9. MĚŘENÍ SÍLY TENZOMETRICKÝM MŮSTKEM

Transkript

1 9. MĚŘENÍ SÍLY TENZOMETICKÝM MŮSTKEM Úvod: Tenzometry se používají např. pro: Měření deformací objektů. Měření síly, tlaku, krouticího momentu, momentu síly, mechanického napětí spojů. Měření zatížení nosníků, mostů, domů apod. Měření vibrací a deformace křídel a trupu letadel. Měření rozsáhlých deformačních polí složitě namáhaných mechanických konstrukcí. Kontrolu pevnostních výpočtů a měřením skutečného mechanického namáhání. Mimo jiné jsou nedílnou součástí: Šestikomponentních vah pro měření v aerodynamickém tunelu. Přesných vah využívaných například v automobilovém průmyslu Nedílná součást některých integrovaných senzorů tlaku a síly. Jednoosý snímač slouží jako čidlo od jednoduchých vah až po např. vážní systémy pro nákladní automobily. V současnosti se používají nejčastěji kovové a polovodičové tenzometry, kde dochází ke změně elektrického odporu při deformaci materiálu. Nejjednodušší je zřejmě využití ve vážních systémech. Sofistikovanější použití představují systémy složené z většího počtu senzorů. Ty se pak uplatňují pro diagnostické a životnostní zkoušky např. letadel, mostních konstrukcí nebo staveb typu televizní vysílač, kde dochází k pohybům vlivem větru. S tenzometry můžeme setkat i v diagnostice točivých strojů apod. Na posledním obrázku je senzor, který je součástí robotické paže a jeho úkolem je snímat ve třech osách sílu působící na rameno robota a ve třech osách i kroutící moment. Z těchto údajů lze pak vyhodnocovat situaci a řídit pohyby robota podobně jako to provádí člověk při zvedání nesouměrného břemene. Činnost tenzometrů ovlivňuje teplota, vlhkost a elmg. rušení. Dále je to hystereze, únava materiálu (statická i dynamická) a citlivost v příčné ose.

2 Otázky k úloze (domácí příprava): Na jakém principu pracuje odporový tenzometr? Jak je definován součinitel deformační citlivosti k? Jaké jsou výhody zapojení v tzv. plném můstku (použity 4 tenzometry)? Jak se změní citlivost při zapojení se nebo s tenzometrem (tzv. polomostové popř. čtvrtmostové zapojení)? Jaká je další nevýhoda zapojení s tenzometrem (tzv. čtvrtmostové zapojení)? Úkoly měření:. Změřte převodní charakteristiku deformačního snímače síly pro měření hmotnosti v rozsahu kg.. rčete hmotnost neznámého závaží (například svého batohu). 3. Ověřte, zda lze měření zpřesnit komutací napájecího napětí můstku. 4. Připojte senzor k měřicímu modulu Omega a pomocí závaží o známé hmotnosti zjistěte, v jakých jednotkách zobrazuje změřenou hodnotu. 5. Ohmmetrem změřte celkový odpor můstku a ověřte, jak se změní při zatížení. Naměřenou hodnotu vysvětlete. 6. Pro použitý snímač určete základní odpor tenzometru v můstku a změnu pro zatížení kg. Dále spočtěte prodloužení tenzometru, jestliže součinitel deformační citlivosti k = a délka tenzometru je 5 mm. 7. Zapojte měřicí přípravek s tenzometry na vetknutém nosníku včetně diferenční napěťového zesilovače (viz obr. 3). 8. Změřte výstupní napětí můstku pro tři zapojení, tj. se čtyřmi, dvěma a jedním tenzometrem) při zatížení do max. hmotnosti závaží kg a napájecím napětí můstku V. Aby bylo výstupní napětí můstku v klidovém stavu nulové, je třeba vždy před zatížením vyvážit příslušné zapojení pomocí odporových dekád připojených paralelně k sousedním větvím můstku (zachovejte d > k). 9. Porovnejte výsledky pro jednotlivá zapojení. Nepovinná část:. K jednotce OMEGA připojte senzor síly Tedea-Huntleigh (Vishay) Model No. a pomocí známého závaží zjistěte jeho kalibrační konstanty (offset a citlivost). Změřte, jakou sílu jste schopni vyvinout tlakem zápěstí při vodorovné pozici Vaší natažené paže (v sedě). Senzor má maximální rozsah 35 N, nenamáhejte jej proto jiným způsobem, kdy lze tuto sílu snadno překročit! Poznámky k měření: K bodům až 3: Zapojení viz obr.. Napětí na diagonále můstku měřte multimetrem. Senzor napájejte ze zdroje stejnosměrného napětí o velikosti V (nap). K simulaci silového působení je k dispozici několik kalibrovaných závaží, kterými je pružný člen postupně zatěžován. Jednotkou síly je Newton. Výrobce používá jednotku KgF, kgf = 9,8 N. 9,8 je normální tíhové zrychlení (u hladiny moře na 45 severní šířky)

3 Důležité: Dodržujte následující zapojení vodičů senzoru. nap + červená nap - černá out + zelená out - bílá Obr.. Schéma zapojení pro úkoly - 3 K bodu 3: Stejnosměrné můstkové obvody jsou omezeny nestálostí nuly stejnosměrných zesilovačů a termoelektrickými napětími (vznikají na styku materiál senzoru přívod k měřicímu obvodu, lze řešit výpočtem rozdílu údajů při komutaci polarity napájecího zdroje). Oba problémy lze odstranit střídavým napájením za cenu komplikací vyvolaných účinky parazitních impedancí vedení a vlastních tenzometrů. K bodům 4 a5: Zapojení viz obr.. Modul Omega budí senzor stejnosměrným napětím V a měří napětí na diagonále, které následně převádí na zobrazenou hodnotu pomocí převodních konstant uložených v paměti přístroje. Obr.. Schéma zapojení pro úkoly 4 a 5 K bodu 7: Na vetknutém nosníku jsou nalepené celkem čtyři tenzometry (dva na horní straně, dva na dolní). Takto jsou připravené pro zapojení v plném můstku. Na měřicím přípravku lze pomocí páčkových přepínačů zvolit zapojení čtvrtinového, polovičního a plného můstku. Čtvrtinový a poloviční můstek je doplněn rezistory Ω umístěnými v měřicím přípravku. Můstky lze vyvážit pomocí odporových dekád V a V, které lze zapojit paralelně k dvojici a T, a

4 dvojici a T. Výstupní napětí z měřicího přípravku je zesíleno pomocí diferenčního napěťového zesilovače a jeho výstup měřen multimetrem. Obr. 3. Schéma zapojení měřicího přípravku s tenzometry na vetknutém nosníku včetně diferenčního napěťového zesilovače K bodu 8: S přípravkem vetknutého nosníku pracujte opatrně. Nosník takových rozměrů a uložení se nevratně deformuje při zatížení závažím větším než kg. Využijte aretační šroub pro zajištění nosníku po konci měření. Odporové tenzometry a měření síly K vyhodnocování mechanického napětí se využívají odporové tenzometry, které jsou nalepeny na místa nosníku s maximálním namáháním. Pokud je namáhán vodič o délce l s průřezem S v tahu silou F, způsobuje tato síla nejen změnu délky a průřezu, ale také mikrostrukturální změnu materiálu, která má za následek změnu rezistivity materiálu ρ. l Celkový odpor vodiče s průřezem S a délkou l je dán vztahem: S Celkovou relativní změnu odporu lze potom vyjádřit pomocí totálního diferenciálu: Typický tenzometr je znázorněn na obr. 4. l S l S

5 Obr. 4. Odporový tenzometr Soustava čtyř odporových tenzometrů tvořících plný Wheatstoneův můstek (obr. 5) je nalepena na pružný člen. Mezi nejčastěji používané pružné členy patří nosník ve tvaru písmene S (obr. 6). Pokud je nosník namáhán v tahu, tenzometry a 3 jsou rovněž namáhány v tahu a jejich odpor se zvyšuje, zatím co tenzometry a 4 jsou namáhány v tlaku a jejich odpor se snižuje. 3=+ F =- 4=- =+ 3 4 F Obr. 5. Plný Wheatstoneův můstek Obr. 6. Tenzometrický snímač síly Pro výstupní napětí pak platí: a po dosazení kde je napájecí napětí můstku, Δ/ je relativní změna odporu jednotlivých tenzometrů. V některých aplikacích se používá zapojení pouze se nebo s tenzometrem (tzv. polomostové popř. čtvrtmostové) viz obr. 7 a 8. Pro zapojení se tenzometry (tenzometry a jsou nahrazeny rezistory s odporem ) pak platí: Závislost výstupního napětí na změně odporu je opět lineární a dochází i k teplotní kompenzaci, ale citlivost je oproti zapojení se 4 tenzometry poloviční.

6 = 3=+ = 3=+ 4=- = = 4= Obr. 7. Zapojení se tenzometry (polomůstkové) Obr. 8. Zapojení s tenzometrem (čtvrtmůstkové) V případě zapojení s tenzometrem pak platí: ( ) ( ) ( ) 4 a po další úpravě BD AC 4 V tomto případě však závislost výstupního napětí na změně odporu není lineární, nedochází ani k teplotní kompenzaci a citlivost je oproti zapojení se 4 tenzometry pouze čtvrtinová.

7 Příloha: Kalibrační list použitého senzoru