1.4. Тензометрический метод

1.4.1. Сущность метода

Тензометрический метод измерения давления основывается на свойстве некоторых проводников и полупроводников изменять при деформации свое омическое сопротивление электрическому току.

Схематически метод измерений состоит в следующем. Проводник или полупроводник, используемый для измерения давления и называемый омическим датчиком, включается в специальную электрическую цепь, в которой устанавливается вполне определенный режим, отвечающий начальному сопротивлению датчика. При действии давления датчик получает деформации, вследствие которых происходит изменение его сопротивления, и соответственно этому происходит изменение параметров электрической цепи: напряжения и силы тока. Изменение одной из этих величин регистрируется при помощи шлейфового или катодного осциллографа. В результате получается кривая, изображающая в некотором масштабе давление, действующее на омический датчик, в функции времени. С помощью таражной зависимости, представляющей собой связь между показаниями измерительной схемы и известными нагрузками на датчик,

полученная кривая преобразуется в кривую действительных значений переменного давления в исследуемом объекте.

Начало применения омических датчиков для измерения быстроизменяющихся давлений пороховых газов в канале артиллерийского

оружия было положено лишь в 1920–1923 гг. членами КОСАРТОП (Комиссия особых артиллерийских опытов) проф. П.Я. Сольдау и В.В. Базилевичем.

В результате исследований они обосновали возможность измерения динамических давлений по величине изменения электрического сопро тивления проводников и полупроводников и дали принципиальную схему измерений давления пороховых газов при помощи омических датчиков. Эта схема измерений составляет существо современного тензометрического метода измерения давления в орудиях.

Долгое время указанная схема не могла быть полностью технически реализована ввиду отсутствия надежных способов регистрации малых и быстропротекающих изменений сопротивления омических датчиков. С развитием электро-радио-техники тензометрический метод вновь возродился и благодаря работам советских ученых и инженеров прочно вошел в практику измерений в различных областях техники.

1.4.2. Типы омических датчиков

Омические датчики в зависимости от материала, из которого они изготовлены, разделяются на проводниковые и полупроводниковые.

Проводниковыми называются датчики, изготовленные из металлической проволоки с относительно высоким удельным сопротивлением. В качестве материала для проволоки употребляются преимущественно сплавы: константан, манганин, элинвар, нихром и др.

Датчик представляет собой отрезок проволоки, наклеенной на полоску тонкой бумаги толщиной 10–25 мк в виде нескольких частых плоских петель длиной от 5 до 25 мм. Длина петли называется базой датчика. Диаметр проволоки в зависимости от назначения датчика выбирается от 20 до 50 мк. Длина проволоки устанавливается из расчета, чтобы начальное сопротивление датчика составляло 100-250ом при работе со шлейфовым осциллографом и 500–1000ом– катодным осциллографом. Для удобства присоединения к измерительным приборам к концам проволоки датчика привариваются более толстые выводные проводники.

Проволочный датчик прочно приклеивается бумажной стороной к исследуемой детали так, чтобы направление проволочных петель датчика совпадало с направлением измеряемой деформации детали. Проволочные датчики приклеиваются к исследуемой детали при помощи бакелитового и карбинольного клея или при помощи специальных цементирующих составов. При деформации детали проволока датчика получает продольные деформации, и вследствие этого происходит изменение сопротивления датчика. По изменению сопротивления датчика судят о деформации детали и о величине силы, вызывающей эту деформацию.

Для измерения деформаций при повышенных температурах (до180 градусов) применяют тензометры, изготовленные на бакелитовом лаке

или пленке клея БФ-2. В последнее время стали применять тензометры, изготовленные из тонкой фольги, на которой часть металла удалена травлением так, что оставшаяся его часть образует решетку с выводами. Перед травлением на фольгу наносят светочувствительную эмульсию, затем на ней контактным способом с негатива делают отпечаток решетки, проявляют, окрашивают и дубят (делают стойким к травильной кислоте). Затем на обратную сторону фольги наносят слой лака и полимеризуют его. После этого фольгу травят, получая таким образом решетку из фольги, прикрепленную к пленке из фольги и лака. Особенно удобны утолщенные выводы таких тензометров для приваривания (припаивания) выводов.

При измерении гидростатических давлений часто применяется проволочный датчик в виде многослойного спирального кольца диаметром 5–10мм и толщиной 2–3мм, намотанного из манганиновой проволоки диаметром 0,03–0,05мм и длиной 1–3м при общем электрическом сопротивлении порядка 500–1000ом. Проволока имеет эмалевое покрытие и двойную или одинарную шелковую обмотку, навитую поверх эмали. Намотка делается бифилярной, чтобы устранить влияние самоиндукции проволочной спирали. Кольцо обматывается тонкой шелковой нитью для упрочнения его и для уничтожения перемещения витков относительно друг друга. Готовое кольцо подвергается термическому старению при температуре

100–125°С для частичного снятия внутренних напряжений, возникающих в проволоке при ее намотке в спираль.

При гидростатическом сжатии кольцевого датчика его сопротивление меняется соответственно давлению среды. Это изменение сопротивления служит мерой измеряемого давления.

Полупроводниковыми называются омические датчики, изготовленные из твердых полупроводников – веществ, оказывающих значительно большее сопротивление электрическому току, чем металлы или их сплавы. Ранее твердые полупроводниковые датчики изготовлялись из мелкотертого угольного или графитового порошка и цементирующего вещества (гипса или каолина), смесь которых прессуется под большим давлением и затем прокаливается. Такие датчики в отличие от проволочных называют угольными.

В полупроводниках тензорезистивный эффект необычно велик. Оптимальный тензорезистивный эффект зависит от физического состояния в области температур, близких к комнатной, т.е. от типа материала, его удельного сопротивления или степени легирования, кристаллографической ориентации.

Для применения в тензодатчиках наиболее удобны тонкие нити из кремния р–типа с удельным сопротивлением 0,1 ом×см., а также n– и р– германий.

Полупроводниковые преобразователи могут быть применены взамен обычных проволочных тензодатчиков в тех случаях, когда очевидным преимуществом является их более высокая чувствительность, а также для измерения деформации, когда проволочные тензодатчики неприменимы.

Теория твердых полупроводниковых тензометров имеется в спе-

циальной литературе.