4.4 Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы)

Принцип действия и устройство. Тензорезисторы бывают проволочные, фольговые и полупроводниковые. Устройство наиболее распространенного проволочного тензорезистора схематически представлено на рисунке 7.

Рисунок 7 – Устройство и принцип действия тензометрического

преобразователя

На полоску бумаги (пленку клея) 1, называемую подложкой, наносится зигзагообразно тонкая проволока 2 (диаметром 0,02 ÷ 0,03 мм), к концам которой привариваются или припаиваются контакты 3 из металлической фольги. Все это заливается клеем, а сверху проволока часто заклеивается еще тонкой бумагой 4 для предохранения от механических повреждений. Для изготовления проволок используются константан, нихром, платиноиридиевый сплав и др.

Длина l₀ (смотрите рисунок 7) называется базой преобразователя. Обычно l₀ равна 8÷5 мм. Однако в специальных случаях применяют тензорезисторы и с малой базой (до 2,5 мм). Ширина а преобразователей - от 3 до 10 мм; сопротивление - порядка 50÷150 Ом. Когда размеры преобразователя не ограничиваются, то длина базы достигает 100 мм, а сопротивление - 800 ÷ 1000 Ом.

Образованная указанным способом решетка проволоки приклеивается к исследуемой детали 5 и воспринимает деформацию последней. Вместе с деформацией детали деформируется проволока, тем самым изменяется сопротивление преобразователя вследствие явления тензоэффекта. Входной величиной преобразователя является деформация, выходной - изменение сопротивления.

Рассматривая деформацию как изменение длины проволоки ∆l, уравнение преобразования будет иметь вид где - изменение сопротивления преобразователя.

Практически для характеристики тензорезистора пользуются коэффициентом тензочувствительности

(15)

где - относительное изменение сопротивления преобразователя;

- относительная деформация проволоки.

Опыт показывает, что тензоэффект проводника происходит не только вследствие изменения его геометрических размеров в процессе деформации (длины и поперечного сечения), но и в. результате изменения удельного электрического сопротивления. Коэффициент k для разных металлов лежит в пределах 0,5 - 4. Так как механическое напряжение σ в исследуемой детали связано с модулем упругости Е материала этой детали соотношением

(16)

то уравнение преобразования тензорезистора можно получить в виде

= (17)

Механические напряжения как в материале детали, так и в проволоке тензорезистора не должны превышать предела упругих деформаций, ибо, в противном случае, в материале произойдут необратимые деформации, которые могут привести к резкому изменению характеристик преобразователя. В связи с этим допустимую величину напряжений в материале деталей ограничивают 20÷30% предела упругости.

Как известно, в металлах значение относительной деформации в пределах упругих деформаций не превышает 2,5∙10^-3, что при значениях коэффициента k, равных 0,5÷4, приводит к значениям . Таким образом, относительное изменение сопротивления преобразователей не превышает 1 % при предельных напряжениях в металлах, в связи с чем сопротивление преобразователя не должно изменяться во времени или от влияния внешних факторов более чем на сотые доли процента. Основные требования, предъявляемые к материалу проволоки, следующие: возможно большее значение k; малый ТКС; высокое удельное электрическое сопротивление (при заданном значении l₀ стремятся получить возможно большее сопротивление преобразователя).

Температурные коэффициенты линейного расширения проволоки и материала объекта, на который наклеивается преобразователь, должны быть близки по значению, иначе может появиться температурная погрешность.

Тензорезисторы являются преобразователями разового действия, так как они наклеиваются на деталь и не могут быть сняты без по­вреждения.

Свойства тонких проволок в сильной степени зависят от химического состава сплава, а также от термической и механической обработок. Поэтому на практике из партии одного и того же провода изготовляют серию преобразователей и градуируют несколько штук (8÷10%). Полученная цифра среднего значения коэффициента тензочувствительности k принимается для всех преобразователей из данной партии проволоки.

В целях увеличения мощности рассеяния тензорезистора применяют проволочные решетки, закрепленные по концам, - «открытые конструкции» (рисунок 8, а). Здесь части 1 и 2 связаны с объектом и могут перемещаться относительно друг друга. Проволока закрепляется на стойках 3 из изолирующего материала (керамика).

Рисунок 8 – Конструктивные разновидности тензорезисторов

В практике находят применение так называемые «мощные» тензорезисторы, представляющие собой большое число параллельно (или последовательно) соединенных решеток преобразователей (до 30 ÷ 50), что значительно увеличивает отдаваемую мощность в измерительный прибор и позволяет использовать их без усилителей при непосредственном включении магнитоэлектрического прибора или вибратора осциллографа.

Широко применяются фольговые тензорезисторы, изготовляемые путем специальной фотографии контура решетки на тонкую (0,004 ÷ 0,012 мм) металлическую фольгу. Обратная сторона фольги покрывается лаком или клеем. После проявления незащищенная эмульсией часть фольги протравливается, и на пленке лака остается только контур тензорезистора (рисунок 8,б). Подобную конструкцию имеют и пленочные преобразователи, изготовляемые методом вакуумной возгонки материала с последующей его конденсацией на подложке.

Фольговые преобразователи допускают большую мощность рассеяния, так как металл преобразователя имеет хороший тепловой контакт с объектом. Они имеют также более надежный механический контакт с поверхностью объекта, могут быть изготовлены практически любой формы и размеров, что важно в специальных случаях (например, для использования на мембранах манометров, как это показано на рисунке 8, в), и имеют удобные выводы, допускающие непосредственную припайку концов, в отличие от проволочных преобразователей, у которых наблюдаются частые обрывы в местах присоединения выводов.

В последнее время промышленность изготовляет преобразователи из монокристаллов полупроводников: кремния, германия, арсенида галлия и др. Ценным свойством таких преобразователей является большое значение коэффициента тензочувствительности k (от -200 до +850) при очень малых базах (до 2,5 мм). Выпускаются преобразователи, позволяющие применять их при температурах от -250 до +250° С; недостаток их - механическая непрочность.

К тензорезисторам относятся также преобразователи объемного сжатия, используемые для измерения давлений. Такие преобразователи представляют собой катушку из провода (обычно манганинового) или полупроводниковый элемент. Подвергаясь всестороннему сжатию при высоких и сверхвысоких давлениях, они изменяют свое сопротивление.

Для приклейки тензорезисторов к исследуемым деталям применяют специальные клеи. Разработаны клеи для работы в нормальных условиях (БФ-2; БФ-4, ацетоноцеллулоидные), в условиях повышенных и высоких температур - до 600 ÷ 700° С (Б-56, ВН-15), а также при работе во влажной среде или в воде.

Погрешности. Основная погрешность тензорезисторов во многом определяется точностью градуировки. Опыт показывает, что при тщательной приклейке тензорезисторов и хорошем качестве клея погрешность, обусловленная неидентичностью преобразователей, не превышает 1,5%, если пользуются средним значением коэффициента тензочувствительности. При индивидуальной градуировке преобразователя основную погрешность можно уменьшить до 0,2 ÷ 0,5% и даже менее (до 0,03% при особо тщательном изготовлении).

Существенное значение имеют остаточные деформации клея при его просушке. Это явление может привести к изменению начального сопротивления преобразователя до 1% в начальный период (после наклейки) и к менее значительным изменениям - в последующий (0,1 ÷ 0,2%).

Тензорезисторы обладают также поперечной чувствительностью, под которой понимают чувствительность преобразователя в направлении оси Y (ось боковой чувствительности), обусловленной тем, что в направлении оси Y длина проволоки хотя и значительно меньше длины по оси X (ось основной чувствительности), но не равна нулю (рисунок 7). Поперечная чувствительность приводит к появлению систематической погрешности в случае, когда при измерениях имеют место деформации в разных направлениях (как в направлении оси X, так и оси Y). Поперечная чувствительность проволочных тензорезисторов составляет 0,25 ÷ 1% от основной чувствительности.

Для преобразователей с неприклеенными петлями (рисунок 8, а) поперечная чувствительность мала, а для фольговых и пленочных она практически может быть устранена путем увеличения ширины торцевых концов.

Температурная погрешность тензорезисторов обусловлена разностью температурных коэффициентов линейного расширения материала преобразователя и объекта измерения, а также ТКС материала преобразователя. Например, для тензорезисторов из константановой проволоки температурная погрешность может достигать 10% и выше при колебании температуры среды или детали на 10° С. У полупроводниковых тензорезисторов эта погрешность еще больше. В случае применения дифференциального включения преобразователей в мостовую цепь эта погрешность резко уменьшается.

Рисунок 9 – Схема включения тензорезисторов для измерения

деформации

Изменение свойств материала тензорезистора вследствие старения и остаточных деформаций очень невелико и приводит к пренебрежимо малой погрешности.

Измерительные цепи. В подавляющем большинстве случаев применяют мостовые цепи с питанием постоянным или переменным током (рисунок 9). Предпочтение отдается цепям с дифференциальным включением преобразователей, в которых один тензорезистор R₁ испытывает деформацию растяжения, а второй R₂ - деформацию сжатия. В этом случае исключается температурная погрешность и вдвое увеличивается чувствительность. В связи с тем, что при деформации относительное изменение сопротивления преобразователей невелико, мощность на измерительной диагонали моста, как правило, недостаточна для работы выходного указателя, вследствие чего требуется ее усиление (на рисунке: У - усилитель; ФД - фазочувствительный демодулятор; Ук - выходной указатель).

Мостовые цепи с тензорезисторами, за исключением цепей, предназначенных для измерения только переменных во времени деформаций, имеют элементы для уравновешивания моста перед началом измерения. Это необходимо, так как даже очень незначительная разница в сопротивлениях тензорезисторов приводит к тому, что при отсутствии деформации мост окажется неуравновешенным. Элементы для уравновешивания должны выполняться исключительно тщательно, ибо очень малые изменения их сопротивлений могут привести к большим погрешностям.

При питании мостовых цепей переменным током возникает необходимость уравновешивания также и по реактивной составляющей в связи с наличием паразитных емкостей и индуктивностей. В частности, установлено, что емкость между проводом тензорезистора и металлическим объектом, который, как правило, заземлен, достигает в ряде случаев больших значений – 500 ÷ 1000 пФ. На рисунке 9 емкость С и сопротивление R_c служат для указанной цели. Для измерения статических деформаций широко используются самоуравновешивающиеся мосты.

Области применения. Тензорезисторы применяются для измерения сил, давлений, вращающих моментов, ускорений и других величин, преобразуемых в упругую деформацию.

Простота конструкции и малые габариты позволяют использовать тензорезисторы в труднодоступных местах различных машин и механизмов без изменения конструкций последних.

Тензорезисторы широко применяются для измерения быстропеременных величин (порядка десятков килогерц).

5 Содержание отчёта (отчет по лабораторной работе выполняется на листах формата А4)