5.2.3. Тензометрические преобразователи давления

Датчики давления в которых в качестве чувствительного элемента используются металлические или полупроводниковые тензорезисторы называют тензометрическими. Тензометрический датчик измеряет силу косвенным методом – путем измерения деформации калиброванного элемента, вызванной действием данной силы. Для измерения давления можно конвертировать его упругим элементом в силу, а затем измерить её тензометрическим методом. Существуют полупроводниковые и металлические тензодатчики.

Полупроводниковые тензодатчики используют пьезо- резистивный эффект – изменение удельного электрического сопротивления при механических напряжениях. Они обладают в 30–70 раз большей чувствительностью чем металлические, но имеют слишком большой температурный коэффициент сопротивления и высокую нелинейность функции преобразования. Их используют в условиях, где вариации температуры малы, важна величина чувствительности и не требуется высокой точности измерений (погрешность на уровне нескольких процентов).

Коэффициент тензочувствительности ПТ:

. (5.5)

где - относительное изменение длины ПТ; Е - модуль продольной упругости материала ПТ. Коэффициент тензочувствительности у ПТ высок (более 150). У приклеенных на упругий элемент тензорезисторов коэффициент меньше, чем у тензорезисторов в свободном состоянии, за счет влияния переходного слоя клея.

Большинство выпускаемых ПТ изготовляют из кремния. Кристаллы ПТ, используемых на практике, обычно легируются до величины удельного сопротивления от 0.02 до 0.2 Ом*см. Пластину ПТ вырезают из монокристалла кремния, шлифуют и затем вытравливают до получения необходимой толщины (0.03 – 0.05 мм) или получают вытягиванием из переохлажденного полупроводникового расплава (дендриды германия и кремния).

ПТ можно также получать кристаллизацией из паров кремния, при этом они приобретают нитевидную форму.

Полупроводниковые тензодатчики давления чувствительны к ударам, вибрациям, ядерной радиации и другим внешним воздействиям, однако основным фактором, вызывающим погрешности в измерениях давления, является изменение температуры окружающей среды, что ограничивает их применение на борту самолета.

Выходной электрический сигнал датчика давления и его полный дифференциал можно представить в следующем виде:

;

. (5.6)

и в линеаризованном виде:

. (5.7)

где и - соответственно чувствительность датчика по давлению и температуре.

Линеаризация допустима, поскольку статические характеристики датчиков линейны в пределах ± 1.5 % верхнего предела измерений. Температурные характеристики датчиков должны представляться в виде двух зависимостей:

; .(5.8)

Металлический тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем резистивным элементом. Измеряемое давление преобразуется в силу с помощью упругого элемента. Под действием силы основание с закрепленным элементом изменяет свои размеры (сжимается или растягивается), и тензорезистор, под действием механического напряжения изменяет свое сопротивление. Сила,воздействуя на проволочку (площадью сечения А, длиной L, с удельным сопротивлением ρ ), вызовет удлинение или сжатие последней, что приведет к пропорциональному увеличению или уменьшению ее сопротивления:

; . (5.9)

где S – характеризует тензочувствительность (значение 2.0..4.5 для металлов), - относительное изменение длины проволочки.

Наклеиваемый тензодатчик состоит из тонкой проволочки или проводящей фольги, закрепленной на плоской пластине. Эта конструкция затем приклеивается на основание. Датчик обычно устанавливается так, чтобы его наиболее длинная сторона была ориентирована в направлении измеряемой силы. Такие датчики характеризуются малой площадью поверхности, малой утечкой, высокой изоляцией.

Фольговые датчики являются наиболее популярной версией наклеиваемых тензодатчиков. Они изготавливаются методом фототравления и используют те же металлы, что и проволочные датчики (константан, нихром, сплав никеля с железом и т. д.). Металлофольговый тензодатчик характеризуется большой площадью, стабильностью в диапазоне температур, малым поперечным сечением, хорошим рассеиванием тепла.

Проволочные датчики имеют малую поверхность связи с основанием, что уменьшает токи утечки при высоких температурах и дает большее напряжение изоляции между чувствительным элементом и основанием. С другой стороны, фольговые чувствительные элементы имеют большое отношение площади поверхности к площади поперечного сечения (чувствительность) и более стабильны при критических температурах и длительных нагрузках. Большая площадь поверхности и малое поперечное сечение также обеспечивают хороший температурный контакт чувствительного элемента с основанием, что уменьшает саморазогрев датчика.