В каталоге 4065 приборов

Для инженеров:
— удобный поиск по параметрам
— постоянно обновляемый каталог
Для компаний КИПиА:
— возможность бесплатно получить клиентов
— удобный инструмент добавления приборов

Датчики деформации (экстензометры)



 О чем эта статья

Как работаю датчики деформации. Какие существуют разновидности этих приборов и как каждый из них устроен? Схемы работы и фотографии. В заключении статьи вы узнаете на какие параметры нужно обращать внимание при выборе датчика деформации.
Вы также можете посмотреть другие статьи. Например, «Дефектоскопы: ультразвуковой, вихретоковый» или «Психрометр: виды, устройство и принцип работы психрометров».

Перейти к выбору и покупке датчиков деформации

Датчики деформации — класс измерительных приборов, предназначенных для определения параметров механической деформации твёрдых тел. Другое их название — экстензометры. В простейшем случае один датчик позволяет получить информацию об одном виде деформации на конкретном участке твёрдого тела. Для анализа более сложных видов деформации (читайте статью «виды деформации твердых тел») могут быть использованы распределённые системы на основе простейших датчиков деформации.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили два типа датчиков деформации: волоконно-оптические и резистивные.

Волоконно-оптические датчики деформации (ВОДД)

Общие сведения о ВОДД

В качестве примера ВОДД можно привести датчик MuST изображенный на фотографии справа. В настоящее время ВОДД постепенно вытесняют резистивные, механические и прочие виды датчиков деформации, в первую очередь, в приложениях, где необходима повышенная точность и долговечность. Технологии, положенные в основу ВОДД довольно часто являются инновационными и активно развиваются. Как и большинство датчиков на основе оптического волокна, ВОДД обладают очень высокой точностью, а также присущими любой оптоэлектронной технологии достоинствами и недостатками.

Датчики деформации данного класса обычно принадлежат к одному из двух основных типов:

  • ВОДД на решётках Брэгга
  • ВОДД на интерферометре Фабри-Перро

 

ВОДД на решётках Брэгга

Принцип действия. У датчиков данного типа чувствительным элементом является само оптическое волокно с нанесёнными на него дифракционными решётками Брэгга. Проходящее через волоконно-оптический тракт излучение реагирует на решётку Брэгга как на своего рода зеркало, параметры отражения которого зависят от периода этой решётки. Деформация тела, жёстко связанного с волоконно-оптическим кабелем, приводит к локальным сжатиям/растяжениям кабеля, и, следовательно, к изменению периода брэгговских решёток (Рис. 1). Это влияет на их отражательные свойства, что может быть зафиксировано путём анализа отражённого от них излучения.

Схема воздействия деформации растяжения на оптическое волокно. Растяжение меняет период брэгговской решётки, что приводит к изменению отражательных свойств и изменению спектральных составов проходящего и отражённого излучения.
Рисунок 1. Схема воздействия деформации растяжения на оптическое волокно. Растяжение меняет период брэгговской решётки, что приводит к изменению отражательных свойств и изменению спектральных составов проходящего и отражённого излучения.

ВОДД на интерферометре Фабри-Перро

Принцип действия. В основу функционирования данного типа ВОДД положен интерферометр Фабри-Перро, обычно реализуемый по схеме, указанной на рисунке 2. Один торец волокна полупрозрачен и пропускает некоторую часть излучения. Дальний торец полностью отражает излучение. Свет, отражённый от двух поверхностей попадает на приёмник и интерферирует. Изменение длины интерферометра под действием внешних сил приводит к изменению интерференционной картины на приёмнике излучения, поскольку меняется фазовая задержка между лучами, отражающимися от двух разнесённых плоскостей. Анализ интерференционной картины позволяет с большой точностью (вплоть до долей ангстрема) определить величину малейших изменений длины участка волокна.

Схема волоконно-оптического датчика деформации на основе интерферометра Фабри-Перро.
Рисунок 2. Схема ВОДД на основе интерферометра Фабри-Перро.

Достоинства:

  • Высокая точность
  • Нечувствительность к ЭМ-излучению
  • Долговечность
  • Разнообразие геометрических конфигураций

Недостатки:

  • Техническая сложность электронно-оптических компонентов
  • Относительно высокая цена


Резистивные датчики деформации (РДД)

Общие сведения

К таким этому типу датчиков относиться прибор KG-03, показанный на рисунке. Наиболее распространённый, доступный и простой по принципу действия вид датчиков деформации. РДД могут быть представлены в различных конфигурациях, однако в основу их работы всегда положен пьезорезистивный эффект.

Принцип действия

Подобно резистивным датчикам давления, этот РДД представляет собой резистор (тензорезистор, пьезорезистор), величина сопротивления которого изменяется в зависимости от формы и размеров, т.е. при его деформации (пьезорезистивный эффект)(Рис. 3). Согласно зависимости (1), сопротивление участка проводника зависит от его геометрии. При небольших изменениях R (в пределах 2%) имеет место соотношение (2), из которого видно, что сопротивление фактически линейно зависит от величины относительной деформации e.

R – сопротивление участка проводника

R0 – исходное сопротивление участка проводника

Se – коэффициент тензочувствительности материала (у большинства материалов Se≈2)

e – величина относительной деформации участка проводника

Схема работы тензорезистора. При растяжении силой F геометрия проводников изменяется, сопротивление возрастает.
Рисунок 3. Схема работы тензорезистора. При растяжении силой F геометрия проводников изменяется, сопротивление возрастает.

Если жёстко прикрепить такой резистор к поверхности твёрдого тела, любая деформация поверхности приведёт также к деформации резистивного датчика. Это вызовет изменение его сопротивления, которое может быть зафиксировано внешней цепью, например, мостовой схемой Уитстона (Рис. 4). В данной конфигурации малейшие изменения сопротивления Rx выводят мост из равновесия, и зафиксированное вольтметром напряжение позволяет судить о величине изменения сопротивления. По этому изменению можно однозначно судить о степени деформации датчика, а значит и тела, к которому он прикреплён.

Мостовая схема Уитстона
Рисунок 4. Мостовая схема Уитстона.

Достоинства:

  • Относительно низкая стоимость
  • Относительная простота устройства
  • Приемлемая точность в большинстве нетребовательных приложений

Недостатки:

  • Чувствительность к температуре (может быть скомпенсирована)
  • Чувствительность к ЭМ-излучению
  • Недостаточная чувствительность для некоторых прецизионных приложений

 

Параметры, на которые следует обратить внимание при выборе датчиков деформации

  • Диапазон измерения. Этот параметр накладывает ограничение на максимальную величину деформации, которую способен зафиксировать датчик. Выход из допустимого диапазона измерения в некоторых случаях может привести к разрушению прибора.
  • Разрешение. Основной параметр, характеризующий точность датчиков деформации. Чем выше разрешение датчика, тем, как правило, уже его диапазон измерения и выше его цена. У РДД в качестве параметра оценки точности также может быть использованы сведения о процентной погрешности измерения.
  • Напряжение выходного сигнала. Необходимо знать величину выходного напряжения для того, чтобы правильно согласовать экстензометр(датчики деформации) с блоками обработки данных, системами контроля и другими устройствами.
  • Способ установки. Как правило, экстензометры устанавливаются на поверхность твёрдых тел, для этого их конструкция может иметь специальные приспособления и крепёж. В некоторых случаях (например, ВОДД) чувствительный участок датчика может быть погружен в объём твёрдого тела (например, забетонирован) с целью определения параметров деформации строительных конструкций.
  • Степень защиты. Поскольку экстензометры могут использоваться в неблагоприятных и агрессивных условиях, необходимо обратить внимание на параметры их защиты. Это может быть индекс IP/IK коды или другие характеристики, указывающие на меру защищённости датчика деформации от внешних воздействий (влаги, давления и пр.).
  • Температурный диапазон. Выход за границы температурного диапазона приводит к увеличению погрешности измерения и может послужить причиной выхода измерительного прибора из строя.
Опубликована 31-01-12.

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

 

Корзина

Сейчас корзина пуста.
Найти нужный прибор можно через поиск приборов или в каталоге.


Каталог


Случайные приборы





MLH025BSD14A width="160px" height="105px"
Резистивные датчики давления




19C015PG3L width="160px" height="105px"
Резистивные датчики давления




AD7817AR-REEL width="160px" height="105px"
Полупроводниковые термодатчики