Venymämittarit ovat laitteita, jotka muuttavat kiinteän kappaleen mitatun elastisen muodonmuutoksen sähköiseksi signaaliksi. Tämä johtuu anturin johtimen resistanssin muutoksesta, kun sen geometriset mitat muuttuvat jännityksestä tai puristamisesta.
Vennysmittari: toimintaperiaate
Laitteen pääelementti on venymäanturi, joka on asennettu elastiseen rakenteeseen. Venymämittarit kalibroidaan portaittaisella kuormituksella tietyllä kasvavalla voimalla ja mittaamalla sähkövastuksen suuruus. Sitten sitä muuttamalla voidaan määrittää käytetyn tuntemattoman kuormituksen ja siihen verrannollisen venymän arvot.
Anturityypistä riippuen voit mitata:
- voimaa;
- paine;
- siirrä;
- vääntömomentti;
- kiihtyvyys.
Jopa rakenteen monimutkaisimmalla latauskaaviolla, toiminta jatkuuvenymämittari pelkistyy hilan venyttämiseen tai puristamiseen pitkin pitkää osaa, jota kutsutaan pohjaksi.
Mitä venymäantureita käytetään
Yleisimmät venymäanturit, joiden aktiivinen vastus muuttuu mekaanisen vaikutuksen vaikutuksesta - venymämittarit.
Johdinvenymämittarit
Yksinkertaisin esimerkki on suora ohut lanka, joka kiinnitetään tutkittavaan osaan. Sen vastus on: r=pL/s, missä p on ominaisvastus, L on pituus, s on poikkileikkausala.
Yhdessä osan kanssa liimattu lanka vääntyy elastisesti. Samalla sen geometriset mitat muuttuvat. Puristettaessa johtimen poikkileikkaus kasvaa, ja venytettynä se pienenee. Siksi vastuksen muutos muuttaa etumerkkiä muodonmuutoksen suunnasta riippuen. Ominaisuus on lineaarinen.
Venymämittarin alhainen herkkyys johti tarpeeseen lisätä langan pituutta pienellä mittausalueella. Tätä varten se on valmistettu lankaspiraalina (ristikkona), joka on liimattu molemmilta puolilta eristyslevyillä lakka- tai paperikalvosta. Sähköpiiriin kytkemistä varten laite on varustettu kahdella kuparijohdolla. Ne on hitsattu tai juotettu kierretyn langan päihin ja ne ovat riittävän vahvoja kytkeäkseen sähköpiiriin. Venymämittari kiinnitetään elastiseen elementtiin tai testattavaan osaan liimalla.
Langaisilla kuormituskennoilla on seuraavat edut:
- yksinkertainen muotoilu;
- lineaarinen riippuvuus jännityksestä;
- pieni koko;
- halpa hinta.
Haittoja ovat alhainen herkkyys, ympäristön lämpötilan vaikutus, tarve suojata kosteudelta, käyttö vain kimmoisten muodonmuutosten alueella.
Lanka deformoituu, kun liiman tartuntavoima siihen ylittää huomattavasti sen venyttämiseen tarvittavan voiman. Kiinnityspinnan ja poikkileikkauspinta-alan suhteen tulee olla 160-200, mikä vastaa sen halkaisijaa 0,02-0,025 mm. Sitä voidaan kasvattaa 0,05 mm:iin asti. Tällöin liimakerros ei tuhoudu venymämittarin normaalin käytön aikana. Lisäksi anturi toimii hyvin puristuksessa, koska lankasäikeet ovat kiinteästi liimakalvon ja osan kanssa.
Foil Load Cells
Kalvokuormituskennon parametrit ja toimintaperiaate ovat samat kuin lankakennon. Ainoa materiaali on nikromi-, konstantaani- tai titaani-alumiinifolio. Fotolitografian valmistustekniikka mahdollistaa monimutkaisen hilakonfiguraation saamisen ja prosessin automatisoinnin.
Verrattuna langan venymäantureisiin, foliovenymamittarit ovat herkempiä, kuljettavat enemmän virtaa, siirtävät jännitystä paremmin, niissä on vahvemmat johdot ja monimutkaisempi kuvio.
Puolijohdekuormituskennot
Antureiden herkkyys on noin 100 kertaa suurempi kuin lankojen, joten niitä voidaan käyttää usein ilman vahvistimia. Haittoja ovat hauraus, suuri riippuvuus ympäristön lämpötilasta ja merkittäväparametrien leviäminen.
Vennysmittarin tiedot
- Pohja - ristikon johtimen pituus (0,2-150 mm).
- Nimellisvastus R - aktiivinen resistanssiarvo (10-1000 ohmia).
- Käyttövirta Ip - virta, jolla jännitysmittari ei kuumene merkittävästi. Ylikuumennettaessa anturielementin, pohjan ja liimakerroksen materiaalien ominaisuudet muuttuvat, mikä vääristää lukemia.
- Vennyskerroin: s=(∆R/R)/(∆L/L), missä R ja L ovat sähkövastus ja kuormittamattoman anturin pituus, vastaavasti; ∆R ja ∆L - resistanssin muutos ja muodonmuutos ulkoisesta voimasta. Eri materiaaleille se voi olla positiivinen (R kasvaa jännityksen myötä) ja negatiivinen (R kasvaa puristamalla). S:n arvo eri metalleille vaihtelee välillä -12,6 - +6.
Venymäanturien päällekytkentäkaaviot
Pienten sähköisten signaalien mittaamiseen paras vaihtoehto on siltaliitäntä, jonka keskellä on volttimittari. Yksinkertaisin esimerkki olisi venymäanturi, jonka piiri on koottu sähkösillan periaatteella, jonka yhteen varteen se on kytketty. Sen kuormittamaton vastus on sama kuin muiden vastusten. Tässä tapauksessa laite näyttää nollajännitettä.
Venymämittarin toimintaperiaate on lisätä tai vähentää sen vastuksen arvoa riippuen siitä, ovatko voimat puristus- vai vetovoimat.
Venymämittarin lämpötilalla on merkittävä vaikutus lukemien tarkkuuteen. Jos samanlainen jännityskestävyys sisältyy sillan toiseen varteen, jota ei kuormiteta, se suorittaa lämpövaikutuksia kompensoivan toiminnon.
Mittauspiirissä tulee ottaa huomioon myös vastukseen kytkettyjen johtimien sähkövastuksen arvot. Niiden vaikutusta vähennetään lisäämällä toinen johdin, joka on kytketty yhteen venymämittarin ja volttimittarin nasta.
Jos molemmat anturit liimataan elastiseen elementtiin siten, että niiden kuormitukset eroavat etumerkillisesti, signaali vahvistuu 2 kertaa. Jos piirissä on neljä anturia, joiden kuormat on merkitty yllä olevassa kaaviossa nuolilla, herkkyys kasvaa merkittävästi. Tämän johdon tai kalvon venymäanturien liitännällä perinteinen mikroampeerimittari antaa lukemia ilman sähköistä signaalivahvistinta. On tärkeää valita resistanssiarvot tarkasti yleismittarilla siten, että ne ovat samat keskenään sähkösillan kummassakin haarassa.
Venymäanturien käyttö tekniikassa
- Osa vaakojen suunnittelua: punnittaessa anturin runko muotoutuu elastisesti ja sen mukana siihen liimatut venymämittarit kytkettynä piiriin. Sähköinen signaali välitetään mittariin.
- Rakennusrakenteiden ja teknisten rakenteiden jännitysvenymätilan seuranta niiden rakentamisen ja käytön aikana.
- Vennysmittarit muodonmuutosvoimien mittaamiseen koneistuksen aikanametallin paine valssaamoissa ja meistopuristimissa.
- Korkean lämpötilan anturit terästeollisuudelle ja muille teollisuudenaloille.
- Mittausanturit, joissa on ruostumattomasta teräksestä valmistettu elastinen elementti käytettäväksi kemiallisesti aggressiivisissa ympäristöissä.
Vakiovenymämittarit valmistetaan aluslevyjen, pylväiden, yksinkertaisten tai kaksipuolisten S-muotoisten palkkien muodossa. Kaikissa rakenteissa on tärkeää, että voima kohdistetaan yhteen suuntaan: ylhäältä alas tai päinvastoin. Vaikeissa käyttöolosuhteissa erikoissuunnittelu mahdollistaa loisvoimien toiminnan poistamisen. Niiden hinnat riippuvat pitkälti tästä.
Venymäanturien hinta vaihtelee satoista ruplista satoihin tuhansiin. Paljon riippuu valmistajasta, suunnittelusta, materiaaleista, valmistustekniikasta, mitattujen parametrien arvoista, lisäelektroniikkalaitteista. Suurimmaksi osaksi ne ovat erityyppisten vaakojen komponentteja.
Johtopäätös
Kaikkien venymäanturien toimintaperiaate perustuu elastisen elementin muodonmuutoksen muuntamiseen sähköiseksi signaaliksi. Eri tarkoituksiin on olemassa erilaisia anturimalleja. Venymäantureita valittaessa on tärkeää selvittää, onko piireissä kompensaatio vääristyville lämpötilalukemille ja loismekaanisille vaikutuksille.
