6. Тензорезистивные преобразователи

В основе работы тензорезисторных преобразователей лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при деформации сжатия-растяжения. При деформации проводника изменяются его длина l и площадь поперечного сечения Q. Деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления р. Эти измене- ния приводят к изменению сопротивления проводника:

R=ρl/Q.

Важной характеристикой тензоэффекта материала является коэффициентотносительнойчувствительности, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:

S_отн=ε_R/ε_l

где ε_R – относительное изменение сопротивления проволоки ε_R= ∆R/R, ε_l – относительное изменение длины проводника, ε_l =∆l/l.

Основным требованием к материалу тензопреобразователей является возможно большее значение коэффициента относитель- ной чувствительности S_отн. Это объясняется тем, что относитель-

ное изменение сопротивления ε_R у большинства тензорезисторов мало, не превышает (5...7)10^-3. Нагрев преобразователя может вызвать изменение его сопротивления, соизмеримое с рабочим изменением. Другое требование к материалу тензопреобразовате-

лей – возможно меньшая величина температурного коэффициен- та сопротивления материала, что определяет температурную по- грешность преобразователя. Третье требование – это высокое удельное сопротивление материала, из которого изготовляется преобразователь, что необходимо для уменьшения габаритных размеров преобразователя.

Наиболее часто применяемые для изготовления тензорезисторов материалы: константан, нихром, манганин, никель, хромель, висмут, титаноалюминиевыйсплав и полупроводниковые материалы (со- единения германия, кремния и т. д.).

В настоящее время наиболее широко применяют проволочные, фольговые,пленочныеи полупроводниковыетензорезисторы.

Проволочные тензорезисторы. В технике измерений прово- лочные тензорезисторы используются по двум направлениям. Первое направление – использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объемного сжатия, когда естественной

входной величиной преобразователя является давление (газ или жидкость), а выходной величиной – изменение активного сопро- тивления. На этом принципе строятся манометры для измерения высоких и сверхвысоких давлений.

Второе направление – использование тензоэффекта растягива- емойпроволокииз тензочувствительногоматериала.При этом тензорезисторы применяются в виде «свободных» преобразова- телей и в виде наклеиваемых. «Свободные» преобразователи вы- полняются в виде одной или группы проволок, закрепленных по концам между подвижной и неподвижной деталями и, как прави- ло, выполняющих одновременно роль упругого элемента. Есте- ственной входной величиной является очень малое перемещение подвижной детали, а выходной величиной преобразователя – из- менение его сопротивления. Устройство наиболее распростра- ненного типа наклеиваемого проволочного тензорезистора при- ведено на рис. 4.39.

4 ₁

2

3

Рис. 4.39. Устройство наклеиваемого проволочного тензорезистора: 1–лаковая пленка; 2 – проволока; 3 – бумага; 4 – медные проволоки

На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку наклеивается уложенная зигзагообразно тонкая проволока диаметром 0,02...0,05 мм. К концам проволоки присоединяются (сваркой или пайкой) выводные медные проводники, служащие для включения

преобразователя в измерительную цепь. Сверху преобразователь покрывается слоем лака либо заклеивается бумагой или фетром. Такой преобразователь приклеивается к испытуемой детали так, что проволока воспринимает деформацию поверхностного слоя испытуемой детали, вследствие чего изменяется сопротивление проволоки. Таким образом, естественной входной величиной яв- ляется деформация поверхностного слоя испытуемой детали, а выходной – изменение сопротивления преобразователя, пропор- циональное этой деформации. Измерительной базой преобразо- вателя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются преобразователи с базами 5...20 мм, облада- ющие сопротивлением 30...500 Ом. Кроме петлевой конструкции существуют и другие. При необходимости уменьшения измери- тельной базы преобразователя (до 3...1 мм) тензорезистор изго- товляют витковым способом, который заключается в том, что на оправке круглого сечения на трубку из тонкой бумаги наматыва- ется спираль из тензочувствительной проволоки. Затем эта труб- ка доклеивается, снимается с оправки, расплющивается и к ее концам прикрепляются выводы.

Когда надо получить от цепи с тензорезистором ток большой величины (например, при работе на вибратор осциллографа), ис- пользуют проволочные резисторы, состоящие из большого числа (30...50) параллельно соединенных проволочек. Они отличаются большими размерами (длина базы 150...200 мм), но дают возмож- ность увеличить пропускаемый через преобразователь ток.

Фольговые тензорезисторы. Они представляют собой тон- кую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензочув- ствительная решетка из константана толщиной4...12 мкм. При изготовлении таких преобразователей путем травления можно получить любой рисунок решетки, что является достоинством

фольговых преобразователей. На рис. 4.40 представлены разно- видности фольговых тензорезисторов.

а б

Рис. 4.40. Разновидности (а, б) фольговых тензорезисторов

Большим преимуществом фольговых преобразователей явля- ется возможность увеличивать сечение их концов, что позволяет осуществить надежное припаивание (приваривание) выводов, а также возможность изготовить фольговые преобразователи большего сечения, чем проволочные, что позволяет пропускать через преобразователи большие токи и, следовательно, делать приборы с тензопреобразователями более чувствительными.

При отношении ширины к толщине полоски, равном 10, допу- стимый ток в преобразователе из фольги в 1,4 раза больше, чем в преобразователе из проволоки того же сечения.

Пленочные тензорезисторы. Металлические пленочные тен- зорезисторы изготовляются методом вакуумной возгонки тензо- чувствитсльного материала и последующей конденсации его на подложку(рис. 4.41).

Форма тензорезистора задается маской, через которую произ- водится напыление. Действие датчика основано на изменении омического сопротивления тензочувствительной обмотки 2 при деформации упругого элемента 1 под действием измеряемой си- лы. Тензочувствительная обмотка включается в плечо мостовой схемы.

A

A 1

2

Рис. 4.41. Пленочные тензорезисторы: 1 – упругий элемент; 2 – тензочувствительная обмотка

Чаще всего измерительной цепью является делитель напряже- ния либо мостовая цепь.

Делитель напряжения с питанием постоянным током приме- няют лишь в том случае, когда интересуются только перемен- ной составляющей измеряемой величины. При этом постоянная составляющая падения напряжения на сопротивлении R_П тен- зопреобразователя, в сотни раз превышающая переменную со- ставляющую, отфильтровывается разделительным конденсато- ром С. В других случаях в качествеизмерительной цепи ис- пользуется цепь моста, питаемого постоянным или переменным током. Чаще применяется неравновесный режим работы росто- вой цепи. При динамических измерениях в качестве указателя применяют самописец или осциллограф, включаемые через усилитель.

Полупроводниковые тензорезисторы. Полупроводнико- вый чувствительный элемент в полупроводниковых тензорези- сторах состоит из кремниевой полоски с n- или p- проводимостью, обладающей пьезоэффектом, при котором ме- ханическая нагрузка вызывает положительное или отрицатель- ное изменение сопротивления. Полупроводниковый тензорези- стор шириной 0,2 мм и толщиной около 0,02 мм может быть

изготовлен на подложке или использоваться без нее. Преиму- ществом таких тензодатчиков является высокая чувствитель- ность, которая постоянна только в узком диапазоне. Его харак- теристика нелинейна, величина ε_l=∆R/R сильно изменяется при изменении удлинения ε_l=∆l/l температуры. Полупроводнико- вые тензорезисторы имеют высокую стоимость, что учитыва- ется при их использовании.

Погрешности приборов с тензопреобразователями. Эти по- грешности тесно связаны с градуировкой приборов. При невоз- можности градуировать непосредственно рабочий преобразова- тель погрешность, обусловленная неидентичностью преобразова- телей и качеством наклейки рабочих и градуируемых тензорези- сторов может достигать до 3...5%, а общая погрешность всего прибора (включая погрешность указателя, усилителя и т.д.) до- стигает 10...15%. При градуировке рабочего преобразователя и возможности контроля чувствительности усилителя погрешность прибора может быть снижена до 0,2...0,5% при статических и до 1,0...1,5 % при динамических измерениях.

Для уменьшения самой существенной для тензорезисторов температурной погрешности, которая носит в основном аддитив- ный характер, используют дифференциальную схему включения преобразователей: в соседнее плечо моста должен быть включен такой же преобразователь, наклеенный на тот же самый материал и помешенный в те же температурные условия.

В ряде случаев можно разместить на детали и включить в со- седние плечи моста два преобразователя, испытывающие равную деформацию разного знака (рис. 4.42). При этом одновременно достигается температурная коррекция и повышается вдвое чув- ствительность измерительной цепи.

Растяжение

R1

УК U

R2

Сжатие

Рис. 4.42. Схема включения тензорезисторов с температурной коррекцией

В тензорезисторных приборах высокой точности и для полу- чения датчиков с унифицированными характеристиками, чтобы обеспечить их взаимозаменяемость, применяются мостовые схе- мы с нормирующими резисторами, позволяющие регулировать параметры и характеристики тензорезистивного моста и прибора в целом.

При использовании мостовых схем с нормирующими резисто- рами погрешность датчиков с фольговыми тензорезисторами снижается до 0,03...0,005%, а у датчиков с полупроводниковыми тензорезисторами – до 0,1%.

П р и м е н е н и е : тензорезисторы наиболее часто применяют- ся для измерения деформаций и механических напряжений, а также других статических и динамических механических вели- чин, которые пропорциональны деформации вспомогательного упругого элемента (пружины), например пути, ускорения, силы, изгибающего или вращающего момента, давления газа или жид- кости и т.д. По этим измеряемым величинам можно определить производные величины, например массу, степень заполнения ре- зервуаров и т. д. Например, проволочные тензорезисторы на бу- мажной основе, а также фольговые и пленочные применяются для измерения относительных деформаций от 0,005...0,02 до 1,5...2 %. Свободные проволочные тензорезисторы могут быть использованы для измерения деформаций до 6... 10 %.

Тензорезисторы практически безынерционны и применяются в диапазоне частот 0...100 кГц. Измерительные цепи тензорези- сторов весьма разнообразны. Преимущественные распростране- ния получили приборы с усилителями. Эти приборы называются тензоусилителнми, или тензостанциями. Они обладают рядом д о с т о и н с т в : возможностью одновременно измерять статиче- ские и динамические деформации, простотой изготовления и наладкой усилителей, малой чувствительностью к помехам от электрических и магнитных полей. Рассмотрим принцип исполь- зования тензорезисторных преобразователей для измерения раз- личных неэлектрических величин.

Измерение деформации. На рис. 4.43 приведена типичная структурная схема одного канала измерителя деформации.

Измерительный мост М питается переменным напряжением от генератора Г несущей частоты. Модулированный сигнал не- сущей частоты с измерительной диагонали моста попадает на вход усилителя Ус. Усиленный сигнал демодулируется фазочув- ствительным демодулятором Д и через фильтр Ф поступает в указатель. Усилитель и генератор несущей частоты питаются от

источника В.

Р

Ус

Д

Ф

Ук

М

П

Сеть В Г

Рис. 4.43. Структурная схема одного канала измерителя деформации

Для проверки чувствительности служит устройство П, которое в некоторых приборах осуществляется автоматически, а для предварительного уравновешивания моста – устройство Р. Для

одновременного определения деформации во многих точках тен- зостанции выполняются многоканальными.

Измерение давления. Для измерения давлений (100 Н/мм²...3 кН/мм²) используются манганиновые тензорези- сторы. При измерении давлений тензорезисторы могут быть установлены непосредственно на стенках сосуда, давление в ко- тором измеряется, а для повышения чувствительности их можно разместить на мембранах, сильфонах и т.д. В манометрах с тензо- сопротивлениями в качестве упругого элемента используется ме- таллический стакан с утолщенным дном. На наружной поверхно- сти стакана наклеиваются два рабочих преобразователя, а на дон- ной поверхности – два преобразователя для температурной кор- рекции. На рис. 4.44 приведена конструкция упругого элемента, поверхность которого изолирована и обмотана тензочувствитель- ной проволокой: половина R1 является рабочей, а вторая полови- на R2 служит для температурной коррекции. Величина относи- тельного удлинения проволоки при толщине стенки трубки b и внутреннем радиусе r под действием давления Р определяется по формуле

l _Pl

¹ (1^),

(4.12)

l b E 2

где E и μ – модуль упругости и коэффициент Пуассона соответ- ственно.

R1 R2

R3 R4

^Uвых

Рис. 4.44. Манометр с температурной коррекцией

Измерение крутящего момента. Крутящий момент можно измерить путем измерения напряжения в материале вала при по- мощи тензорезисторов, наклеенных так, как показано на рис. 4.45.

45°

45°

90° _45°

Рис. 4.45. Схема расположения тензорезисторов для измерения крутящего момента вала

Крутящий момент:

М_кр=τW_П ,

где W_П – полярный момент сопротивления сплошного круглого вала, W_П=πr³/2/.

При включении преобразователей в два соседних плеча моста влияние деформаций изгиба вала на результат измерения практи- чески исключается, поскольку при изгибе деформации обоих преобразователей одинаковы по величине и по знаку.

Погрешность измерения тензометрами в этом случае состав- ляет 5...10%, но может быть снижена до 1...2 % при предвари- тельной их градуировке непосредственно на валу.