Tenzometrie (z lat . tensus - napjatý a řec . μετρέω - míra) - soubor experimentálních metod pro stanovení mechanického namáhání součásti, konstrukce. Je založena na stanovení deformací nebo jiných materiálových parametrů způsobených mechanickým namáháním (například dvojlom nebo rotace roviny polarizace světla v zatěžovaných průhledných částech).
Přístroje pro měření deformací se nazývají tenzometry . Podle principu činnosti se tenzometry dělí na elektrické, optické, pneumatické, akustické. Tenzometr obsahuje tenzometr a indikační zařízení (indikátory) a/nebo záznamová zařízení.
Tenzometry určené k měření deformací na mnoha místech studovaného objektu a vybavené prostředky pro zpracování dat, jejich záznam a přenos jako řídicí signály se často nazývají tenzometrické stanice nebo tenzometry.
Až do 80. let 20. století byly tenzometry souborem záznamníků , které zaznamenávaly signály mnoha senzorů na papírovou pásku. Rozvoj výpočetní techniky a používání ADC změnily vzhled tohoto zařízení. Bylo možné nejen registrovat signály tenzometrů, ale také je digitálně zpracovávat v reálném čase , vizualizovat deformace na obrazovkách monitorů a automaticky vydávat řídicí signály pro změnu provozního režimu testované konstrukce, například pro kompenzaci deformace části manipulátorů na CNC strojích , což zvyšuje přesnost zpracování obrobků.
Bylo navrženo mnoho různých metod měření deformací, každá z nich má své výhody a nevýhody, takže výběr jedné nebo druhé metody závisí na konkrétním úkolu.
Na základě měření malých posunů povrchů, které jsou zaznamenávány například interferenčními metodami, moaré vzory atd.
Samostatnou skupinou optických metod jsou vláknové optické senzory založené na měření deformace vlákna optického vlákna nalepeného na studovaném objektu, ve kterém je vytvořena Braggova mřížka .
Ke studiu deformací opticky transparentních dílů se používají metody založené na vlivu vzniku dvojlomu nebo rotace roviny polarizace u zatěžovaných dílů - fenomén fotoelasticity . V tomto případě je součást umístěna mezi zkřížené polarizátory a v procházejícím světle je pozorován vizualizovaný vzor napětí. V tomto případě se obvykle studují deformace opticky transparentních modelů součástí [1] .
Jsou založeny na měření tlaku stlačeného vzduchu v trysce přiléhající k povrchu studovaného dílu. Změna vzdálenosti trysky od povrchu způsobí registrovanou změnu tlaku.
Při zatížení dílů se mění akustické parametry materiálu, jako je rychlost zvuku , akustický odpor , útlum. Tyto změny lze měřit piezoelektrickými snímači.
Také mezi akustické metody patří snímače, při zatížení se mění frekvence vlastních kmitů citlivého prvku – např. strunové snímače.
Využívá se změna elektrických parametrů materiálu citlivého prvku tenzometru při zatěžování, obvykle změny elektrického odporu (tenzní snímače) nebo generování napětí při deformacích (piezoelektrické). Nevýhodou posledně jmenovaných je, že jsou nevhodné pro měření statických deformací, ale mají velmi vysokou citlivost.
Běžně mezi elektrické metody patří různé elektrické měřiče malých zdvihů – kapacitní, indukční senzory atd.
Při deformaci materiálu se mění meziatomové vzdálenosti v kovové mřížce materiálu studovaného objektu, což lze měřit metodami rentgenové difrakce .
Nyní je to nejpohodlnější a nejčastěji používaná metoda. Při deformaci elektricky vodivých materiálů (kovy, polovodiče ) se mění jejich elektrický odpor a v důsledku toho se mění odpor citlivého prvku snímače. Jako vodivé materiály se obvykle používají kovové filmy nanesené na pružném dielektrickém substrátu. V poslední době se používají polovodičové senzory. Odpor snímacího prvku se měří tak či onak.
Film z kovové slitiny se nanáší na dielektrický substrát (například polymerní film nebo slída ) ve vakuu přes masku nebo se na substrátu fotolitografickými metodami vytvoří vodivá konfigurace. V druhém případě se vrstva fotorezistu nanese na předem nanesený souvislý kovový film na substrátu a osvětlí se ultrafialovým zářením přes fotomasku . V závislosti na typu fotorezistu se exponované nebo neexponované oblasti fotorezistu smyjí rozpouštědlem. Potom se kovový film nechráněný fotorezistem rozpustí (například kyselinou), čímž se vytvoří tvarovaný vzor kovového filmu.
Jako filmový materiál se obvykle používají slitiny, které mají nízký teplotní koeficient měrného odporu (např. manganin ) - aby se snížil vliv teploty na údaje na tenzometru.
Při použití tenzometru se podklad nalepí na povrch studovaného předmětu z hlediska deformace nebo na povrch pružně deformovatelného prvku v případě použití ve vahách , dynamometrech , torziometrech , tlakových snímačích atd., takže tenzometr se deformuje společně s dílem.
Deformační citlivost takového tenzometru závisí na směru působení deformační síly. Největší citlivost v tahu a tlaku je tedy u vzoru podél svislé osy a téměř nulová u vodorovné, protože kovové pásy v klikatém uspořádání mění svůj průřez při vertikální deformaci silněji.
Tenzometr je připojen pomocí elektrických vodičů k vnějšímu elektrickému měřicímu obvodu.
Typicky jsou tenzometry obsaženy v jednom nebo dvou ramenech vyváženého Wheatstoneova můstku napájeného zdrojem konstantního napětí (můstek úhlopříčka A-D). Pomocí proměnného odporu R2 je můstek vyvážen , takže při nepřítomnosti působící síly je diagonální napětí rovno nule. Signál se odebírá z úhlopříčky můstku B-C, poté je přiveden do měřicího zařízení , diferenciálního zesilovače nebo ADC .
Při splnění poměru R 1 / R 2 = R x / R 3 je napětí úhlopříčky můstku nulové. Při deformaci se odpor R x mění (např. zvětšuje při natahování), to způsobuje pokles potenciálu místa přechodu rezistorů R x a R 3 (B) a změnu napětí úhlopříčky B-C. mostu - užitečný signál.
Ke změně odporu Rx může dojít nejen deformací, ale také vlivem dalších faktorů, z nichž hlavním je změna teploty, která vnáší do výsledku měření chybu. Pro snížení vlivu teploty se používají slitiny s nízkým TCR, objekt je termostatován, provádějí se korekce teplotních změn, případně se používají diferenciální obvody pro připojení tenzometrů na můstek.
Například v zapojení na obrázku místo konstantního rezistoru R 3 obsahují stejný tenzometr jako R x , ale při deformaci součásti tento rezistor mění svůj odpor s opačným znaménkem. Toho se dosáhne nalepením tenzometrů na povrch různě deformovaných zón dílce, například z různých stran ohýbaného nosníku nebo z jedné strany, ale se vzájemně kolmou orientací. Při změně teploty, pokud je teplota obou rezistorů stejná, je znaménko a velikost změny odporu (způsobené změnou teploty) stejné a teplotní drift je kompenzován.
Průmysl také vyrábí specializované mikroobvody pro práci ve spojení s tenzometry, ve kterých jsou kromě zesilovačů signálu často můstkové napájecí zdroje, obvody tepelné kompenzace, ADC, digitální rozhraní pro komunikaci s externími systémy digitálního zpracování signálu a další servisní funkce. pokud.
Používá se při konstrukci různých strojů, dílů, konstrukcí. V tomto případě se zpravidla nestudují deformace samotných navržených objektů, ale jejich maket - například makety mostů, trupů letadel apod. Často jsou makety vyráběny ve zmenšené velikosti .
Používá se také v různých siloměrech, přístrojích - váhy, tlakoměry, dynamometry, snímače točivého momentu (torziometry). V těchto zařízeních měří tenzometry deformaci pružných prvků (nosníků, hřídelí, membrán) [2] .