3. Конструкции тензорезисторов

Устройства, применяемые для измерения удлинения, называются тензометрами, а соответствующие измерения –тензометрией. Для этих целей служат различные преобразователи удлинения в какую-либо легко измеряемую величину, например, в перемещение стрелки-указателя, в изменение ёмкости или индуктивности, в изменение активного сопротивления.

Устройство для преобразования удлинения – тензопреобразователь– в изменение активного сопротивления называетсятензорезистором. В основе работы тензорезистора лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводника при его механической деформации.

Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности k (сокращённо – коэффициент тензочувствительности), определя-емый как частное от деления относительного изменения сопротивления к относительному изменению длины проводника:k=_R/_l, где_R=R/R– относительное изменение сопротивления проводника,_l=l/l– относительное изменение длины проводника.

При деформации проводника происходит изменение его длины и площади поперечного сечения, а также изменение его электрических свойств, в частности, удельного сопротивления, разное для разных металлов и полупроводников. Полученные в опытах значения коэффициента тензочувствительности металлических и полупроводниковых материалов колеблются в широких пределах:

0,47…0,50 – манганин; -100 (до -150) – n-германий;

1,9…2,1 – константан; -100 – n-кремний;

2,1…2,3 – нихром; +110 (до 170) – p-кремний;

-12 – никель.

В технике измерений тензорезисторы используют по двум направлениям.

Первое направление– использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии всестороннего сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего проводник газа или жидкости. На этом принципе строятся манометры для измерения высоких давлений.

Второе направление– использование тензоэффекта растягиваемого или сжимаемого тензочувствительного провод-ника, приклеенного или напылённого на поверхность исследуемого элемента. Устройство приклеиваемых проводниковых и полупроводниковых тензорезисторов показано на рис. 4. На подложку из полоски тонкой бумаги или лаковой плёнки 1 наклеивается так называемая решётка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 2 диаметром 0,02…0,04 мм (рис. 4а). К концам проволоки присое-диняют пайкой или сваркой выводные медные провод-ники 4. Сверху решётку покрывают тонкой бумагой или лаком 3. Такой тензопреобразователь, при-клеенный к исследуемому элементу, воспринимает деформацию его поверхност-ного слоя.

Измерительной базой тензорезистора является длина поверхности элемента, равная длине проволочной решётки. Промышленность выпускает тензорезисторы с длиной базы от 1 до 400 мм. С помощью тензорезистора измеряется средняя деформацияповерхности элемента на длине базы.

При деформации поверхности элемента тензорезистор воспринимает не только продольную деформацию (вдоль базы), но и поперечную, воспринимаемую закруглёнными концами проволочной решётки. Поперечная чувствительность к деформации в значительной степени устранена в конструкции фольгового тензорезистора (рис. 4б). Фольговый тензорезистор представляет собой тонкую ленту из металлической фольги толщиной 0,004…0,012 мм, приклеенную к подложке, из которой часть металла травлением выбрана так, что оставшаяся часть образует решётку. Концы петель решётки для уменьшения доли сопротивления, приходящегося на них в общем сопротивлении тензорезистора и, следовательно, для уменьшения поперечной чувствительности к деформации, делают значительно шире проводников продольной части. В качестве подложки в фольговых тензорезисторах используют лаковую плёнку, покровным элементом решётки также является лаковая плёнка.

Покровный элемент 3 в обеих конструкциях тензорезистора зачастую отсутствует, что увеличивает податливость тензорезистора и способствует более полной передаче деформации от поверхности исследуемого элемента к решётке.

Для изготовления тензорезисторов помимо металлических материалов используют ряд полупроводниковых материалов на основе германия и кремния в виде поликристаллических плёнок или тонких срезов по определённым кристаллографическим направлениям монокристаллов (рис. 4в). Тензорезисторы такой конструкции, как правило, не имеют подложки, а наклеиваются на элемент через промежуточный изолирующий слой высушенного клея.

При изготовлении тензорезисторов и для приклеивания их к объекту измерения применяют различные клеящие составы (клеи или цементы) в зависимости от условий работы (температура, влажность, характеристики среды).

Тензорезисторы с указанием их параметров в изготовленной партии снабжаются паспортом. Ниже приведены выписанные из паспорта существенные для выполнения данной лабораторной работы параметры применённых фольговых константановых тензорезисторов с прямоугольной решёткой исполнения А с базой 3 мм и номинальным сопротивлением 150 Ом.

Тип ФКПА 3 – 150.

Действительное значение сопротивления R= 126,5 Ом.

Температурный диапазон работоспособности -40 … +70 С.

Ток питания не более 30 мА.

Измеряемая относительная деформация не более 310^-6.

Коэффициент относительной тензочувствительности наклеенного тензорезистора kпри температуре

t = - 40 C k = 2,23 _k =0,93 %,

t = +205 C k = 2,23 _k = 0,79 %,

t = +70 C k = 2,22 _k =0,90 %,

где _k– среднеквадратическое отклонениеk.