ООО «ТЕНЗО-ИНЖИНИРИНГ» — официальный представитель ТМ «ZEMIC» на территории стран СНГ
Наш телефон:
+7 (499) 677-52-65
Наш email:
info@tenso-e.ru
Мы работаем:
Пн-Пт: 8:00-17:00

История создания тензорезисторов ( strain gages) Zemic.

Введение.

Обычный способ оценки конструктивных частей машин, зданий, транспортных средств, самолетов и т д основан на расчетах прочности используемых материалов. Сейчас используют для этих работ продукцию марки Zemic (strain gages).

Этот метод подходит при условии, что действующие нагрузки известны как качественно, так и количественно. Проблемы возникают там, где нагрузки неизвестны или где их можно оценить лишь приблизительно. Раньше риск перегрузки компенсировался за счет использования повышенного запаса прочности, т.е за счет увеличения габаритов. Однако современные подходы требуют экономного использования материалов частично по экономическим причинам, а частично для снижения веса изделия, что хорошо видно, например, в авиастроении. Чтобы соответствовать требованиям безопасности и обеспечить правильный срок службы компонентов, напряжения в материале должны быть измеримыми и известными. Поэтому измерения в натурных испытаниях просто необходимы.

Расчетное значение представляет собой механическое напряжение, которому подвергается материал. Практический метод экспериментального определения механического напряжения основан на открытии, сделанном в 1678 году английским учёным Робертом Гуком (1635 – 1703). Он обнаружил связь между механическим напряжением и возникающей деформацией. Эта деформация также происходит на поверхности объектов и поэтому поддается измерению.

Важная часть экспериментального анализа механических напряжений основана на принципе измерения деформации.

Вначале для измерения деформации использовались громоздкие механические устройства, которые отображали деформацию с использованием коэффициента рычага один к одной тысяче или более. Пример показан ниже.

Рычажный тензодатчик Hugenberger Рычажный тензодатчик Hugenberger

rychazhnyj-tenzometr-gugenbergera

rychazhnyj-tenzometr-gugenbergera

Долгое время устройства такого типа были единственным методом проведения измерений, необходимых для анализа механических напряжений. Несмотря на оригинальную конструкцию и точную конструкцию, они имели ряд недостатков, ограничивавших спектр их применения:
— Возможность наблюдать только статические процессы;

— Для предотвращения скольжения агрегатов в условиях вибрации необходимы прочные зажимы;

— Тестируемый образец должен быть зафиксирован в прямой видимости наблюдателя, чтобы можно было считывать показания;

— Условия испытаний могут исключать присутствие наблюдателя;

— Размер прибора накладывает ограничения на его использование для небольших тестовых образцов, а в ряде случаев такое измерение было в принципе невозможно;

— Относительно длинный путь измерения дает правильные результаты только для условий однородной деформации, и близко расположенные концентрации напряжений не могут быть измерены;

— Автоматическая запись результатов измерений невозможна.

В результате этих недостатков использование механических тензорезисторов было ограничено. Для решения этих проблем были разработаны методы электрических измерений.

Распространение металлических тензорезисторов
Во второй половине 1930-х годов внимание было обращено на эффект, о котором Чарльз Уитстон упомянул еще в 1843 году в своей первой публикации об изобретенной им мостовой схеме. Этот эффект был основан на изменении сопротивления электрического проводника в результате воздействия механической нагрузки. Эта теория была позже подтверждена экспериментами Уильяма Томсона (1824-1905, после 1892 года лорда Кельвина) и в его работах, опубликованных в 1856 году.
Испытательный центр Уильяма Томсона

ispytateljnaya-ustanovka-uiljyama-tomsona.jpg

ispytateljnaya-ustanovka-uiljyama-tomsona.jpg

Испытательный центр Уильяма Томсона для изучения изменения сопротивления электрических проводников при механическом воздействии.

Есть несколько причин, по которым этому явлению потребовалось более 80 лет, чтобы найти техническое применение. Это была успешная теория, которая в то время не нашла практического применения. Изменение сопротивления проволоки при ее растяжении очень мало. Для его измерения Томсон использовал очень чувствительный гальванометр, непригодный для общетехнического и промышленного применения. Он также был непригоден только для измерения динамических процессов. Широкое распространение этот метод получил только с применением электрического усилителя.

Первые исследования по объяснению этого эффекта были проведены в Германии в Научно-исследовательском институте аэронавтики, но они не были последовательными. Полоски углеродной пленки, которые он разработал для измерения деформации, оказались малопригодными.

Примерно в то же время в 1938 году в США над этой проблемой почти одновременно и независимо друг от друга работали два человека, работа называлась «использование «эффекта Томсона» с целью измерения деформации».

Первый из двух мужчин, Эдвард Э. Симмонс, работал в Калифорнийском технологическом институте. Используя шелковую ткань в качестве основы и тонкую металлическую проволоку, он сделал устройство, которое прикрепил к стальному цилиндру. Затем он изготовил электрическое устройство для измерения силовых импульсов, воздействующих на образец ударной машиной (маятниковым пуансоном). Схема из заявки на патент приведена ниже.

ustrojstvo-izmereniya-sily-e.-simmonsa

E. Прибор для измерения силы Симмонса
Э. Прибор для измерения силы Симмонса. Измеряемый силовой импульс действует в осевом направлении.
Второй из американских исследователей, Артур Клод Руге, работал на кафедре сейсмологии Массачусетского технологического института. Он хотел измерить механическое напряжение, создаваемое имитацией землетрясений на модели сейсмостойких резервуаров для воды.

Имеющееся в то время оборудование для измерения напряжений нельзя было использовать на тонкостенных моделях. Из множества разных устройств ни одно не подходило. В одной из попыток проверить Руге взял очень тонкую металлическую проволоку, приклеил ее в форме меандра к тонкой папиросной бумаге и прикрепил к концам более толстые проволоки. Чтобы понять свойства получившегося прототипа, он приклеил его к упругому образцу и сравнил измерения с традиционным тензодатчиком. Руге обнаружил хорошую линейную корреляцию между механическим напряжением и результирующим сигналом во всем диапазоне измерений, как в положительной, так и в отрицательной фазе, то есть при сжатии и растяжении. Более того, он показал хорошую стабильность нулевой точки. Так был изобретен «тензорезистор с клейкой сеткой». Форма тензорезистора, использовавшегося в первых испытаниях, была такой же, как и сегодня.

Артур Клод Руге, создатель тензорезисторов

artur-klod-ruge

Артур Клод Руге, изобретатель тензодатчика, работает над своими измерениями.

 

 

 

 

 

 

 

Именно Руге и Симмонс считаются пионерами в создании тензорезистора. Основное различие между их идеями заключалось в том, что Руге прикреплял измерительную проволоку к несущему материалу, получая независимый измерительный датчик, с которым было легко обращаться и который можно было приклеить к любой поверхности. Это было очень тонкое и легкое изделие, не требовавшее специальных креплений и практически не вносившее в измерение сторонних эффектов, при этом позволяющее проводить измерения на очень тонких и миниатюрных объектах. Уже первые прототипы тензорезисторов оказались лучше предыдущих приборов для измерения деформации во всех отношениях.

Вторым достижением Руге было то, что он развил свою идею до стадии массового промышленного производства. Это был последний шаг, который положил начало превосходству тензорезисторов.

Именно поэтому именно Руге считается отцом современного измерителя расстояния. У него была не только идея, но и способность увидеть широкие возможности ее практического применения, а также решимость, необходимая для того, чтобы сделать тензорезисторы наиболее надежным инструментом анализа деформации.

Первоначальная идея заключалась в том, что провод толщиной 25 мкм — чувствительный элемент — должен быть закреплен на прочной опоре и защищен войлочным покрытием. На рисунке ниже показан пример первого серийного тензодатчика.

 

pervyj tenzorezistor rugeПервый тензодатчик Ruge массового производства

а — мерная сетка, наклеенная на бумагу на целлюлозном лаке
б — соединительные провода
в — изоляционный носитель
г – фетр для защиты измерительной сетки
е — кронштейн крепления, снимается после приклеивания

 

 

Спрос на эту продукцию, особенно со стороны американской авиапромышленности, был настолько велик, что от этой конструкции пришлось отказаться (в 1941 году упоминается оборот 50 000 тензорезисторов за 2 месяца). В итоге опыт показал, что в сложной опорной конструкции необходимости нет, и была создана упрощенная модель, показанная на рисунке ниже. Именно эта форма сохранялась на протяжении десятилетий с небольшими изменениями. Многие патенты Руге демонстрируют его постоянные усилия по улучшению метрологических показателей.

Конструкция тензорезистора
dizajn provolochnogo tenzorezistoraХарактерная конструкция тензорезистора с проволочной сеткой

а — материал-носитель
б — измерительная сетка
в — контакты

 

В последующий период были предприняты попытки упростить производство. Здесь следует упомянуть о технике «печатной схемы» Пола Эйслера, которая в своей усовершенствованной форме привела к созданию современного «фольгового тензодатчика» размером ок. 1952.

dizajn foljgovogo tenzorezistoraКонструкция тензорезистора из фольги
Отличительная конструкция тензорезистора из выгравированной металлической фольги с соединенными проводами

а — субстрат
б — измерительная сетка
в — выход
d — эффективная длина чувствительного элемента

По сравнению с методами «проволока на подложке» этот метод значительно расширяет возможности проектирования, поскольку все формы чувствительного элемента можно без дополнительных усилий представить в одной плоскости.

В Советском Союзе тензорезисторы начали применяться в 1940-х годах и практически сразу вытеснили все другие типы тензорезисторов. В Союзе производство тензорезисторов было освоено в Чехословакии (фирма «Микротехна») и в ГДР (TPW-Тальхайм). Позже многие компании самостоятельно начали производить тензорезисторы для собственных нужд небольшими партиями.

shema sovetskogo tenzorezistoraСхема советского тензодатчика
Схема советского тензодатчика:

1 – чувствительный элемент
2 – пермь
3 – подложка
4 – исследуемая часть
5 – элемент защиты
6 – паяльный (сварочный) агрегат
7 – выходные проводники

В настоящее время выпускается большое количество типов тензорезисторов, соответствующих каждой конкретной задаче и состоянию.
Наиболее важными областями использования тензорезисторов являются:
— экспериментальный анализ механических напряжений;
— производство датчиков.

Учитывая высокую гибкость использования тензорезисторов при исследовании деформаций, их широкое распространение во всем мире не вызывает вопросов. Тензорезистор является аналоговым устройством, обеспечивающим высокую точность и чувствительность измерений. Оба типа тензорезисторов, проволочные и фольговые, известны как «металлические тензорезисторы» из-за изготовления чувствительного элемента из металла.

Материал для статьи был получен из следующих источников:
— Клокова Надежда Павловна Тензорезисторы: Теория, методы расчета, разработка. – М.: Маскинтекникк, 1990, – 224 с.
— Немецкий И. Практическое применение тензорезисторов. Пер с Чехии, М.: «Энергия», 1970. – 144 с.
— Карл Хоффман. Введение в анализ напряжений и проектирование преобразователей с использованием тензорезисторов.

— strain gages.

— Zemic.

Возможно вам будут интересны наши другие статьи:

  1. Высокотемпературные тензорезисторы, принципы работы и новые разработки.
  2. Как отличить бракованную продукцию. Что делать если вам поставили подделку тензорезисторов.
  3. Клей для проведения тензометрических испытаний.

    Не нашли что искали?

    Задайте любой интересующий Вас вопрос или просто оставьте контакты.
    Мы перезвоним Вам в ближайшее время!

    Я согласен с политикой обработки персональных данных

    Он будет закрыт в 0 секунд