силно е въздействието върху материала на вътрешните и външни сили. Решаващо тук също е на кои места и с какъв интензитет действат тези сили върху материала. Тези изследвания принадлежат към областта на приложение наречена „експериментален анализ на вътрешните напрежения“ в материалите.
Ако на тензометричната схема се въздейства с натиск, нейното електрическо съпротивление (Ω) намалява, ако се въздейства с опън, електрическото съпротивление нараства.
Тензометричните схеми се залепват на различни места и се свързват с кабели към усилвател. Ако на тензометричната схема се въздейства с натиск или с опън, електрическото съпротивление на измервателната решетка се променя съответно. Причината за това е, че когато измервателната решетка е удължена, електрическият ток трябва да измине по-дълго разстояние, а и проводимият слой, през който преминава, е станал по-тънък, което допълнително увеличава съпротивлението. От тази промяна на съпротивлението можем да определим деформацията на тензометричната схема, която се измерва в µm/m. Деформацията може да е резултат и на натиск, т.е. отрицателна деформация, което води до намаляване на електрическото съпротивление.
Все пак деформацията не е механично напрежение. За да разберем какво е, трябва да разгледаме следните два важни параметъра:
Температурен коефициент α на материала
Когато температурата на околната среда се променя, материалът също се променя. Тази промяна се определя от температурния коефициент α. Пример: Когато един стоманен цилиндър бъде нагрят, той се разширява, а с него се разширява и залепената върху него тензометрична схема. Точно тези температурни деформации не искаме да измерваме. За да се компенсира този ефект, тензометричните схеми са настроени към един определен материал и са разработени така, че да имат точно противоположното температурно поведение. В крайна сметка двата ефекта взаимно се неутрализират, като по този начин компенсират температурната деформация на материала, така че тензометричната схема измерва само това, което трябва да измерва: деформацията, предизвикана от външното натоварване на материала. В такива случаи става дума за самокомпенсиращи се тензометрични схеми.
Модул на еластичност (модул на Йанг)
Когато даден материал е подложен на натоварване, в него се проявява механично напрежение. Механичното напрежение е силата, отнесена към единица площ. Но как това е свързано с деформацията, която се отчита от тензометричната схема? Тази взаимна зависимост може да бъде определена като характеристична крива за различни материали чрез контролирано натоварване на проби от тези материали. Като основно правило важи, че с нарастването на механичното напрежение нараства и деформацията. Първоначално това взаимодействие е линейно. Това е еластичният диапазон, а взаимодействието се описва с модула на еластичност.
След определена точка на характеристиката обаче материалът се деформира толкова силно от действащата му сила, че вече не може да се върне в първоначалното си състояние. Става дума за пластична деформация, която продължава, докато материалът се разруши. За експерименталния анализ на напреженията е интересен само линейният диапазон, в който не се наблюдава пластична деформация.
Ако коефициентът на еластичност на даден материал е известен, механичното напрежение може да се определи на базата на деформацията: Това е и целта на измерванията с тензометрични схеми.
По какво се различават тензометричните схеми една от друга?
HBM предлага повече от 2500 различни вида тензометрични схеми. Различните видове се избират в зависимост от приложението.
Съществуват някои важни параметри, по които тензометричните схеми се различават: Това са преди всичко геометрията, дължината на измервателната решетка и температурната адаптация.
Геометрията на тази тензометрична схема (T розетка) би била подходяща например за измервания на двуосови напрежения с известна посока.
Геометрия
Геометрията на тензометричната схема се определя от броя и ориентацията на нейните измервателни решетки. В зависимост от натоварването на материала, могат да се наблюдават различни напрегнати състояния: При едноосови напрегнати състояния има само една посока на напрежение. Тук случаят е ясен – достатъчна е една измервателна решетка, която е ориентирана по посока на основното напрежение.
При двуосни напрегнати състояния се проявяват едновременно напрежения в различни посоки, например опън, налягане, огъване или усукване. В някои случаи измерващият може да не знае главната посоката на напрежението. В тези случаи може да да се използват тензометрични схеми с три измервателни решетки, ориентирани в различни посоки. Това прави възможно определянето на първото и второто главно напрежение, както и техните посоки.
Дължина на измерватената решетка
В зависимост от материала и приложенито, има значение дължината на измервателната решетка, която използваме: например когато измерваме кривата на напрежение много точно, е по-добре да поставим повече къси измервателни решетки една до друга, за да получим по-детайлна информация или за да анализираме по-точно една област. Ако ни интересува предимно средната стойност на общото натоварване, една по-дълга измервателна решетка е достатъчна.
Различни повърхностни структури представляват подобно предизвикателство: Бетонът например е неравен, в него се съдържат малки камъчета. Ако в този случай използваме твърде къса измервателна решетка, резултатът от измерването може да бъде повлиян от дребните неравности, тъй като около тях се образуват собствени малки напрежителни полета. За да избегнем това, трябва да използваме по-дълга измервателна решетка – тогава измереното напрежение се усреднява по дължината на измервателната решетка.
Температурна адаптация
Както бе описано по-горе, температурната адаптация на тензометричните схеми за един определен материал осигурява компенсацията на температурната деформация. Затова е особено важен правилният избор на тензометричната схема.
Други критерии за подбор
Освен трите параметъра, описани по-горе, има още няколко, които трябва да се споменат накратко тук: Тензометричните схеми основно се предлагат с няколко най-често използвани съпротивления (120, 350 или 1000 ома и т.н.). Изборът на правилната тензометрична схема често зависи и от граничните условия на измерването, например от резисторите, с които по избор може да работи усилвателят, материалът на проводимия слой или очакваните възможни смущения. Носещият материал (подложката), проводимият слой, както и начинът на свързване също могат да варират. Някои тензометрични схеми могат да бъдат доставяни окабелени, докато други трябва да бъдат запоени на място. Окабелените тензометрични схеми пестят време и пари на потребителите.
Приложение на тензометричните схеми
За да се гарантира правилното функциониране на тензометричните схеми, трябва да бъдат изпълнени някои основни изисквания: Най-важното е те да бъдат много здраво свързани с материала, за да отразяват всяка деформация в него. Затова обикновено тензометричните схеми се залепват здраво за материала или дори понякога се запояват за него. Лепилата се избират при отчитане на факта, че консистенцията им се променя при промяна на температурата. Осъществяването на механична връзка на тензометричните схеми с изследвания материал се нарича „инсталиране“ или „апликация“ и е една малка наука сама за себе си: трябва да се внимава например да няма мехурчета въздух между тензометричната схема и материала или между тензометричната схема и лепилото.
Тензометричните схеми сами по себе си са практически безполезни. Промените в съпротивлението са толкова малки, че винаги трябва да се усилват, преди да бъдат измерени изобщо. Това става чрез измервателни усилватели, които се предлагат в много различни варианти за различни приложения.
Области на приложение
Две са основните области на приложение на тензометричните схеми: използването им при направата на сензори или за тест на издържливостта на материалите. При производството на сензори е много важно материалът да е с възможно най-висока издържливост (най-ниска умора). Целта на тензометричните схеми е да измерват физични величини, като сила и въртящ момент.
Умората на материалите (която по възможност не трябва да играе никаква роля при производството на сензорите) представлява от друга страна основен интерес при експерименталния анализ на вътрешните напрежения в материалите. Основният въпрос е, кога материалът ще се разруши при постоянно натоварване. Такива натоварвания се симулират, като материалът се подлага на тестови цикли, т.е. на многократни, повтарящи се натоварвания. Натоварването обикновено е толкова малко, че материалът да не бъде разрушен незабавно. По този начин натоварването варира в рамките на еластичния диапазон, където деформацията и механичното напрежение са все още линейно зависими един от друг.
Въпросът за умората на материалите е интересен в много области: при тестове на части за самолети, инфраструктурни съоръжения като мостове или железопътни линии или дори в електронни платки и модули. Компонентите са щателно тествани, за да се установи дали е осигурена необходимата експлоатационна издържливост, така че те да издържат на очакваните натоварвания.
Пример за приложение 1: Изпитания за умора на материала на самолетни конструкции.
Пример за приложение 2: Производство на сензори – в този случай сензор тип „греда“.
Пример за приложение 3: Тестове на инфраструктурни съоръжения като мостове
Кривата на умора за изпитваните материали е известна от лабораторните тестове. По този начин може да се предвиди след колко тестови цикъла и при какво натоварване материалът ще се разруши. Животът на материала се скъсява с всяко натоварване. Например колкото повече коли минават по един мост, толкова по-бързо ще се стигне до момента, когато някой от компонентите му ще се разруши. Колкото е по-голямо натоварването, толкова по-малък брой цикли може да издържи материалът. Тежките камиони са значително по-натоварващи конструкцията от леките автомобили.
Един от основните въпроси е „Какъв ще бъде товарът, който ще доведе наистина до разрушаване на материала?“ Например важно е да разберем, колко време ще издържи на натоварване един железопътен мост, който обаче е използван вече десетилетия. Експлоатационният персонал може документално да установи точно колко влакови композиции с какво тегло са преминали по моста през всичките тези години.