УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА НАКЛЕИВАНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ
DEVICE AND METHOD FOR MONITORING RESISTANCE STRAIN GAUGE GLUING QUALITY

Группа изобретений относится к области измерительной техники, а именно, к тензоизмерениям деформации объектов и предназначена для проверки качества наклеивания тензорезисторов (TP) на изделия из любых материалов.
В тех областях, где изделия, в том числе из взрывчатых материалов (ВМ), подвергаются значительным нагрузкам, деформациям, исследуются их технические характеристики. Тензометрирование - один из видов измерений при исследованиях. От качества приклеивания тензорезисторов зависит точность измерения деформации, качество и надежность проведенных исследований.
Известно устройство для определения качества наклеивания тензорезисторов на бумажной и пленочной основе (а.c. РФ №620806, МПК G01B 7/16, опубл. 1978 г.), состоящее из: источника тока, к выходам которого подключают TP, термоприемника, передвигаемого по поверхности TP для определения зоны наибольшего перегрева, усилителя постоянного тока для усиления сигнала с термоприемника, вольтметра, к выходу которого подключен усилитель. Данному устройству присущи следующие недостатки: на показания вольтметра будет оказывать большое влияние теплопроводность материала объекта, вследствие чего данное устройство может применяться только на металлах; толщина, равномерность, теплопроводность клеевого слоя, температура окружающей среды так же будут оказывать влияние на конечный результат; с учетом вышесказанного, вероятность определить некачественно наклеенный TP с помощью данного устройства значительно снижается.
Наиболее близким аналогом устройства контроля качества наклеивания TP в группе изобретений, который принят за прототип, является устройство, содержащее проверяемый TP, приклеенный к объекту тензометрирования, резистор, источник питания, усилитель, соединенный с полосовым фильтром, и внутренний полумост (п. РФ №2086912, МПК G01B 7/16, опубл. 1997 г.). Устройство также содержит образцовый TP, который вместе с проверяемым образует внешний полумост; дополнительный резистор, устройство балансировки моста по модулю; устройство балансировки моста по фазе; генератор несущей постоянного тока; генератор несущей переменного тока; узел суммирования несущих; электронный ключ; генератор постоянного тестового тока; генератор пускового импульса; фильтр низких частот; усилитель постоянного тока; фильтр низких частот; индикатор баланса моста по модулю; индикатор баланса моста по фазе; аттенюатор; генератор опорного сигнала компаратора; компаратор; блок логики; первый и второй электрооптические индикаторы.
Внешний полумост состоит из последовательно соединенных TP, взятых из одной партии TP проверяемого TP, и образцового ТР. Проверяемый TP наклеен на объект тензометрирования: качество наклеивания именно этого TP проверяется. Образцовый TP должен быть наклеен на испытательную балочку из того же материала, что и объект тензометрирования тем же клеем и по той же технологии, что и проверяемый TP; испытательная балочка подвергается механическим испытаниям для определения качества наклеивания на нее TP, которое по результатам механических испытаний должно быть признано удовлетворительным.
Внутренний полумост состоит из двух последовательно соединенных резисторов одинакового сопротивления. Сопротивления плеч этого полумоста выбираются не менее, чем в 50 раз больше сопротивлений плеч внешнего полумоста. Это необходимо для того, чтобы тестовый перегрев внутреннего полумоста был бы пренебрежимо мал по сравнению с тестовым перегревом TP внешнего полумоста. Внешний и внутренний полумосты соединяются параллельно и в совокупности образуют четырехплечий измерительный мост.
Данное устройство обеспечивает достаточно высокую точность контроля качества наклеивания TP за счет экспрессного получения в явном виде информации о том, находится ли в допустимых пределах отклонение качества наклеивания проверяемого TP от качества наклеивания образцового ТР.
Однако, данное устройство не может быть использовано для исследования объектов тензометрии из пластмассы, взрывчатых материалов: проверка качества наклеивания требует наличие эталонного наклеенного TP (образцового). Процесс получения информации о тензорезисторе более трудоемкий: требуется построение графика, сравнение его с графиком, полученным на образцовом ТР. В связи с невозможностью получить абсолютно идентичный TP (образцовый) возможна низкая точность проверки качества наклеивания.
Известны способы контроля качества наклеивания TP, которые используют косвенно связанные с качеством наклейки измеряемые параметры, на которые могут оказывать влияние неинформативные функции имеющихся физических величин: температура, электрические помехи, теплопроводность, толщина клея и т.п. При этом, все известные технические решения используют следующие показатели для контроля качества наклеивания TP:
- контроль температуры наружной поверхности TP при пропускания через него электрического тока с помощью точечного термоприемника, прикасаемого к наружной поверхности TP, подключенного через усилитель к вольтметру (а.с. РФ №620806, МПК G01B 7/16, опубл. 1978 г.);
- характеристики, полученные при кратковременном импульсном разогревающем токе, пропускаемым через TP, связанные с формой и амплитудой отклика в измерительном канале, например, длительностью его переднего и задних фронтов, изменениями во времени спада полки импульса, наличием электрического гистерезиса, и сравнении его с параметрами контрольного TP (а.с. РФ №724919, МПК G01B 7/18, опубл. 1980 г.). Способ в основном применяется для металлов и ограниченного числа номиналов TP;
- емкость между TP и металлическим объектом испытаний в сравнении с контрольным TP - чем меньше емкость, тем хуже наклеен TP (а.с. РФ №1657945, МПК G01B 7/18, опубл. 1991 г.).
Также используют: сопротивление изоляции TP в сравнении с контрольным TP (чем меньше сопротивление, тем хуже наклеен TP); изменение температуры в местах непроклеев, приводящей к появлению пятен индикаторной термочувствительной краски, предварительно нанесенной на TP, при нагреве последнего электрическим током; изменение сопротивления TP от воздействия вакуума (метод не подходит для TP, имеющих дефекты в виде негерметичных воздушных прослоек, воздух из которых может быть откачен при вакуумировании).
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному способу в группе изобретений является способ контроля качества наклеивания тензорезисторов, заключающийся в том, что наклеенный TP нагружают и по изменению его сопротивления судят о качестве наклеивания (а.с. РФ №1180682, МПК G01B 7/18, опубл. 1985 г.). При этом, нагружение осуществляют вакуумированием. Элемент конструкции с наклеенным TP помещают в вакуумную камеру, TP подключают к регистрирующему прибору, вакуумируют камеру. В местах некачественной наклейки TP имеется воздушная прослойка, в которой при вакуумировании возникает избыточное давление. Последнее деформирует проволочную решетку TP, изменяя при этом его сопротивление, которое фиксируется регистрирующим прибором. По величине изменения сопротивления судят о качестве наклеивания, чем больше изменение сопротивления TP, тем больше неприклеенных участков, т.е. тем больше количество воздушных пузырьков.
Данный способ позволяет с минимальными затратами времени производить контроль качества наклеивания TP любых типов, с различной термостойкостью и различными геометрическими размерами.
Однако, данный способ имеет ряд недостатков: часто объект тензометрирования имеет настолько большие размеры, которые не позволяют поместить его в вакуумную камеру; не все объекты тензометрирования можно подвергать вакуумированию, в особенности, содержащие ВМ; для правильной работы способа необходима полная герметичность приклеенного тензорезистора (идеальный случай), иначе при воздействии вакуума воздушный пузырь через непроклеенные каналы будет также уходить из-под решетки тензорезистора под воздействием вакуума.
Следует понимать, что качественно (идеально) наклеенный TP это тот, у которого чувствительность соответствует паспортному значению (т.е., когда снижение чувствительности TP составляет ноль процентов).
Таким образом, все известные способы используют для контроля только косвенные параметры, на этом основании можно «гарантировано» утверждать, что их точность мала, т.е. они обязательно будут проигрывать предлагаемому способу по точности. Кроме того известные технические решения не подходят для всех видов материалов (например, взрывчатых), т.к. не имеют барьеров искрозашиты, работают с недопустимыми для взрывчатых материалов токами и напряжениями и требуют присутствия имитаторов, что противоречит правилам взрывобезопасности.
Единый технический результат, получаемый при использовании предлагаемой группы изобретений, - повышение точности определения качества наклеивания TP на любых материалах.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройство контроля достигается тем, что устройство, содержащее проверяемый TP, приклеенный к объекту тензометрирования, резистор, источник питания, усилитель, соединенный с полосовым фильтром, и внутренний полумост, согласно изобретению снабжено барьерами искрозащиты, цифровым осциллографом, персональным компьютером (ПК) и приспособлением для нагружения TP, в корпусе которого установлен подпружиненный стержень, с одной стороны стержень зафиксирован крышкой корпуса, с другой стороны выступает за пределы корпуса и снабжен насадкой с наконечником из липкого материала, в корпусе установлена втулка, между которой и крышкой расположена пружина, приспособление содержит ограничитель в виде вертикальной пластины, одна часть которой закреплена на корпусе, а другая опирается на объект тензометрирования, стержень установлен таким образом, что наконечник контактирует с TP, и с возможностью перемещения на расстояние, ограниченное перемещением пружины, источник питания соединен с первым барьером искрозащиты, средняя точка полумоста, образованного TP с резистором, соединена со вторым барьером искрозащиты, который соединен с усилителем переменного тока, полосовой фильтр соединен с цифровым осциллографом, соединенным с ПК.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - способ контроля качества наклеивания TP достигается тем, что способ, заключающийся в том, что наклеенный TP нагружают и по изменению его сопротивления судят о качестве наклеивания, особенность заключается в том, что TP нагружают приспособлением через наконечник несколькими циклами знакопеременного усилия с частотой до 10 Гц и регистрируют изменение сопротивления ТР.
Создание устройства указанным выше способом, при котором на непроклеенный участок TP (если он имеется) оказывается непосредственное механическое воздействие в течение нескольких циклов для достижения стабильного отклика (вследствие чего значительно меняется сопротивление TP), позволяет повысить точность определения качества приклеивания TP, не нарушая качество его наклеивания. Наряду с этим наличие барьеров искрозащиты и возможность работы устройства в обычных условиях (без оказания на объект исследований высоких токов, напряжений, температуры) позволяют значительно расширить область применения данного изобретения на все виды материалов, оказываемое воздействие на TP является постоянным по величине за счет ограниченного хода стержня в приспособлении для нагружения ТР.
Заявленные изобретения взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел. Действительно, при создании способа контроля качества наклеивания TP было изобретено новое устройство контроля качества наклеивания ТР. Использование данного устройства позволяет получить требуемый технический результат - повысить точность определения качества наклеивания TP на любых материалах.
При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства контроля.
На фиг. 2 представлено приспособление для создания нагружения.
На фиг. 3 показано исходное состояние приспособления для нагружения TP (липкий материал контактирует с TP).
На фиг. 4 показано нагружение ТР.
На фиг. 5 показано нагружение TP в обратном направлении (разгрузка).
На фиг. 6 приведена осциллограмма отклика.
Устройство контроля качества наклеивания TP, реализующее заявляемый способ, состоит из приспособления 1 для создания нагружения и измерительного канала 2 (фиг. 1, 2).
Приспособление 1 содержит корпус 3, в котором установлен подпружиненный стержень 4. С одной стороны стержень зафиксирован крышкой 5 корпуса, с другой стороны выступает за пределы корпуса и снабжен насадкой 6 с наконечником 7 из липкого материала в форме конуса. В корпусе установлены: центрирующая втулка 8, втулка 9, пружина 10. Пружина 10 расположена между втулкой 9 и крышкой 5. Приспособление 1 также содержит ограничитель в виде вертикальной пластины 11, одна часть которой закреплена на корпусе 3, а другая опирается на объект тензометрирования 12, к которому приклеен TP 13. Стержень 4 установлен с возможностью перемещения на расстояние, ограниченное перемещением пружины. Липкий материал формируется вручную перед проверкой наклейки TP и устанавливается на насадку. В исходном состоянии липкий материал контактирует с TP (фиг. 3). При этом крайнее нижнее (исходное) положение наконечника должно быть отрегулировано таким образом, чтобы между насадкой и TP оставалось расстояние, обеспечивающее передачу усилия только через наконечник 7. После проверки TP наконечнику вручную вновь придается исходная форма.
Измерительный канал 2 содержит резистор 14, источник питания 15, усилитель переменного тока 16, соединенный с полосовым фильтром 17, барьеры искрозащиты 18,19, цифровой осциллограф 20, ПК 21. Источник питания 15 соединен с первым барьером искрозащиты 18, средняя точка С полумоста, образованного TP 13 с резистором 14, соединена со вторым барьером искрозащиты 19, который соединен с усилителем переменного тока 16. Полосовой фильтр 17 соединен с цифровым осциллографом 20, соединенным с ПК21.
Способ осуществляют следующим образом.
При нажатии на крышку 5 до упора происходит перемещение стержня 4, которое вызывает деформацию наконечника 7, таким образом, происходит нагружение TP (фиг. 4). Нагружение на TP определяется силой сжатия пружины, воздействующей через липкий материал, и расстоянием между насадкой и ТР. При этом TP подвергается деформации растяжения в местах его непроклейки.
При отпускании крышки пружина 10 разжимается, увлекая за собой стержень в противоположном направлении (фиг. 5). Стержень 4, поднимаясь вверх, увлекает за собой наконечник 7, происходит нагружение TP 13 в обратном направлении. Нагружение TP в обратном направлении пропорционально жесткости пружины и упругости липкого материала.
При качественной наклейке отлипания TP от объекта испытаний и полного отлипания наконечника от TP не происходит. При некачественной наклейке, наличии воздушных пузырей, липкий материал наконечника может даже оторвать TP от объекта испытаний.
После нескольких циклов нагружения: надавливаний и отпусканий крышки, порядка 5-10 раз в течение 3-5 секунд, происходит синхронное с нагружениями изменение сопротивления TP, по величине амплитуды которого судят о качестве приклейки ТР. На выходе измерительного канала 2 записывается временной отклик - осциллограмма в виде кривой напряжения. В связи с тем, что нажатие на крышку в приспособлении осуществляется в ручном режиме, то максимально возможная достижимая частота воздействия на TP составит не более 10 Гц.
Чем больше изменение сопротивления (или чем больше по амплитуде отклик напряжения в измерительном канале), тем хуже приклеен ТР. На фиг. 6 представлены результаты измерения сопротивления: кривая а - идеально наклеенный TP, кривая б - некачественно наклеенный ТР.
При амплитуде отклика больше заданной нормы (Н), установленной по результатам контрольных проверок однотипных тензорезисторов на поверочном оборудовании, TP признается негодным и заменяется на новый.
Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой группы изобретений следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, воспроизводит заявленный способ, предназначенный для использования в измерительной технике, а именно тензометрии, для определения контроля качества наклеивания тензорезисторов перед проведением исследований.
- для заявляемой группы изобретений в том виде, в котором она охарактеризована в формуле изобретения, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета устройств.
Следовательно, заявляемая группа изобретений соответствует условию «промышленная применимость».