Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы методов контроля и испытания. Учебное пособие
.pdf
– 11 –
dl
R
R
R
R
R
R
l
l
R
R
l
R
Sl
R
l
R
l
d
d
R
R
d
R
d
l
d
R
d
R
d
222
32
2
dS
21
2122
K
l
l
l
l
l
l
d
d
l
l
R
R
Относительное изменение сопротивления складывается из относительного сопротивления, связанного с изменением длины и с изменением диаметра проводника
так как
.
, (1.7)
, (1.8)
, (1.9)
Подставляя в (1.7) формулы (1.8) и (1.9) и применяя формулу
(1.6), можно получить выражение для тензочувствительности:
. (1.10)
Большинство металлов имеет в диапазоне 0,25–0,35, при этом
К изменяется в пределах от 1,5 до 1,7. Однако сплавы, используемые
для тензодатчиков, имеют коэффициент К между 2 и 5.
В полупроводниковых тензодатчиках давление вызывает дефор-
мацию кристаллической решетки (пьезоэлектрический эффект), при
этом наблюдается значительно большее изменение сопротивления,
чем в металлических датчиках, и коэффициент тензочувствительности
лежит в пределах 50–200.
Проволочные тензодатчики. Ненаклеиваемый проволочный тен-
зодатчик обычно состоит из четырех проволочных секций, намотан-
ных на рамки. Рамки ориентируются так, что давление, нормальное к
их плоскости, будет вызывать наклон и увеличивать напряжение в
двух секциях, в то же время уменьшая его в двух других. Проволоч-
ные секции могут быть соединены так, что образуют четыре плеча
моста. Такое подключение тензодатчиков, обеспечивая увеличение
чувствительности и степени температурной компенсации. Давление
1000 кг/см2 будет вызывать деформацию порядка 0,1%.
ся перед использованием датчика. Второй вариант позволяет улуч-
Рис. 1.7. Проволочный
тензодатчик: а – вид
сверху, б – поперечное
сечение
шить механический и тепловой контакты между датчиком и образцом,
к которому он прикрепляется.
Длинный узкий датчик измеряет деформацию в основном только
в одном направлении, а петлеобразная конструкция увеличивает его
длину при малых габаритах. Однако концы петель чувствительны к
поперечной деформации, действие которой необходимо уменьшать.
Деформация может быть измерена в нескольких направлениях с по-
мощью конструкции в виде розетки. Она может быть многослойной,
т. е. состоять из отдельных элементов, наложенных друг на друга, или
планарной – в этом случае элементы не перекрываются. На рис. 1.8
показаны два примера многослойных розеток.
Наклеиваемые проволочные тензодатчики имеют небольшую
площадь поверхности. Наклеиваемые тензодатчики выпускаются с
различными значениями сопротивления: 120, 350, 500, 1000 и 5000
Ом, что обеспечивает их согласование со стандартными мостами, источниками питания и измерительными системами. Если малая пло-
– 12 –
Чувствительность ненаклеиваемых тензодатчиков меньше, чем наклеиваемых, они
также имеют большие габариты.
Наклеиваемые тензодатчики изготавливаются из проволоки диаметром 0,0025 см
или меньше, которая располагается зигзагообразно, как показано на рис. 1.7. Проволока
укреплена на держателе, который обеспечи-
вает механическую жесткость и постоянство
размеров. Держатель может образовывать
постоянную часть датчика, в этом случае
датчик должен иметь толщину менее 0,0025
см и быть гибким, чтобы обеспечивать меха-
нический контакт с поверхностью, на кото-
рую он наклеивается. В другом варианте
держатель может быть временным и удалять-
– 13 –
а б
Рис. 1.8. Многокомпонентные наклеиваемые проволочные тензодатчики в виде
розетки: а – 90°, б – 60°
а б
Рис. 1.9. Тензодатчики из фольги: а – однокомпонентный, б – двухкомпонентный с разворотом на– 90°
щадь не требуется, то
современные датчики
изготовляются из фольги.
Такие датчики более ста-
бильны в течение дли-
тельного периода эксплуатации.
Фольговые тензо-
датчики. Тензодатчики
из металлической фольги
изготовляются фототравлснисм тонких слоев толщиной 0,0005 см или
меньше из отожженного металла. На рис. 1.9 показаны два примера
структуры таких датчиков. Концы петель имеют увеличенное попе-
речное сечение, чтобы уменьшить их сопротивление и снизить эффект
нежелательной поперечной деформации. Металлическая фольга мо-
жет быть наклеена на постоянный или временный держатель, или дат-
чик формируется путем нанесения слоя металла и фототравлением
непосредственно на постоянном держателе.
Фольговый тензодатчик прочный, обладает отличной линейно-
стью и малым гистерезисом. Он имеет меньшую чувствительность
(значение К ниже), чем кремниевые датчики, но лучше противостоит
ударам, вибрации и температурным вариациям. Чтобы уменьшить
температурные эффекты, обычно используют два одинаковых датчика
в соседних плечах измерительного моста. Оба датчика находятся при
одной температуре, но только один из них подвергается действию
– 14 –
Рис. 1.10. Тензодатчик, применяемый в акселерометрах
Рис. 1.11. Наклеиваемый кремниевый тензодатчик
натяжения. Удлинение датчиков
изменяется от 0,5 %, когда ис-
пользуется покрытие из металло-
керамики для работы при высоких температурах, до 5 %, когда
покрытие изготовляется из гибкого полиимида или бумаги.
На рис. 1.10 показан тензо-
датчик, используемый в акселе-
рометре. Отклонение груза при-
водит к деформации консоли, которая измеряется датчиком. Для
большей чувствительности могут быть использованы два датчика,
один монтируется над консолью, другой – под ней; датчики подсоединяются к противоположным плечам измерительного моста.
Полупроводниковый тензодатчик. Полупроводниковые тензо-
датчики изготавливаются из кремниевых кристаллов, нарезанных в
виде волокна. Применяются как наклеиваемая, так и диффузная кон-
струкции. Наклеиваемый полупроводниковый датчик по конструкции
подобен наклеиваемому металлическому датчику и дает на выходе
порядка 15 мВ на 1 В возбуждения. Диффузный полупроводниковый
датчик изготовляется путем диффузии материала датчика в поверх-
ность диафрагмы, которая представляет собой тонкий срез монокристалла кремния. Он имеет более высокую линейность (0,05 %) и
меньший гистерезис (0,01 %),чем наклеиваемые типы, но уровень выходного сигнала ниже (10 мВ/В). На рис. 1.11 показана структура,
используемая для наклеиваемого
кремниевого тензодатчика.
Полупроводниковые тензо-
датчики намного чувствительнее
металлических датчиков, но ме-
нее линейны и имеют более вы-
сокую температурную чувстви-
– 15 –
Рис. 1.12. Основная магниторезистивная характеристика
тельность. Поэтому они обычно используются с компенсационными
цепями, которые либо наносятся методом диффузии на ту же кремниевую основу, либо монтируются в той же гибридной упаковке.
1.4.3. Магниторезисторы
Магниторезисторные преобразователи действуют за счет силы
Лоренца. Под действием этой силы в магнитном поле носители заряда
движутся по искривленным траекториям, т. е. удлиняя путь тока и
увеличивая сопротивление материала. Степень отклонения электро-
нов зависит от подвижности носителей заряда; она максимальна в
полупроводниках. Магниторезисторы изготовляют из антимонида
индия ( = 78000 см2/В) или арсенида индия( = 24000 см2/B·с).
Магниторезисторы чувствительны к общему магнитному полю, а
не к скорости его изменения. Это важно для переносных датчиков,
которые могут двигаться с неопределенной скоростью.
На рис. 1.12 показана магниторезистивная характеристика. Здесь
H0 – эффективное поле анизотропии в металле, которое представляет
собой сумму размагничивающего поля анизотропии и поля анизотро-
пии, возникающего в элементарном процессе осаждения материала. В
отсутствие внешнего поля вдоль элемента длины в точке 0 образуется
доменная намагниченность. С ростом поля сопротивление возрастает
до тех пор, пока на участке b элементы не повернутся на 45° относи-
тельно элемента длины. Дальнейшее нарастание поля приводит к на-
сыщению на участке с. Магниторезистор может работать в точке 0
или на участке b с помощью
внешнего магнита, создающего
смещение. На участке b прибор
обладает линейной характеристикой.
Магниторезистивный эф-
фект возрастает с уменьшением
отношения длины к ширине
(l/w) прибора (рис. 1.13). Для
получения высокого внутренне-
– 16 –
Рис. 1.13. Магниторезистивные кривые
для приборов различной геометрии
Рис. 1.14. Линии тока в растровом магниторезистивном элементе: а – без
магнитного поля, б – в магнитном поле
го сопротивления при от-
сутствии магнитного поля
и большого изменения со-
противления с ростом маг-
нитного поля несколько
приборов с низкими отношениями l/w могут соединяться последовательно.
Это может быть сделано
нанесением металлической пленки на длинный кусок полупроводника
и травлением части ее поверхности до образования растра с короткозамыкающими проводящими перемычками (рис. 1.14, а). Когда при-
кладывается магнитное поле, токовые линии поворачиваются на хол-
ловский угол
проводников эквипотенциальны, ток возвращается по ним к противо-
положной стороне кристалла, а в каждой следующей полупроводни-
ковой секции вновь течет под углом . Внутреннее сопротивление
устройства можно менять в широких пределах выбором отношений
l/w.
Вместо короткозамыкающих проводящих перемычек, располо-
женных поперек полупроводника, чаще применяется структура с па-
раллельно–ориентированными кристаллами металлического антимо-
(см. рис. 1.14, б). Так как поверхности металлических
нида никеля. Эти кристаллы
действуют как внутренние
короткозамыкающие пере-
мычки. Без магнитного поля
линии тока располагаются
под прямым углом к экви-
потенциальным поверхно-
стям металлических кри-
сталлов, но под действием
приложенного поля линии
– 17 –
Рис. 1.15. Полупроводник с внутренними короткозамыкающими
металлическими кристаллами: а – путь тока в отсутствие магнитного поля; б – путь тока в магнитном поле (масштаб увеличен)
Рис. 1.16. Влияние
направления магнитного поля на магниторезистор: а и б – направления поля, в –
кривая сопротивления
тока поворачиваются на холловский угол
ные траектории в материале (см. рис. 1.15).
Магниторезисторы получаются осаждением пленки толщиной
около 25 мкм из антимонида индия – антимонида никеля на подложку
толщиной 0,1 мм. Пленка имеет форму меандра; сопротивление при
отсутствии магнитного поля может варьиро-
ваться изменением размеров этого меандра и
числа петель.
Пленка изолируется от подложки, кото-
рая может быть изготовлена из магнитного
материала с тонким изолирующим покрытием
из немагнитного материала, например керамики или пластмассы.
Сопротивление зависит от направления
магнитного поля, как показано на рис. 1.16.
Максимальное изменение сопротивления
имеет место, когда кристаллы антимонида
никеля параллельны друг другу, а магнитное
и электрическое поля направлены под углом
друг к другу. Температурный отклик магни-
торезисторов зависит от материала легирую-
щих примесей. Как правило, сопротивление
уменьшается с температурой и падение со-
противления происходит быстрее после при-
ложения магнитного поля, так что отношение
и образуют зигзагообраз-
– 18 –
сопротивления в магнитном поле к сопротивлению в отсутствие поля
уменьшается с температурой.
Магниторезисторы имеют низкие шумы, если только в материа-
ле не возникают трещины из–за ошибочного монтажа. Так как уст-
ройство обладает объемным сопротивлением, оно не подвержено воз-
действию поверхностных эффектов и характеризуется очень малым
старением. В основном старение происходит из–за порчи эпоксидных
смол, применяемых, чтобы заключить устройство в корпус или прикрепить полупроводник к подложке.
1.4.4. Фотосопротивления
В основе фоторезистивных датчиков используется принцип ге-
нерации электронно-дырочных пар в материале при его освещении,
при этом электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, уменьшая объемное сопротивление.
Материалы, наиболее часто используемые для видимого света, –
это керамическая подложка из окиси алюминия, покрытая слоем
сульфида кадмия CdS или селенида кадмия CdSe. Приборы изготов-
ляют различными методами, например, с помощью спекания, обжига,
осаждения из газовой фазы, вакуумного напыления, химического
осаждения. Они делаются с большой чувствительной поверхностью,
при этом необходимо высокое отношение темнового и светового со-
противлений, которые обычно изменяются от 10 МОм до 10 кОм.
Спектральная чувствительность сульфида кадмия лежит в области 0,6
мкм, а для селенида кадмия – 0,72 мкм. Эти два материала можно
смешивать, чтобы получить чувствительность в области 0,66 мкм. Для
инфракрасного диапазона можно использовать сульфид свинца РЬS
или селенид свинца РЬSе, которые имеют максимум спектральной
чувствительности в области 2,2 мкм. Спектральная кривая селенида
свинца имеет относительно плоский участок в диапазоне от 1,8 до 3,6
мкм [2].
Преобразователи на фоторезисторах относительно дешевы, ра-
ботают при любом направлении тока и могут выдерживать высокое
напряжение и высокий уровень рассеиваемой мощности. Их основной
– 19 –
3
0
)
100
)(1
100
()1
100
)(
100
()1(
1 tttt
R
R
t
t
недостаток состоит в инерционности: постоянная времени для селенида кадмия составляет около 10 мс, для сульфида кадмия – около
100 мс, для селенида свинца – около 10 мкс и для сульфида свинца –
около 500 мкс. Фоторезисторы обладают также гистерезисом. Это
означает, что проводимость ячейки зависит от интенсивности и про-
должительности предыдущего облучения. Эффект гистерезиса наибо-
лее заметен при низких световых уровнях. Благодаря низкой стоимо-
сти и высокой чувствительности фоторезисторы нашли применение
для включения уличного освещения, в фотоэкспонометрах и низкоскоростных промышленных счетчиках.
1.4.5. Термометры сопротивления
Уравнение Коллендара для температурных измерений в проводнике было представлено в 1924 г. ван Дузеном в виде
, (1.11)
где Rt – сопротивление при t °C; R0 – сопротивление при 0°С, а , ,
– константы, найденные путем измерений сопротивления при температурах, соответствующих точкам кипения воды (100 °С), затвердевания цинка (419,58 °С) и кипения кислорода (– 182,96 °С) соответственно.
Термометры сопротивления обычно делают из проволоки, намо-
танной на каркас, хотя в случаях, когда требуется более высокое бы-
стродействие, используется металлическая фольга. Материал должен
иметь высокий температурный коэффициент сопротивления, высокое
удельное сопротивление (для достижения большого сопротивления
при малых физических размерах), стабильные характеристики, испы-
тывающие малые изменения при многократных нагревании или охла-
ждении и во времени, хороший отклик, устойчивость к ударам и вибрации. Отожженая платиновая проволока высокой чистоты – наиболее
часто используемый материал. Он характеризуется линейной зависи-
мостью сопротивления в широком диапазоне температур. Платиновый
термометр сопротивления используется в качестве эталонного прибо-
ра для международной термометрической шкалы в диапазоне от точки
– 20 –
кипения жидкого кислорода (– 182,96 °С) до точки плавления сурьмы
(630,74 °С).
Температура для платинового термометра сопротивления может
быть найдена по уравнению (1.11). Ошибка меньше ±0,1 °C при температурах ниже 500 °С, но может достигать ± 1 °С при температурах
более 550 °С. Платиновый термометр сопротивления имеет хорошую
долговременную стабильность, высокую точность и воспроизводимость измерений. Его калибровочный дрейф менее 0,1°/год.
Никель и никелевые сплавы также используются в термометре
сопротивления. Их температурный коэффициент сопротивления при-
мерно в два раза выше, чем у платины, так что они более чувстви-
тельны. Температурный коэффициент сопротивления никеля порядка
0,0062 Ом/°С.
Медь имеет температурный коэффициент сопротивления не-
сколько более высокий, чем у платины. Она может работать в диапазоне от –200 до +150 °C, так как медь окисляется при более высоких
температурах. Из-за низкого удельного сопротивления меди должна
использоваться тонкая проволока, чтобы ограничить размеры прибора
и улучшить его время отклика. Медь имеет линейный температурный
коэффициент сопротивления в диапазоне от – 50 до +150 °С, и иногда
ее использование предпочтительнее платины для измерений при тем-
пературах, близких к температуре окружающей среды. Иногда ис-
пользуется вольфрам; он имеет хороший температурный коэффициент
сопротивления, но трудно поддается обработке и слишком хрупок,
что снижает надежность приборов.
Преимуществами термометров сопротивления являются хорошая
воспроизводимость, стабильность, точность и линейный выход. Их
недостатки – относительно большие размеры, значительное время
отклика и высокая стоимость. Они, как правило, имеют сопротивление 100Ом при 0 °C, которое изменяется на 0,3 Ом/°С. Провода, со-
единяющие датчик и измерительный прибор, могут иметь сопротив-
ление несколько десятых ома, поэтому нужно использовать метод
измерений четырехполюсника, чтобы уменьшить ошибки за счет соединительных проводов.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]