25. Физические основы тензометрии. Конструкция, технические характеристики и области применения тензодатчиков

В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающеесяя в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.

Сопротивление провода, имеющее поперечное сечение S, длину L и удельное сопротивление , определяется выражением:R=ρL/S.

При растяжении такого провода площадь его поперечного сечения уменьшается, что приводит к увеличению полного сопротивления провода. Кроме того, поскольку при деформации изменяется кристаллическая решетка (структура материала провода), может также изменяться и его удельное сопротивление; это, как правило приводит к еще большему увеличению сопротивления. Оба эффекта учтены в следующем выражении:

,

где - относительное изменение сопротивления;- коэффициент Пуассона;- относительное изменение длины;- относительное изменение диаметра;- относительное изменение удельного сопротивления. Первый член в правой части соответствует геометрическим изменениям, второй - изменению удельного сопротивления при деформации (пьезорезистивный эффект).Для того, чтобы можно было сравнивать рабочие характеристики различных тензочувствительных материалов, вводится коэффициент тензочувствительности материалов (часто называемый также чувствительностью к деформации). Он определяется как:

. (3.3)

Для большинства металлов коэффициент Пуассона равен приблизительно 0,3; поэтому . В табл. приведены коэффициенты тензочувствительности и температурные коэффициенты сопротивления для различных тензочувствительных материалов. Обратим внимание, что для полупроводниковых материалов коэффициент тензочувствительности в 50 - 70 раз больше, чем для металлов.

Коэффициенты тензочувствительности и температурные коэффициенты сопротивления для различных тензочувствительных материалов.

Кроме того, если коэффициент тензочувствительности металла определяется в основном изменениями размеров датчика, то в случае полупроводника доминирующую роль играет пьезорезистивный эффект. Преимущество полупроводниковых тензодатчиков - более высокое значение коэффициента тензочувствительности; к сожалению, эта положительная характеристика «компенсируется» слишком большим температурным коэффициентом сопротивления.

При всем многообразии задач, решаемых с помощью тензорезисторов, можно выделить две основные области их использования.

К первой области относятся исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях. Для этих задач характерны значительное число точек тензометрирования, широкие диапазоны параметров окружающей среды, а также невозможность градуировки измерительных каналов. Основной причиной погрешности в этих случаях является разброc параметров тензорезиторов R и G вокруг средних для этой партии значений, и погрешность измерения составляет 2 - 10% .

Вторая область - применение тензорезисторов для измерения механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента. В этом случае датчики градуируются в измеряемой величине и погрешности измерений лежат в диапазоне 0,5 - 0,05%. При измерении динамических деформаций величина максимальной деформации для проволочных тензорезисторов не должна превышать , для полупроводниковых, так как при больших деформациях резко понижается надежность тензорезисторов.

Для крепления тензорезисторов к детали чаще всего используется клей. Креплению должно уделяться очень большое внимание, так как именно через пленку клея происходит передача деформации с детали в тензорезистор и теплоотдача в деталь.

Нарушение технологии может привести к весьма существенным погрешностям, вызываемым ползучестью клея. В результате ползучести измеряемая деформация уменьшается по абсолютной величине. Значение погрешности зависит от технологии приклейки, температуры, величины деформации и в лучшем случае составляет 0,05-0,2 %.

Из сравнения температурных возможностей тензочувствительного материала и клея видно, что ограничение температурного диапазона обуславливается прежде всего клеем. Поэтому для крепления высокотемпературных тензорезисторов применяют неорганические фосфатные цементы и жаростойкие окислы алюминия, наносимые на деталь методом газопламенного напыления. При таком креплении температурный диапазон ограничивается неползучестью крепления с повышением температуры, а ухудшением изоляционных свойств цемента или окиси алюминия. Рабочий диапазон тензорезисторов ограничен температурой 350-600С при статических деформациях и 600-800С при динамических деформациях.