Cílem této úlohy je vyhodnocení vlivu pozice měření průhybu nosníku na rozváženost implementovaného tenzometrického můstku a změření statické charakteristiky celého systému.
Seznamte se s konstrukcí a použitím tenzometrů.
Proveďte měření na tenzometrech zapojených do můstku umístěných na nosníku se dvěma podporami.
Zjistěte nelinearity statické charakteristiky, velikost hystereze a rovnici regresní přímky.
Zhodnoťte výsledky získané během měření a následného vyhodnocení.
Obr. 1 Zapojení úlohy
Odporový drátový tenzometr (obr. 2) je elektrický vodič nepatrného průřezu, umístěný na papírové folii, který se nalepuje na deformovanou součást tak, aby se deformace přenášela i na vodič a způsobovala jeho protažení. Materiál tohoto vodiče je konstantan (slitina mědi a niklu), jehož odpor málo závisí na teplotě. Průměr konstantanového drátu bývá 0,01 – 0,05 mm. Protažením vodiče se zvětší jeho délka a zmenší se průřez. Tím se zvýší celkový odpor tenzometru a tato změna je měřítkem deformace. Pro měření podélných deformací je tenzometr tvořen podélnými smyčkami vodiče (obr. 2), přičemž průřez vodiče může být kruhový, plochý anebo je tenzometr tvořen z kovové fólie vyleptáním příslušného tvaru. Vodič je přitmelen na jemné papírové podložce, má vyztužené přívody a takto se celý přilepí na měřenou součást.
Obr. 2 Lineární tenzometr 1 osy
Tyto tenzometry jsou citlivé na změny okolní teploty a je nutno tedy vliv teploty kompenzovat většinou vhodným umístěním více tenzometrů a jejich zapojením do můstku. Při praktických měřeních se tenzometry připojují na měřicí aparatury zvané tenzometrické můstky, které jsou vhodné jak pro statická, tak pro dynamická měření. Vyrábí se např. odporové tenzometry o jmenovitém odporu 120 Ω, popř. 250 Ω, 350 Ω a 600 Ω (Mikrotechna) podle řad výrobců.
Pro měření budeme využívat systém, který se skládá z několika částí. Na tenkém kovovém nosníku na dvou podporách jsou nalepeny tenzometry po obou stranách. Při zatěžování nosníku kolmou silou F dochází k jeho deformaci a nalepené tenzometry tuto deformaci měří. Ke zvýšené citlivosti a ke kompenzaci vlivu teploty okolí jsou tenzometry nalepeny po dvou na obou stranách nosníku a zapojeny do můstku. Změní-li se teplota okolí, změní se odpor přibližně u všech tenzometrů stejně, takže se můstek nerozváží. Aby se deformace projevila co nejvíce, je nutno nalepit tenzometry v místě největší deformace.
Obr. 3 Gunt FL102; 1-rám, 2-kolo, 3-konektor k měřicímu zesilovači, 4-nosník na dvou podporách, 5-tenzometrický můstek (měřené místo), 6-závitová tyč, 7-měření průhybu (úchylkoměr), 8-rám úchylkoměru, 9-pomocný rám.
Zatěžování nosníku je prováděno pomocí šroubu, který svým pohyblivým dotykem (pomocným rámem) tlačí na nosník a vychyluje ho ze základní polohy. Velikost vychýlení je pak odečítána na stupnici úchylkoměru.
Obr. 4 1-tenzometr na horní straně nosníku (tlak), 2-tenzometr na dolní straně nosníku (tah), 3-nosník na dvou podporách, 4-úchylkoměr, Mb [Nm] ohybový moment, F[N] působící síla.
Obr. 5 Můstkové zapojení s tenzometrickými pásky
Obr. 6 Charakteristika působící síly a ohybového momentu na nosníku; F [N] působící síla, FA, FB [N] reakční síly, Mb [Nm] ohybový moment, x[mm] průhyb nosníku.
Pro vyhodnocení napětí na tenzometrickém můstku (napájení můstku a výstupní diferenční napětí) se můstek připojí k měřicímu systému dle obr. 7. Před a po samotným měřením je třeba uvolnit zatížení nosníku!!! Laboratorní model připojte k PC a spusťte aplikaci (grafický interface) v prostředí Control Web s názvem „Tenzo“. V aplikaci zapněte čtení aktuální hodnoty rozvážení můstku.
Obr. 7 Měřicí systém na bázi PIC16F876A (PCB) s možností připojení do ILAN
Pak se nosník postupně deformuje posunem dotyku pomocného rámu (jeho přitažením přes šroubovici) a zjišťuje se rozvážení můstku v závislosti na vychýlení nosníku. Potom se vychýlení nosníku postupně zmenšuje, aby se zjistila případná hystereze celého zařízení. Rozvážení můstku se nepřepočítává na deformaci nosníku, ale zjišťuje se přímo závislost údaje rozvážení (aplikace Tenzo) na výchylce polohy od základní pozice.
Obr. 2 Náhled GUI aplikace TENZO
Tab. 1 Popis komponent GUI aplikace
1 |
Výsledek měření uložení v DBF souboru |
5 |
Odečtená hodnota z úchylkoměru |
9 |
Uložení hodnot (11) do DBF souboru (1) |
2 |
Navázaní komunikace s měřicí jednotkou |
6 |
Aktualizace vybrané položky seznamu (11) |
10 |
Smazání všech hodnot (11) |
3 |
Aktuální hodnota napětí na tenz. můstku |
7 |
Odstranění vybrané položky ze seznamu (11) |
11 |
Aktuálně naměřená data (seznam hodnot) |
4 |
Uložení hodnoty (3 a 5) do seznamu (11) |
8 |
Vykreslení naměřených hodnot (11) do grafu (12) |
12 |
Zobrazení naměřených hodnot |
Tab. 2 Způsob zapsání naměřených hodnot
Výchylka [mm] |
Zatížení nosníku (Stlačení) |
Zatížení nosníku (Uvolnění) |
Střední hodnota napětí |
Hystereze |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Naměřené hodnoty lze vynést do grafu a určit nelinearity statické charakteristiky. Do grafu lze vyznačit maximální hodnotu hystereze h a vypočítat maximální poměrnou hysterezi hm [%], dle následujícího vztahu:
Lze pak vypočítat koeficienty regresních přímek pro oba směry zatížení nosníku a zakreslit vypočtené přímky do grafu.
Ujistěte se, že je zatížení nosníku nulové.
Propojte jednotlivé části měřicího systému.
Spusťte programovou podporu na straně PC.
Umístěte úchylkoměr do první pozice na nosníku vymezené stahovacími řemeny.
Vychylujte nosník v rozsahu 0 ÷ 0,5 mm po 0,05 mm a s využitím software zaznamenejte jednotlivé napěťové hodnoty (tam i zpět).
Bod 5 zopakujte pro zbývající dvě pozice úchylkoměru na nosníku.
Zpracujte a vyhodnoťte naměřená data (charakteristiky).
Jaký je princip tenzometru a jeho vlastnosti?
Co je to teplotní kompenzace tenzometrů?
Proč se tenzometry zapojují do můstku?
Napište podmínku rovnováhy tenzometrického můstku.
Jak souvisí citlivost měření s počtem tenzometrů v můstku?
