Первичные преобразователи механических напряжений

Содержание

стр.

1. Первичные преобразователи механических величин……………................2

1.1. Общие. сведения……………………………………………...............…...2

1.2. Первичные преобразователи механических

напряжений и деформаций ……………………………………………. 5

1.3.Первичные преобразователи механических усилий……………………..

ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Общие сведения

Классификация и характеристика механических величин. Все многообразие известных механических величин можно разбить на три большие группы:

– первая группа включает геометрические параметры различных деталей в обрабатывающей промышленности, характеристики конструктивных форм и оценку шероховатости поверхностей, уровни сыпучих веществ и жидкостей в различных сосудах, перемещение режущих инструментов. Диапазон измерения от долей микрометров до десятков тысяч метров.

– вторая группа включает физико-механические величины, оценивающие результаты взаимодействия (или воздействий) элементов механических систем или одной механической системы на другую: это силы, моменты, внутренние напряжения (нормальные или тангенциальные); давления (т.е. распределенная сила по площади), перепады давлений в жидкостях и газах, акустические шумы. Диапазон изменения давления как правило находится в пределах от 1,3×10^-8Па (10^-10 мм. рт) до 10⁸ Па.

– третья группа это - кинематические параметры определяющие положение, скорость и ускорение элементов и целых механических систем друг относительно друга, а также параметры вибраций (вибрационные перемещения, скорости и ускорения).

ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Первичные преобразователи механических напряжений

Измерение внутренних механических напряжений и относительных деформаций в различных элементах конструкций механизмов и машин, а также др. объектов техники представляет по существу одну и туже задачу, если s не превышает предела упругости, т. е. выполняется закон Гука

D l/l=s/Е s=e×Е. (1.1)

Из выражения (1.1) видно, что относительные деформации (D l/l) зависят отмеханических напряжений s. Поэтому величина s определяется при измерениях по относительным деформациям (D l/l). Действительно, измерение местных (локальных) напряжений в элементах сложных конструкций осуществить на основе других информативных параметров настолько сложно, что в большинстве случаев в качестве меры деформаций используется деформации D l/l, а по ним уже определяется s.

Таким образом, при испытаниях и контроле машин, оборудования непосредственному измерению подвергаются относительные деформации, причем следует иметь в виду, что механические напряжения s так же, как и абсолютные деформации D l являются величинами векторными, т. е. имеют соответствующее направление. Известно применение различных физико-технических эффектов для измерения e _i=f(s): резистивный (на основе перемещения движка потенциометра), оптические, колебательные (струнные), эффекты магнитоанизотропии, магнитоупругости магнитострикциии и др., но наиболее часто применяют тензорезистивный эффект.

Для измерения деформаций и механических s наиболее часто в настоящее время применяется тензорезистивный эффект, которым обладают ряд проводниковых и полупроводниковых материалов.

Суть этого эффекта состоит в том, что под воздействием механических напряжений и деформаций эти материалы изменяют свои электрические свойства, в частности активное сопротивление. Таким образом, входной величиной тензорезистивного первичного преобразователя является деформация e_l(s_в), а выходной – изменение активного сопротивления R.

Рассмотрим подробнее процесс измерительного преобразования в этом первичном преобразователе.

Известно, что сопротивление одиночного провода длинной l определяется выражением

, (1.2)

Если последнее выражение прологарифмировать, а затем продифференцировать, то получим зависимость относительного изменения выходного сигнала терморезистивного преобразователя (ТРП) деформации в виде

, (1.3)

Выражение (1.3.) показывает, что изменение относительного сопротивления e = вызывается изменением ряда геометрических параметров проводника, а именно: изменение dl/l, d r/r и ds/s.

Это выражение можно представить в другой форме, если учесть что изменение площади сечения проволоки связаны соотношением:

, (1.4)

а связь между поперечным и продольным изменением размеров проводника устанавливается соотношением:

, (1.5)

где m – коэффициент Пуассона.

Тогда получим

; (1.6)

. (1.7)

Относительное изменение удельного сопротивления d r/r, являющееся функцией изменения объема, [1] можно записать в виде

, (1.8)

где g_р – коэффициент, зависящий от особенностей строения кристаллической

структуры проводника.

Тогда на основании можно получить чувствительность этого первичного преобразователе в виде:

(1.9)

где m – относительное изменение r, вызванное относительной деформацией

dl/l =1.

Для большинства металлов m » 0,3 в области упругих деформаций, а области пластических деформаций при постоянном объеме m » 0,5.

Следует заметить, что электрическое сопротивление зависит и от изменения температуры окружающей среды (см. раздел терморезистивные преобразователи температуры), т.к. удельное сопротивление металлов есть функция

, (1.10)

где n – число свободных электронов в единице объема; е – заряд электрона, а u – его подвижность, определяемая его скоростью в поле, имеющем напряженность Е = 1 В/см; обычно r металлов мало r » 10^-5¸10^-6 Ом/см, что объясняется высокой концентрацией электронов, не зависящей от температуры. При высоких температурах r зависит от колебаний кристаллической решетки, т.е. определяется подвижностью электронов. U=f(T), концентрация примесей в металле. При понижении температуры до 30–40 К сопротивление металлов уменьшается почти линейно, т.е. r (Т)=kT, а при температуре, стремящейся к Т = 0К, оно становится пропорциональной Т ⁵.

Поиск по сайту: