Тензорезисторные преобразователи

Принцип действия. В основе работы тензорезистора лежит явление тензоэффекта, заключающийся в изменении сопротивления проводников при механической деформации. Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия – растяжения. Этим свойством обладают в большей или меньшей степени все проводники. При деформации проводника изменяются его длина l и площадь поперечного сечения S. Деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления r. Эти изменения приводят к изменению сопротивления проводника:

.

Отношение изменения сопротивления при деформации резистора (тензочувствительность) определяется как

Поскольку в зоне упругих деформаций твердого тела величины поперечных и продольных деформаций связаны через коэффициент Пуассона , т. е.

,

где , ,

то

.

В настоящее время находят применение проводниковые (фольговые, проволочные и пленочные) и полупроводниковые тензорезисторы. Наилучшим отечественным материалом для изготовления проводниковых тензорезисторов, используемых при температурах ниже 180 °С, является константант. Тензочувствительность константана лежит в пределах 2,0 – 2,1. Нелинейность функции преобразования не превышает 1%. Проволочный тензорезистор выполняется в виде решетки из константановой проволоки толщиной 20 – 50 мкм. По метрологическим и эксплуатационным характеристикам проволочные преобразователи уступают фольговым.

Фольговые тензодатчики изготовляют путем фотохимического травления и представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензочувствительная решетка из константана толщиной проводящего покрытия 3 – 15 мкм (рис. 5.21). Решетка сверху покрыта лаком. Решетка такого датчика выполняется из разных сплавов (медь с никелем, серебро с золотом и др.), которые обеспечивают достаточную чувствительность и имеют надежное сцепление (адгезию) с изоляционной основой, на которой выполняется датчик. Фольговые тензорезисторы нечувствительны к поперечной деформации вследствие малого сопротивления перемычек, соединяющих тензочувствительные элементы.

Рис. 5.21. Фольговые тензодатчики: а –для измерения линейных перемещений; б – для измерения деформации в двух взаимно перпендикулярных направлениях; в – для наклеивания на мембрану и измерения давления.

Сопротивление фольговых датчиков находится в пределах от 30 до 300 Ом. Фотохимический способ позволяет выполнить любой рисунок решетки, что также является достоинством фольговых датчиков. На рис. 5.21 показаны различные типы фольговых тензодатчиков. Фольговые и проволочные тензорезисторы обычно имеют длину 5 – 20 мм, ширину 3 – 10 мм. Их номинальное сопротивление равно 50, 100, 200, 400 и 800 Ом. Параметры тензорезисторов общего назначения регламентирует ГОСТ 21616-76.

Пленочные тензодатчики изготовляют путем напыления слоя германия, теллура, висмута или сульфида свинца на эластичное изоляционное основание из слюды или кварца.

В отличие от проволочных, фольговые и пленочные тензодатчики имеют решетку не круглого, а прямоугольного сечения с очень большим отношением ширины к высоте. Фольговые и пленочные тензодатчики благодаря большой площади соприкосновения токопроводящих полосок датчика с деталью обеспечиваются хорошие условия теплоотдачи. Это позволяет в несколько раз повысить плотность тока фольговых датчиков и в десятки раз – плотность тока пленочных датчиков (до 10³ А/мм²). Благодаря большому отношению периметра сечения плоской полосы к площади ее сечения, улучшается восприимчивость к деформации и точность ее измерения. Чувствительность пленочных датчиков достигает 50. Благодаря увеличенному сечению концов фольговой и пленочной решеток увеличивается надежность пайки (или приваривания) выводов датчика.

Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия длиной 5 – 10 мм, шириной 0,2 – 0,8 мм. К ее торцам приварены выводные проводники. Номинальное сопротивление лежит в пределах 50 – 800 Ом. Свойства полупроводниковых и металлических преобразователей сильно различаются. Чувствительность полупроводниковых преобразователей может быть как положительной, так и отрицательной и лежит в пределах 55–130. Как сопротивление, так и чувствительность сильно зависят от температуры. Недостатком является также большой разброс параметров и характеристик.

Конструкция тензодатчика. Тензорезисторы применяются для преобразования деформации деталей в изменение сопротивления. Для этого они приклеиваются к этим деталям и испытывают одинаковые с ними деформации. На полосу тонкой прочной бумаги наклеена уложенная зигзагообразно тонкая проволока (рис. 5.22). К концам проволоки с помощью пайки (сварки) присоединены выводы из медной фольги для подключения в измерительную цепь. Сверху проволока защищена от внешних воздействий тонкой бумагой. Длина детали, занимаемая проволокой, называется измерительной базой датчика L.

По конструктивным параметрам тензодатчики подразделяются: на датчики с малой базой (L= 0,4÷4 мм); со средней базой (L =4÷25 мм); с большой базой (L> 25 мм). Активное сопротивление датчиков с малой базой 5–100 Ом, со средней базой 100–400 Ом, с большой базой до 1000 Ом. Ширина датчиков от 3 до 60 мм. Длина выводов датчиков составляет 20–80 мм. Относительная чувствительность проволочных тензодатчиков зависит от материала проволоки: для константана S _Д=1,9÷2,1; для элинвара S _Д=6÷8,5.

Рис. 5.22. Проволочный наклеиваемый тензодатчик

Для того чтобы получить наибольшее изменение сопротивления датчика, его надо расположить в направлении действия деформирующего усилия (сжатия или растяжения), т. е. направление измерительной базы должно совпадать с осью, по которой направлено усилие. Если же направления базы и усилия взаимно перпендикулярны, то деформация и изменение сопротивления очень малы.

Если расположить несколько датчиков под углом друг к другу, то можно определить не только величину деформации, но и направление приложенных к детали усилий.

Приклейка датчика к детали – очень важная технологическая операция. Качество ее выполнения сильно влияет на точность и надежность работы тензодатчика. Перед приклейкой производят тщательную очистку и обезжиривание поверхности детали. Наиболее часто для приклейки используются бакелито-фенольные клеи: БФ-2 для температуры до 100 °С и кислой среды; БФ-4 для температуры до 60 °С и щелочной среды. Сушка проводится при повышенных температурах в течение часа. Для защиты от влаги используют парафиновые и другие покрытия. Разработаны специальные клеи (на кремнийорганической основе) и покрытия для использования тензодатчиков при температурах до 1000 °С.

Измерительные цепи тензорезисторов. При выборе измерительной схемы для тензодатчиков необходимо учитывать два обстоятельства. Во-первых, проволочные тензодатчики имеют малое относительное изменение сопротивления (D R / R <0,1%). Для увеличения чувствительности применяют мостовые схемы с двумя или четырьмя одинаковыми датчиками, наклеиваемыми на испытуемую деталь таким образом, что датчик, включенный в одно плечо моста, работает на сжатие, а датчик, включенный в смежное плечо моста, работает на растяжение. Во-вторых, необходимо принимать меры для компенсации температурной погрешности.

Температурные погрешности. Механизм возникновения температурной погрешности тензорезисторного датчика заключается в следующем. Мощность Р, рассеиваемая на тензорезисторе, ограничена его нагревом, который вызывает появление повышенного значения погрешности. Перегрев тензорезисторов по сравнению с температурой детали равен

,

где S ₀ – поверхность отдачи тензорезистора (м²), x– коэффициент температуры (Вт/м²*К), P _уд = P / S ₀ – удельная тепловая нагрузка.

При изменении температуры изменяется начальное сопротивление тензорезистора и коэффициент тензочувствительности. Таким образом, для тензорезисторов характерна температурная зависимость (погрешность) начального сопротивления и температурная погрешность чувствительности.

Изменение начального сопротивления наклеенного тензорезистора определяется двумя факторами:

– изменение удельного сопротивления материала непосредственно под действием температуры;

– изменение величины под действием дополнительных механических напряжений, появляющихся в тензорезисторе вследствие несовпадения температурных коэффициентов линейного расширения тензорезистора b_Т и детали b_Д, на которую он наклеен. Полное изменение сопротивления:

D R_t = R ₀[a+ S (b_Д–b_Т)]D t,

где R ₀ – сопротивление тензорезистора при нормальной температуре; S – его чувствительность; a – температурный коэффициент сопротивления; D t – изменение температуры.

При тепловом контакте тензорезистора с деталью через слой клея в подложку отводится в 200–300 раз больше температуры, чем в окружающий воздух, т.е. клей обладает хорошей теплопроводностью. Причём тепловой поток отводится от тензорезистора через слой клея в деталь, на который тензорезистор наклеен, поэтому площадью S ₀–теплоотдачи следует считать для плёночных и фольговых тензорезисторов площадь поверхности резистора, обращенную к детали, а для проволочных – приближенную половине площади цилиндра поверхности проволоки. Основным фактором, определяющим выбор измерительной цепи тензорезистора, является стабилизация температурного коэффициента погрешности и чувствительности. При дифференцированном включении тензорезистора в два соседних плеча моста удаётся снизить температурный коэффициент в 10–20 раз по сравнению с температурной погрешностью тензорезистора. В мостовой цепи в отдельных случаях удаётся скомпенсировать температурную погрешность чувствительности. Схема моста с дифференцированным включением тензорезистора с компенсацией температурной погрешности и уравновешенными коэффициентами при питании от источника постоянного тока приведена на рис. 5.23.

R _р

R _к

R ₂

R ₁

_к

Рис. 5.23. Схема моста с дифференцированным включением тензорезистора с компенсацией температурной погрешности

Рабочий датчик с сопротивлением R _рнаклеивается в направлении действия усилия, а другой – компенсационный – датчик с сопротивлением R _кнаклеивается в перпендикулярном направлении. Датчики R _р и R _кнаходятся в одинаковых тепловых условиях. При деформации детали изменяется сопротивление только датчика R _р. А при изменении температуры в одинаковой степени изменяются сопротивления R _р и R _к. Поэтому при деформации нарушается баланс моста (R _к R ₁ =R ₂ R _р)и появляется выходной сигнал D U, пропорциональный усилию или деформации. При изменении температуры баланс моста не нарушается. При питании схемы переменным током нужно учитывать относительно большее значение емкостей между проводящими элементами тензорезисторов и деталью, на которую он наклеивается.

Выходное напряжение тензорезисторного моста обычно не превышает 10 – 20 мВ. Для дальнейшего преобразования такое напряжение без усиления использовать трудно. Поэтому в тензорезисторных приборах обычно используются усилители. Если напряжение питания моста U не стабилизировано, то при его вариациях возможна мультипликативная погрешность. Для ее исключения используется компенсационный метод измерения выходного напряжения моста.

В связи с широким внедрением микроэлектроники наиболее универсальным являются цепи на постоянном токе. В качестве источника питания в этих схемах используются стабилизаторы напряжения или тока. Выходное напряжение моста усиливается с помощью дифференциальных усилителей. Вариант измерительной цепи на базе операционных усилителей для четырех тензорезисторов со специальным устройством балансировки приведён на рис. 5.24. Балансировочное устройство в данном измерителе выполнено в виде делителя напряжения R _б с дифференциальным усилителем УС1 на выходе и подключено к источнику питания Е моста. Выходное напряжение усилителя УС1 суммируется с выходным напряжением моста, усиленным усилителем УС2.

Рис. 5.24. Измерительная цепь для тензорезисторных преобразователей на базе операционных усилителей

Область применения тензорезисторов. При всём многообразии задач, решаемых с помощью тензорезисторов можно выделить две области:

1. Исследование физических свойств материалов при их деформации и напряжения в деталях и конструкциях. Для таких задач характерно требование к тензорезистору, учитывающее изменение параметра окружающей среды, что затрудняет градуировку тензорезисторов при их работе. При этом для градуировки тензорезисторов из партии отбирают несколько штук и они наклеиваются на образцовую балку. С помощью гирь в балке создают определенные деформации е. По значениям деформаций и соответствующим им сопротивлениям рассчитывается чувствительность наклеенных тензорезисторов:

S =[(R – R ₀)/ R ₀]/ e.

Это значение принимается в качестве номинального для всей партии, чувствительность других тензорезисторов в которой может отличаться от номинальной на 2 – 10%. Основной причиной погрешности является разброс параметров тензорезисторов.

2. Для измерения механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента: сил, давлений, ускорений и проч., когда деформация является промежуточной величиной преобразования. Отклонение их чувствительности от номинального значения учитывается при градуировке прибора, результирующая погрешность прибора значительно меньше, чем в первом случае и находится в пределах 0,2 – 0,5%.

Температурный коэффициент сопротивления константана можно изменять, изменяя его термообработку. Благодаря этому тензорезисторы можно изготавливать так, чтобы при наклейке на определенный материал его сопротивление не зависело от температуры. Такие тензорезисторы называются термокомпенсированными.

Температурная погрешность проводниковых тензорезисторов в основном имеет аддитивный характер. Для ее компенсации используются дифференциальные схемы. При измерении механических напряжений применяют схему первого типа с двумя или четырьмя тензорезисторами. Рабочие тензорезисторы наклеивают на исследуемую деталь вдоль ожидаемой деформации, а компенсационные – поперек ее. При измерении других величин, например силы, используется дифференциальная схема второго типа. При этом на силоизмерительную пружину с разных сторон наклеивают два тензорезистора, так что при изгибе пружины под действием силы один из них растягивается, другой – сжимается. В обоих случаях температурные условия и температурные изменения сопротивлений тензорезисторов одинаковы. Тензорезисторы включаются в смежные плечи моста, и это компенсирует температурную погрешность. Для увеличения чувствительности на силоизмерительную пружину можно наклеить четыре тензорезистора, причем преобразователи, воспринимающие деформации одного знака, должны включаться в противоположные плечи моста.

Фольговые нормирующие резисторы сделаны так, что, обрывая ту или иную перемычку на фольговой решетке, можно изменять значение сопротивления и тем самым регулировать параметры и характеристики тензорезисторного моста и прибора в целом. При использовании мостовых схем с нормирующими резисторами погрешность датчиков с фольговыми тензорезисторами снижается до 0,03 – 0,05%, а у датчиков с полупроводниковыми тензорезисторами – до 0,1%.

Тензорезистор применяется при измерении как статических, так и динамических деформаций.

Дата добавления: 2014-12-16