3.3.2. Особенности тензорезисторных ип. Разовое действие.

При некоторых применениях, в частности, при испытании материалов и конструкций на прочность, проявляется определённый недостаток, состоящий в «разовом действии»: ИП можно приклеить, но нельзя отклеить. Между тем, для определения механического напряжения σ надо знать ε_l, а значит, надо знать S – коэффициент преобразования ε_l в относительное изменение сопротивления ε_R. Для экспериментального определения S на градуировочной установке надо наклеить ИП на деформируемую деталь, например, на балку, изгибаемую грузом с известной массой. Но отклеить, чтобы далее использовать ИП с известным значением S на другом объекте, нельзя.

Приходится идти на выборочное определение S для некоторого количества ИП из данной партии, а остальным экземплярам приписывать усреднённое для выборки значение S с определённым допуском. Например, для ИП из константановой фольги S = 2,1 ± 0,2. Допуск большой (около 10%), а этот допуск есть ни что иное, как погрешность, но при испытаниях на прочность и не требуется высокой точности, т.к. всегда принимают запас прочности.

Эта особенность проявляется не всегда. Манометры, динамометры и торсиометры с приклеенными ИП можно проградуировать, а потом использовать для измерений.

Необходимость температурной компенсации.

Изменение сопротивления ИП под воздействием температуры окружающей среды (вредное влияние) соизмеримо с изменением от деформации (полезное влияние). В связи с этим тензорезисторные ИП не могут работать без температурной компенсации. Изменение сопротивления ИП под воздействием температуры ΔR_θ можно представить в виде

ΔR_θ = ΔR_θ' + ΔR_θ'',

где ΔR_θ' – изменение, которое было бы единственным, если бы ИП не был приклеен;

ΔR_θ'' – изменение, связанное с различием коэффициентов линейного расширения материала объекта, на который наклеен ИП (β_об), и материала самого ИП (β_ип).

Если температурную зависимость R(θ) считать близкой к линейной, то

ΔR_θ' = αR₀ Δθ,

где α – температурный коэффициент сопротивления (т.к.с.) материала ИП, например, константана;

R₀ – сопротивление ИП при θ = 0^оС;

Δθ – отклонение температуры θ от того значения, относительно которого определяется изменение ΔR_θ'.

Разность (β_об – β_ип) может быть как положительной, так и отрицательной. Например, для ИП из константана, наклеенного на сталь β_об на 30-35% меньше, чем β_ип. Поэтому при увеличении температуры θ для константана возникает деформация сжатия, что равноценно отрицательному т.к.с., но если этот же ИП наклеен на дюраль, то β_об > β_ип, что равноценно положительному т.к.с. В любом случае

ΔR_θ'' = SR(β_об – β_ип) Δθ

и в целом

ΔR_θ = [α + S(β_об – β_ип)]R Δθ,

или, вводя обозначение ε_R,θ = ΔR_θ/R – относительное изменение сопротивления ИП, вызванное изменением температуры

ε_R,θ = [α + S(β_об – β_ип)] Δθ.

Пример.

ИП из константана наклеен на сталь. В этом случае: α = ± 50×10^–6 1/^oC;

β_ип = 15×10^–6 1/^oC; β_об = 11×10^–6 1/^oC; (β_об – β_ип) = – 5×10^–6 1/^oC; S = 2,1 ± 0,2.

При S = 2 имеем

α + S(β_об – β_ип) = (± 50 – 10)×10^–6 1/^oC = (– 60 ÷ 40)×10^–6 1/^oC.

В худшем случае

|α + S(β_об – β_ип)|_max = 60×10^–6 1/^oC.

При ε_l = 10^–3 = 0,1% (в пределах упругих деформаций ε_l,max = 0,2%) и Δθ = ± 20^оС изменение сопротивления ИП, вызванное деформацией (полезное изменение) будет

ε_R = Sε_l = 0,2%,

а вызванное изменением температуры (вредное)

ε_R,θ = ± 60×10^–6×20 = 1,2×10^–3 = ± 0,12%,

т.е. вредное изменение соизмеримо с полезным. Следовательно, без температурной компенсации обойтись нельзя. Она осуществляется в измерительных цепях с тензорезисторными ИП.