Лекция № 9. Тема: метод электроизмерений.

Тензометрия — так называют методы электрических измерений ме­ханических величин: деформаций, перемещений, сил, давлений, моментов, пере­грузок, частот — обладает исключительными качествами, которые явились при­чиной ее развития как индустриального метода с самым широким применением в машиностроении и практически во всех областях технической деятельности человека. Известно использование тензометрии в биологии и медицине при измерении сил и деформаций мышц человека, в весоизмерительных устройствах портальных кранов, в измерительно-вычислительных комплексах на борту носителей и спутников, в устройствах контроля конструкции атомных реакторов, в информационно-измерительных системах, обрабатывающих тысячи параметров с помощью нескольких ЭВМ при испытании современных самолетов и т.д.

9.1 . Основы метода. Тензоэффект и тензорезисторы.

Метод основан на измерении приращения электрического сопротивления проводника (полупроводника), деформируемого совместно с деталью, к которой он механически прикреплен (приклеен). Сопротивление проводника R пропорционально его длине /и обратно пропорционально площади поперечного сечения F:

R = pl / F, (9.1)

где: р — удельное сопротивление.

При малой деформации проводника Δl / l = ε, его сопротивление изменяется на величину ΔR / R. Это явление называют тензоэффектом, а коэффициент, связывающий относительное изменение сопротивления и деформацию, — коэффициентом тензочувствительности материала К_м:

, (9.2)

где: m — коэффициент, зависящий от свойств материала и деформации;

μ - коэффициент изменения геометрии проводника.

;

v — продольный коэффициент пьезосопротивления;

Е — модуль упругости про­волоки, фольги или полупроводника.

Для металлических тензочувствительных материалов величина К_м опреде­ляется в основном изменением геометрии проводника, т. е. членом (1 + 2 μ) в формуле (9.2); для полупроводников, наоборот, тензоэффект зависит практи­чески от изменения физических свойств материала: К_м ≈ т, и его величина в

20—50 раз больше, чем для металлов.

Для сплава константана линейная передаточная функция тензорезистора ТР сохраняется и для некоторой пластической области, что является одним из замечательных свойств константана как материала для ТР, в упругой и некоторой пластической области К_м = 2.

В полупроводниках тензоэффект зависит от кристаллографического направления, в котором вырезана пластина тензорезистора; например, для кремния п - типа максимальный К_м ≈ 100 определяется тензорезистивной чувствительностью. Тензоэффект для полупроводников существенно зависит от температуры, тогда как для константана влияние температуры невелико. Свойства материалов тензорешеток приведены в работах.

Для крепления чувствительного элемента ТР к поверхности детали, а также для защиты и изоляции проводника и выводных проводников разработано несколько технологий и конструкций ТР. Термины и определения по видам тензо-резисторов и конструктивным элементам даны в ГОСТ 20420—75*.

Проводниковые ТР выполняют на основе тонкой проволоки диаметром 2—30 мкм (проволочные тензорезисторы) и на основе тонколистовой фольги толщиной 5—10 мкм (фольговые тензорезисторы). В зависимости от назначе­ния и выбранной технологии проводниковые ТР выполняют на бумажной, пле­ночной, тканевой (стеклотканевой) или металлической фольговой подложке. В качестве связующего для закрепления чувствительного элемента и выводных проводников на подложке и ТР на объекте применяют универсальные и специ­альные клеи, лаки, цементы, а также точечную сварку и пайку.

Рис. 9.2. Переходники из пластмасс, бука, стекло-

текстолита и «фольги на пленке»

Рис. 9.1.

Некоторые виды тензорезисторов

ТР и тензорозеток ТРР

Некоторые виды проводниковых ТР показаны на рис. 9.1. Их наиме­нование и индексация, а также общие технические требования приведены в ГОСТ 21616-76*. Различают проволочные ТР с петлевой константановой решеткой на бумажной подложке (ПКБ, ППКБ), проволочные ТР с пет­левой константановой решеткой на пленочной подложке (ПКП и.ППКП).

Изготовляют ТР с беспетлевой решет­кой на пленочной и бумажной подложке и микропроволочные ТР (МПБ, МПТ) из одной жилы литого микропровода, имеющего диаметр 2-7 мкм. Проволочные, петлевые ТР стандартного изготовления имеют базы 5 — 50 мм; наиболее часто применяют базы l = 10; 15; 20 мм; беспетлевые ТР имеют более широкий диапазон баз. Номинальный ряд сопротивлений: 50, 100, 200, 400, 800 Ом. Предельная измеряемая деформация для проволочных ТР составляет 0,1 - 5 %, причем для твердого константана - до 1 % и отожженного мягкого константана на пластифицированной пленке БФ-2 - до 2,5 - 5 %.

Фольговые тензорезисторы изготовляют фотохимическим способом из тонкой фольги толщиной 3—10 мкм, что позволяет автоматизировать процесс массового производства ТР и достаточно просто выполнять тензорешетки сложных форм для многоэлементных розеток, датчиков давления и сил.

Кроме того, для фольговых ТР технологически просто задать конструкцию теплоотводящих элементов решетки и места спая с проводниками. Фольговые ТР типа КФ4 и КФ5 имеют следующие сопротивления: R = 100, 200, 400 Ом для одиночных ТР КФ4П, КФ5П, для тензорозеток КФ4Р, КФ5Р и цепочек КФ4Ц, КФ5Ц. Фольговые одиночные ТР для измерения деформаций в местах концентрации изготовляют малобазными: l = 0,5; 1,0; 3,0; 5,0 мм, но ширина их решетки значительна (b = 3 6 мм), поэтому градиент деформации усредняется по площади l X b . Распайку выводов на жгуты выполняют через переходники — ламели и бобышки (рис. 9.2).

Метрологические характеристики проводниковых тензорезисторов определяют по ГОСТ 21615-76* и 21616-76*.

Коэффициент тензочувствительности ТР

, (9.3)

где: — коэффициент тензочувствительности материала; — суммарная протяженность тензоматериала на продольном и поперечном участках петлевой или фольговой тензорешетки; — коэффициент изменения тензувствительностей на поперечных участках; К = 2,1 ± 0,2 - для фольговых ТР; К = 1,8 5,6 для проволочных ТР; К = 3,3 4,2 для ТР из литого микропро­вода.

Полупроводниковые тензорезисторы изготовляют из монокристаллов кремния и германия, реже из других полупроводников. Их практически не ис­пользуют в исследованиях НДС конструкций, но успешно применяют в динамо­метрических устройствах в качестве преобразователей. Благодаря новой технологии выращивания полупроводников на подложке из кремния или сапфира, являющихся почти идеальными упругими элементами, созданы интегральные полупроводниковые тензорезисторы. Методом диффузии получают сверхминиатюрные мосты и полумосты, монолитно связанные с упругим элементом. На основе этой технологии выпускают, например, датчики давления для измерения давления крови непосредственно в сосудах.