background image

 

 

 

ĆW. 8 MOSTKI OPPOROWE, MOSTKI TENSOMETRYCZNE, 

WZORCOWANIE I POMIAR 

 

I. 

CEL 

 

Poznanie sposobów wykorzystania mostków technicznych w celu pomiaru drgań 

  

 

II. 

ZESTAW OPRZYRZĄDOWANIA DO ĆWICZENIA 

 

Techniczny mostek Wheatstone’a TMW - 5,  

  Mostek tensometryczny, 

  Oscyloskop, 

  Falownik. 

 

III. 

SPOSÓB POSTEPOWANIA 

 

podłączyć mostek Wheatstone’a TMW – 5 do źródła zasilania sieciowego 230V  
i wcisnąć odpowiedni przycisk wyboru źródła zasilania. 

 

 

 

Rys. 3.1.  Wygląd zewnętrzny mostka 
 

 

~ 230 V - gniazdo do podłączenia przewodu sieciowego 

 

 Z - gniazda do podłączenia zewnętrznego zasilacza prądu stałego 

 

G - gniazda do podłączenia zewnętrznego galwanometru 

 

~ 230 V, Z - przyciski wyboru Źródła zasilania 

 

G - przycisk włączający galwanometr i zasilanie mostka 

 

P - przełącznik zakresu pomiarowego 

 

Rp - pokrętło potencjometru 

background image

 

 

Zw - zwieracz obwodu galwanometru 

 

 

Prostym  sposobem  oceny  czułości  mostka  jest  zmiana  wartości  wskazywanej  o  wartość 

dopuszczalnego błędu; odpowiednia zmiana wskazania galwanometru powinna być nie mniejsza niż 

1 działka. 

 

 

jeżeli wymagana jest duża czułość wskaźnika równowagi do gniazd „G” można przyłączyć 

również  zewnętrzny  wskaźnik  równowagi;  jeżeli  korzysta  się  z  galwanometru 

wewnętrznego dołączony do mostka zwieracz powinien być umieszczony we właściwych 

gniazdach. 

 

podłączyć mierzony rezystor Rx do zacisków pomiarowych mostka - wg rys. 3.1 

 

przełącznik  P  ustawić  na  zakres,  w  którym  mieści  orientacyjnie  wartość  mierzonej 

rezystancji  (sprawdzić  wartość  spodziewanej  rezystancji  tensometru  na  opakowaniu 

fabrycznym), 

 

naciskając przycisk  G na obudowie mostka, pokręcać  gałką potencjometru Rp do  chwili 

zrównoważenia mostka (odchylenie galwanometru sprowadzić na kreskę zerowa); 

 

odczytać z tarczy podziałkowej potencjometru wartość mierzonej rezystancji. 

 

W  przypadku  gdy  pokręcanie  gałką  potencjometru  Rp  nie  pozwala  zrównoważyć  mostka, 

należy odpowiednio zmienić zakres pomiarowy przełącznikiem P. 

Odwrócenie  biegunowości  zasilającego  źródła  napięcia  stałego  nie  uniemożliwia  pomiaru, 

ale  pogarsza  własności  ergonomiczne  mostka,  gdyż  kierunek  obrotu  tarczy  potencjometru  

i odchylenia wskazówki galwanometru stają się wtedy przeciwne. 

 

 

Powtórzyć pomiar przy nacisku w dół na blachę pomiarową (rys. 3.1), na której na stałe 

jest przyklejony tensometr, oraz przy wygięciu w górę – badanie naprężeń statycznych. 

background image

 

 

Rys. 3.1. Nacisk wywierany podczas próby rozciągania (ściskania) na blachę pomiarową 

 

 

Załączyć  oscyloskop,  nastawić  na  odpowiedni  zakres,  pozwalający  na  ocenę 

naprężeń dynamicznych wywołanych działaniem falownika na tensometr, 

 

Odczytać z opakowania  tensometrów wykorzystanych w ćwiczeniu  czułość K oraz 

materiał z którego zostały wykonane, 

 

Zarejestrować obraz z oscyloskopu,  

 

IV. 

WSTĘP TEORETYCZNY 

 

4.1.       Przetwarzanie wielkości nieelektrycznych na elektryczne 

 

Przyrządy  i  metody  pomiarowe  stosowane  do  pomiaru  wielkości  elektrycznych  znajdują 

szerokie zastosowanie przy pomiarach wielu wielkości fizycznych. Fakt ten uzasadniają takie zalety 

elektrycznych  metod  pomiarowych  jak:  możliwość  dokonywania  pomiarów  ciągłych  i  rejestracji 

wielkości  mierzonej,  możliwość  wykonywania  pomiarów  zdalnych,  istotnych  zwłaszcza  przy 

automatyzacji  procesów  produkcyjnych.  Ponadto  metody  te  charakteryzują  się  stosunkowo  dużą 

dokładnością i czułością pomiaru, szerokim zakresem pomiaru, a także słabym oddziaływaniem na 

badany obiekt. 

 

Rys. 4.1. Ogólna zasada działania czujnika 

 

background image

 

Y – wyjściowa wielkość elektryczna 

X – badana wielkość fizyczna  

Do przetworzenia mierzonej wielkości nieelektrycznej na elektryczną służy element zwany 

czujnikiem  (spotykana  jest  też  nazwa  przetwornik  wejściowy).  Ideę  działania  czujnika  ilustruje  

rys.  4.1,  pomiar  wyjściowej  wielkości  elektrycznej  Y,  związanej  z  badaną  wielkością  fizyczną  X 

zależność: 

                                                

                                                                    (4.1) 

pozwala wyznaczyć wartość wielkości X. 

 

 

Czujniki  pomiarowe  można  podzielić  na  czujniki  parametryczne  (bierne)  oraz  czujniki 

generatorowe (czynne). 

Czujniki parametryczne działają na zasadzie zmian parametru elektrycznego pod wpływem 

zmian  mierzonej  wielkości  fizycznej.  Wpływ  ten  może  następować  na  zasadzie  bezpośredniej 

zależności  fizycznej  między  wielkością  mierzoną  (temperaturą,  ciśnieniem  itd.),  okrerślonym 

parametrem elektrycznym czujnika (rezystancją, indukcyjnością, stałą dielektryczną itd.). 

 Przykładem może być termometr rezystancyjny. Zmiana parametru elektrycznego może też 

wystąpić  na  skutek  wpływu  mechanicznego  na  czujnik  i  zmianę  jego  rezystancji,  pojemności, 

indukcyjności  itd.  Przykładem  może  być  pomiar  wydłużenia  przez  pomiar  zmiany  położenia 

suwaka na rezystorze. 

Zmiana  parametru  może  wreszcie  występować  w  wyniku  kompensacji  (ręcznej  lub 

automatycznej)  mierzonej  wielkości  fizycznej,  przetworzoną  wielkością  elektryczną  (prądem, 

napięciem). Przykładem jest pirometr optyczny. 

Z licznej  grupy  czujników parametrycznych zostaną przedstawione czujniki rezystancyjne, 

indukcyjne i pojemnościowe. 

Czujniki  generatorowe  działają  na  zasadzie  przetwarzania  energii  wielkości  mierzonej 

(mechanicznej, chemicznej, cieplnej itd.) na energię elektryczną, powstającą wielkością elektryczną 

może być siła elektromotoryczna, prąd, ładunek. 

Spośród  czujników  generatorowych  przedstawione  zostaną  termoelementy  i  czujniki 

dynamiczne. 

 

 

4.2.  Czujniki rezystancyjne 

 

background image

 

W czujnikach rezystancyjnych zmianę rezystancji osiąga się przez: zmianę położenia styku 

ślizgowego  na  rezystorze,  włączenie  lub  wyłączenie  rezystorów  w  obwodzie  pomiarowym,  przez 

zmianę rezystancji czujnika przy ściskaniu go, rozciąganiu lub przy zmianach temperatury. 

 

4.2.1.  Czujniki łącznikowe 

 

Czujniki te zmieniają rezystancję w układzie pomiarowym przez zamykanie lub otwieranie 

zestyku  między  punktami  A  i  B  (rys.  4.2a)  zależnie  od  wysokości  obiektu  umieszczonego  pod 

czujnikiem.  Czujnik  z  rys.  4.2a    pozwala  na  kontrolę  granic  tolerancji  —  zwiera  styki  A  i  B  po 

przekroczeniu dopuszczalnej odchyłki dolnej, a styki A i C po przekroczeniu odchyłki górnej. 

 

 

Rys. 4.2. Czujniki łącznikowe: a) jednopołożeniowy, b) dwupołożeniowy 

 

4.2.2.  Czujniki rezystancyjne 

 

Rezystancja  tych  czujników  zależy  od  położenia  styku  ślizgowego.  Na  rysunku  4.3a 

przedstawiono  czujnik  służący  do  pomiaru  wydłużenia  próbki.  Rezystancja  tego  czujnika  między 

punktami A i B zależy od odległości x styku ślizgowego od początku rezystora 

                                    

                                                                (4.2) 

Przy  równomiernym  nawinięciu  drutu  zmienność  rezystancji  jest  jednostajna  i  zależność 

rezystancji  od  odległości  x  jest  liniowa.  Na  rysunku  4.3b  przedstawiono  czujnik  do  pomiaru  kąta 

skręcenia; rezystancja R między punktami A i B zależy od położenia suwaka, a więc od kąta α 

 

background image

 

 

Rys. 4.3 Czujniki rezystancyjne: a) liniowy, b) obrotowy 

 

                                        

                                                                (4.3) 

Przy jednostajnej zmienności rezystancji zależność ta jest liniowa. 

 

 

 

 

 

4.2.3.  Czujniki tensometryczne 

 

W  czujnikach  tych  wykorzystuje  się  zmianę  rezystancji  drutu  pod  wpływem  jego 

rozciągania. Uwzględniając we wzorze (4.4) na rezystancję przewodnika, że przy wydłużeniu drutu 

o Δl zmienia się jego przekrój o ΔS, i rezystywność o Δσ, rezystancja przewodnika zmieni się o 

                            (4.4) 

oznaczając przez μ liczbę Poissona 

                                                      

                                                                        (4.5) 

otrzymujemy wyrażenie na względną zmianę rezystancji: 

                                 

                                                (4.6) 

gdzie: K- współczynnik czułości tensometru, ε - wydłużenie względne (ε = Δl/l) 

 

Czujnik  tensometryczny  składa  się  z  cienkiego  drutu  naklejonego  między  dwie  taśmy 

papieru  lub  folii  celuloidowej.  Na  rysunku  4.4  przedstawiono  dwa  typy  tensometrów  stosowane  

w  praktyce:  tensometr  wężykowy  i  tensometr  kratowy.  Rozwiązanie  typu  kratowego  jest  lepsze, 

background image

 

gdyż  eliminuje błędy spowodowane odkształceniami poprzecznymi do długich osi  pętlic. Czułość 

najczęściej stosowanych tensometrów zmienia się w granicach: K = 2 ÷ 3 przy czym dla: 

 

    

 

 

 

 

 

 

Rys. 4.4. Czujniki tensometryczne: a) wężykowy, b) kratowy 

 

W  zależności  od  warunków  pracy  (materiał  badany,  temperatura)  do  przyklejania 

tensometrów stosuje się kleje celuloidowe, bakelitowe, cementowe i inne. 

Oprócz  tensometrów  metalowych  są  również  stosowane  tensometry  półprzewodnikowe 

(monokryształy  germanu  i  krzemu).  Zmiana  rezystancji  tych  tensometrów  przy  rozciąganiu 

(ściskaniu) jest spowodowana głównie zmianą koncentracji nośników ładunku wskutek zwiększenia 

(zmniejszenia)  odległości  międzyatomowych.  Względne  zmiany  rezystancji  tensometrów 

półprzewodnikowych są znacznie większe niż metalowych (dla krzemu K = ± 60 ÷ ± 175). 

 

4.3. 

Pomiary tensometryczne 

Czujniki tensometryczne pozwalają na wyznaczenie wydłużenia względnego ε na podstawie 

zmiany rezystancji. Korzystając z prawa Hooke’a możemy wtedy wyznaczyć naprężenie 

                                 

                                                               (4.7) 

background image

 

gdzie:  E  -  moduł  Younga,  ΔR/R  —  względna  zmiana  rezystancji,  K  –  stała  tensometru  (czułość). 

Można także wyznaczyć siłę F rozciągającą obiekt o przekroju S 

                                              

                                                               (4.8) 

W  pomiarach  tensometrycznych  z  reguły  stosuje  się  mostek  Wheatstone’a.  Sam  pomiar 

odbywa  się  metodą  zerową  lub  odchyłową.  Schemat  mostka  do  pomiaru  metodą  zerową 

przedstawiono  na  rys.  4.5.  Równoważenia  mostka  dokonuje  się  przez  regulację  rezystancji,  np. 

gałęzi  trzeciej.  Równolegle  do  rezystora  R

3

  jest  przyłączony  regulowany  rezystor  R`

3

  o  dużej 

rezystancji,  co  przy  zastosowaniu  czułego  galwanometru  umożliwia  pomiar  małych  zmian 

rezystancji  czujnika.  W  metodzie  odchyłowej  prąd  w  galwanometrze  zależy  od  wydłużenia 

względnego, czyli i

g

 = f(ε). 

W  pomiarach  tensometrycznych  stosuje  się  również  układ  różnicowy  podany  na  rys.  4.6.  

 

 

Rys. 4.5. Pomiar naprężeń metodą zerową        Rys. 4.6. Pomiar naprężeń w układzie różnicowym 

 

W  przypadku,  gdy  rezystancja  czujnika  jest  równa  rezystancji  R

2

,  przez  galwanometr  prąd  nie 

płynie i układ znajduje się w równowadze. W przypadku zmiany rezystancji R

1

 przez galwanometr 

płynie prąd: 

                             

                                                        (4.9) 

Przy małych zmianach rezystancji czujnika prąd ten jest proporcjonalny do zmiany rezystancji R

1

, a 

więc do wydłużenia względnego 

                                     

                                                        (4.10) 

background image

 

 

 

Rys. 4.7. Układy z kompensacją temperatury otoczenia: a) układ z dwoma czujnikami (jednym nie 

pracującym), b) układ z dwoma czujnikami pracującymi 

 

W  omawianych  układach  należy  stosować  kompensację  wpływu  tempera  tury.  Zmiany 

rezystancji  przy  pracy  tensometrów  są  z  reguły  małe  i  nawet  niewielkie  zmiany  temperatury 

otoczenia, rzędu kilku dziesiątych C°, mogą mieć wpływ na wartość mierzonej rezystancji.  

Wpływ ten jest spowodowany wzrostem rezystancji czujnika przy zmianie temperatury (dla 

konstantanu  współczynnik  temperaturowy  rezystancji  α

k

  =  ±  40  ·  10

-6

  °C

-1

)  i  przy  różnicy 

temperaturowych  współczynników  wydłużalności  badanego  przedmiotu  i  czujnika  (np.  dla  stali  

β

FC

 = 11 · 10

-6

, dla konstantanu β

K

 = 15 · 10

-6 

Uwzględnienie tego wpływu jest bardzo kłopotliwe. 

W praktyce, w celu kompensacji wpływu temperatury, obok właściwego czujnika nakleja się 

drugi  czujnik  R

2

  nie  pracujący  (rys.  4.7a)  lub  pracujący,  ale  doznający  naprężenia  przeciwnego 

znaku. Czujnik dodatkowy może być naklejony po drugiej stronie zginanej belki (rys. 4.7b). Jeśli 

oba czujniki znajdują się w tej samej temperaturze, to zmiany ich rezystancji w funkcji temperatury 

kompensują się i nie mają wpływu na prąd w galwanometrze.

 

Przy  pomiarach  naprężeń  szybko  zmieniających  się  w  czasie,  a  więc  przy  pomiarach 

dynamicznych,  zamiast  galwanometru  przyłącza  się  odpowiedni  przyrząd  rejestrujący  np. 

oscylograf pętlicowy lub katodowy. 

 

4.4.  Pomiary odkształceń za pomocą oscyloskopu 

Przez zastosowanie taśmowych tensometrów oporowych i oscyloskopu możliwy jest pomiar 

odkształceń  dynamicznych,  jakie  występują  pod  wpływem  udarów,  wibracji  i  różnych  sił 

dynamicznych.  Zastosowanie  oscyloskopu  ma  tę  przewagę  nad  przyrządami  rejestrującymi,  

że bezwładność oscyloskopu jest najmniejsza, co pozwala na pomiar zjawisk bardzo szybkich. 

 Dogodnym do pomiarów przebiegów jednorazowych jest oscyloskop z lampą pamiętającą.  

background image

 

10 

Pełny układ pomiarowy powinien spełniać następujące wymagania: 

 

 

charakterystyka  częstotliwościowa:  od  zera  do  częstotliwości  przekraczającej  z  zapasem 

spodziewaną największą częstotliwość odkształcenia, 

 

układ  powinien  zapewniać  dobrą  liniowość  od  tensometru  począwszy,  na  oscyloskopie 

skończywszy. 

 

Jeżeli  te  warunki  są  spełnione,  wtedy  statyczna  kalibracja  układu  pomiarowego  pozostaje  słuszna 

dla przebiegów dynamicznych. 

Układ blokowy pomiaru odkształceń przedstawiono na rys. 4.8. Siła F działająca na badany 

element  konstrukcji  powoduje  powstanie  naprężeń  σ,  w  wyniku  których  element  odkształca  się.         

Przymocowany  do  badanego  elementu  tensometr  zamienia  odkształcenia  na  zmianę  rezystancji 

ΔR/R,  która  wpływa  na  zmianę  napięcia  sterującego  oscyloskop,  proporcjonalnie  do  wielkości 

odkształcenia. 

 

Rys. 4.8. Schemat blokowy pomiaru odkształceń 

 

Tensometry  konstantanowe  umożliwiają  pomiar  odkształceń  ε  →  1%,  co  dla  większości 

materiałów  stanowi  wartość  powyżej  granicy  elastyczności.  Jednakże  chcąc  z  tego  samego 

tensometru uzyskać powtarzalne wyniki, nie powinno się przekraczać ε = 0,2%. W takim zakresie 

odkształceń zależność między ΔR a 

ε

 jest liniowa. 

Dokładność  pomiaru  i  jego  prawidłowa  interpretacja  zależy  od  wyboru  właściwego 

tensometru  i  prawidłowego  umocowania  go.  Powierzchnia,  do  której  przykleja  się  tensometr, 

powinna  być  lekko  szorstka  i  dobrze  oczyszczona,  np.  acetonem  lub  czterochlorkiem  węgla.  Do 

klejenia stosuje się żywice epoksydowe, kleje syntetyczne lub bakelitowe. 

Dla  zilustrowania  metody  pomiarowej  rozpatrzmy  następujący  przykład.  Należy  zmierzyć 

siły  dynamiczne  przenoszone  przez  pręt  stalowy  o  średnicy  12  mm.  Spodziewany  zakres  sił:  

od 10 kG do 500 kG. 

 

background image

 

11 

1. Obliczamy przekrój: 

 

2. Przy obciążeniu 10 kG naprężenie wyniesie: 

 

3. Odkształcenie wyniesie: 

 

 

4.  Ustalenie  układu  mostka.  Pojedynczy  tensometr  przy  tak  małych  odkształceniach  ma 

następujące wady: 

 

mała czułość, 

  brak kompensacji temperaturowej, 

  dodatkowe naprężenia w samym tensometrze mogą zakłócać właściwy odczyt. 

 

Znacznie lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie dwóch tensometrów, których wpływy się 

zsumują. Najlepszy układ tworzą cztery tensometry umieszczone jak na rys. 4.9 

 

 

 

Rys. 4.9a. Układ z czterema tensometrami, układ mostka prądu stałego 

background image

 

12 

 

 

Rys.  4.9b.  Układ  z  czterema  tensometrami.  układ  mostka  prądu  zmiennego  z  demodulatorem 

fazoczułym 

 

Rys.  4.9c.  Sposób  umocowania  tensometrów.  Układ  z  czterema  tensometrami.  Tensometry  A  i  C 

reagują na wydłużenie pręta. Tensometry D i B umieszczone są neutralnie. Kompensują 

one wpływ temperatury i reagują na efekt Poissona 

 

Tensometry  D  i  B  kompensują  układ  temperaturowo  i  wykorzystują  zjawisko  Poissona 

(zmniejszenie średnicy przy wydłużeniu). Liczba Poissona dla stali wynosi 0,28. Zatem sumaryczny 

wynik pomiaru będzie: 

 

 

 

5. Układ odczytu. Mostek pomiarowy może być zasilany napięciem stałym lub zmiennym. 

background image

 

13 

Układ prądu stałego powinien spełniać następujące wymagania: 

 

czułość oscyloskopu: na tyle duża, aby móc odczytać najmniejsze interesujące nas 

odkształcenia, 

 

 

pasmo:  od  zera  do  częstotliwości  przekraczającej  największą  spodziewaną 

częstotliwość odkształceń dynamicznych, 

 

 

mostek należy zasilić z zewnętrznego źródła oraz połączyć z układem zerowania i 

kalibracji. 

 

Napięcie wyjściowe z mostka prądu stałego określamy z zależności: 

                              

                                                            (4.11) 

gdzie:  

U

wy

 - napięcie wyjściowe [μV], 

ε

calk 

- sumaryczne odkształcenie s wszystkich tensometrów [10

-6

], 

E - napięcie zasilające mostek [V] 

K - współczynnik czułości odkształceniowej (zazwyczaj K 1,8 ÷ 2,3). 

W obliczonym przykładzie przy E = 12 V i K = 2,2 mamy dla 10 kG obciążenia: 

 

                         

 

 

Dla  obciążenia  maksymalnego  500  kG,  U

wy

  =  50  ·  70  =  3500  μV.  Przy  współczynniku 

odchylania  oscyloskopu  500  μV/cm,  przy  maksymalnym  obciążeniu  plamka  wychyli  się  o  7  cm, 

przy minimalnym o 1,4 mm. 

Wadą mostka prądu stałego jest: 

 

konieczność przeliczania odkształcenia na napięcie według (4.11), 

 

wrażliwość układu na zakłócenia, tętnienia, sygnały stacji radiowych itp., wprowadzanie 

przez SEM ogniw termoelektrycznych dodatkowego błędu. 

Zaletą mostka prądu stałego jest szersze pasmo (do 100 kHz), podczas gdy typowe pasmo 

mostka prądu zmiennego z detektorem fazoczułym wynosi 0 ÷ 6 kHz. Ponadto na wynik pomiaru 

znacznie mniejszy wpływ wykazują pojemności. 

background image

 

14 

Zaletą  mostka  prądu  zmiennego  współpracującego  z  demodulatorem  fazoczułym  (np. 

wkładki firmy Tektronix typu Q lub 3 C66) jest bezpośredni odczyt odkształcenia na ekranie oraz 

większa  czułość  (rys.  4.9  b).  Kalibrację  mostka  przeprowadza  się  przez  odczyt  na  oscyloskopie 

napięcia po przyłożeniu do badanej próbki znanej siły lub przez włączenie równolegle do jednego z 

tensometrów  rezystora  R

kal

  (rys.  4.9a,  b)  o  takiej  wartości,  że  zmiana  napięcia  wyjściowego 

odpowiada  określonej  sile.  Jeżeli  rezystor  ten  jest  włączony  w  gałąź  A,  odpowiada  to  ujemnemu 

odkształceniu. Wartość rezystora R

kal 

oblicza się z następującej zależności: 

 

                                        

                                                                  (4.12) 

gdzie: R — nominalna rezystancja tensometru [Ω], 

           K— współczynnik czułości odkształceniowej, 

          ε

calk

 — sumaryczne odkształcenie wszystkich tensometrów w mostku.  

 

W przypadku gdy F = 100 kG wytwarza sumaryczne odkształcenie to: 

  

stąd 

 

Rezystor  kalibrujący  można  wykorzystać  do  wyskalowania  oscyloskopu  zarówno  w  ε/cm, 

jak i w kG/cm. 

 

Wyskalowanie w ε/cm 

 Włączenie do mostka rezystora R

kal

 symuluje odkształcenie ε = - 105,8 · 10

-6

. Jeżeli czułość 

układu pomiarowego wraz z oscyloskopem wynosi 10 · 10

-6

/cm, wtedy po włączeniu rezystora R

kal 

= 0,517 MΩ plamka na ekranie powinna się odchylić o 10,58 cm. Jeżeli odchylenie jest inne, należy 

skorygować wzmocnienie układu pomiarowego, tak by odchylenie plamki wyniosło 10,58 cm. 

background image

 

15 

 

Rys. 4.10. Graniczna długość fali dynamicznego odkształcenia, przy kt6rej rezystancja tensometru 

nie ulega zmianie 

 

 

Wyskalowanie w kG/cm 

 Działająca  siła  100  kG  przy  czułości  układu  10  ·  10

-6

/cm  powinna  odchylić  plamkę  na 

ekranie o 10,58 cm. Jeżeli nieco zmniejszymy wzmocnienie układu pomiarowego, tak by plamka po 

włączeniu  R

kal 

=  0,517  MΩ  odchyliła  się  dokładnie  o  10  cm,  wtedy  otrzymujemy  podziałkę 

odpowiadającą sile 10 kG/cm. 

Maksymalna  częstotliwość  dynamicznych  zmian  odkształceń,  jakie  mogą  być  zmierzone, 

zależy  od  pasma  układu  pomiarowego  i  wymiarów  tensometru.  Jeżeli  długość  fali  dynamicznego 

odkształcenia  jest  równa  długości  tensometru,  to  rezystancja  tensometru  nie  ulegnie  zmianie  

(rys. 4.10) 

Przy  fali nieco krótszej  od granicznej  tensometr  znów zaczyna  reagować. Zjawisko  to  jest 

podobne do ograniczenia pasma przez lampę oscyloskopową na skutek skończonego czasu przelotu 

elektronów między płytkami odchylającymi. 

Częstotliwość graniczna, przy której tensometr nie zmienia swej rezystancji, wynosi: 

                            

                                                              (4.13) 

gdzie:  

υ - prędkość dźwięku w mierzonym ośrodku [cm/s]. Dla stali i aluminium υ =  5,1 · l0

5

 [cm/s], 

λ - długość fali [cm], 

l - długość aktywnej części tensometru [cm]. 

Jeżeli chcemy, aby uchyb nie przekroczył 1 %„ częstotliwość maksymalna ƒ

max

 powinna być 

background image

 

16 

około 20 razy mniejsza od granicznej: 

                                        

                                                                 (4.14) 

Dla spadku charakterystyki tensometru o 3 dB mamy: 

 

                             

                                                       (4.15) 

Tak np. dla tensometru typu FK-12 długość czynna wynosi 1,2 cm. Zatem dla stali: 

 

Pasmo układu pomiarowego złożonego z dwu szeregowych członów, każdy o ograniczonym 

paśmie, wyniesie: 

                                             

                                                                 (4.16) 

gdzie: 

ƒ

u

 -wypadkowe pasmo układu, 

ƒ

g1,

 ƒ

g2

 - graniczne (3 dB) pasmo układu pierwszego i drugiego. 

 

Tak np. jeżeli tensometr typu FK-12 współpracuje z oscyloskopem o pasmie 150 kHz, otrzymuje się 

 

Czas narastania układu pomiarowego, wyrażony jako odpowiedź na siłę „skokową” przyłożoną w 

nieskończenie krótkim czasie, wynosi: 

                                            

                                                                      (4.17) 

gdzie: t

n

 -  czas narastania [s], 

           ƒu - pasmo układu pomiarowego [Hz]. 

 

W opisany sposób można mierzyć dynamiczne wydłużenia skrętne, reakcje płyt i prętów na 

background image

 

17 

ugięcia itp. 

 

4.4.1  Pomiar charakterystyki elastyczności gumy 

Układ pomiarowy składa się z tensometrycznego miernika siły, próbki badanego materiału, 

zasilacza napięcia stałego i oscyloskopu różnicowego. Badana próbka jest przymocowana jednym 

końcem do elastycznego pręta metalowego, który dzięki umieszczeniu na nim dwóch tensometrów 

oporowych A i B (rys. 4.11a) służy jako miernik siły. Napięcie wyjściowe z mostka steruje wejście 

różnicowe oscyloskopu (współczynnik odchylania: 0,5 mV/cm), dając w kierunku osi Y odchylenie 

plamki  proporcjonalne  do  siły  rozciągającej  badany  odcinek  gumy.  Drugi  koniec  gumy 

przymocowany jest do osi potencjometru, z którego napięcie steruje oś X, dając odchylenie plamki 

proporcjonalne  do  odkształcenia  gumy.  Na  rysunku  4.11b  i  c  przedstawiono  przebiegi  dla  dwu 

różnych gatunków gum. Guma czarna charakteryzuje się szeroką pętlą histerezy, podczas gdy żółta 

jest jej prawie pozbawiona. 

 

 

 

Rys. 4.11a. Układ do pomiaru charakterystyki elastyczności gumy, schemat ideowy 

 

 

background image

 

18 

 

 

Rys.  4.11b,  c.    Układ  do  pomiaru  charakterystyki  elastyczności  gumy;  b  -  obrazy  na  ekranie  dla  gumy 

czarnej;  oś  X:  współczynnik  odchylania  0.1  V/cm,  odchylenie  proporcjonalne  do 

odkształcenia gumy, oś Y: współczynnik odchylania 0,5 mV/cm, odchylenie proporcjonalne 

do siły, c - obraz na ekranie dla gumy żółtej; oś X i oś Y jak w b 

 

V. 

OPRACOWANIE WYNIKÓW 

 

Zestawić wyniki wyznaczone za pomocą TMW – 5, 

 

Opisać obraz z oscyloskopu naprężeń dynamicznych, 

 

Dobrać rezystor kalibrujący dla K =1,93 (czułość tens.), ΔR = 10 Ω, R = 120Ω. 

 

VI. 

ZAGADNIENIA DO ZALICZENIA ĆWICZENIA 

  Na czym polega zjawisko Poissona, 

 

Tensometry zastosowanie, zasady działania, 

  Zastosowanie mostków Thompsona w celu pomiaru naprężeń, 

 

Zastosowanie mostków Wheatstone’a w celu pomiaru naprężeń. 

VII.   LITERATURA 

1.  B. Miedziński „Elektrotechnika podstawy i instalacje elektrotechniczne” PWN Warszawa 2000 

2.  H. Rawa „Elektryczność i magnetyzm w technice” PWN Warszawa 2001 

3.  S. Idzi „Pomiary elektryczne. Obwody prądu stałego” PWN Warszawa 1999 

4.  G.  Łomnicka-Przybyłowska  „Pomiary  elektryczne.  Obwody  prądu  zmiennego”  PWN  

Warszawa 2000 

5.  S. Bolkowski „Teoria obwodów elektrycznych” WNT, Warszawa 2001 

6.  A Chwaleba M. Poniński, A Siedlecki „Metrologia elektryczna” WNT Warszawa 2000 

 

 

background image

 

19