Модернизация склерометрического комплекса для измерения твёрдости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит: 107 печатных листа, 6 разделов, 39 иллюстраций, 8 таблиц, 3 приложения, 23 использованных источника.

Графический материал содержит: 8 листов формата А1, 1 лист формата А3, 1 лист формата А4.

Ключевые слова:

Твёрдость, методы измерения твёрдости, шаговый двигатель, направляющая, шарико - винтовая пара, микротвёрдость, измерительный преобразователь, косвенное измерение, методика выполнения измерения, поверка.

Целью данного дипломного проекта является модернизация склерометрического комплекса для измерения твёрдости.

Для достижения этой цели в работе представлены устройства, обеспечивающие автоматизированное перемещение подвижных частей, а также управляющие устройства, в качестве которых представлены контроллер и центральный процессор. Проведено обоснование выбора датчиков для контроля силы и перемещения. Описаны преимущества и недостатки предлагаемого варианта прибора для измерения твёрдости. Выполнен точностной расчёт системы. Дана оценка экономической эффективности со сроком окупаемости модернизированного тестера.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Постановка задачи проектирования

1.1 Анализ объекта измерения

1.2 Технологический процесс изготовления шайбы

1.3 Понятие твёрдость

1.4 Описание работы склерометрического комплекса

1.5 Выбор места для исследования микротвёрдости

1.6 Постановка задачи проектирования

2. Разработка модернизированного тестера для измерения твёрдости

2.1 Обзор методов измерения твёрдости

2.1.1 Измерение твёрдости по Бринеллю

2.1.2 Измерение твёрдости по Роквеллу

2.1.3 Измерение твёрдости по Виккерсу

2.1.4 Метод измерения твёрдости металлов и сплавов по Шору

2.1.5 Измерение микротвёрдости царапанием алмазным наконечником

2.2 Описание блок-схемы комплекса для измерения твёрдости

2.3 Методика выполнения измерения твёрдости на тестере

2.4 Описание электрической схемы тестера

2.5 Обзор измерительных преобразователей для контроля силы и перемещения

2.5.1 Магнитоупругие ИП

2.5.2 Тензорезистивные ИП

2.5.3 Ёмкостные ИП

2.5.4 Пьезоэлектрические ИП

2.5.5 Индуктивные ИП

2.6 Датчик для измерения силы

2.7 Датчик для измерения перемещений

2.8 Датчик положения

2.9 Источник опорного напряжения

2.10 Стабилизатор

2.11 Усилитель

2.12 Контроллер

2.13 Шаговый двигатель

2.14 Шарико-винтовая передача

3. Метрологическое обеспечение процесса измерения контроля твёрдости

3.1 Анализ точности системы

3.2 Косвенные измерения с нелинейной зависимостью

3.3 Методика поверки тестера по образцовым мерам твёрдости

3.4 Государственный специальный эталон твёрдости металлов и сплавов

3.4.1 Рабочие эталоны

3.4.2 Рабочие средства измерений

4. Стандартизация и менеджмент качества

4.1 Анализ измерительного процесса измерения твёрдости

4.2 Анализ управляемости измерительного процесса контроля твёрдости

4.2.1 Контрольная карта размахов

4.2.2 Контрольная карта средних

4.3 Диаграмма Парето

5. Экономическое обоснование проекта

5.1 Расчет исходного способа проведения испытаний

5.2 Расчет варианта, предлагаемого по проекту

5.3 Эффективность внедрения проекта

5.4 Срок окупаемости проекта

6. Обеспечение безопасности жизнедеятельности

6.1 Общие требования

6.2 Требования безопасности перед началом работы

6.3 Требования безопасности во время работы

6.4 Требования безопасности в аварийных ситуациях

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время очень важным и актуальным вопросом является разработка новых месторождений, которую невозможно осуществлять без специального оборудования - бурового шарошечного долота. Поэтому необходимо уделять пристальное внимание вопросам качества буровых долот. В конструкцию бурового долота входит подшипник скольжения, в состав которого, в свою очередь, входит шайба, являющаяся в данном дипломном проекте объектом измерения. Она работает в экстремальных условиях (трение), при больших скоростях, поэтому очень важно контролировать её твёрдость. В трудных экономических условиях стоит уделять повышенное внимание этому показателю материала, из которого изготавливается шайба. Если контролю твёрдости не уделять стоящего внимания, то шарошечное долото может выйти из строя. А так как долото является дорогостоящим элементом системы бурения, то его поломка приведёт к серьёзным экономическим потерям, что необходимо пресекать в силу сложившейся в мире трудной экономической обстановки.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1.1 Анализ объекта измерения

Объектом измерения является шайба (Приложение 1), входящая в конструкцию бурового долота. Она работает в экстремальных условиях (трения), при больших скоростях, поэтому очень важно контролировать её твёрдость. Шайбы постоянно испытывают трение, да еще при очень высоких температурах. Сейчас для их изготовления используют такие материалы, как: сталь 3, сталь 10, сталь 25, сталь 35, сталь 45, сталь 35Х, сталь 40Х, 09Г2С, 14Х17Н2, 15ХМ, 20Х13, 20ХН3А, 38ХС, 40ХМФА, 30ХМА, 25Х1МФ, 25Х2М1Ф, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х11Н23Т3МР, 18Х12ВМБФР, 20Х1М1Ф1ТР, 45Х14Н14В2М, бронза и т.д.

Шайба имеет форму диска с цилиндрическим отверстием.

Шайба используется для предохранения поверхности детали от повреждения гайкой при затяжке, увеличения опорной площади гайки, головки болта, для устранения возможности отвинчивания гаек при вибрации и других случаях. Применение шайбы способствует более равномерному распределению давления на соединяемые детали.

Шайбы стальные сочетают высокие прочностные свойства с хорошей пластичностью и вязкостью, поэтому шайбы в зависимости от исполнения можно применять в районах с расчетной температурой до минус 65°С. достигается это специальной термической обработкой. Шайбы стальные жаропрочные имеют высокое сопротивление ползучести и разрушению при высоких температурах. Шайба применяется для предохранения поверхности деталей двигателей, паровых и газовых турбин, котлов, атомно-энергетических установок от повреждения гайкой при затяжке. Жаропрочность стальных шайб определяется физическими факторами - прочностью межатомных связей стали, из которой изготовлена шайба, и ее структурой. Обычно необходимую для высокой прочности структуру получают введением легирующих элементов, способных к дополнительному упрочнению основного компонента стали. Нержавеющие шайбы это шайбы стойкие против коррозии в атмосферных условиях и различных агрессивных средах.

Изготавливают шайбы плоские вырубкой из листового материала или точением из калиброванного пруткового металла.

В рассматриваемом случае шайба изготовлена из материала БрБ2, т.е. состоит из следующих элементов: CuBe2Ni(Co). Массовая доля основных компонентов: бериллий (1,8ч2,1)%, никель (0,2ч0,5)%, кремний 0,15%, алюминий 0,15%, свинец 0,005%, железо 0,15%, остальное занимает медь.

Рисунок 1 - Шайба

1.2 Технологический процесс получения шайбы

[СамГТУ.200501.059.009.03]

1. Входной контроль-операция 001. Полоса запускается в производство при положительном входном контроле.

2. Разрезка - операция 005 - гильотинные ножницы НБ-478 (Т_шт=0,258 мин.). Резать полосу на заготовки, выдерживая размер А (53,3 мм), (Штангенциркуль ШЦ-I-125-0,1-2 ГОСТ 166). Контроль рабочим - 100%.

S=2,2^+0,12 - толщина листа;

В=160^+2,0 - ширина листа.



Рисунок 2 - Операция 005 - Разрезка

3. Зачистка - операция 010 - обдирочно - шлифовальный круг 3Б634 (Т_шт=0,075 мин.) Зачистить заготовку от заусенцев (Шлифовальный круг I 400х40х127 24А 40 П СТ2 7К1А 35м/с А 1кл. ГОСТ 2424).

4. Наладка - операция 015 - пресс КД2330 (Т_шт=0,04 мин.). Произвести отладку штампа 151-0215 на прессе на первых двух деталях). Контроль рабочим - 100%.

5. Штамповка - операция 020 - пресс КД2330 (Т_шт=0,8 мин.). Смазать заготовку маслом (Масло индустриальное И-20А ГОСТ 20799; Кисть-ручник КР 20 ГОСТ 10597). Установить заготовку в штампе по упору (Штамп). Произвести пробивку отверстия, выдерживая размер 1. Вырубить заготовку, выдерживая размер 2. Контроль рабочим. Проверить 5-6 дет. через каждые 30 мин. работы штампа. Проверить размеры 1, 2 (Штангенциркуль ШЦ-I-125-0,1-2 ГОСТ 166).

Рисунок 3 - Операция 020 - Штамповка

6. Промывка - операция 020 - корзина ОМА 4327 (Т_шт=0,15 мин.). Уложить шайбы (30 штук) на сетку. Промыть детали моющим средством при температуре 30⁰Сч40⁰С в течение 5 минут (Моющее средство «Fairy plus» ТУ 2383-075-00204300-99). Контроль рабочим - 100%. Протереть деталь ветошью (Ветошь обтирочная сортированная 625, 627 ОСТ 63-46-84). Уложить в ящик 1А207.

7. Наладка - операция 030 - пресс КБ 8336 (Т_шт=0,04 мин.). Произвести отладку штампа 145-0234 на прессе, на первых 20 деталях. Контроль рабочим - 100 %.

8. Чеканка - операция 035 - пресс КБ8336 (Т_шт=0,8 мин.). Чеканить деталь с переустановкой с двух сторон, выдерживая размер 1 (Штамп 145-0234, микрометр МР25-1 ГОСТ 4381). Контроль рабочим - 100%. Протереть детали ветошью. Ветошь обтирочная сортированная 625, 627 ОСТ 63-46-84. Уложить в ящик 1А207.

Рисунок 4 - Операция 035 - Чеканка

9. Старение - операция 040 - (по технологии ДМП).

10. Сортирование - операция 050 - контрольный стол - сортировать шайбы по 3 группам, выдерживая размер 1 (Калибр).

11. Шлифовальная - операция 055 - шлифовальный круг АС500F (Т_шт=9,6 мин.). Установить в приспособление шайбы одной из трёх групп. Шлифовать шайбы одновременно с двух сторон, выдерживая размер 1 (Приспособление: Шлифовальный круг 48 TS 18-D 107-23461).



Рисунок 5 - Операция 055 - Шлифование

Варианты для доработки:

Плоскошлифовальный круг 3Д722.

Оправка; Шлифовальный круг I 450х63х203 25А 25 Н СМ1 6К5 35 м/с А 1кл. ГОСТ 2424.

Рисунок 6 - Операция 055 - Шлифование

Контроль рабочим - 100%. Уложить в ящик 1А207.

12. Промывка - операция 060 - корзина ОМА4327 (Т_шт=0,15 мин.). Уложить шайбы (30 штук) на сетку. Промыть детали моющим средством при температуре 30⁰Сч40⁰С в течение 5 минут (Моющее средство «Fairy plus» ТУ 2383-075-00204300-99_. Контроль рабочим - 100%. Протереть деталь ветошью (ветошь обтирочная сортированная 625, 627 ОСТ 63-46-84). Уложить в ящик 1А207.

13. Зачистка - операция 063 - слесарный стол (Т_шт=3,0 мин.). Зачистить заусенцы по наружному диаметру (напильник 2820-0053 ГОСТ 1465).

14. Токарная - операция 065 - токарный станок Мастурн-50 (Т_шт=3,0 мин.). Расточить внутренний диаметр и радиус, выдерживая размеры 1, 2 (Патрон; Резец А16R-SVQBR 11-ЕВ1; Пластина VBMT 11 02 06 UF Н13А;

Держатель Е2-30х16; Пробка. (Вариант: Резец RAG 151.32-16М-25; Пластина N151.3-300-25-7Р 4025)). Переустановить деталь. Расточить радиус с другой стороны, выдерживая размер 2 (Резец А16R-SVQBR 11-ЕВ1; Пластина VBMT 11 02 06 UF Н13А; Держатель Е2-30х16). Контроль рабочим - 100%. Уложить в ящик 1А207.

Рисунок 7 - Операция 065 - Токарная

15. Токарная - операция 070 - токарный станок Мастурн-50 (Т_шт=3,0 мин.). Обточить наружный диаметр и радиусы, выдерживая размеры 1, 2 (Патрон; Резец RF123F20-2020В; Пластина R123F2-0300-RM Н13А; Держатель В2-30х20х40; Скоба; Микроскоп инструментальный ИМЦЛ 150х50, Б ГОСТ 8074.

Рисунок 8 - Операция 070 - Токарная

Вариант: Токарный 16Б16Т1С1, 16К20Ф3; Оправка; Резец; Скоба).

Рисунок 9 - Операция 070 - Токарная

Контроль рабочим - 100%. Уложить в ящик 1А207.

16. Наладка - операция 075 - произвести наладку оборудования (Т_шт=1,18 мин.).

17. Зачистка - операция 080 - слесарный стол (Т_шт=2,0 мин.). Зачистить заусенцы вручную шкуркой (Шкурка Л 230х280 Л2 51С М63 Б ГОСТ 10054).

18. Сортирование 100% - операция 085 - слесарный стол (Т_шт=3,0 мин.). Сортировать шайбы по Н±0,1 (микрометр МР25-1 ГОСТ 4381).

19. Доводка 20% - операция 090 - шлифовальный станок 3Д722 (Т_шт=5,0 мин.). Произвести доработку шайбы по отклонениям выявленным при сортировании, доводить с толщиной свыше Н^+0,2 (Оправка; Шлифовальный круг I 450х63хх203 25А 25 Н СМ1 6К5 35 м/с А 1 кл. ГОСТ 2424; Микрометр МР25-1 ГОСТ 4381.

Контроль рабочим - 100%.

20. Контроль - операция 095 - слесарный стол. Произвести контроль шайбы.

21. Упаковывание - операция 100 - слесарный стол (Т_шт=0,06 мин.). Принятые шайбы упаковать в бумагу БП-3-35 ГОСТ 9569 по 20 шт. и уложить в ящик 1А207. Отправить с сертификатом о качестве на склад ОМТС.

Произвести покрытие шайб серебром.

22. Сортирование 100% - операция 105 - контрольный стол (Т_шт=3,0 мин.). Сортировать шайбы по карте контроля (Микрометр МР25-1 ГОСТ 4381).

23. Доводка - операция 110 - шлифовальный 3Д722 (Т_шт=8,0 мин.). Произвести доработку шайбы (Шлифовальный круг I 450х63хх203 25А 25 Н СМ1 6К5 35 м/с А 1 кл. ГОСТ 2424; Микрометр МР25-1 ГОСТ 4381). Контроль рабочим 100%.

24. Приёмочный контроль - операция 115 - слесарный стол. Произвести контроль шайбы.

25. Упаковывание - операция 125 - слесарный стол (Т_шт=0,06 мин.). Принятые шайбы упаковать в бумагу БП-3-35 ГОСТ 9569 по 20 шт. и уложить в ящик 1А207.

1.3 Понятие твёрдость

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Твердостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого тела. Для определения твердости в поверхность материала с определённой силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твердости материала. Таким образом, под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела - индентора. В зависимости от способа измерения твердости материала, количественно ее характеризуют числами твердости по Бринеллю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу (HV).

В технической диагностике под твердостью понимают сопротивление материала проникновению в него другого более твердого тела.

В общем случае при измерении индентор внедряется в поверхность материала, который нужно испытать, под определенной нагрузкой на установленный интервал времени. Определение твердости осуществляется по размерам, по поверхности или глубине отпечатка.

С точки зрения механики твердость представляет локальное сопротивление упругим и пластическим деформациям при внедрении в плоскость испытуемого материала жесткого наконечника (индентора) и выражается средним контактным давлением (кгс/мм²) на поверхности невосстановленного отпечатка или средней работой, затрачиваемой на вытеснение единицы объема материала из-под наконечника (кгс·мм/мм³).

Твёрдость зависит от:

1) Межатомных расстояний.

2) Координационного числа - чем выше число, тем выше твёрдость.

3) Валентности.

4) Природы химической связи

5) От направления (например, минерал дистен - вдоль его твёрдость 4, а поперёк 7)

6) Хрупкости и ковкости

7) Гибкости - минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется. Пр.: "тальк"

8) Упругости - минерал сгибается, но выпрямляется. Пр.: "слюды"

9) Вязкости - минерал трудно сломать. Пр.: "жадент"- разновидность пироксена.

10) Спаянности

Наиболее твёрдым из существующих на сегодняшний день материалов является ультратвёрдый фуллерит (примерно в 1,17--1,52 твёрже алмаза). Однако этот материал доступен только в микроскопических количествах. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз (10 единиц по шкале Мооса).

1.4 Описание работы склерометрического комплекса

1. Фиксация образца (склерометра). Склерометрический модуль имеет возможность установки на 3-х основаниях (магнитной опоре, опоре с хомутом и опоре с тисками) [СамГТУ.200501.059.009.04]. Основание выбирается исходя из поставленной задачи. При этом склерометр на магнитной опоре может быть установлен на поверхности любой детали, изготовленной из ферромагнитного материала (на основе железа, никеля, кобальта) в любом пространственном положении. Опору с хомутом целесообразно использовать при исследовании цилиндрических поверхностей (трубы малого диаметра). Опора с тисками используется для исследования небольших по размеру деталей или модельных образцов.

2. Опускаем склерометрический модуль до касания индентора с исследуемой поверхностью. Для этого сначала подводим индентор к поверхности винтом грубого перемещения 12 на расстояние около 0,5 мм. Затем при помощи винта тонкого перемещения 22 опускаем модуль до соприкосновения индентора. После касания индентора подвеска 3, на которой зафиксирована одна из обкладок измерительного конденсатора, упирается в поверхность и перестает двигаться, а кронштейн 11, на котором установлена вторая обкладка, продолжает опускаться вниз. При этом на выходе емкостного датчика появляется сигнал, по которому определяем момент касания. Далее винтом тонкого перемещения поднимаем модуль до возврата сигнала емкостного датчика на прежний уровень.

3. Внедряем индентор в исследуемую поверхность посредством винта 10 и плоской пружины 2. Гибкая система нагружения индентора позволяет адаптировать прибор к случайным погрешностям профиля (выпуклость, вогнутость, волнистость и др.). При этом если в процессе царапания произойдет подъем или опускание индентора относительно точки касания приращение или убыль нагрузки на индентор не превысят величины KL, где К - жесткость пружины Н/м, а L - вертикальное перемещение. Например при жесткости 0,1 Н/мм и подъеме индентора на волну высотой 10 мкм, получим приращение нагрузки 10^-3Н, что составляет около 0,1% от приложенной нормальной нагрузки. Нагружение индентора продолжается до его внедрения в исследуемую поверхность на заданную глубину (3 мкм), которая контролируется емкостным датчиком.

4. Совершаем пропахивание поверхности заглубленным индентором при помощи винта 23, при вращении которого модуль начнет перемещаться в тангенциальном направлении по трапециидальным направляющим (типа ласточкин хвост) 4 на величину порядка 10² мкм. В процессе царапания измеряем величину сопротивления пластической деформации датчиком касательной силы. Сигнал от датчика поступает на вход контроллера в котором с учетом величины заглубления индентора производится расчет величины твердости материала.

5. После пропахивания индентор возвращаем в исходное положение. При необходимости измерение проводится многократно до достижения требуемой точности экспериментальных данных.

1.5 Выбор места для исследования микротвёрдости

При выборе места расположения отпечатка по поверхности металлического образца следует руководствоваться нижеуказанным правилом: расстояние от царапины до края образца или между царапинами должно быть не менее 2k (k - длина борозды).

1.6 Постановка задачи проектирования

Задачей проектирования является модернизация прибора для измерения твёрдости материалов путём автоматизирования линейных перемещений. В состав комплекса, помимо двигателей, контроллера и центрального процессора входит дополнительно принтер, который необходим для печати протоколов измерения. Автоматизированный комплекс позволит уменьшить участие оператора в процессе измерения и обеспечить точное и оперативное получение данных.

Автоматизация процесса приводит к его значительному ускорению, уменьшению затрат ручного труда и его облегчению.

2. РАЗРАБОТКА МОДЕРНИЗИРОВАННОГО ТЕСТЕРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЁРДОСТИ

2.1 Обзор методов измерения твёрдости

Существует несколько способов измерения твердости [7], различающихся по характеру воздействия наконечника [СамГТУ.200501.059.009.06]. Твердость можно измерять [8, 9,10, 11, 12] вдавливанием индентора, ударом или же по отскоку наконечника - шарика. Твердость, определенная царапанием, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку - упругие свойства, вдавливанием - сопротивление пластической деформации. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).

Таблица 1

Особенности различных методов измерения твёрдости

Методы	Способ измерения	Форма индентора
Бринелля	по диаметру отпечатка	стальной шарик
Роквелла	по глубине вдавливания	алмазный конусный наконечник или стальной шарик
Виккерса	по глубине вдавливания или по диагонали отпечатка	алмазный наконечник в форме правильной четырёхгранной пирамиды
Шора	по заданной глубине отпечатка	алмазный или стальной наконечник
Микротвёрдость	по ширине царапины	алмазный конус или пирамида

Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видами испытаний:

- простота измерений;

- высокая производительность;

- измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;

- возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла (например, предел прочности).

При измерении твердости в испытываемый металл вдавливается индентор в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля (рис.1, а), Роквелла (рис.1, б) и Виккерса (рис.1, в)). В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Величина внедрения наконечника в поверхность металла будет тем меньше, чем тверже испытываемый материал.

а б в

Рисунок 10 - Схемы испытаний на твердость:

а - по Бринеллю; б - по Роквеллу; в - по Виккерсу.

2.1.1 Измерение твёрдости по Бринеллю

Рисунок 11 - Схема испытаний на твердость по Бринеллю:

D - диаметр шарика, мм; F - усилие, Н (кгс); D - диаметр отпечатка, мм; H - глубина отпечатка, мм.

Твердость по методу Бринелля [8] измеряют вдавливанием в испытываемый образец стального шарика определенного диаметра D под действием заданной нагрузки P в течение определенного времени (рис. 2). В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка) [СамГТУ.200501.059.009.06].

Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB (при применении стального шарика для металлов с твердостью не более 450 единиц) или HBW (при применении шарика из твердого сплава для металлов с твердостью не более 650 единиц), представляет собой отношение (1) нагрузки F к площади поверхности сферического отпечатка S и измеряется в кгс/мм² или МПа:

(1)

Площадь шарового сегмента составит по формуле 2:

, мм², (2)

где D -диаметр шарика, (мм);

h - глубина отпечатка, (мм).

Так как глубину отпечатка измерить трудно, а проще измерить диаметр отпечатка d, выражают h через диаметр шарика D и отпечатка d, что представлено в формуле 3:

,мм (3)

Тогда записывается выражение 4:

,мм² (4)

Число твердости по Бринеллю определяется по формуле 5:

,кгс/мм² (5)

Иногда, при определении твердости не делаются вычисления по формуле (5), а используются таблицы, составленные для установленных диаметров шариков, отпечатков и нагрузок. Шарики применяют диаметром 1,2; 2,5; 5; 10 мм. Диаметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с толщиной и твердостью образца. При этом для получения одинаковых чисел твердости одного материала при испытании шариками разных диаметров необходимо соблюдать закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатков. Поэтому твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки P и квадратом диаметра шарика D2. Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости.

Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартном испытании (D = 10 мм, P = 3000 кгс), записывается так: HB 350. Если испытания проведены при других условиях, то запись будет иметь следующий вид: HB 5/250/30-200 или 200 HB 5/250/30, что означает - число твердости 200 получено при испытании шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и длительности нагрузки 30 с.

При измерении твердости по методу Бринелля необходимо выполнять следующие условия:

- образцы с твердостью выше HB 450/650 кгс/мм² испытывать запрещается;

- поверхность образца должна быть плоской и очищенной от окалины и других посторонних веществ;

- диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2D<d<0,6D;

- образцы должны иметь толщину не менее 10-кратной глубины отпечатка (или менее диаметра шарика);

- расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть не менее 4d;

- продолжительность выдержки под нагрузкой должна быть от 10 до 15 с для чёрных металлов, для цветных металлов и сплавов - от 10 до 180 с, в зависимости от материала и его твёрдости.

Диаметр отпечатка измеряют при помощи отсчетного микроскопа (лупы Бринелля), на окуляре которого имеется шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Измерение проводят с точностью до 0,05 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.

2.1.2 Измерение твёрдости по Роквеллу

Твердость по Роквеллу - твердость, определяемая разностью между условной максимальной глубиной проникновения индентора и остаточной глубиной его внедрения под действием основной нагрузки F₁, после снятия этой нагрузки, но при сохранении предварительной нагрузки F_o [СамГТУ.200501.059.009.06]. При этом методе индентором является алмазный конус или стальной закаленный шарик [9]. В отличие от измерений по методу Бринелля твердость определяют по глубине отпечатка, а не по его площади. Глубина отпечатка измеряется в самом процессе вдавливания, что значительно упрощает испытания. Нагрузка прилагается последовательно в две стадии (ГОСТ 9013-59): сначала предварительная, обычно равная 10 кгс (для устранения влияния упругой деформации и различной степени шероховатости), а затем основная (рис.1).

Рисунок 12 - Процесс измерения твёрдости по Роквеллу:

h₀ - глубина внедрения наконечника под действием предварительной нагрузки F₀, мм; h - глубина внедрения наконечника под действием основной нагрузки F₁, мм; е - остаточное увеличение глубины внедрения после снятия основной нагрузки и при сохранении предварительной нагрузки F₀; F₀ - предварительная нагрузка, Н; F₁ - основная нагрузка, Н.

После приложения предварительной нагрузки индикатор, измеряющий глубину отпечатка, устанавливается на нуль. Когда отпечаток получен приложением окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения наконечника h.

Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Каждое давление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания 2 мкм. Однако условное число твердости по Роквеллу (HR) представляет собой не указанную глубину вдавливания h, а величину 100 - h по черной шкале при измерении конусом и величину 130 - h по красной шкале при измерении шариком. Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю, однако можно найти соотношение между ними с помощью специальных таблиц.

HRA, HRC, HRD - твердость по Роквеллу измеренная при внедрении в поверхность образца алмазного конуса.

HRB, HRE, HRF, HRG, HRH, HRK - твердость по Роквеллу измеренная при внедрении в поверхность образца стального сферического наконечника.

Наконечник алмазный конусный имеет угол при вершине 120°. Наконечник шариковый стальной имеет диаметр 1,588 (шкалы B, F, G) и 3,175 (шкалы E, H, K).

Твердость по методу Роквелла можно измерять:

- алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С. Таким образом определяют твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;

- алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С. Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;

- стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости методом Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Толщина образца должна не менее чем в 10 раз превышать глубину внедрения наконечника после снятия основной нагрузки. Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце, усредняя полученные результаты.

Преимущество метода Роквелла по сравнению с методом Бринелля:

- возможность проводить испытания высокой твёрдости путём отсчёта по шкале индикатора без вычисления или пользования специальными таблицами;

- малая повреждаемость поверхности в результате его применения;

- высокая производительность измерения.

2.1.3 Измерение твёрдости по Виккерсу

При испытании на твердость по методу Виккерса [10] в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине равным 136^о (рис.1) [СамГТУ.200501.059.009.06].

Рисунок 13 - Измерение твёрдости по Виккерсу:

F - нагрузка, кгс; - угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136⁰; d₁ и d₂ - длины диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.

После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки Р к измеренному значению диагонали отпечатка М, что представлено в выражении 6:

(6)

Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм²) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10 - 15 с, а для цветных металлов - 30 с.

Например, 450 HV10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при P = 10 кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

При измерении твердости по Виккерсу должны быть соблюдены следующие условия:

- плавное возрастание нагрузки до необходимого значения;

- обеспечение перпендикулярности приложения действующего усилия к испытуемой поверхности;

- поверхность испытуемого образца должна иметь шероховатость не более 0,16 мкм;

- поддержание постоянства приложенной нагрузки в течение установленного времени;

- расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка;

- минимальная толщина образца должна быть для стальных изделий больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для изделий из цветных металлов - в 1,5 раза.

Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля:

заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

2.1.4 Метод измерения твёрдости металлов и сплавов по Шору

Суть метода [11] заключается в том, что боек определенной массы с алмазным наконечником свободно и вертикально падает с определенной высоты на испытуемую поверхность [СамГТУ.200501.059.009.06]. Высота отскока бойка принимается за характеристику твердости и измеряется в условных единицах. Масса изделия при измерении твердомерами, установленными непосредственно на изделие, должна быть не менее 5 кг. Образцы, устанавливаемые на столик твердомера, должны иметь массу не менее 0,1 кг и толщину не менее 10 мм.

Прибор для измерения твердости по Шору должен обеспечивать:

- высоту отскока бойка для 100 единиц твёрдости по Шору 13,6 ± 0,3 мм;

- высоту падения бойка 19,0 ± 0,5 мм;

- цену деления индикатора (измерителя высоты отскока бойка) не более 1 единицы шкалы HSP;

- масса бойка с алмазным наконечником должна быть 36 г.

При измерении твёрдости по Шору должны соблюдаться следующие требования:

1. поверхность испытуемого изделия или образца должна быть свободной от масла и грязи, иметь шероховатость не более Ra= 2,5 мкм.

2. поверхность столика, на которую помещается испытуемое изделие или образец, должна быть ровной, свободной от масла и грязи.

3. прибор устанавливается вертикально по уровню, вмонтированному в корпус прибора;

4. плоские изделия или образцы должны помещаться непосредственно на столик, цилиндрические -- устанавливаться на подставку с V-образным вырезом;

5. горизонтальная установка изделия (образца);

6. скорость проведения испытания должна быть не более 5 ударов в 10с.

7. изделие или образец должны лежать на столике плотно, устойчиво, чтобы не произошло смещение во время испытания;

8. расстояние между двумя соседними отпечатками и от края образца или изделия до отпечатка должно быть не менее 2 мм.

Рисунок 14 - Испытание твёрдости по Шору:

h и h₁ - высоты отскока бойка, мм; h₂ - высота падения бойка, мм.

Испытанию подвергаются разнообразные металлические изделия (например, стальные и чугунные прокатные валки) и образцы различной формы.

На участке изделия или образца, подлежащем определению твердости, должно производиться не менее пяти измерений. Среднее арифметическое результатов этих измерений принимается за твердость данного изделия или образца при условии, что разность между наибольшим и наименьшим числом этих показаний твердости не превышает 5 единиц. Если результаты измерения отличаются более чем на 5 единиц, испытание повторяют, количество отпечатков при этом удваивают.

Твердость по Шору указывают с округлением до целой единицы. В шкале Шора за 100 единиц принята максимальная твёрдость стабилизированного после закалки на мартенсит образца из углеродистой инструментальной стали, что соответствует высоте падения бойка 13,6±0,3 мм.

2.1.5 Измерение микротвёрдости царапанием алмазным наконечником

Испытание на микротвёрдость царапанием [12] заключается в нанесении на испытуемую поверхность канавки и измерении её ширины [СамГТУ.200501.059.009.06].

Микротвёрдость царапанием следует выражать:

1. числами микротвёрдости, получаемыми делением приложенной к алмазному наконечнику нормальной нагрузки на условную площадь контакта пирамиды с испытуемой поверхностью по формулам:

- для четырёхгранной пирамиды с квадратным основанием - по формуле 7:

, (7)

если F выражена в Н (,если F выражена в кгс),

- для трёхгранной пирамиды с основанием в виде равностороннего

Треугольника по формуле 8:

, (8)

если F выражена в Н (,если F выражена в кгс),

где F - нормальная нагрузка, приложенная к алмазному наконечнику, Н (кгс)

b - ширина канавки, мм.

2. числами нормальной нагрузки, необходимой для получения канавки заданной ширины b, равной 5, 10 или 20 мкм при царапании ребром и гранью. Значение нагрузки для заданной ширины канавки b условно принимают за число микротвёрдости по Мартенсу и обозначают или с указанием способа царапания ребром для четырёхгранной пирамиды, ребром или гранью для трёхгранной пирамиды. Индексы ?Р и ?Р при числе микротвёрдости Н отражают форму основания пирамиды и царапание, выполненное ребром пирамиды. Материалы высокой твёрдости рекомендуется испытывать трёхгранной пирамидой.

Для нанесения канавок царапающей алмазной пирамидой и измерения ширины b канавок применяют приборы для измерения микротвердости типа ТЗ по ГОСТ 10717--75.

При измерении микротвёрдости царапанием должны соблюдаться следующие условия:

1. плавное возрастание нагрузки до заданного значения в момент погружения алмазной пирамиды в материал до начала процесса царапания;

2. сохранение постоянства приложенной нагрузки в течение процесса царапания;

3. допускаемые погрешности нагружения не должны превышать:

- для нагрузок 0,1 Н и менее -- не более 2% от номинальной;

- для нагрузок более 0,1 Н-- не более 1% от номинальной.

4. испытуемая поверхность должна быть плоской, свободной от загрязнения на участке нанесения канавок. Шероховатость испытуемой поверхности должна быть не ниже Ra = 0,32 мкм.

5. при подготовке поверхности необходимо принять меры предосторожности против возможного изменения твердости испытуемой поверхности вследствие нагрева или наклепа в результате механической обработки.

6. испытуемое изделие должно быть установлено на предметном столике прибора так, чтобы в процессе испытания оно не смещалось, не прогибалось и не поворачивалось.

7. поверхность, подлежащая испытанию, должна быть установлена перпендикулярно к оси пирамиды царапающего наконечника.

8. рабочая поверхность алмазной пирамиды и испытуемая поверхность должны быть сухими (без смазки).

9. минимальная толщина материала или слоя должна превышать глубину канавки не менее чем в 10 раз.

10. на оборотной стороне испытуемого изделия после нанесения канавки не должно быть заметных следов деформации материала.

11. расстояние от оси канавки до края поверхности должно быть не менее двойной ширины b канавки.

12. расстояние между центральными осями нескольких смежных канавок, нанесенных на одну поверхность, должно быть не менее 3b.

13. испытания проводят при температуре окружающей среды плюс 20±5°С.

При испытании поверхности царапанием применяются нагрузки: 0,049; 0,098; 0,196; 0,490; 0,981 и 1,962 Н (0,005; 0,010; 0,020; 0,050; 0,100 и 0.200 кгс).

При выборе значений нагрузок в случае однородного материала испытуемой поверхности исходят из предполагаемой глубины канавки.

Длина канавки должна быть не менее 0,25 мм. Канавку следует наносить равномерным и непрерывным вращением рукоятки микрометрического винта предметного столика примерно на пол-оборота за 10--12 с.



Рисунок 15 - Четырёхгранная пирамида в процессе царапания ребром:

1 - ребро пирамиды; 2 - наплыв; h - глубина канавки; b - ширина канавки; F - нагрузка, Н; А - направление царапания.

Механизм образования канавок на испытуемой поверхности при царапании ребром состоит в пластическом деформировании материала преимущественно сдвигом в сторону (Рисунок 4) и смещением его в направлении от оси к краям канавки; при этом сопротивление царапанию связывается с прочностью материала, которая считается тем большей, чем меньше ширина (глубина) канавки.

При царапании гранью механизм образования канавок в начале процесса также состоит в пластическом деформировании, однако, со сдвигом вперед. В последующем, вследствие подрезания материала ребрами, на концах фронта сдвига создаются благоприятные условия для отделения сдвигаемого материала вверх -- появляется стружка.

Метод царапания используется в таком приборе как склерометр.

Данный метод наиболее эффективен, т.к. твёрдость определяется на глубине 3 мкм, а это та глубина, где зарождаются трещины, наклёп, сдвиги и другие характерные процессы.

2.2 Описание блок-схемы комплекса для измерения твёрдости

Рисунок 16 - Блок - схема комплекса для измерения твёрдости:

ДПС - датчик положения стола; ДПТ - датчик положения тестера; ЦП - центральный процессор; ШДВ - шаговый двигатель для перемещения винта; ШДС - шаговый двигатель для перемещения стола; ШДТ - шаговый двигатель для перемещения тестера

Центральный процессор (ЦП) необходим для того, чтобы в него вносить настройки перед началом измерения, а также для принятия данных о проведённом измерении, занесении данных в протокол и выводе на печать [СамГТУ.200501.059.009.08].

Контроллер используется для подачи управляющих сигналов на датчики положения (ДПС и ДПТ), шаговые двигатели (ШД), а также для передачи полученных данных об измерении в ЦП.

Датчики положения необходимы для определения положения тестера и стола и возврата их в исходное положение.

Шаговый двигатель осуществляет внедрение индентора в деталь.

Линейные двигатели нужны для перемещения тестера и стола с испытуемой деталью.

Источник опорного напряжения необходим для питания полумоста, в котором содержатся два тензорезистора, работающих в противофазе. Источник опорного напряжения выдаёт стабилизированное напряжение 2,5 В. Сигнал с тензодатчика силы поступает на усилитель, который осуществляет усиление малого сигнала.

Стабилизатор осуществляет питание усилителей и выдаёт напряжение в 5 В.

Сигнал с ёмкостного датчика перемещения усиливается усилителем.

Далее сигналы с обоих усилителей передаются на контроллер для обработки, а затем на центральный процессор, где фиксируются в бланках и выводятся на печать.

2.3 Методика выполнения измерения твёрдости на модернизированном тестере

При подготовке к проведению измерений необходимо соблюсти следующие требования (нормальные условия измерения) [13]:

1. температура окружающей среды 293±5К (+20±5єС);

2. относительная влажность окружающего воздуха 30…80%;

3. атмосферное давление 100±4 кПа (750±30 мм.рт.ст.);

4. напряжение питания сети - 22010В, частота - 505Гц.

В помещении, где производятся измерения не должно быть дыма, пыли, агрессивных паров. Только при выполнении данных условий возможно проведение измерений.

1. Модернизированный прибор установить на стол, обеспечивающий защиту прибора от воздействия вибраций, передаваемых через стены и пол здания.

2. Прибор заземлить.

3. Перед проведением измерения необходимо тщательно протереть поверхности детали и поверхность стола, на который деталь устанавливается.

4. В ЦП ввести все параметры необходимые для проведения измерения.

9. Далее включаются в работу датчики положения стола (ДПС) и тестера (ДПТ), которые возвращают модуль и стол в первоначальное положение. Координаты начального положения запрограммированы в контроллере.

10. Установить деталь на стол.

Рисунок 17 - Тестер и деталь

11. С контроллера поступает сигнал на линейный двигатель ЛДТ, перемещающий тестер до касания с деталью. После касания индентора с мерой, подвеска, на которой зафиксирована одна из обкладок измерительного конденсатора, упирается в поверхность и перестаёт двигаться, а кронштейн, на котором установлена вторая обкладка продолжает опускаться вниз. При этом на выходе ёмкостного датчика появляется сигнал, по которому определяется момент касания. Этот сигнал поступает на контроллер.

12. С контроллера поступает сигнал на шаговый двигатель, который давит на винт через муфту, а винт, в свою очередь, давит на рамку с закрепленным на ней тензодатчиком. Индентор внедряется в деталь на глубину 3 мкм.

13. Далее с контроллера подаётся сигнал на линейный двигатель (ЛДС), который перемещает стол с деталью. Перемещение производится на расстояние, равное 250 мкм. Это расстояние программируется в контроллере.

14. Сигналы с ёмкостного датчика перемещения и тензодатчика силы поступают в контроллер, где обрабатываются в формуле 9:

, (9)

где Р - нормальная нагрузка, кгс (с тензодатчика);

h - глубина борозды, мм (с ёмкостного датчика).

Итогом вычисления является значение твёрдости.

15. Далее значение твёрдости поступает на визуальный контроль оператору на ЦП.

16. После того, как стол переместился на 250 мкм, срабатывает датчик положения (ДПТ), который перемещает тестер в вертикальном направлении в первоначальное положение. Полученное значение твёрдости и другие параметры при измерении фиксируются в протоколе измерений, а далее - выводятся на печать.

2.4 Описание схемы электрической принципиальной

Датчик силы тензометрический реализован по полумостовой схеме. [СамГТУ.200501.059.009.09]. В измерительном мосте содержатся два тензорезистора, работающих в противофазе, два прецизионных постоянных резистора с таким же сопротивлением. В одно из плеч моста включен подстроечный резистор для балансировки моста, для повышения чувствительности подстроечного резистора (многооборотного) параллельно ему дополнительно подсоединен постоянный резистор с малым сопротивлением. Это позволяет снизить падение напряжение в данной ветке моста и уменьшить изменение потенциала на движке резистора за один оборот. Питание моста осуществляется от источника опорного напряжения, собранного на микросхеме REF 192, выдающего стабилизированное напряжение 2,5В.

Полученная разность потенциалов с плеч моста подается через резисторы R5 и R6 на вход операционного усилителя, в котором коэффициент усиления задается соотношением сопротивлений резисторов R7 и R5. В усилителе использованы прецизионные резисторы с разбросом 0,1%. Питание усилителя осуществляется от стабилизатора, собранного на микросхеме КР142ЕН5А, выдающего напряжение 5В.

Датчик вертикальных перемещений емкостный, состоящий из высокочастотного генератора, собранного на базе двух элементов 2И-НЕ. Частота генерируемых колебаний устанавливается в пределах нескольких мегагерц и устанавливается времязадающей цепочкой R1, C1. Сигнал от генератора по экранированным проводам поступает на емкостный датчик, состоящий из двух пластин (подвижной и неподвижной), составляющих обкладки измерительного конденсатора. После конденсатора высокочастотный сигнал детектируется диодами D1, D2 и фильтруется конденсатором С2, после которого на выходе получаем постоянное напряжение, величина которого зависит от емкости измерительного конденсатора. Для повышения чувствительности емкостного преобразователя полученный сигнал усиливается инструментальным усилителем, собранным на базе двух операционных усилителей. При этом имеется возможность задавать нулевой уровень датчика при помощи потенциометра, напряжение от которого поступает на один из входов усилителя. Для установки нуля на движке потенциометра устанавливается напряжение, равное сигналу емкостного датчика. При повышении измеряемого сигнала, на выходе усилителя получаем напряжение, равное разностному сигналу, умноженному на коэффициент усиления.

Сигналы от емкостного и тензометрического датчиков поступают на аналоговый вход контроллера, где происходит дальнейшая оцифровка сигналов и их преобразование по заданному алгоритму.

2.5 Обзор измерительных преобразователей для контроля силы и перемещения

Для измерения силы и перемещения могут использоваться магнитоупругие, ёмкостные, тензорезистивные, индуктивные и пьезоэлектрические измерительные преобразователи [СамГТУ.200501.059.009.07].

2.5.1 Магнитоупругие ИП

Принцип действия и конструкции магнитоупругих ИП [1, 2, 4].

Принцип действия магнитоупругих ИП основан на магнитоупругом эффекте и заключается в изменении магнитной проницаемости ферромагнитного материала под действием упругих деформаций.

Магнитоупругие ИП являются разновидностью индуктивных ИП с замкнутым магнитопроводом. При наличии второй обмотки он может работать как трансформаторный преобразователь.

Различные варианты выполнения магнитоупругих ИП показаны на рис. 8.5. При воздействии механической силы F в чувствительном элементе 1 возникают механические напряжения , которые обусловливают изменение магнитной проницаемости чувствительного элемента и магнитного сопротивления R_M преобразователя. При этом изменяется индуктивность L обмотки 2 (рис. 8.5 а) или взаимная индуктивность М между обмотками 2 и 3 (рис. 8.5 б, в).



а) б) в)

Рисунок 18 - Магнитоупругие ИП:

F - нагрузка, Н; 1 - чувствительный элемент; 2, 3 - обмотки.

В магнитоупругих преобразователях возможно использование изменения магнитной проницаемости в одном направлении (рис.8.5 а, б) и использование изменения магнитной проницаемости вследствие анизотропии магнитных свойств ферромагнитных тел при их деформации, в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В первом случае реализуется цепь преобразований . При действии силы P в материале сердечника возникает механическое напряжение у, изменяется м, следовательно, и магнитное сопротивление сердечника Z_м, а также индуктивность катушки L. А во втором-. При действии силы вследствие изменения магнитной проницаемости изменяется взаимная индуктивность М между обмотками и ЭДС вторичной обмотки Е_z. Обмотки преобразователя 2 и 3 (рис. 8.5 в), основанного на анизотропии свойств, располагаются под углом 90⁰ друг к другу. Преобразователь собран из пакета пластин, имеющих четыре отверстия. В отверстия уложены две обмотки: питания w₁ и измерительная w₂. Они расположены под углом 45⁰ к направлению действия силы и под углом 90⁰ друг к другу.

Достоинствами магнитоупругих ИП являются:

1) большая выходная мощность, так как в них все тело чувствительного элемента, воспринимающего измеряемое усилие, является активным;

2) малый прогиб под действием нагрузки;

3) малое электрическое сопротивление.

2.5.2 Тензорезистивные ИП

Принцип действия тензорезистивных ИП [1, 2, 3, 4, 5] основан на явлении тензоэффекта, который заключается в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их деформации (т. е. при изменении размеров).

Рисунок 19 - Конструкция тензорезистора:

1 - подложка; 2 - тонкая проволока; 3 - контакты; 4 - тонкая бумага; 5 - исследуемая поверхность; а - ширина преобразователя; l₀ - длина (база) преобразователя.

Устройство наиболее распространённого прополочного тензорезистора схематически представлено на рис 8.3.

На полоску бумаги (пленку клея) 1, называемую подложкой, наносится зигзагообразно тонкая проволока 2 (диаметром 0,02ч0,03 мм), к концам которой привариваются или припаиваются контакты 3 из металлической фольги. Все это заливается клеем, а сверху проволока часто заклеивается еще тонкой бумагой 4 для предохранения от механических повреждений. Для изготовления проволок используются константам, нихром, платиноиридиевый сплав и др.

Длина l₀ (рис. 19) называется базой преобразователя. Обычно l₀ равна 8ч15 мм. Однако в специальных случаях применяют тензорезисторы и с малой базой (до 2,5 мм). Ширина преобразователей -- от 3 до 10 мм; сопротивление--порядка 50ч150 Ом. Когда размеры преобразователя не ограничиваются, то длина базы достигает 100 мм, а сопротивление -- 800ч1000 Ом.