Принципы работы тензодатчика

Сопротивление провода, имеющего площадь поперечного сечения S, длину L и удельное электрическое сопротивление µ, определяется выражением

R = µL/S (8.1)

При растяжении такого провода площадь его поперечного сечения уменьшается, что приводит к увеличению полного сопротивления провода. Кроме того, поскольку при деформации изменяется кри­сталлическая (решеточная) структура материала провода, может так­же измениться и его удельное сопротивление; это, как правило, приводит к еще большему увеличению сопротивления. Оба эффекта учтены в следующем выражении:

ΔR ═ (1 + 2ᵹ) ΔL ₊ _Δµ (8.2)

R L µ

где: ΔR/R — относительное изменение сопротивления;

ᵹ — коэффи­циент Пуассона: а = - (ΔD/D)/(ΔL/L);

ΔL/L — относительное из­менение длины;

ΔD/D — относительное изменение диаметра;

Δµ/µ — относительное изменение удельного сопротивления.

Первый член в правой части (8.2) соответствует геометрическим изменениям, второй — изменению удельного сопротивления при де­формации (так называемый пьезорезистивный эффект).

Для того чтобы можно было сравнивать рабочие характеристики различных тензочувствительных материалов, вводится коэффициент тензочувствительности материала (часто называемый также чувстви­тельностью к деформации). Он определяется как

G = ΔR/R = 1 + 2 ᵹ + ( Δµ/µ) /(ΔL/L) (8.3)

Для большинства металлов коэффициент Пуассона равен приблизи­тельно 0,3; поэтому G ≥ 1,6.

В cправочниках приведены коэффициенты тензочувствительности и температурные коэффициенты сопротивления для различных тензо­чувствительных материалов. Обратим внимание, что для полупро­водниковых материалов коэффициенты тензочувствительности в 50—70,раз больше, чем для металлов. Кроме того, если коэффициент тензочувствительности металла определяется, в основном, изменения-

ми размеров датчика, то в случае полупроводника доминирующую роль играет пьезорезистивный эффект. Преимущество полупровод­никовых тензодатчиков — более высокое значение коэффициента тен-зочувствительности; к сожалению, эта положительная характерис­тика «компенсируется» слишком большим температурным коэффи­циентом сопротивления.

Свободные и приклеиваемые тензодатчики

Существуют два типа проволочных тензодатчиков: свободные и приклеиваемые. Свободный тензодатчик представляет собой провод, натянутый в изолирующей среде, например в воздухе, между двумя точками деформируемого объекта. На рис. 8.15 показаны четыре та­ких датчика, включенные в стандартную мостовую схему Уинстона и расположенные таким образом, что при перемещении движущейся части контролируемого агрегата относительно его неподвижной ча­сти два датчика удлиняются и два других — укорачиваются. Исход­ная растягивающая нагрузка, прикладываемая к тензодатчикам,

Рисунок 8.15. Четыре свободных тензодатчика, образующие мостовой тензометрический преобразователь

должна превышать любую ожидаемую сжимающую нагрузку для предотвращения сжатия проводов до провисания. Заметим также, что в датчике может рассеиваться только ограниченное количество тепла, что определяет максимальное прикладываемое к нему напряже­ние; без этого ограничения по тепловому режиму тепловое расшире­ние проводов в каждом плече моста приводило бы к ослаблению их натяжения.

Приклеиваемый тензодатчик жестко закрепляется на деформируе­мой поверхности(приклеивается к ней в качестве тензочувствитель-ного элемента используется металлическая проволока, фольга (пленка), получаемая путем травления (вакуумного напыления), или полоска полупроводника. На рис. 9.6 показаны типичные приклеи­ваемые тензодатчики. Нелинейность таких тензодатчиков при­близительно 1%.

Поскольку относительное изменение сопротивления при деформа­ции довольно мало (обычно не более 1%), учет влияния температур­ных изменений при разработке и использовании тензодатчиков исключительно важен. Изменения температуры приводят к измене­нию сопротивления датчика и вызывают деформацию из-за различия температурных коэффициентов расширения материалов датчика и контролируемой структуры.

Один из наиболее эффективных способов температурной компенсации — использование сбалансированного моста Уинстона на четырех активных

тензодатчиках. Если реализация такой схемы по каким-либо причинам невозможна, можно использовать один активный тензодатчик в паре с компенсирующим датчиком, закрепляемым на той же самой структуре таким образом, чтобы он находился в ненапряженном состоянии и обеспечивал компенсацию влияния теплового расширения и температурной зависимости сопротивления.

Рисунок 8.16. Типичные приклеиваемые тензодатчики: проволочного типа (а); пленоч­ного типа (б); (в) спирального типа. Стрелки над датчиками показывают направление максимальной чувствительности к деформации