SELECTION OF ELEMENTS FOR EMBEDDED MEASURING SYSTEMS BASED ON STRAIN GAUGES
Authors: Котлов В.Г. , Шарынин Б.Э. , Ледяйкина О.В. 
Published: July 2024

Экспериментальные исследования неразрывно связаны с измерением физических величин. Основным способом определения напряжений в материале строительных конструкций является измерение деформаций. Малая величина абсолютных деформаций при работе элементов строительных конструкций требует высокой точности от прибора, которым она измеряется. Заданным характеристикам отвечают измерительные системы на основе тензорезисторов. В их основу положен принцип изменения сопротивления электрического проводника в зависимости от изменения площади его сечения. В качестве измеряемой величины выступает падение напряжения на резисторе, которое в дальнейшем посредством аналого-цифрового преобразования фиксируется измерительной системой. Целью данной работы является анализ существующих на рынке тензорезисторов, пригодных для экспериментальных исследований строительных конструкций, а также разработка алгоритма подбора тензорезистора для измерительной системы с апробацией на конкретном примере. При написании работы решены задачи по обобщению характеристик тензорезисторов в зависимости от их конструкции, сопоставлению параметров тензорезисторов различной конструкции, составлению алгоритма подбора тензорезисторов, разбору алгоритма на конкретном примере с применением программного обеспечения для моделирования деформируемого элемента (CAE Ansys). В работе использованы следующие методы исследования: теоретические (теоретический анализ и синтез, сравнение, классификация), эмпирические (измерения) и специальные (моделирование). В результате анализа установлено, что на рынке в настоящее время существуют две основные группы тензорезисторов: для кратковременных испытаний и долгосрочных наблюдений. Наиболее распространёнными являются фольговые тензорезисторы, наиболее чувствительными – полупроводниковые. Ввиду последующего аналогово-цифрового преобразования при подборе тензорезистора следует уделять внимание моделям с максимальным сопротивлением в линейке подходящих по остальным параметрам решений. Использование в качестве материала проводника константанового сплава не позволяет подобрать коэффициент тензочувствительности за пределами диапазона от 2 до 2,2. Оптимальным соотношением характеристик и стоимости обладают фольговые тензорезисторы на влагостойкой подложке с термокомпенсацией, оборудованные выводами длиной от 50 до 300 мм. Моделирование при помощи метода конечных элементов обеспечивает оценку деформаций исследуемого объекта и позволяет определить чувствительность измерительной системы с высокой точностью.

Experimental research is inextricably linked with the measurement of physical quantities. The main method for determining stress in the material of building structures is the measuring of deformations. The small value of absolute deformations during the operation of building elements requires high accuracy from the device that measures it. The specified characteristics are met by measuring systems based on strain gages. They are based on the principle of changing the resistance of an electric conductor depending on the change in its cross-section area. The measured value is the voltage drop on the resistor, which is then recorded by the measuring system via analog-to-digital conversion. The purpose of this work is to analyze the existing strain gages on the market that are suitable for experimental research of building structures, as well as to develop an algorithm for selecting a strain gage for a measuring system with a real sample analysis. In our research we addressed the problems of generalizing the characteristics of strain gages depending on their design, comparing the parameters of strain gages of different designs, compiling an algorithm for selecting strain gages, analyzing the algorithm on a specific example using software for modeling a deformable element (CAE Ansys). The following research methods have been used: theoretical (theoretical analysis and synthesis, comparison, classification), empirical (measurement) and special (modeling). As a result of the analysis, it has been revealed that there are currently two main groups of strain gages on the market: strain gages for short-term tests and long-term observations. The most common are foil strain, and the most sensitive are semiconductor gages. Due to the subsequent analog-to-digital conversion, when selecting a strain gauge, it is necessary to pay attention to the models with the maximum resistance in the line of solutions that are suitable for other parameters. Using a constantan alloy conductor as a material does not make it possible to select the coefficient of strain sensitivity beyond the range from 2 to 2.2. The optimal ratio of characteristics and cost is provided by foil strain gages on a moistureresistant substrate with thermal compensation, equipped with pins with a length of 50 to 300 mm. Modeling using the finite element method provides an assessment of the deformations of the object under study and allows you to determine the sensitivity of the measuring system with high accuracy.