Тензорезисторный метод регистрации статистических и динамических параметров напряженно-деформированного состояния конструкций, зданий и сооружений

Мост Уитстона.

Мост Уитстона - это электрическая цепь, предназначенная для выявления мельчайших изменений сопротивления. В связи с этим она используется для определения изменения сопротивлении тензорезистора. конфигурация моста выполнена путем объединения четырех резисторов, как показано на схеме:

Предположим, что:

При этом, независимо от напряжения на входе (Е), выход (е), равен нулю. Подобное состояние моста называется “сбалансированным”. При отсутствии баланса моста напряжение на выходе соответствует изменению сопротивления.
На данной схеме:

тензорезистор подключен вместо R1 в цепи. Когда измерительный прибор вызывает деформацию и изменение сопротивления, ΔR, мост выводит соответствующее напряжение, e.

То есть, .
Так как значения, кроме ε - известные величины, деформацию, ε, можно определить, измерив, выходное напряжение моста.
Структура, описанная выше называется системой 1/4 моста, т.к. только один измерительный прибор подключен к мосту. Кроме системы ¼ моста существуют системы 1/2 и 4/4 моста.
В системе ½ моста тензорезисторы подключены к мосту одним из двух способов, показанных на схеме:

В системе 4/4 моста четыре тензорезистора подключены по одному с каждой из четырех сторон моста:

Данная система для измерения деформации используется редко, но она часто применяется для датчиков тензорезистивного типа.
Когда сопротивление измерительных приборов с четырех сторон изменяется на R1 + ΔR1, R2 + ΔR2, R3 + ΔR3 и R4 + ΔR4, соответственно, выходное напряжение моста, e, равно:

Если тензорезисторы с четырех сторон имеют аналогичные технические характеристики, включая коэффициент тензочувствительности, K, и деформируются на величину ε1, ε2, ε3 и ε4 соответственно, вышеописанное уравнение будет выглядеть следующим образом:

В приведенном уравнении для системы 4/4 моста система . моста претерпевает изменение сопротивления, R1, только с одной стороны. Таким образом, выходное напряжение равно:

или

Почти во всех случаях общее измерение деформации выполняется с помощью системы 1/4 моста.
Система ½ моста используется, в основном, в следующем случае. Для независимого определения деформации изгиба или растяжения к консоли прилагается внешняя сила, по одному тензорезистору крепится в аналогичных позициях сверху (1) и снизу (2):

Два данных тензорезистора подключаются к соседней или противоположной стороне моста, что позволяет отдельно измерять деформацию изгиба и растяжения. То есть, тензорезистор (1) измеряет деформацию растяжения (плюс), а тензорезистор (2) - деформацию сжатия (минус). Абсолютная величина деформации аналогична, независимо от полярности, при условии, что два тензорезистора находятся на одинаковом расстоянии от края консоли.
Для измерения только деформации изгиба, компенсируя деформацию растяжения, тензорезистор (2) подключается к соседней стороне моста. Затем выход, e, моста будет равен:

Так как деформации растяжения на тензорезисторах (1) и (2) положительные и аналогичные по величине, (ε1 – ε2) в уравнении равно 0, выход, e, при этом также равен нулю. В другом случае, деформация изгиба на тензорезисторе (1) положительная, а на (2) – отрицательная. Следовательно, ε2 прибавляем к ε1, удваивая тем самым выход. То есть конфигурация моста:

обеспечивает только измерение деформации изгиба.
Если тензорезистор (2) подключен к противоположной стороне, выход моста, e, равен:


Таким образом, в отличие от описанных выше случаев, выход моста равен нулю для деформации изгиба, тогда как для деформации растяжения - удваивается. То есть, конфигурация моста:

компенсирует деформацию изгиба и обеспечивает измерение только деформации растяжения.
Заключение.
Тензометрия – весьма обширная прикладная дисциплина. В рамках данного реферата была рассмотрена лишь базовая часть, фиксация напряженно-деформированного состояния. Не была раскрыты область анализа и измерения данных, температурные и проводные компенсации тензодатчиков.
Механизмы и конструкции должны быть прочными, чтобы гарантировать безопасность в эксплуатации. Они должны также быть функциональны и легки в весе, с экономичным использованием материалов, чтобы достигалась высокая экономическая эффективность. Эти две технических цели, безопасность и экономия, противоречат друг другу. Поэтому, их оптимальное соотношение, должно быть исследовано с самой большой тщательностью. Это может быть сделано путем точных исследований напряженных состояний, с применением общепризнанного метода – тензометрических измерений. Тензорезисторы являются основой высокоточных измерений в этой области.
Тензорезисторы могут также измерить и преобразовать разнообразные физические величины в электрические сигналы. Это - то, из-за чего они нашли широкое применение в датчиках силы, давления, перемещения, ускорения или вращающего момента.
Тензорезисторы позволяют сделать все это с уникальными преимуществами следующим образом:
Точное измерение напряжения, в определенном месте на поверхности измеряемого объекта.
Быстрый отклик для скоростных измерений, благодаря компактной и легкой структуре.
Превосходная линейность в пределах широкого диапазона напряжений.
Измерения в широком диапазоне температур и в неблагоприятных окружающих средах.
Возможность измерений на удалении для промышленного мониторинга.
Список используемых источников:

Электронный журнал «Наука и безопасность»: http://pamag.ru/pressa/tenzoresist-metod
Свободная энциклопедия: http://ru.wikipedia.org/wiki/Тензометрия
ГОСТ 28836-90 «Датчики силоизмерительные тензорезисторные. Общие технические требования и методы испытаний»
Лужин О.В. Обследование и испытание сооружений. Учебник для вузов. М.1987.
Руководство по аппликации тензорезисторных датчиков фирмы KYOWA: http://www.kyowa.ru/index_e.htm
Рекомендации фирмы «Весоизмерительная компания «Тензо-М»: http://www.tenso-m.ru/pages/21?cat_id=89
Электронное руководство KYOWA «Введение в тензометрию»: http://www.kyowa.ru/products/gages/pdf/whats.pdf


http://ru.wikipedia.org/wiki/Тензометрия
Руководство по аппликации тензорезисторных датчиков фирмы KYOWA: http://www.kyowa.ru/index_e.htm









2