Конструкция тензорезисторных преобразователей
Проводниковые тензорезисторы выполняют в виде решеток из тензочувствительной проволоки или фольги (чаще всего константановой) на бумажной, тканевой или лаковой (пленочной) основе. Их приклеивают непосредственно к контролируемому объекту или к упругому элементу, деформация которого является известной функцией контролируемого параметра.
Основные типы фольговых преобразователей показаны на рисунке 5.1.
а - тензорезистор с одним деформируемым сопротивлением;
б - тензорезистор, образующий тензомост из четырех элементов;
в - тензорезистор из трех сопротивлений;
г - тензорезистор из двух сопротивлений.
Рисунок 5.1- Виды тензодатчиков
Элемент на рисунке 5.1, б) используется для мембранных чувствительных элементов т.к. элементы расположенные в центре испытывают растяжение, а находящиеся на периферии сжатие. Розетка из трех тензорезисторов показанная на рисунке 5.1, в) применяется при измерении напряжений детали, находящейся в плосконапряженном состоянии, в том случае, когда направления действия напряжений неизвестны. По измерениям сопротивления трех тензорезисторов определяются направления главных напряжений и их значения.
Элемент, показанный на рисунке 5.1, г) состоит из двух тензорезисторов и используется при измерении деформации валов при их скручивании.
Перспективной разновидностью проводниковых тензорезисторов являются элементы с тонкопленочными чувствительными элементами из различных тензочувствительных сплавов, которые наносятся, например, методом резистивного испарения на металлические подложки, предварительно покрытые изоляционным сплавом. Достоинством таких тензорезисторов являются возможность создания миниатюрных датчиков, исключение клея, наличие атомарной связи изоляционных и чувствительных элементов, приводящее к высокой стабильности характеристик.
Наряду с наклеиваемыми и тонкопленочными существуют неприклеиваемые проводниковые тензорезисторы, у которых тензочувствительная проволока наклеивается на изоляторы, закрепленные на взаимно перемещающихся при деформации элементах конструкции.
Второй разновидностью тензорезисторов являются полупроводниковые элементы, чувствительность которых на 2 порядка превышает чувствительность проводниковых тензорезисторов.
Чувствительность полупроводниковых тензорезисторов в основном определяется изменением их удельного сопротивления под действием механического напряжения. Основным их недостатком является сильная зависимость от температуры, которой обладают все полупроводники.
В последние годы благодаря широкому развитию планарной технологии появилась возможность изготовления датчиков с полупроводниковыми тензорезисторами, выращивая последние непосредственно на упругом элементе, выполненном из кремния или сапфира. Упругие чувствительные элементы из кристаллических материалов обладают упругими свойствами близкими к идеальным и существенно меньшими погрешностями от гистерезиса. Тензорезистор как бы сцепляется с материалом упругого элемента за счет внутримолекулярных сил, что позволяет исключить большинство погрешностей, связанных с передачей деформации от упругого элемента к тензорезистору. На одном упругом элементе выращивается обычно не один тензорезистор, а структура в виде полумоста или даже целый мост. Благодаря применяемой технологии два тензорезистора входящие в полумост обладают значительно большей идентичностью, чем дискретные резисторы, кроме того, благодаря малым габаритам тензорезисторов обеспечивается большая идентичность внешних условий и таким образом снижается погрешность измерения. Интегральные тензорезисторы выполняют в виде структур кремний на кремнии (КНК) или кремний на сапфире (КНС). В КНК структурах электрическая изоляция осуществляется p-n переходом, несовершенство изоляционных свойств которого ограничивает надежность датчика. Датчик с КНС структурами обладает большей стабильностью характеристик.