4 Тензорезистивные преобразователи
В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, которое заключается в изменении сопротивления резисторов, выполненных из проводников или полупроводников при их деформации. Основной характеристикой тензорезисторов является коэффициент относительной тензочувствительности
,
где ER − относительное изменение сопротивления, ER = ∆R/R;
El − относительное изменение длины, El = ∆l/l.
Тензочувствительные преобразователи, широко применяемые в настоящее время (рисунок 4.1), представляют собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к полоске бумаги проволоку. Преобразователь включается в схему с помощью привариваемых или припаиваемых выводов. Преобразователь наклеивается на поверхность исследуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с осью длинной стороны петель проволоки. При деформации детали сопротивление проволоки изменяется.
Рисунок 4.1 – Конструктивная схема тензопреобразователя
Для изготовления преобразователей применяется главным образом проволока диаметром 0,02…0,05 мм из константана, имеющего коэффициент К = 1,9 … 2,1. Кроме того, константан обладает малым температурным коэффициентом, что очень важно, так как изменение сопротивления преобразователей при деформациях (например, стальных деталей) соизмеримо с изменением сопротивления преобразователя при изменении температурных условий. В качестве подложки используется тонкая (0,03…0,05 мм) бумага, а также пленка лака или клея, а при высоких температурах − слой цемента.
Применяются также фольговые преобразователи, у которых вместо проволоки используется фольга. Чувствительный элемент преобразователя создается путем травления фольги. При травлении из фольги выбирается часть металла таким образом, что оставшийся металл образует чувствительный элемент необходимой формы и сопротивления.
Для наклеивания проволоки на подложку и всего преобразователя на деталь применяют различные клеи: раствор целлулоида в ацетоне, клей БФ-2, БФ-4, бакелитовый и т. д. Для высоких температур (выше 200 °С) используются различные жаростойкие цементы, кремний органические лаки и клеи и т. п.
Преобразователи выполняются различных размеров в зависимости от назначения. Длина петли (базы) у преобразователя бывает от 0,5 до 150 мм, ширина h чувствительного элемента - от 0,8 до 60 мм. Сопротивление преобразователя чаще всего составляет 50…200 Ом.
Изменение температуры вызывает изменение функции преобразования проволочных преобразователей, что объясняется температурной зависимостью сопротивления преобразователя и различием температурных зависимостей линейного расширения материала проволоки и исследуемой детали. Влияние температуры устраняется обычно путем применения соответствующих методов температурной компенсации.
Наклеенный проволочный тензочувствительный преобразователь невозможно снять с одной детали и наклеить на другую. Поэтому для определения функции преобразования (коэффициента К) прибегают к выборочной градуировке преобразователей.
Для измерения выходного параметра проволочных тензочувствительных преобразователей применяют мостовые (равновесные и неравновесные) схемы и потенциометрическая схема, представляющая собой делитель напряжения, одно из сопротивлений которого − преобразователь.
Достоинства этих преобразователей, малые габариты и вес, простота конструкции, надежность при погрешности 1…2 %. Недостатком их является малая чувствительность.
В тех случаях, когда требуется высокая чувствительность, находят применение тензочувствительные преобразователи, выполненные в виде пластины из полупроводникового материала. Коэффициент тензочувствительности у таких преобразователей достигает нескольких сотен или даже тысяч. Однако воспроизводимость (разброс характеристик 20…30 %) характеристик полупроводниковых преобразователей плохая. Очень удобны малогабаритные преобразователи, выпускаемые в настоящее время на основе литого микропровода в сплошной стеклянной изоляции.