Химический состав и коэффициент тензочувствительности сплавов, используемых в изготовлении тензорезисторов
Материалы для тензорезисторов должны удовлетворять следующим требованиям [3]:
иметь высокое удельное сопротивление, позволяющее изготавливать малобазные тензорезисторы с достаточно большим сопротивлением;
обладать высокой и стабильной чувствительностью к деформации;
изменения сопротивления, вызванные деформацией, должны подчиняться линейному закону в достаточно широком диапазоне;
быть нечувствительным к влиянию температуры, т.е. температурный коэффициент сопротивления должен быть близким к нулю;
термоЭДС в паре с медью должна быть как можно меньше, что очень важно при питании тензорезисторов постоянным током;
температурные коэффициенты линейного расширения материала проволоки и материала исследуемой детали, на которую наклеивается тензорезистор, должны быть равными или незначительно отличаться, в противном случае изменения температуры будут вызывать кажущуюся деформацию и, следовательно, создавать погрешности при измерениях;
не иметь гистерезиса; обладать технологичностью, позволяющей изготавливать фольгу микронных размеров;
иметь высокое отношение предела пропорциональности к модулю упругости;
сплавы, применяемые для изготовления высокотемпературных тензорезисторов, должны хорошо противостоять окисляющему воздействию внешней среды.
Константан. В настоящее время большинство тензорезисторов изготавливается из этого сплава в силу следующих его достоинств:
постоянство коэффициента тензочувствительности в весьма широком диапазоне деформаций (до 8%);
в отожженном состоянии константан может быть использован при измерении деформаций до 20%; однако в этом случае у константана обнаруживается изменение начального сопротивления, свидетельствующее о систематическом изменении сопротивления при каждом цикле нагружения;
отсутствие существенных изменений при переходе от упругого деформирования к пластическому;
константан обладает, кроме того, высоким удельным сопротивлением (ρ = 0,49 мкОм/м);
обладает высокой температурной стабильностью;
возможность создания температурно-компенсированных тензодатчиков путем согласования коэффициента температурного расширения датчика с аналогичным параметром технического материала.
Обычно тензорезисторы изготавливаются из мягкого отожженного константана. Основными его недостатками являются:
низкий коэффициент тензочувствительности (около 2,1);
большая термоЭДС в паре с медью
Тензорезистор (тензодотчик) – это первичный преобразователь, предназначенный для измерения деформаций. Первичный преобразователь – средство измерения, как правило являющееся частью измерительного прибора или измерительной установки. Его действие заключается в преобразовании входящего сигнала измеряемой информации. В данном случае происходит преобразование информации о деформации (удлинение или укорочение) тензорезистора в выходящую информацию об электрическом сопротивлении датчика.
Существует большое разнообразие конструкций тензорезисторов различающиеся по форме и материалы – керамические, фольговые, проволочные и т.д.
В данной работе рассматривается петлевой проволочный тензорезистор, который представляет собой несколько петель микропровода, прикрепленных к пленочной или бумажной основе. Тензорезисторы (рис. 1) выпускаются с базой 3…150 мм и начальным сопротивлением 70…400 Ом.
Рис. 1 Схема петлевого тензорезистора. 1- микропровод, 2 –основа (подложка), 3 – контакты.
Приклеиваемые тензорезисторы – одноразовые датчики. Их нельзя снять с детали, протарировать и опять установить. Их метрологические характеристики определяют косвенным путем.
Определение коэффициента К проводится для части тензорезисторов (5% из каждой партии). В ходе тарировки задается величина деформаций, а изменение сопротивления определяется экспериментально. Осредненное по результатам испытаний значение коэффициента тензочувствительности Kср присваивается всей партии.
Погрешность измерения деформаций в последующих испытаниях с использованием тензорезисторов из партии, прошедшей тарировку, характеризуется коэффициентом вариации величины К.
(1.10)
где
– оценка среднеквадратичного отклонения
коэффициентов тензочувствительности
испытанных датчиков,
– среднее арифметическое значение
коэффициента тензочувствительности
партии.
При плоском напряженном состоянии, когда ориентация главных площадок неизвестна, для экспериментального определения величины главных напряжений используются тензорозетки (рис. 2). Условно считается, что измеренные деформации относятся к одной точке. Размер базы на прямую связан с чувствительностью датчика – чем больше база, тем больше изменение сопротивления датчика при одной и той-же деформации, следовательно выше чувствительность, однако при необходимости определить напряжения в конкретной точке преимущество надо отдавать тензорезисторам с меньшей базой, т.к. метод измерения даёт среднее значение деформации по длине базы тензорезистора.
Рис. 2 Тензорозетка
Угол наклона главных площадок и значения главных деформаций вычисляются по формулам:
(1.11)
(1.12)
(1.13)
В упругой области переход от главных деформаций к главным напряжениям осуществляется на основании закона Гука для плоского напряженного состояния:
(1.14)
(1.15)