Meratorji napetosti so naprave, ki pretvarjajo izmerjeno elastično deformacijo trdnega telesa v električni signal. To se zgodi zaradi spremembe upora vodnika senzorja, ko se njegove geometrijske dimenzije spremenijo zaradi napetosti ali stiskanja.
tezni merilnik: princip delovanja
Glavni element naprave je merilnik napetosti, nameščen na elastični strukturi. Merilniki napetosti se kalibrirajo s postopnim obremenitvijo z dano naraščajočo silo in merjenjem velikosti električnega upora. Nato bo s spremembo mogoče določiti vrednosti uporabljene neznane obremenitve in deformacije, ki je sorazmerna z njo.
Odvisno od vrste senzorjev lahko merite:
- moč;
- pritisk;
- premik;
- navor;
- pospešek.
Tudi pri najbolj zapleteni shemi obremenitve konstrukcije, akcija naprejmerilnik napetosti se zmanjša na raztezanje ali stiskanje svoje mreže vzdolž dolgega odseka, imenovanega osnova.
Kateri merilniki napetosti se uporabljajo
Najpogostejše vrste merilnikov napetosti s spremembo aktivnega upora pod mehanskim delovanjem - merilniki napetosti.
žični merilniki napetosti
Najenostavnejši primer je ravni kos tanke žice, ki je pritrjen na preučevani del. Njegov upor je: r=pL/s, kjer je p upornost, L je dolžina, s je površina preseka.
Lepljena žica se skupaj z delom elastično deformira. Hkrati se spreminjajo njegove geometrijske dimenzije. Pri stiskanju se presek prevodnika poveča, pri raztegovanju pa se zmanjša. Zato sprememba upora spremeni predznak glede na smer deformacije. Značilnost je linearna.
Nizka občutljivost merilnika napetosti je privedla do potrebe po povečanju dolžine žice na majhnem merilnem območju. Da bi to naredili, je izdelan v obliki spirale (rešetke) žice, na obeh straneh zlepljene z izolacijskimi ploščami iz filma iz laka ali papirja. Za priključitev na električni tokokrog je naprava opremljena z dvema bakrenima žicama. Varjeni ali spajkani so na konce navite žice in so dovolj močni, da se povežejo z električnim vezjem. Merilnik napetosti je pritrjen na elastični element ali del, ki se preskuša, z lepilom.
Žične obremenitvene celice imajo naslednje prednosti:
- preprost dizajn;
- linearna odvisnost od deformacije;
- majhna velikost;
- nizka cena.
Slabosti vključujejo nizko občutljivost, vpliv temperature okolice, potrebo po zaščiti pred vlago, uporaba samo na področju elastičnih deformacij.
Žica se bo deformirala, ko adhezijska sila lepila nanjo močno preseže silo, potrebno za njeno raztezanje. Razmerje med vezno površino in površino prečnega prereza mora biti 160 do 200, kar ustreza njegovemu premeru 0,02-0,025 mm. Lahko se poveča do 0,05 mm. Nato se med normalnim delovanjem merilnika napetosti lepilni sloj ne uniči. Poleg tega senzor dobro deluje pri stiskanju, saj so žice sestavni del lepilne folije in dela.
Foljske obremenitve
Parametri in princip delovanja folijskih merilnih celic so enaki kot pri žičnih. Edini material je nikrom, konstantan ali titan-aluminijasta folija. Tehnologija izdelave fotolitografije omogoča pridobitev kompleksne konfiguracije rešetke in avtomatizacijo procesa.
V primerjavi z žičnimi merilniki napetosti so folijski merilniki napetosti bolj občutljivi, prenašajo več toka, bolje prenašajo napetost, imajo močnejše vodnike in imajo bolj zapleten vzorec.
polprevodniške obremenitve
Občutljivost senzorjev je približno 100-krat večja od žičnih, kar omogoča njihovo pogosto uporabo brez ojačevalcev. Slabosti so krhkost, velika odvisnost od temperature okolja in pomembnarazpon parametrov.
specifikacije merilnika napetosti
- Osnova - dolžina mrežnega vodnika (0,2-150 mm).
- Nominalni upor R - vrednost aktivne upornosti (10-1000 Ohm).
- Delovni napajalni tok Ip - tok, pri katerem se merilnik ne segreje opazno. Pri pregrevanju se spremenijo lastnosti materialov senzorskega elementa, podlage in lepilne plasti, kar popači odčitke.
- Faktor deformacije: s=(∆R/R)/(∆L/L), kjer sta R in L električni upor oziroma dolžina neobremenjenega senzorja; ∆R in ∆L - sprememba upora in deformacije zaradi zunanje sile. Za različne materiale je lahko pozitiven (R narašča z napetostjo) in negativen (R narašča s stiskanjem). Vrednost s za različne kovine se giblje od -12,6 do +6.
Sheme za vklop merilnikov napetosti
Za merjenje majhnih električnih signalov je najboljša možnost mostna povezava, v središču katere je voltmeter. Najenostavnejši primer bi bil merilnik napetosti, katerega vezje je sestavljeno po principu električnega mostu, v katerega od krakov je priključen. Njegov neobremenjeni upor bo enak kot ostali upori. V tem primeru bo naprava pokazala ničelno napetost.
Načelo delovanja merilnika napetosti je povečanje ali zmanjšanje vrednosti njegove upornosti, odvisno od tega, ali so sile tlačne ali natezne.
Temperatura merilnika napetosti pomembno vpliva na natančnost odčitkov. Če je podoben natezni upor vključen v drugi krak mostu, ki ne bo obremenjen, bo opravljal funkcijo kompenzacije toplotnih učinkov.
Merilno vezje mora upoštevati tudi vrednosti električnega upora žic, priključenih na upor. Njihov vpliv se zmanjša z dodajanjem druge žice, povezane z enim od zatičev merilnika napetosti in voltmetra.
Če sta oba senzorja prilepljena na elastični element tako, da se njune obremenitve razlikujejo po predznaku, se signal 2-krat okrepi. Če so v vezju štirje senzorji z obremenitvami, označenimi s puščicami na zgornjem diagramu, se bo občutljivost znatno povečala. S to povezavo žičnih ali folijskih merilnikov napetosti bo običajni mikroampermeter dal odčitke brez električnega ojačevalnika signala. Pomembno je, da natančno izberete vrednosti upora z uporabo multimetra, tako da so enake drug drugemu v vsaki roki električnega mostu.
Uporaba merilnikov napetosti v inženirstvu
- Del zasnove tehtnice: pri tehtanju se telo senzorja elastično deformira, z njim pa nanj prilepljeni merilniki napetosti, povezani v vezje. Električni signal se prenaša na števec.
- Spremljanje napetostno-deformacijskega stanja gradbenih konstrukcij in inženirskih konstrukcij v procesu njihove gradnje in obratovanja.
- Ameriški merilniki napetosti za merjenje deformacijskih sil med obdelavokovinski tlak v valjarnih in stiskalnicah.
- Visokotemperaturni senzorji za jeklarsko in drugo industrijo.
- Merilni senzorji z elastičnim elementom iz nerjavnega jekla za delovanje v kemično agresivnih okoljih.
Standardni merilniki napetosti so izdelani v obliki podložk, stebrov, enostavnih ali dvostranskih nosilcev, v obliki črke S. Za vse strukture je pomembno, da se sila uporablja v eni smeri: od zgoraj navzdol ali obratno. V težkih pogojih delovanja posebne zasnove omogočajo odpravo delovanja parazitskih sil. Njihove cene so v veliki meri odvisne od tega.
Za merilnike napetosti se cena giblje od sto rubljev do sto tisoč. Veliko je odvisno od proizvajalca, dizajna, materialov, tehnologije izdelave, vrednosti izmerjenih parametrov, dodatne elektronske opreme. Večinoma so sestavni deli različnih vrst tehtnic.
Sklep
Načelo delovanja vseh merilnikov napetosti temelji na transformaciji deformacije elastičnega elementa v električni signal. Za različne namene obstajajo različne izvedbe senzorjev. Pri izbiri merilnikov napetosti je pomembno ugotoviti, ali imajo vezja kompenzacijo za izkrivljanje odčitkov temperature in parazitske mehanske vplive.
