Tensometri (fra latin tensus - stresset og græsk μετρέω - mål) - et sæt eksperimentelle metoder til at bestemme den mekaniske spænding af en del, struktur. Den er baseret på bestemmelsen af deformationer eller andre materialeparametre forårsaget af mekanisk belastning (for eksempel dobbeltbrydning eller rotation af lyspolariseringsplanet i belastede gennemsigtige dele).
Instrumenter til måling af belastninger kaldes strain gauges . Ifølge driftsprincippet er strain gauges opdelt i elektriske, optiske, pneumatiske, akustiske. Strain gauge inkluderer en strain gauge og indikeringsanordninger (indikatorer) og/eller registreringsanordninger.
Strain gauges designet til at måle deformationer på mange punkter af det undersøgte objekt og udstyret med midler til at behandle data, optage og transmittere dem som styresignaler kaldes ofte strain gauge stationer eller strain gauges.
Indtil 1980'erne var strain gauges et sæt optagere , der optog signalerne fra mange sensorer på papirbånd. Udviklingen af computerteknologi og brugen af ADC'er har ændret udseendet af dette udstyr. Det blev muligt ikke kun at registrere strain gauge-signaler, men også at behandle dem digitalt i realtid , visualisere deformationer på monitorskærme og automatisk udsende styresignaler for at ændre driftstilstanden for den testede struktur, for eksempel for at kompensere for deformationen af dele af manipulatorer i CNC- maskiner , hvilket forbedrer nøjagtigheden, bearbejdning af emner.
Mange forskellige metoder til måling af stammer er blevet foreslået, hver af dem har sine egne fordele og ulemper, så valget af den ene eller anden metode afhænger af den specifikke opgave.
Baseret på måling af små forskydninger af overflader, som for eksempel registreres ved interferensmetoder , moirémønstre mv.
En separat gruppe af optiske metoder er fiberoptiske sensorer baseret på måling af deformationen af en fiberoptisk tråd limet til det undersøgte objekt, hvor et Bragg-gitter dannes .
For at studere deformationerne af optisk gennemsigtige dele anvendes metoder baseret på effekten af forekomsten af dobbeltbrydning eller rotation af polariseringsplanet i belastede dele - fænomenet fotoelasticitet . I dette tilfælde placeres delen mellem krydsede polarisatorer , og et visualiseret mønster af spændinger observeres i transmitteret lys. I dette tilfælde studeres deformationer af optisk transparente modeller af dele normalt [1] .
De er baseret på måling af tryklufttrykket i dysen , der støder op til overfladen af den del, der undersøges. Ændring af afstanden til dysen fra overfladen medfører en registreret trykændring.
Når dele belastes, ændres materialets akustiske parametre, såsom lydens hastighed , akustisk modstand , dæmpning. Disse ændringer kan måles med piezoelektriske sensorer.
Også akustiske metoder inkluderer sensorer, når de er belastet, ændres frekvensen af naturlige oscillationer af det følsomme element - for eksempel strengsensorer.
Ændringen i de elektriske parametre af materialet i det følsomme element af strain gauge under belastning anvendes, normalt ændringer i elektrisk modstand (strain-resistive sensorer) eller genererer spændinger under deformationer (piezoelektriske). Ulempen ved sidstnævnte er, at de er uegnede til at måle statiske deformationer, men de har en meget høj følsomhed.
Konventionelt omfatter elektriske metoder forskellige elektriske målere af små forskydninger - kapacitive, induktive sensorer osv.
Når materialet deformeres, ændres de interatomiske afstande i metalgitteret af materialet i det undersøgte objekt, hvilket kan måles ved røntgendiffraktionsmetoder .
Nu er det den mest bekvemme og mest brugte metode. Når elektrisk ledende materialer (metaller, halvledere ) deformeres, ændres deres elektriske resistivitet , og som følge heraf ændres modstanden af sensorens følsomme element. Som ledende materialer anvendes sædvanligvis metalfilm aflejret på et fleksibelt dielektrisk substrat. For nylig er der blevet brugt halvledersensorer. Modstanden af følerelementet måles på den ene eller anden måde.
En metallegeringsfilm aflejres på et dielektrisk substrat (for eksempel en polymerfilm eller glimmer ) i et vakuum gennem en maske , eller der dannes en ledende konfiguration på substratet ved fotolitografiske metoder. I sidstnævnte tilfælde påføres et lag fotoresist på en forud aflejret kontinuerlig metalfilm på et substrat og belyses med ultraviolet stråling gennem en fotomaske . Afhængigt af typen af fotoresist vaskes enten eksponerede eller ikke-eksponerede områder af fotoresisten af med et opløsningsmiddel. Derefter opløses metalfilmen ubeskyttet af fotoresisten (for eksempel med syre), og danner et figurmønster af metalfilmen.
Som et filmmateriale anvendes der sædvanligvis legeringer, der har en lav temperaturresistivitetskoefficient (f.eks. manganin ) - for at reducere effekten af temperaturen på strain gauge-aflæsningerne.
Ved brug af en strain gauge limes underlaget til overfladen af en genstand, der undersøges for deformation eller overfladen af et elastisk deformerbart element i tilfælde af brug i vægte , dynamometre , torsiometre , tryksensorer osv., således at strain gauge er deformeret sammen med delen.
Deformationsfølsomheden af en sådan strain gauge afhænger af retningen for påføring af deformeringskraften. Således er den største følsomhed i spænding og kompression langs den lodrette akse i mønsteret og næsten nul i den vandrette, da metalstrimler i en zigzag-konfiguration ændrer deres tværsnit kraftigere under lodret deformation.
Trækmåleren er ved hjælp af elektriske ledere forbundet til et eksternt elektrisk målekredsløb.
Typisk er strain gauges inkluderet i en eller to arme af en balanceret Wheatstone-bro, der drives af en konstant spændingskilde (brodiagonal A-D). Ved hjælp af en variabel modstand R 2 balanceres broen, således at diagonalspændingen i fravær af en påført kraft gøres lig nul. Et signal tages fra diagonalen på broen B-C og føres derefter til måleapparatet , differentialforstærkeren eller ADC .
Når forholdet R 1 / R 2 = R x / R 3 er opfyldt, er spændingen af broens diagonal nul. Med deformation ændres modstanden R x (for eksempel øges den, når den strækkes), dette forårsager et fald i potentialet for forbindelsespunktet for modstandene R x og R 3 (B) og en ændring i spændingen af B-C diagonalen af broen - et nyttigt signal.
Ændringen i modstand Rx kan ikke kun opstå fra deformation, men også fra indflydelsen af andre faktorer, hvoraf den vigtigste er temperaturændring, som introducerer en fejl i måleresultatet. For at reducere effekten af temperaturen anvendes legeringer med lav TCR, objektet termostateres, der foretages korrektioner for temperaturændringer, og/eller anvendes differentialkredsløb til tilslutning af strain gauges til broen.
For eksempel, i kredsløbet i figuren, i stedet for en konstant modstand R 3 , inkluderer de den samme strain gauge som R x , men når delen er deformeret, ændrer denne modstand sin modstand med det modsatte fortegn. Dette opnås ved at klæbe strain gauges på overfladen af forskelligt deformerede zoner af delen, for eksempel fra forskellige sider af en bøjet bjælke eller fra den ene side, men med en indbyrdes vinkelret orientering. Når temperaturen ændres, hvis temperaturen på begge modstande er ens, er fortegn og størrelse af ændringen i modstand (forårsaget af temperaturændringen) ens, og temperaturdriften kompenseres for.
Industrien producerer også specialiserede mikrokredsløb til arbejde i forbindelse med strain gauges, hvori der udover signalforstærkere, brostrømforsyninger, termiske kompensationskredsløb, ADC'er, digitale grænseflader til kommunikation med eksterne digitale signalbehandlingssystemer og andre servicefunktioner ofte findes stillet til rådighed.
Det bruges i design af forskellige maskiner, dele, strukturer. I dette tilfælde studeres deformationer som regel ikke af selve de designede genstande, men af deres modeller - for eksempel modeller af broer, flyskrog osv. Ofte er modellerne lavet i en reduceret størrelse .
Det bruges også i forskellige kraftmåleapparater, instrumenter - vægte, trykmålere, dynamometre, momentsensorer (torsiometre). I disse enheder måler strain gauges deformationen af elastiske elementer (bjælker, aksler, membraner) [2] .