Tensometry (från latin tensus - stressad och grekiska μετρέω - mått) - en uppsättning experimentella metoder för att bestämma den mekaniska spänningen hos en del, struktur. Den är baserad på bestämning av deformationer eller andra materialparametrar orsakade av mekanisk påkänning (till exempel dubbelbrytning eller rotation av ljuspolarisationsplanet i belastade transparenta delar).
Instrument för att mäta töjningar kallas töjningsmätare . Enligt funktionsprincipen är töjningsmätare indelade i elektriska, optiska, pneumatiska, akustiska. Töjningsmätaren inkluderar en töjningsmätare och indikeringsanordningar (indikatorer) och/eller registreringsanordningar.
Töjningsmätare utformade för att mäta deformationer på många punkter av föremålet som studeras och utrustade med medel för att bearbeta data, registrera och överföra dem som styrsignaler kallas ofta töjningsmätare eller töjningsmätare.
Fram till 1980-talet var töjningsmätare en uppsättning brännare som registrerade signalerna från många sensorer på pappersband. Utvecklingen av datorteknik och användningen av ADC har förändrat utseendet på denna utrustning. Det blev möjligt att inte bara registrera töjningsgivares signaler, utan också att digitalt bearbeta dem i realtid , visualisera deformationer på monitorskärmar och automatiskt utfärda styrsignaler för att ändra driftsläget för den testade strukturen, till exempel för att kompensera för deformationen av delar av manipulatorer i CNC- maskiner , vilket förbättrar noggrannheten.
Många olika metoder för att mäta stammar har föreslagits, var och en av dem har sina egna fördelar och nackdelar, så valet av en eller annan metod beror på den specifika uppgiften.
Baserat på mätning av små förskjutningar av ytor, som registreras till exempel med interferensmetoder , moirémönster etc.
En separat grupp av optiska metoder är fiberoptiska sensorer baserade på att mäta deformationen av en fiberoptisk tråd limmad på föremålet som studeras, där ett Bragg-gitter bildas .
För att studera deformationerna av optiskt transparenta delar används metoder baserade på effekten av förekomsten av dubbelbrytning eller rotation av polarisationsplanet i belastade delar - fenomenet fotoelasticitet . I detta fall placeras delen mellan korsade polarisatorer och ett visualiserat mönster av spänningar observeras i genomsläppt ljus. I detta fall studeras vanligtvis deformationer av optiskt transparenta modeller av delar [1] .
De är baserade på att mäta trycket av komprimerad luft i munstycket intill ytan på den del som studeras. Ändring av avståndet till munstycket från ytan orsakar en registrerad tryckförändring.
När delar laddas ändras materialets akustiska parametrar, såsom ljudets hastighet , akustiskt motstånd , dämpning. Dessa förändringar kan mätas med piezoelektriska sensorer.
Dessutom inkluderar akustiska metoder sensorer, när de är laddade ändras frekvensen av naturliga svängningar av det känsliga elementet - till exempel strängsensorer.
Ändringen i de elektriska parametrarna för materialet i det känsliga elementet i töjningsmätaren under belastning används, vanligtvis förändringar i elektriskt motstånd (töjningsresistiva sensorer) eller genererar spänningar under deformationer (piezoelektriska). Nackdelen med de senare är att de är olämpliga för att mäta statiska deformationer, men de har en mycket hög känslighet.
Konventionellt inkluderar elektriska metoder olika elektriska mätare av små förskjutningar - kapacitiva, induktiva sensorer, etc.
När materialet deformeras förändras de interatomära avstånden i metallgittret i materialet i föremålet som studeras, vilket kan mätas med röntgendiffraktionsmetoder .
Nu är det den mest bekväma och mest använda metoden. När elektriskt ledande material (metaller, halvledare ) deformeras ändras deras elektriska resistivitet och som ett resultat ändras resistansen hos sensorns känsliga element. Som ledande material används vanligtvis metallfilmer avsatta på ett flexibelt dielektriskt substrat. På senare tid har halvledarsensorer använts. Motståndet hos avkänningselementet mäts på ett eller annat sätt.
En metallegeringsfilm avsätts på ett dielektriskt substrat (till exempel en polymerfilm eller glimmer ) i ett vakuum genom en mask , eller så bildas en ledande konfiguration på substratet med fotolitografiska metoder. I det senare fallet appliceras ett skikt av fotoresist på en i förväg avsatt kontinuerlig metallfilm på ett substrat och belyses med ultraviolett strålning genom en fotomask . Beroende på typen av fotoresist tvättas antingen exponerade eller oexponerade områden av fotoresisten bort med ett lösningsmedel. Sedan löses metallfilmen oskyddad av fotoresisten (till exempel med syra), vilket bildar ett figurmönster av metallfilmen.
Som filmmaterial används vanligtvis legeringar som har en låg temperaturresistivitetskoefficient (till exempel manganin ) - för att minska temperaturens inverkan på töjningsmätaravläsningarna.
Vid användning av en töjningsmätare limmas substratet på ytan av ett föremål som studeras för deformation eller ytan av ett elastiskt deformerbart element vid användning i vågar , dynamometrar , torsiometrar , trycksensorer etc. så att töjningsmätaren deformeras tillsammans med delen.
Töjningskänsligheten hos en sådan töjningsmätare beror på riktningen för appliceringen av den deformerande kraften. Den största känsligheten i spänning och kompression är alltså längs den vertikala axeln i mönstret och nästan noll i den horisontella, eftersom metallremsor i sicksack-konfiguration ändrar sitt tvärsnitt kraftigare under vertikal deformation.
Töjningsgivaren ansluts med hjälp av elektriska ledare till en extern elektrisk mätkrets.
Vanligtvis ingår töjningsmätare i en eller två armar av en balanserad Wheatstone-bro som drivs av en konstant spänningskälla (bryggdiagonal A-D). Med hjälp av ett variabelt motstånd R 2 balanseras bryggan, så att i frånvaro av en applicerad kraft görs diagonalspänningen lika med noll. En signal tas från diagonalen på bryggan B-C och matas sedan till mätanordningen , differentialförstärkaren eller ADC .
När förhållandet R 1 / R 2 = R x / R 3 är uppfyllt, är spänningen på bryggans diagonal noll. Med deformation ändras motståndet R x (till exempel ökar det när det sträcks), detta orsakar en minskning av potentialen för kopplingspunkten för motstånden R x och R 3 (B) och en förändring i spänningen för B-C diagonalen av bron - en användbar signal.
Förändringen i motståndet Rx kan uppstå inte bara från deformation, utan också från påverkan av andra faktorer, varav den viktigaste är temperaturförändring, vilket introducerar ett fel i mätresultatet. För att minska effekten av temperaturen används legeringar med låg TCR, objektet termostateras, korrigeringar görs för temperaturförändringar och/eller differentialkretsar för anslutning av töjningsgivare till bryggan.
Till exempel, i kretsen i figuren, istället för ett konstant motstånd R3 , inkluderar de samma töjningsmätare som R x , men när delen deformeras ändrar detta motstånd sitt motstånd med motsatt tecken . Detta uppnås genom att fästa töjningsgivare på ytan av olika deformerade zoner av delen, till exempel från olika sidor av en böjd balk eller från en sida, men med en ömsesidigt vinkelrät orientering. När temperaturen ändras, om temperaturen på båda motstånden är lika, är tecknet och storleken på motståndsändringen (orsakad av temperaturändringen) lika, och temperaturdriften kompenseras för.
Industrin tillverkar även specialiserade mikrokretsar för att arbeta tillsammans med töjningsgivare, i vilka förutom signalförstärkare, bryggströmförsörjning, termiska kompensationskretsar, ADC, digitala gränssnitt för kommunikation med externa digitala signalbehandlingssystem och andra servicefunktioner ofta finns. försedd.
Det används vid design av olika maskiner, delar, strukturer. I det här fallet studeras som regel deformationer inte av de designade föremålen i sig, utan av deras modeller - till exempel modeller av broar, flygplansskrov etc. Ofta görs modellerna i en reducerad storlek .
Det används också i olika kraftmätningsanordningar, instrument - vågar, tryckmätare, dynamometrar, vridmomentsensorer (torsiometrar). I dessa enheter mäter töjningsgivare deformationen av elastiska element (balkar, axlar, membran) [2] .