Сенсоры деформации

Сенсоры деформации используются для различных целей: измерения уровня деформаций и механических напряжений, возникающих в узлах и конструкциях технологического оборудования, вооружения, изделий летной и ракетно-космической техники. Кроме того, сенсоры деформации (СД) используются в качестве чувствительных элементов в датчиках давления и силы.

Обобщенная структура СД приведена на рис. 5.4, где условно представлена входная величина деформации ε_х, которая, воздействуя на несущий элемент (подложку, пластинку, балку), вызывает в нем механические напряжения (σ_x), передающиеся на чувствительный элемент (ЧЭ). С другой стороны на ЧЭ от внешнего источника питания (ИП) подается поток энергии (Э) в виде напряжения, тока или частоты, который модулируется изменяющимися параметрами ЧЭ, зависящими, в свою очередь, от величины деформации ε_х. Кроме того, в реальных условиях на СД воздействуют параметры внешней среды, в частности, температура (Т_вн), которая изменяет его характеристики. Таким образом, на выходе СД возникает сигнал У, функционально связанный с ε _х, Э, Т _вн:

У = F (ε_х, Э, Т _вн).

Чаще всего роль ЧЭ выполняют тензорезисторы (ТР), которые закрепляются на подложке или объекте измерения специальными клеями или клеевыми композициями.

Рисунок 5.4–Структурная схема сенсора деформации

Рассмотрим более подробно ТР, которые являются базовыми элементами СД. В настоящее время на практике используются проволочные, фольговые и полупроводниковые ТР, особенно первые и вторые. Кратко опишем принцип работы ТР и приведем основные расчетные зависимости.

Проволочные ТР представляют собой проволоку из высокоомного металлического сплава, сопротивление которой изменяется под действием напряжения, растяжения или сжатия.

Зависимость сопротивления проволоки ТР можно представить в виде:

,

где ρ – удельное электрическое сопротивление материала проволоки; L и S – соответственно длина проволоки и площадь поперечного сечения.

При растяжении ТР его сопротивление изменится (возрастет или уменьшится) на величину DR и составит R + DR, поэтому относительное изменение сопротивления может быть представлено соотношением

,

где D L – изменение длины ТР; Dρ – изменение удельного электрического сопротивления; μ – коэффициент Пуассона.

Для применяемых металлических материалов – величина второго порядка малости, поэтому ей пренебрегают, тогда соотношение (1.8) будет выглядеть следующим образом:

.

Так как – относительная деформация ТР, то окончательно получим:

,

где k – коэффициент тензочувствительности, он зависит от свойств материала и технологии изготовления ТР. Как правило, для большинства металлов
μ = 0,4…0,6, поэтому k = 2 + 0,2.

Устройство проволочного ТР схематично представлено на рис. 5.5.

ТР состоит из подложки-основы 1, тензопроволоки 2, уложенной в виде решетки и приклеенной к основе, защитной пленки 3 и электрических выводов 4. Длина активной части ТР, которая изменяет свое сопротивление, называется базой ТР и обозначается как L.

В качестве основы (подложки) используют тонкую бумагу или пленку из бакелитового лака, клея БФ-2. На основе БФ-2 ТР работоспособны в диапазоне от минус 40 до 70ºС, а на бакелитовом лаке до 200ºС. Для обеспечения работоспособности ТР при более высоких температурах используются высокотемпературные клеи или цементы.

Материалом тензопроволоки служат высокоомные сплавы имеющие высокий коэффициент тензочувствительности и малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Этим требованиям отвечают ТР на основе сплавов хрома и никеля с кремнием (нихром, константан, сплав НМ23ХЮ и др.). Диаметр тензопроволоки 0,01…0,05 мм.

Следует отметить, что проволочные ТР отличаются сравнительно несложной технологией изготовления, поэтому могут изготавливаться самостоятельно на различных предприятиях для обеспечения собственных нужд.

Пленочные ТР более технологичны при изготовлении и применении, чем проволочные ТР. Конструктивно они представляют собой одиночный ТР или розетку из ТР, сформированных на изоляционной основе-пленке методом вакуумного напыления (тонкопленочный ТР) или травлением тонкой металлической фольги, наклеенной на изоляционную основу (фольговый ТР) (рис.5 6).

Рисунок 5.5 – Конструкция петлевого проволочного ТР: 1 – основа (бумага); 2 – проволочные нити чувствительной решетки; 3 – слой клея; 4 – место пайки или сварки; 5 – выводные проводники; L – общая длина; H – ширина; h – толщина; l – база

Розеточный вариант пленочного ТР позволяет фиксировать не только величину, но и направление механических напряжений. Топология (конфигурация) пленочных ТР может быть самой различной: меандровая, круговая, смешанная. В качестве основы пленочных и фольговых ТР используется полиимидная пленка (неметаллизированная и металлизированная).

Рисунок 5.6– Внешний вид фольговых ТР различной формы

Достоинством пленочных ТР является отсутствие клеевой прослойки между ТР и изоляционной пленкой, поэтому они имеют очень малые гистерезис и временной дрейф, что определяет их высокую временную стабильность. Недостатки по сравнению с фольговыми ТР – более высокое значение ТКС и большой разброс по номиналам, что требует необходимости использования в СД балансировочных резисторов. Материалами для ТР служат специальные сплавы на основе никеля, хрома с кремнем, которые для повышения стабильности легируются определенными металлами (ванадием, рением и др.).

Дата добавления: 2014-11-29