Gli estensimetri sono dispositivi che convertono la deformazione elastica misurata di un corpo solido in un segnale elettrico. Ciò accade a causa di una variazione della resistenza del conduttore del sensore quando le sue dimensioni geometriche cambiano da tensione o compressione.
Estensimetro: principio di funzionamento
L'elemento principale del dispositivo è un estensimetro montato su una struttura elastica. Gli estensimetri vengono calibrati caricando gradualmente con una data forza crescente e misurando l'entità della resistenza elettrica. Quindi, modificandolo, sarà possibile determinare i valori del carico sconosciuto applicato e la deformazione ad esso proporzionale.
A seconda del tipo di sensori, puoi misurare:
- forza;
- pressione;
- sposta;
- coppia;
- accelerazione.
Anche con lo schema di carico più complesso della struttura, l'azione proseguel'estensimetro si riduce ad allungare o comprimere il suo reticolo lungo un lungo tratto chiamato base.
Quali estensimetri vengono utilizzati
I tipi più comuni di estensimetri con una variazione della resistenza attiva sotto azione meccanica - estensimetri.
Estensimetri per cavi
L'esempio più semplice è un pezzo diritto di filo sottile, che è attaccato alla parte in studio. La sua resistenza è: r=pL/s, dove p è la resistività, L è la lunghezza, s è l'area della sezione trasversale.
Insieme alla parte, il filo incollato viene deformato elasticamente. Allo stesso tempo, le sue dimensioni geometriche cambiano. Quando viene compressa, la sezione trasversale del conduttore aumenta e, quando viene allungata, diminuisce. Pertanto, il cambiamento di resistenza cambia segno a seconda della direzione della deformazione. La caratteristica è lineare.
La bassa sensibilità dell'estensimetro ha portato alla necessità di aumentare la lunghezza del filo in una piccola area di misura. Per fare questo, è realizzato sotto forma di una spirale (reticolo) di filo, incollata su entrambi i lati con piastre isolanti da un film di vernice o carta. Per il collegamento al circuito elettrico, il dispositivo è dotato di due conduttori in rame. Sono saldati o saldati alle estremità del filo a spirale e sono abbastanza forti da poter essere collegati a un circuito elettrico. L'estensimetro è fissato all'elemento elastico o alla parte in prova con la colla.
Le celle di carico a filo presentano i seguenti vantaggi:
- design semplice;
- dipendenza lineare dalla deformazione;
- taglia piccola;
- prezzo basso.
Gli svantaggi includono bassa sensibilità, influenza della temperatura ambiente, necessità di protezione dall'umidità, utilizzo solo nell'area delle deformazioni elastiche.
Il filo si deformerà quando la forza di adesione dell'adesivo su di esso supera di gran lunga la forza necessaria per allungarlo. Il rapporto tra la superficie di incollaggio e l'area della sezione trasversale dovrebbe essere compreso tra 160 e 200, che corrisponde al suo diametro di 0,02-0,025 mm. Può essere aumentato fino a 0,05 mm. Quindi, durante il normale funzionamento dell'estensimetro, lo strato adesivo non verrà distrutto. Inoltre, il sensore funziona bene in compressione, poiché i trefoli di filo sono solidali con la pellicola adesiva e la parte.
Celle di carico a lamina
I parametri e il principio di funzionamento della cella di carico a lamina sono gli stessi di quelli a filo. L'unico materiale è la lamina di nichelcromo, costantana o titanio-alluminio. La tecnologia di produzione della fotolitografia consente di ottenere una configurazione reticolare complessa e automatizzare il processo.
Rispetto agli estensimetri a filo, gli estensimetri a lamina sono più sensibili, trasportano più corrente, trasmettono meglio la deformazione, hanno conduttori più forti e hanno uno schema più complesso.
Celle di carico a semiconduttore
La sensibilità dei sensori è circa 100 volte superiore a quella a filo, il che consente di utilizzarli frequentemente senza amplificatori. Gli svantaggi sono fragilità, elevata dipendenza dalla temperatura ambiente e significativiparametro spread.
Specifiche degli estensimetri
- Base - la lunghezza del conduttore della griglia (0,2-150 mm).
- Resistenza nominale R - valore di resistenza attiva (10-1000 Ohm).
- Corrente di alimentazione di lavoro Ip - corrente alla quale l'estensimetro non si riscalda in modo evidente. In caso di surriscaldamento, le proprietà dei materiali dell'elemento sensibile, della base e dello strato adesivo cambiano, distorcendo le letture.
- Fattore di deformazione: s=(∆R/R)/(∆L/L), dove R e L sono rispettivamente la resistenza elettrica e la lunghezza del sensore scarico; ∆R e ∆L - variazione della resistenza e deformazione da forze esterne. Per diversi materiali può essere positivo (R aumenta con la tensione) e negativo (R aumenta con la compressione). Il valore di s per metalli diversi varia da -12,6 a +6.
Schemi di accensione degli estensimetri
Per misurare piccoli segnali elettrici, l'opzione migliore è un collegamento a ponte, al centro del quale c'è un voltmetro. L'esempio più semplice sarebbe un estensimetro, il cui circuito è assemblato secondo il principio di un ponte elettrico, in uno dei bracci di cui è collegato. La sua resistenza scarica sarà la stessa del resto dei resistori. In questo caso, il dispositivo mostrerà tensione zero.
Il principio di funzionamento di un estensimetro è aumentare o diminuire il valore della sua resistenza, a seconda che le forze siano di compressione o trazione.
La temperatura dell'estensimetro ha un effetto significativo sull'accuratezza delle letture. Se una resistenza alla deformazione simile è inclusa nell' altro braccio del ponte, che non verrà caricato, svolgerà la funzione di compensazione degli effetti termici.
Il circuito di misura deve tenere conto anche dei valori della resistenza elettrica dei fili collegati alla resistenza. La loro influenza viene ridotta aggiungendo un altro filo collegato a uno dei pin dell'estensimetro e del voltmetro.
Se entrambi i sensori sono incollati sull'elemento elastico in modo tale che i loro carichi differiscano nel segno, il segnale verrà amplificato di 2 volte. Se nel circuito sono presenti quattro sensori con carichi indicati dalle frecce nel diagramma sopra, la sensibilità aumenterà notevolmente. Con questo collegamento di estensimetri a filo o a lamina, un microamperometro convenzionale fornirà letture senza un amplificatore di segnale elettrico. È importante selezionare accuratamente i valori di resistenza utilizzando un multimetro in modo che siano uguali tra loro in ciascun braccio del ponte elettrico.
Applicazione di estensimetri in ingegneria
- Parte del design della bilancia: durante la pesatura, il corpo del sensore si deforma elasticamente e con esso gli estensimetri incollati ad esso, collegati in un circuito. Il segnale elettrico viene trasmesso al contatore.
- Monitoraggio dello stato di deformazione delle strutture edilizie e di ingegneria nel processo di costruzione e funzionamento.
- Estensimetri per misurare le forze di deformazione durante la lavorazionepressione del metallo nei laminatoi e nelle presse di stampaggio.
- Sensori ad alta temperatura per l'acciaio e altri settori.
- Sensori di misura con elemento elastico in acciaio inox per il funzionamento in ambienti chimicamente aggressivi.
Gli estensimetri standard sono realizzati sotto forma di rondelle, colonne, travi semplici o bifacciali, a forma di S. Per tutte le strutture, è importante che la forza venga applicata in una direzione: dall' alto verso il basso o viceversa. In condizioni operative gravose, design speciali consentono di eliminare l'azione delle forze parassite. I loro prezzi dipendono in gran parte da questo.
Per gli estensimetri, il prezzo varia da centinaia di rubli a centinaia di migliaia. Molto dipende dal produttore, dal design, dai materiali, dalla tecnologia di produzione, dai valori dei parametri misurati, dalle apparecchiature elettroniche aggiuntive. Per la maggior parte, sono componenti di diversi tipi di scale.
Conclusione
Il principio di funzionamento di tutti gli estensimetri si basa sulla trasformazione della deformazione dell'elemento elastico in un segnale elettrico. Per scopi diversi, sono disponibili diversi modelli di sensori. Quando si scelgono gli estensimetri, è importante determinare se i circuiti hanno una compensazione per le letture di temperatura distorte e le influenze meccaniche parassite.
