Коэффициенты тензочувствительности датчиков механических напряжений на разных физических принципах

Измерение механических напряжений является основным экспериментальным методом изучениянапряженных состояний в различных конструкциях. Сегодня наиболее широко используемымиустройствами для измерения механических напряжений являются датчики, основанные натензорезистивном и пьезоэлектрическом эффектах. Также используются волоконно-оптическиедатчики. При описании чувствительности разных датчиков используют различные величины, чтозатрудняет сравнение их между собой. Например, для пьезоэлектрических датчиков приводитсяпьезоэлектрический модуль с размерностью Кл/Н, в то время как тензорезисторные датчикихарактеризуются безразмерной величиной – коэффициентом тензочувствительности: отношениеотносительного изменения измеряемой величины к относительному удлинению. В научнойлитературе отсутствуют данные о сравнительном анализе тензочувствительности применяемых впромышленности датчиков деформации на разных физических принципах, что затрудняетобъективную оценку их преимуществ и недостатков.Целью работы является определение коэффициента тензочувствительности пьезооптическогодатчика механических напряжений, выяснение его зависимости от конструктивного исполнениядатчика и сравнение с коэффициентами тензочувствительности датчиков на основетензорезистивного, пьезоэлектрического эффектов, а также с волоконно-оптическими датчиками.Проведен сравнительный анализ коэффициентов тензочувствительности и других параметровтензорезисторных, пьезоэлектрических, оптоволоконных и пьезооптических датчиков деформации.Показано, что коэффициент тензочувствительности, определяемый как отношение относительногоизменения измеряемой величины к относительному удлинению, не зависит от конструкции датчикадля тензорезисторных, пьезоэлектрических и волоконно-оптических датчиков деформации.Наоборот, для пьезооптических датчиков коэффициент тензочувствительности зависит отконструкции датчика и может быть улучшен за счёт оптимизации его элементов. Коэффициентытензочувствительности тензорезисторных и волоконно-оптических датчиков на три порядка ниже,чем для пьезооптических датчиков. Показано, что, несмотря на высокие значения пьезоэлектрическихмодулей новых пьезоматериалов, их коэффициенты тензочувсвительности находятся на уровнетензорезисторных датчиков и на два-три порядка уступают коэффициенту для пьезооптическихдатчиков.В работе методом численного моделирования показано, что зависимости чувствительности к силеи чувствительности к деформации от формы фотоупругого элемента для пьезооптических датчиковведут себя по-разному, что необходимо учитывать при практическом применении таких датчиков. Вработе предложено использование эффективного модуля упругости фотоупругого элемента,зависящего от его конструкции, для описания тензочувствительности пьезооптического датчикадеформации. В итоге, задачей конструирования формы ФЭ и способа передачи на него внешней силыявляется получение максимально возможного эффективного модуля упругости.Коэффициент тензочувствительности пьезооптического датчика на кварцевом стекле, полученныйчисленным моделированием напряжений и деформаций в ФЭ, подтверждает экспериментальнополученный результат и на два-три порядка превышает коэффициенты тензочувствительностидатчиков, основанных на других физических принципах. Пьезооптический датчик не содержитматериалов, чьи свойства меняются со временем, поэтому в нём не должно быть гистерезиса идеградации параметров со временем. Таким образом, пьезооптические преобразователи являютсянаиболее перспективными для создания надежных малогабаритных высокочувствительных датчиковмеханических напряжений.