14.3 Виды тензопреобразователей

В зависимости от того, какой материал используется для изготовления тензопреобразователя, различают тензопреобразователи проводниковые (ТП) и полупроводниковые (ППТП).

Группу проводниковых ТП составляют проволочные (ПТП) и фольговые (ФТП) тензопреобразователи (рис. 14.3, 14.4).

Рис. 14.3

Рис. 14.4

А – база ТП. Длина петли 5 – 25 мм, ширина 0,8 − 10 мм, диаметр проволоки 0,05 –0,025 мм.

На испытуемой детали (или деталях) установлены диэлектрические стойки, между которыми натягиваются и закрепляются петли из металлической проволоки с высоким удельным сопротивлением (константан, нихром, манганин и др.). В другом варианте (на рис. не показано) проволока, выполненная зигзагообразно в виде решетки, наклеивается на полоску тонкой бумаги. К концам проволоки пайкой или сваркой присоединяются выводные медные проводники. Такой преобразователь, будучи равномерно наклеенным на испытуемую деталь, воспринимает деформацию ее поверхностного слоя.

Очевидно, что так называемые наклеиваемые ТП относятся классу одноразовых ТП и повторное их использование нежелательно.

Для целевого измерения сосредоточенных усилий (силы), механических моментов (крутящий момент, вращающий момент и др.) и давлений ТП наклеивают на вспомогательный упругий элемент, воспринимающий измеряемую механическую величину. При этом деформация упругого элемента, вызываемая воздействующей нагрузкой (силой, моментом, давлением), приводит к деформации тензопреобразователя (рис. 14.5).

Рис. 14.5

14.3.1. Проволочные тензорезисторы изготавливаются из тонкой проволоки толщиной 10 – 20 мкм. К объекту тензорезистор на подложке приклеивается высококачественным неэластичным клеем с тем, чтобы деформация объекта передавалась на тензорезистор полностью. Ориентируется тензорезистор строго по тому направлению, в котором необходимо измерить деформацию.

База тензорезистора может иметь размеры от 5 мм до 20 мм. Сопротивление недеформированного тензорезистора от 40 Ом до 800 Ом. Свойства материалов, из которых делаются проволочные тензорезисторы, представлены в таблице 14.1.

Таблица 14.1

Относительные изменения сопротивления тензопреобразователей не превышают 1 %, что может оказаться сравнимым с температурными изменениями сопротивления этих датчиков. Отсюда требования к материалу тензодатчиков – иметь малый температурный коэффициент, большое удельное сопротивление (для уменьшения габарита датчика при заданном его сопротивлении) и большую механическую прочность. Наибольшей тензочувствительностью (среди приведенных материалов) обладают платина и вольфрам. Несмотря на это, платиновые и вольфрамовые тензодатчики используются сравнительно редко из-за большого температурного коэффициента сопротивления (ТКС).

14.3.2. Фольговые тензорезисторы изготавливаются из фольги, прокатанной из тех же материалов и обладают такими же характеристиками. Они изготавливаются фотоспособом. На фольгу наносится фоточувствительный слой, на этот слой проектируется изображение тензорезистора, затем незасвеченные участки вытравляются. В результате конфигурация фольговых тензорезисторов может быть достаточно сложной, а их база – довольно мелкой: до 0.8 мм.

Так же, как и проволочные тензорезисторы, фольговые устанавливаются на объект с помощью клея. В тех случаях, когда необходимо измерять деформацию объектов при высоких температурах, тензорезисторы к ним привариваются.

Основные преимущества фольговых ТП перед проволочными ТП: прямоугольное сечение фольговых проводников обеспечивает лучшие условия для теплоотдачи, что позволяет увеличивать ток через ТП и тем самым увеличивать чувствительность измерительной цепи.

На рис. 14.6 показан пример фольгового ТП, например, для измерения механических моментов. ТП наклеиваются на поверхность скручиваемого упругого вала. При этом два ТП, находящиеся на общей подложке, ориентированные между собой взаимно перпендикулярно, реагируют на соответствующие составляющие деформаций ε1, ε2 .

Рис. 14.6

14.3.3. Полупроводниковые тензопреобразователи (ППТП) обладают значительно большей чувствительностью к деформациям. Они дороже проводниковых ТП, значительно сильнее подвержены действиям температуры и внешнего магнитного поля.

Из сказанного ясно, что наиболее массовыми для практического применения являются фольговые тензопреобразователи .

Полупроводниковые тензодатчики представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия (чаще кремния) длиной 5 – 10 мм и шириной 0,2 – 0,8 мм. Известны «малобазовые» тензодатчики (металлические и полупроводниковые), имеющие длину от 1 до 3 мм.

Полупроводниковые тензорезисторы по сравнению с проволочными дают высокой относительной чувствительностью, которая находится в пределах от 100 до 200. Сопротивление тензорезистора 50 Ом – 5 кОм. Высокое значение относительной чувствительности позволяет снизить требования к усилителям и использовать их для измерения в расширенном диапазоне деформации при наличии больших электромагнитных помех.

Разработаны тензодатчики давления модульного типа в виде гибридной интегральной схемы, в которой на общем керамическом основании размещены датчик и операционный усилитель. Тензорезисторы соединены по мостовой схеме, элементы которой нанесены на поверхность кремниевой пластинки диффузионным способом. Коэффициент чувствительности такого тензодатчика составляет 90, погрешность – 2 %.