27. Тензорезисторы и их применение в датчиках биомедицинских сигналов.

Конструкции тензорезисторов

Проволочные тензорезисторы

Основа тензорезистора представляет собой тонкую полоску пропитанной клеем бумаги или лаковую пленку, из этого же материала выполняется обычно и покрытие. При высокой температуре (до 400С) может быть применена стеклоткань, пропитанная высокотемпературным цементом.

На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку наклеивают так называемую пластинку из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки диаметром 0,02 - 0,05 мм. К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники. Сверху преобразователь покрывается слоем лака. Такой преобразователь, будучи приклеенным к испытуемой детали, воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой (рис. 3.1). Наиболее часто используются преобразователи с базами 5 - 10 мм, обладающие сопротивлениями 30-500 Ом.

Для изготовления проволочных тензорезисторов применяются материалы, имеющие высокий коэффициент тензочувствительности и малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Наиболее употребляемым материалом для изготовления тензорезисторов является константановая проволока диаметром 20 – 30 мкм.

Фольговые преобразователи.

Фольговые преобразователи представляют собой ленту из фольги толщиной 4…12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует решетку с выводами. Фольговые преобразователи имеют меньшие габариты, чем проволочные, известны тензорезисторы с базой до 0,8 мм.

Весьма важным параметром тензочувствительной решетки является расстояние между витками. Это расстояние определяет при заданных габаритах резистора число витков и, следовательно, сопротивление, а также допустимый ток, который ограничивается самонагревом и будет тем меньше, чем меньше расстояние между витками.

.

Полупроводниковые тензорезисторы.

Полупроводниковые тензорезисторы представляют из себя тонкие полоски из кремния р-типа, вырезанные в направлении оси [1,1,1], или из кремния n-типа, вырезанные в направлении оси [1,0,0]. Длина тензорезистора 2…12 мм, ширина 0,15…0,5 мм, начальное сопротивление лежит в диапазоне 50…10000 Ом. Коэффициент тензочувствительности 50…200. на концах полоски имеются контактные площадки (0,25…0,6 мм), к которым присоединяются выводы.

Эластичные резистивные тензодатчики.

Эластичные резистивные тензодатчики интенсивно используются для медико - биологических измерений, особенно при кардиоваскулярных (сердечно-сосудистых) и респираторных размерных и плетизмографических (объемных) обследованиях.

Эти устройства обычно представляют собой узкую резиновую трубку (с внутренним диаметром 0,5 мм и внешним диаметром 2 мм) длинной от 30 до 250 мм, заполненную ртутью, пастообразным электролитом или проводящей пастой. Концы трубки герметично закрыты электродами (амальгамированные медь, серебро или платина). При растяжении такой трубки ее длина увеличивается, а диаметр уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления

где R₀ - сопротивление и L₀ – длина трубки в нерастянутом состоянии.

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.