4.3. Тензорезисторні перетворювачі
Принцип дії тензорезистора заснований на явищі тензоеффекта, що полягає в зміні активного опору провідникових і напівпровідникових матеріалів при їх механічній деформації. У суднових системах контролю в основному застосовуються провідникові тензорезистори. Під впливом зовнішньої сили відбувається деформація провідника як у напрямі дії сили, так і в перпендикулярному напрямі. Деформація у напрямі дії сили у області пружних деформацій відбувається відповідно до закону Гука
де εl — відносна подовжня деформація; σ — механічна напруга в провіднику; Е — модуль пружності матеріалу провідника; l — довжина провідника; Δl — зміна довжини в результаті деформації.
Відносна поперечна деформація εП провідника прямо пропорційна відносній подовжній деформації, але має протилежний знак:
(4.4)
де μ — коефіцієнт Пуассона.
Активний опір провідника при незмінній його температурі визначається з виразу
де ρ — питомий опір матеріалу; S — площа поперечного перетину.
Зміна опору провідника під впливом зовнішньої сили обумовлена зміною довжини і поперечного перетину, а також питомого опору матеріалу провідника.
Зміна опору провідника під дією пружної деформації рівна
Відносна зміна опору
Площа поперечного перетину провідника пропорційна квадрату його поперечного розміру b (для круглого або квадратного перетину), тому
де Δb/b = εП — відносна поперечна деформація провідника.
При визначенні відносної зміни питомого опору Δρ/ρ використовується формула Бріджмена:
де с — константа Бріджмена; V— об'їм провідника; ΔV— приріст об'єму.
Оскільки V = Sl, то
з урахуванням (4.4) одержимо
тоді
Тензоеффект різних матеріалів характеризується коефіцієнтом тензочутливості, який рівний
Коефіцієнт Пуассона μ для різних металів має значення 0,24 — 0,4. Константа Бріджмена с ≈ 1, тому коефіцієнт тензочутливості для металів, вживаних в тензорезисторах, близький до 2.
Статична характеристика дротяних тензорезисторов визначається виразом
Для збільшення чутливості тензорезисторов вибирають матеріали з високим коефіцієнтом тензочутлвістю, великим питомим опором і малим поперечним перетином. Найбільше застосування в тензорезисторах знайшов константан. Він має незначний температурний коефіцієнт опору, що зменшує погрішність, викликану коливаннями температури. У тензорезисторах, виготовлених з константану, в широкому діапазоні зберігається лінійна залежність між відносною деформацією і зміною опору. Для роботи при підвищених температурах рекомендується виготовляти тензорезистори з ніхрому. Провідникові тензорезистори розділяються на дротяні і фольгові. Конструктивне виконання, як тих, так і інших різноманітно. У спільному випадку дротяний тензорезистор (мал. 4.11, а) є тонким тензочутливим дротом, який укладений зигзагоподібно між двома електроізоляційними підкладками. До кінців дроту приєднуються вивідні кінці. Для виготовлення тензорезисторов застосовують дріт діаметром 0,01—0,05 мм.
Рис. 4.11. Схеми тензорезисторів: а — дротяного; б — фольгового
Електроізоляційні підкладки виконують з цигаркового паперу, лакової плівки або цементу, що скріпляється між собою клеєм, лаком або цементом. Зигзагоподібну частину тензорезистора називають решіткою, а його подовжній розмір — базою.
Дротяні тензорезистори виконуються з опором 10 — 1000 Ом і мають розміри 2 — 100 мм.
Фольгові тензорезистори (рис. 4.11, б) аналогічні дротяним. Решітка виконується з фольги завтовшки 0,004—0,012 мм. Ця решітка закріплюється між плівками з лака. Фотохімічний спосіб виготовлення дозволяє створити будь-який малюнок решітки, що є істотною перевагою фольгових тензорезисторів. Максимальний струм через тензорезистор обмежується допустимою потужністю, яка залежить від охолоджуючої поверхні.
Фольгові тензорезистори мають велику площу поперечного перетину провідника при тих же розмірах резистора, тому вони можуть пропускати більший струм, ніж дротяні тензорезистори. Максимальна сила струму провідникових тензорезисторів досягає декількох десятків міліампер.
Для вимірювання деформації тензорезистор наклеюється на поверхню контрольованої частини механізму так, щоб його подовжня вісь співпадала з напрямом вимірюваної деформації. Тензорезистор, прикріплений до контрольованого об'єкту, є датчиком деформації. Властивості тензорезисторного датчика залежать не лише від самого тензорезистора, але і від якості його закріплення, здійснюваного звично приклеюванням за допомогою органічних речовин, які твердішають завдяки полімеризації. Приклеювання тензорезисторов призводить до того, що тензорезисторні датчики є датчиками разової дії, тобто можуть бути використані один раз і не підлягають демонтажу і вторинній установці. Градуювання неприклеєного тензорезистора практично неможлива. Тому звичайно градуюють тензорезистори з однієї партії, приклеюючи їх на спеціальну тарировочную балку, а іншим тензорезисторам тій же партії привласнюють усереднені характеристики, одержані на декількох зразках.
Для перетворення вихідного сигналу з тензорезисторних перетворювачів застосовуються дві вимірювальні схеми: потенціометрична і мостова (рис. 4.12). Схема потенціометрична живиться від мережі постійного струму і використовується при вимірюванні динамічних деформацій. За допомогою мостових схем вимірюють як динамічні, так і статичні деформації.
Мостові схеми працюють на постійному або змінному струмі.
Зміна опору тензорезисторів при коливанні температури зовнішнього середовища робить великий вплив на роботу перетворювача. Використовування двох або чотирьох активних (тобто підвладної дії механічних сил) тензорезисторів дозволяє підвищити чутливість датчика відповідно в два або чотири рази.
Крім того, при такому включенні відбувається компенсація температурної погрішності. Вихідна напруга провідникових тензорезисторних перетворювачів рівна декільком мілівольтам, тому до виходу потенціометричної або мостової схеми підключається підсилювач з великим коефіцієнтом посилення.
Окрім дротяних і фольгових тензорезисторів одержали розповсюдження плівкові тензорезистори, в яких тензочутливий матеріал наноситься на плівку шляхом вакуумної сублімації і подальшої конденсації на плівку.
В даний час широке застосування знаходять тензорезистори, виготовлені з напівпровідникових матеріалів. Напівпровідникові матеріали мають кристалічну структуру. В результаті додатку до напівпровідникового кристала напруги в певному напрямі відбувається зміна середньої рухливості зарядів, що обумовлює зміну питомого опору. У напівпровідникових тензорезисторах в зміні опору основну роль виконує зміна питомого опору, який залежить від механічної напруги а і коефіцієнта п’єзорезистивності π:
Тензоеффект в напівпровідниках залежить від кристалографічних напрямів і типу провідності. У напівпровідниках р-типу тензоеффект позитивний, а в напівпровідниках n-типу — негативний. Коефіцієнт тензочутливості у ПТ на два порядки вищий, ніж у провідникових тензорезисторов. Більшість випускаємих ПТ виконані з кремнію. При виготовленні ПТ вирізують пластинку з монокристала кремнію і шляхом обробки доводять її товщину до необхідних розмірів (0,03—0,05 мм). На рис. 4.13 показані криві зміни опору ПТ р- і n-типу при деформації в певних напрямах. З малюнка видно, що ПТ р-типа мають лінійнішу характеристику при розтягуванні, а ПТ n-типу — при стискуванні. Основними достоїнствами ПТ, що відрізняють їх від провідникових тензорезисторов, є вельми малі розміри, високий коефіцієнт тензочутливості, високий рівень вихідного сигналу датчиків. В порівнянні з провідниковими тензорезисторами характеристики ПТ відрізняються меншою лінійністю. Температура зовнішнього середовища робить значно більший вплив на опір ПТ і його коефіцієнт тензочутливості. Розкид параметрів ПТ в одній партії доходить до ±20%.
Разом з дискретними тензорезисторами знаходять застосування інтегральні напівпровідникові тензорезистори (ІПТ).
Для їх виготовлення використовується технологія мікроелектроніки. На підкладці вирощується декілька тензорезисторів, утворюючих мостову схему (рис. 4.12, б). За рахунок відповідного розміщення на підкладці тензорезистори R1 і R4 володіють одним знаком тензочутливості, а R2 і R3 — протилежним. Підкладка ІПТ виконується з кремнію або сапфіра. У датчику з ІПТ підкладка служить пружним елементом.
Пружні елементи з кристалічних матеріалів володіють кращою лінійністю і меншим гістерезісом в порівнянні з металевими.
Застосування методів інтегральної мікроелектроніки при виготовленні ІПТ привело до зростання їх надійності, чутливості, точності і стабільності при зміні температури навколишнього середовища. Інтегральні тензорезистори виконуються у вигляді КНК-структур (кремній на кремній) і КНС-структур (кремній на сапфір).
На рис. 4.14 показаний інтегральний напівпровідниковий тензорезистор КНК-структури. Як підкладка 1 використовується кремній n-типу. Ізоляція тензорезистора від підкладки здійснюється за допомогою р-n переходу 3.
Підкладки і тензорезистор покриваються захисним шаром двоокису кремнію (Si02). Крізь захисний шар проходять металеві виведення 2.
Рис. 4.14. Інтегральний, напівпровідниковий тензорезистор КНК-структури
Недосконалість ізоляційних властивостей р-n переходу зменшує надійність датчиків з КНК-структурами. Датчики з КНС-структурами володіють вищою стабільністю характеристик і застосовуються за тяжких умов роботи. Разом з тим ІПТ з КНК-структурами мають економічні переваги.
Тензорезисторні перетворювачі знайшли застосування в датчиках обертаючого моменту і тиску.