книги / Тензодатчики для экспериментальных исследований
..pdfустановке выводные проводники из золотой проволоки диаметром 0,08 мм. Пластину кремния с выводными про водниками защищают со стороны рельефов воском, а об ратную ее сторону подвергают травлению до тех пор, пока пластина кремния не стравится настолько, что образуются отдельные тензодатчики.
Тензодатчики КМ изготовляют двух конфигураций (рис. 57): стержневые КМ-1 с длиной чувствительного элемента 10 мм (КМ-1-10) и 5 мм (КМ-1-5) и П-образ- ные КМ-2 с длиной чувствительного элемента 4 мм (КМ-2-4) :и2 мм (КМ-2-2).
Полупроводниковые тензодатчики из монокристаллического кремния выпускают безосновными. Поэтому для создания изоляционного слоя между тензодатчиками и конструкцией те участки поверхности конструкции, на которые должны быть наклеены тензодатчики, предвари тельно покрывают слоем лака и подвергают его тепло вой обработке, соответствующей выбранному лаку. На полученный подслой наклеивают тем же лаком тензодат чики, и конструкцию опять подвергают нагреву для поли меризации связующего. Наклейку полупроводниковых тензодатчиков осуществляют теми же клеями и лаками, что и наклейку проволочных и фольговых тензодатчиков. Выбор клея обусловливается режимом работы исследуе мой конструкции.
Чувствительность к деформации. Среднее значение чувствительности тензодатчиков КМ-1 при е= 1- 10~4 со ставляет 122,0, у тензодатчиков КМ-2 среднее значение чувствительности несколько ниже и равно 100 (КМ-2-4) и 95 (КМ-2-2). Разброс в партии оценивают среднеквад
ратичной величиной os порядка ±3% . Снижение чувст вительности у тензодатчиков КМ-2 по сравнению с КМ-1 можно объяснить наличием поперечного участка в чув ствительном элементе тензодатчиков КМ-2.
Величина чувствительности и ее разброс могут не сколько изменяться от партии к партии, так как они за висят от удельного сопротивления монокристалла крем ния.
На рис. 58 приведены графики, выражающие зависи мо
мость ---- = /(е ) для тензодатчиков типа КМ-1-10
и КМ-2-4 в диапазоне деформаций ±2-10_3. Эта зависи мость практически линейна до деформаций е = ±0,4- 10-3.
i l l
При деформации порядка ±2-10~3 чувствительность при растяжении примерно на 5—6% больше, а при сжатии примерно на 10—12% меньше, чем чувствительность при деформации порядка е= ±0,1 • 10~3.
Изменение чувствительности от температуры в диапа зоне температур 20—100РС составляет AS/S = —0,2% на ГС для -схем с постоянным напряжением питания (вы ходной сигнал пропорционален ДR/R). Если использовать схемы с постоянным током питания (выходной сигнал пропорционален ДR), то можно уменьшить зависимость выходного сигнала от температуры {16]. Так, для тензо датчиков КМ, наклеенных на сталь 1Х18Н9Т и .включен ных в схему с питанием -постоянным током, изменение выходного сигнала составляет 0,05% на Г С.
Температурное приращение сопротивления. Темпера турное приращение сопротивления тензодатчиков КМ оп ределяется не только выбором кремния, но и материалом детали, на которую он наклеен. Зависимости изменения сопротивления от температуры для наклеенных тензодат чиков КМ практически линейны в диапазоне температур от 20 до 80° С и средние в партии температурные коэф
фициенты сопротивления Б = 30-10-4 ед. |
AR/ЯГ С для |
тензодатчиков, наклеенных на дюралевую |
балку, и 8 = |
= 20-10~* ед. AR/ЯГ С для тензодатчиков, |
наклеенных |
на стальную балку. Отклонения температурных прира |
щений сопротивления отдельных тензодатчиков от сред ней величины значительны и оцениваются среднеквадра тичной величиной crB= ± 0 ,6 -10-4 ед. AR/ЯГ С.
Номинальное сопротивление. Тензодатчики из монокристаллического кремния (р = 0,02 ом-см) с различной базой имеют в ненаклеенном состоянии сопротивление 120—130 ом. Величина сопротивления тензодатчика оп ределяется его геометрией (длина, ширина и толщина чувствительного элемента).
Сопротивление полупроводниковых тензодатчиков при наклейке на конструкции значительно изменяется. Это связано с «усадкой» лака после тепловой обработки и различием коэффициентов линейного расширения кремния и материала конструкции. Сопротивление тен зодатчиков, наклеенных лаком ВЛ-6 на деталь из стали ЗОХГСА и прошедших тепловую обработку при темпе ратурах до 180°С, уменьшается в среднем на 10%, а на дюралевую — на 18%.
Максимальная рассеиваемая мощность. На ,рис. 59 приведена зависимость относительного приращения со противления партии тензодатчиков, наклеенных на дю
ралевую балку, от мощности, рас |
|
|||
сеиваемой на тензодатчике. Мощ |
|
|||
ность рассеяния определяется со |
|
|||
противлением тензодатчика и то |
|
|||
ком, |
протекающим |
через |
него. |
|
Как |
видно из графика, с увели |
___________ |
||
чением мощности |
относительное |
|||
приращение сопротивления |
pa- |
OfiOSOM о.02 ОМ 0.06 ni w6m |
стет, ЧТО объясняется саморазогревом кремниевого чувствитель ного элемента. Саморазогрев влияет на стабильность работы тензодатчика и на его чувстви тельность. Для уменьшения влия
ния саморазогрева на стабильность характеристик тензо датчика необходимо ограничивать величину рассеивае мой мощности. Лучшая стабильность обеспечивается при мощности рассеяния 0,1—0,15 вт [16].
Тензодатчики ДМ-2
Тензодатчики ДМ-2 предназначены для измерения де формаций, не превышающих 0,5-10-4, при динамических испытаниях конструкций в условиях комнатных темпе ратур.
Магнитоупругий тензодатчик ДМ-2 представляет со бой плоскую индуктивную катушку с замкнутым сердеч ником из пермаллоевой ленты. Принцип действия магни тоупругих тензодатчиков ДМ-2, заключается в том, что под влиянием деформации изменяется магнитная прони цаемость сердечника, что вызывает изменение его маг нитного сопротивления, которое приводит к изменению полного сопротивления Z катушки.
Конструкция тензодатчиков ДМ-2 показана на рис. 60. Сердечник тензодатчика изготовляют из ленты (тол щиной 0,03 мм) пермаллоевого сплава с присадкой ре ния, обладающего магнитострикционными свойствами. Намагничивающую обмотку изготовляют из медной эма лированной проволоки диаметром 0,03 мм. Число вит
ков в обмотке около 200.
ИЗ
В качестве изолирующей пленки используют полимеризованную пленку лака ВЛ-6. Выводные проводники выполняются из медной проволоки диаметром 0,2 мм.
Наклейка тензодатчиков на деталь выполняется на полимеризованный подслой из клея БФ-2 этим же кле ем с наполнителем (сернокислый барий). При наклейке тензодатчик накладывают на деталь той'стороной, кото-
/
Рис. 60. Конструкция тензодатчика ДМ-'2:
1—пленка из лака внннфлекс; 2—сварной шов; 3—пермаллоевый сплав;
4—стеклоткань; 5—выводные проводники; 5—медная проволока
рая представляет собой открытую поверхность сердеч ника. После наклейки осуществляют тепловую обработ ку ступенями до 180° С.
Чувствительность к деформации. Для ма-гнитоупру- гих тензодатчиков чувствительность к деформации опре деляется как
A Z
s = — — |
(51) |
Гд е --------- относительное изменение полного |
(активного |
Z
и индуктивного) сопротивления тензодатчика.
Чувствительность и другие характеристики тензодат
чиков ДМ-2 определяются с помощью специальной ап паратуры 1-АНЧ-18 на несущей частоте 50 кгц.
В табл. 26 приведены средние в партии значения чув ствительности и относительные среднеквадратичные от
клонения чувствительности отдельных тензодатчиков от средних значений при деформации растяжения и сжатия г=0,22-10-4.
Как видно из табл. 26, средние значения чувствитель ности порядка 1600, причем чувствительность при растя жении больше чувствительности при сжатш! примерно
на 5%. Разброс чувствительности в партии as==fc20%.
|
Т а б л и ц а |
26 |
|
Вил деформации |
$ |
± ° s |
в % |
Растяжение |
1655 |
19,7 |
|
Сжатие . |
1566 |
20,3 |
Чувствительность тензо |
Рис. 61. |
Зависимость вы |
||
датчиков ДМ-2 следует счи |
ходного |
сигнала àU мо |
||
тать постоянной только до |
ста с двумя |
активными |
||
тензодатчиками ДМ-2 от |
||||
деформаций |
е= 0,5 • 10-4. |
температуры |
испытания |
|
При больших |
деформациях |
|
|
|
наблюдается |
заметная нелинейность зависимости A t/= |
=/(е) и большая разница чувствительностей, полученных при растяжении и сжатии. Поэтому тензодатчики ДМ-2 рекомендуется применять при деформации не выше €= 0,5- 10-4.
Чувствительность магнитоупругих тензодатчиков су щественно зависит от температуры. На рис. 61 приведе на зависимость сигнала AU с двумя активными тензо датчиками ДМ-2 при деформации е=0,13 -10~4 от темпе ратуры. Чувствительность возрастает с повышением температуры практически линейно (примерно 1% на 1°С). Тензодатчики ДМ-2 рекомендуется использовать в условиях мало меняющихся температур.
Повторяемость зависимости AU=f(e) при повторных нагружениях характеризует общую погрешность измере ний, связанную как с постоянством чувствительности тензодатчиков ДМ-2 во времени, так и с точностью аппа ратуры 1-АНЧ-18. Среднеквадратичное отклонение хот среднего значения AU при максимальной деформации для десяти повторных измерений составляет в среднем
0Д17=±2,4%.
Номинальное сопротивление. Магнитоупругие тензо датчики подбираются для работы в мостовой схеме по полному сопротивлению Z. Значение Z определяется мно гими параметрами, в том числе магнитной проницаемо стью, размерами сердечников и числом витков намагни чивающей обмотки. Все эти параметры могут быть не одинаковыми для отдельных тензодатчиков как из-за неоднородности материалов сердечника и обмотки, так и за счет трудностей ручной нарезки сердечников оди наковых размеров и сохранения одинакового числа вит ков при приварке выводных проводников к. тонкой эма лированной проволоке. В связи с этим магнитоупругие тензодатчики имеют большой разброс сопротивлений Z в каждой партии. Среднее значение сопротивления для партии тензодатчиков Z=200 ом, а разброс^ характери
зуется серднеквадратичной погрешностью C T Z = ±7% .
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ, КОМПЕНСАЦИИ И УЧЕТА ТЕМПЕРАТУРНОГО ПРИРАЩЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕНЗОДАТЧИКОВ
Температурные приращения сопротивления тензодат чиков в некоторых случаях столь значительны, что в не сколько раз превышают изменения их сопротивления от измеряемой деформации.
Для уменьшения влияния температуры на сопротив ление тензодатчиков применяют ряд способов. В зависи мости от условий испытаний (скорости изменения деформаци и температуры, равномерности распределения тем пературы по конструкции, точности измерения деформа ции и т. д.) применяется тот или иной способ.
Кроме рассмотренного ранее отжига константановой проволоки, наиболее широко известны и применимы сле дующие способы: схемная компенсация температурного приращения сопротивления тензодатчиков, комбиниро ванные тензодатчики, тензодатчики с компенсационной петлей, внесение поправки на температурное приращение сопротивления.
1. СХЕМНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ
Способ схемной компенсации основан на том, что тензодатчики, наклеенные на один и тот же материал и находящиеся в одинаковых температурных условиях, изменяют свое сопротивление практически одинаково. Если активный тензодатчик Ra наклеить на исследуемую конструкцию, включив его в одно плечо измерительного моста, а компенсационный тензодатчик R K наклеить на пластинку из того же материала, что и конструкция, включив его в соседнее с первым тензодатчиком плечо моста, то практически можно исключить влияние тем пературы на тензодатчик, измеряющий деформацию (рис. 62, а, /).
На практике при действии на конструкцию одноосной деформации компенсационный тензодатчик иногда на клеивают на испытываемую конструкцию в направлении, перпендикулярном действию главной деформации. В этом случае необходимо учитывать, что компенсационный теп-
Р
Рис. 62. Схемы расположения и включения в измерительный мост активного и компенсационного тензодатчиков с целью термокомпенсации:
а(1) —активный тензодатчик располагается на конструкции, компенса ционный на ненагружаемой пластинке; а (П ) —активный и компенсаци
онный тензодатчики располагаются на конструкции (случай одноосной деформации); б—активный и компенсационный тензодатчики распола гаются на конструкции (случай изгиба); в—полупроводниковые тензо датчики с разными знаками тензочувствнтельностн располагаются на конструкции
зодатчик также подвергается деформации, но меньшей по величине и противоположной по знаку главной деформа ции (рис. 62, а, //).
При применении тензодатчиков в измерительных устройствах для увеличения сигнала и для исключения влияния температуры на-тензодатчики последние наклеи ваются на противоположные стороны чувствительной балки, подвергающейся изгибу, и включаются в соседние плечи измерительного моста (рис. 62,6). В этих случаях оба тензодатчика являются активными и одновременно взаимно термокомпенсированными.
Интересен также способ схемной компенсации, при меняемый для полупроводниковых тензодатчиков из монокристалла кремния. Известно [16, 21], что тензодат чики из монокристалла кремния, обладающие проводи мостями р- и я-типов, имеют различные по знаку тензочувствительности.
Кремний, имеющий проводимость p-типа, обладает положительной тензочувствительностью, а п-типа— от рицательной тензочувствительностью, температурное приращение сопротивления у них одного знака. Для уменьшения влияния температуры полумост собирают из тензодатчиков, изготовленных из р- и /г-типов крем ния, и включают их в соседние плечи. Оба тензодатчика располагаются рядом и испытывают деформацию одного знака (|рис. 62, в). При действии деформации от полу моста получают удвоенный сигнал, а при действии тем пературы температурные приращения сопротивления тензодатчиков компенсируются.
В случае применения способа схемной компенсации необходимо, чтобы температура обоих тензодатчиков в полумосте и их температурные приращения сопротив ления были достаточно близки.
Если в партии тензодатчиков наблюдается большой разброс температурных приращений сопротивления, то для активного и компенсационного плеча до наклейки следует подбирать тензодатчики с одинаковыми или близкими температурными приращениями сопротивле ния.
В настоящее время для проволочных и фольговых тензодатчиков этот способ используется только для тен зодатчиков, наклеиваемых на фольгу, которая затем приваривается к конструкции [35].
Для полупроводниковых тензодатчиков КМ разрабо тан способ определения температурных приращений со противления в партии неиаклеенных тензодатчиков. Под бор активного и компенсационного тензодатчиков с оди
наковыми температурными |
приращениями сопротивле |
||
ния позволяет |
получать |
относительно |
малые |
температурные |
приращения |
сопротивления |
полумоста |
из тензодатчиков.
На рис. 63, а приведены разбалансы (AR/R),lM при на греве полумостов из тензодатчиков, произвольно взятых из партии, а на рис. 63,6 — разбалансы при нагреве по-
лумостов из тензодатчиков, подобраных с близкими тем пературными при|ращениями сопротивления.
f l w*
К 'ПН
( А/?\ |
от темпе- |
Рис. 63. Зависимости разбаланса полумостов 1"7Г") |
|
V а 1пм |
|
ратуры для тензодатчиков КМ:
а—для тензодатчиков, произвольно взятых из партии; б—для тензодат чиков, взятых с близкими в каждом полумосте температурными прира щениями сопротивления
2. КОМБИНИРОВАННЫЕ ТЕНЗОДАТЧИКИ
Комбинированными тензодатчиками называются та кие тензодатчики, чувствительная решетка которых вы полнена из двух материалов, имеющих в наклеенном состоянии равные по величине, но разные по знаку тем пературные коэффициенты сопротивления. Чувствитель ная решетка комбинированного проволочного тензодат чика представлена на рис. 64. Сопротивление такого тензодатчика складывается из сопротивления отрезков проволок Ядх и Rд г-
Комбинированные тензодатчики, изготовленные из конСтантаиовой и медной проволок, описаны в работах [39, 40], из константановой и нихромовой проволоки —