Sprawozdanie z ćiwcz. 1

Ćwiczenie 8
UKŁADY TENSOMETRII REZYSTANCYJNEJ
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie: podstawowych właściwości metrologicznych
tensometrów, zasad konstrukcji przetworników siły, oraz budowy stałoprądowych
i zmiennoprądowych układów pomiarowych z tensometrami.
Zagadnienia
1. Budowa i właściwości metrologiczne tensometrów metalowych
i półprzewodnikowych.
2. Mostki tensometryczne prądu stałego i zmiennego.
3. Układ potencjometryczny do pomiarów dynamicznych.
4. Elementy sprężyste w przetwornikach tensometrycznych.
Program ćwiczenia
1. Wyznaczanie wartości stałej k tensometru
W ćwiczeniu należy użyć belki o kształcie trójkątnym posiadającej na całej długości
jednakowe naprężenia i odkształcenia. Zestawić układ pomiarowy według rysunku 1
(wybrać sposób odkształcenia belki za pomocą obciążenia lub śruby mikrometrycznej).
Obliczyć wartość napięcia zasilania mostka Uz.
Do zasilania mostka użyć stabilnego źródła napięcia, do pomiaru napięć Uz i Uwy należy
użyć czułego woltomierza cyfrowego. Po włączeniu zasilania wprowadzając stopniowe
zadane obciążenie (odkształcenie) belki należy zmierzyć względną zmianę ∆R R
i obliczyć stałą k czujnika.
Jeżeli dla zerowego odkształcenia belki występuje napięcie nierównowagi mostka
U wy 0 ≠ 0 to dla wyznaczenia względnej zmiany rezystancji można wykorzystać przyrost
napięcia nierównowagi mostka według zależności:
∆U wy
U wyf − U wy 0
∆R
= 4⋅
= 4⋅
R
Uz
Uz
gdzie:
Uwyf – napięcie nierównowagi mostka dla strzałki ugięcia f,
Uwy0 – napięcie nierównowagi mostka dla f=0.
Znając wartość modułu sprężystości podłużnej E belki stalowej oraz siły F wyznacza się
stałą k tensometru z zależności:
∆R
⋅ b ⋅ h2 ⋅ E
k= R
6L ⋅ F
1
przy czym:
E = 20 ⋅ 10 3
kG
,
mm 2
b = 4 cm - szerokość podstawy belki,
h = 0,3 cm - grubość belki,
L = 25 cm - długość belki.
Opierając się na pomiarze strzałki ugięcia f można wyznaczyć stałą k z zależności:
∆R 2
⋅L
.
k= R
f ⋅h
a)
c)
f
+Uz
R4
R1
R2
L
R3
R
R1
+∆R
F
b)
Rt
U wy
L
x
fx
F
R
R
f
R to≈R=120Ω
Rys.1. Układ do pomiaru stałej k tensometru: a, b – zasada odkształcania belki, c – schemat mostka
zawierającego badany tensometr Rt
2. Wzorcowanie modelu wagi tensometrycznej
Dla modelu wagi stałoprądowej przedstawionego na rys.2 wyznaczyć zależność
prądu wyjściowego I [µA] od masy m [kg] obciążającej belkę. Wartość masy należy
zmieniać co 0,1kg od zera do 1kg. Na podstawie wykonanych pomiarów w
sprawozdaniu obliczyć stałą w [kg/µA] oraz zaprojektować i naszkicować podziałkę
miernika w jednostkach masy.
2
a)
+5 V
Reg. zera
R5
R
8,2M
R1
Rt
+∆R
270k
13k
OP 07
160k
R
10k
100k
Dokładna
Zgrubna
13k
R2
+
OP 07
−
−∆R
100 µA
270k
m [kg]
220 Ω
220 Ω
b)
R4 + ∆R
R1 + ∆R
R2 − ∆R
L
R3 − ∆R
G = m.g
Rys.2. Model stałoprądowy wagi tensometrycznej: a- schemat układu pomiarowego; brozmieszczenie tensometrów na belce sprężystej
3. Badanie wzmacniacza tensometrycznego TT-4C
3.1. Przygotowanie wzmacniacza tensometrycznego do pracy.
Reg R
Reg C
kw
wskaźnik stanu
równowagi mostka
0
ε
Mostek
tensometryczny
Wzmacniacz
Prostownik
fazoczuły
Filtr
dolnoprzepustowy
−ε
+ε
ϕ
Generator
~
5 kHz
Przesuwnik
fazy
Uwy
Rys.3. Uproszczony schemat blokowy przyrządu TT-4C
3
Uproszczony schemat blokowy wzmacniacza tensometrycznego TT-4C przedstawia
rysunek 3. Zapoznać się z instrukcją obsługi wzmacniacza tensometrycznego TT-4C.
Przed przystąpieniem do pomiarów należy zgodnie z instrukcją przeprowadzić
równoważenie mostka pomiarowego i kalibrację kąta fazowego napięcia odniesienia
prostownika fazoczułego. Następnie należy wykonać wzorcowanie wzmacniacza.
Operacja ta polega na zadaniu wzorcowej wartości rozstrojenia ε N = 0,1 0 00 (1 0 00) za
pomocą układu zewnętrznego zgodnie ze schematem na rysunku 4a i wartością Rb
zgodnie z tablicą 1. Regulując wzmocnienie toru pomiarowego w przyrządzie TT-4C
uzyskuje się wskazanie woltomierza cyfrowego UN=1,5V.
3.2. Wyznaczenie błędów wskazań wzmacniacza tensometrycznego.
Sprawdzić dokładność wyskalowania wzmacniacza, zadając na jego wejściu
niewielkie znane zmiany rezystancji. Sprawdzenie skalowania wzmacniacza można
zrealizować przy pomocy układów przedstawionych na rysunku 4. Zastosować układ
z rysunku 4a i wartość Rb według tablicy 1.
a)
b)
Wzmacniacz tensometryczny
Wzmacniacz tensometryczny
Woltomierz
cyfrowy
TT - 4C
D
A
K2
S1
Rb
P1
zakres 0 ÷1
K2
połączenia
zewnętrzne
S2
Rb
10Ω
10Ω
P1
P2
o
G
S1
S2
10Ω
A
K1
90Ω
90Ω
Ekran
D
G
K1
Woltomierz
cyfrowy
TT - 4C
oo
Ekran
10Ω
P2
zakres 0 ÷1
o
oo
Rys.4. Schematy układów do skalowania wzmacniacza tensometrycznego TT-4C: a – układ dla
zmian ε w zakresie 0 ÷ 1 0 00 ; b – układ dla zmian ε w zakresie 1 ÷ 10 0 00
Tablica 1. Wartości rezystancji Rb dla układu 4a skalowania wzmacniacza
ε zad [0 00] 0,1
0,2
0,3
Rb [Ω]
2490
1656,7 1240
4990
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
990
823,3
704,3
615
545,6
490
Nastawiając zadane wartości rozstrojenia mostka za pomocą rezystora Rb należy
odczytać napięcie Uw na woltomierzu cyfrowym (ewentualnie wskazań εw na
wskaźniku analogowym wzmacniacza TT-4C). Błąd względny wskazań przyrządu
można wyliczyć z zależności:
4
 ε ⋅U

ε w − ε zad
− 1 ⋅ 100%
⋅ 100% =  N
ε zad
 ε zad ⋅ U N

0
Przyjąć: U N = 1.5 V i ε N = 0.1 00
Na podstawie wyników pomiarów i obliczeń narysować charakterystykę δ ε = f (ε zad ) .
W sprawozdaniu zamieścić wyprowadzenie zależności Rb = f (k , ε zad ) dla układu
z rysunku 4a, oraz obliczyć wartość Rb dla danych: k = 2, ε zad = 2 0 00 .
δε =
4. Badanie tensometrycznego przetwornika momentu skręcającego
Połączyć tensometryczny przetwornik momentu skręcającego ze wzmacniaczem
tensometrycznym TT-4C. Do wyjścia przyrządu TT-4C podłączyć woltomierz
cyfrowy- rys.5. Po przeprowadzeniu równoważenia mostka pomiarowego (regulacja
R i C) wykonać wzorcowanie układu przetwornika momentu w stanie statycznym.
Moment skręcający MS należy zadawać za pomocą dźwigni o określonej długości l
obciążonej znaną siłą F. Na podstawie wyników pomiarów sporządzić wykres
ε
.
ε = f (M s ) .Obliczyć czułość k m =
Ms
Porównać obliczoną wartość z wartością otrzymaną z zależności dla elementu
sprężystego cylindrycznego:
8 d z sin 2α
km =
π (d z4 − d w4 ) ⋅ G
gdzie:
α ≈ 45 o - kąt naklejenia tensometrów względem osi elementu sprężystego,
d z = 25,64mm; d w = 25mm - odpowiednio średnica zewnętrzna i wewnętrzna
elementu sprężystego,
G – moduł sprężystości poprzecznej (dla stali 7700 kG/mm2).
−ε
+ε
−ε
+ε
l
F
D
A
B
W zm acniacz
tensom etryczn y
TT - 4C
F
G
W oltom ierz
cyfrow y
Rys.5. Zasada wyznaczania ch-ki statycznej tensometrycznego przetwornika momentu skręcającego
5
Pytania kontrolne
1.
2.
3.
4.
5.
Omówić zasadę działania tensometru oraz jego podstawowe parametry techniczne.
Objaśnić różnice pomiędzy tensometrami metalowymi i półprzewodnikowymi.
Wymienić błędy występujące przy pomiarach tensometrami.
Czym uwarunkowana jest graniczna deformacja tensometrów?
Omówić zależność sygnału wyjściowego od odkształcenia w mostku
niezrównoważonym z 1, 2, 4 tensometrami.
6. Jak wyznacza się stałą czułości odkształceniowej tensometru?
7. Jak przejawia się wpływ zmian temperatury w mostku z tensometrami i jak można
go wyeliminować?
8. Podać przykłady zastosowania tensometrów do pomiaru wybranych wielkości
mechanicznych.
9. Jak jest zbudowany przyrząd zwany „wzmacniaczem tensometrycznym”
10. Omówić technikę wstępnego równoważenia mostków: stałoprądowego
i zmiennoprądowego.
Literatura
1. Dyszyński J. Laboratorium miernictwa wielkości nieelektrycznych. Skrypt PRz, Rzeszów
1974.
2.
3.
4.
5.
Roliński Z.: Tensometria oporowa. WNT, Warszawa 1981.
Styburski W.: Przetworniki tensometryczne. WNT, Warszawa 1976.
Szumielewicz B. i inni.: Pomiary elektroniczne w technice. WNT, Warszawa 1982.
Tumański S i inni.: Laboratorium miernictwa elektrycznego wielkości
nieelektrycznych. WPW, Warszawa 1996.
6. Miłek M.: Pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi. WPŹ,
Zielona Góra 1998.
6