3.3 Физические основы создания тензорезистивных проводниковых измерительных преобразователей

Механизм чувствительности тензорезистивных преобразователей основан на реализации функциональной зависимости активного сопротивления проводника от величины механических напряжений и деформаций, создаваемых в нем измеряемым воздействием. При этом могут изменяться как геометрические размеры, так и удельное сопротивление проводника.

, , (3.2)

, (3.3)

, (3.4)

, (3.5)

где - коэффициент Пуассона, характеризует соотношение продольных и

поперечных деформаций проводника.

Для твердых тел , для жидкости.

Относительное изменение сопротивления проводника при воздействии на него механическим усилием будет в большей степени определяться изменением геометрических размеров чувствительного элемента, и в гораздо меньшей степени будет зависеть от изменения электропроводности материала.

, , (3.6)

, (3.7)

где - коэффициент относительной тензочувствительности.

Так как для проводников, в отличие от полупроводников, изменение удельного сопротивления материала практически не происходит, поэтому относительная чувствительность таких измерительных преобразователей невысока:

. (3.8)

Из данного соотношения следует, что относительное изменение сопротивления проводникового тензорезистора приблизительно только в 1,5 раза превышает относительное изменение его линейных размеров. С учётом того, что деформация металлов составляет тысячные доли, то относительное изменение сопротивления проводника не превышает десятых долей процента. Поэтому, для повышения чувствительности тензорезистивных измерительных устройств используют мостовые электрические измерительные схемы.

Для повышения точности измерений применяют дифференциальные методы измерения с использованием двух и более датчиков. Это позволяет осуществить компенсацию изменения рабочей температуры, снизить влияние на характеристики преобразователей других дестабилизирующих факторов. Например, при создании датчиков усилий на чувствительный упругий элемент наносят, как минимум, два тензорезистора: один по направлению действия усилий, а другой - поперёк. Это позволяет существенно снизить термочувствительность такого измерительного преобразователя.

Рис. 3.4 Схема установки тензодатчиков.

Проводниковые тензорезисторы чаще всего делают из тонкой манганиновой проволоки, так как удельное сопротивление манганина в определенном диапазоне температур остается практически неизменным.

Для повышения чувствительности преобразователей используют полупроводниковые материалы, у которых в основе механизма тензочувствительности преобладает изменение удельного сопротивления за счёт дополнительной генерации электронно-дырочных пар под действием измеряемых усилий.