Резистивные чувствительные элементы состоят из тела простой формы (проволока, стерженек, пленка), форма и размеры которой изменяются под

действием силы. Если длина,удельное сопротивление,g – поперечное сечение, то сопротивление:

;

После дифференцирования получаем:

коэффициент тензочувствительности, где – отражает изменение формы.

отражает изменение удельного сопротивления (пьезосопротивления)

В качестве тензочувствительных материалов используют металлы и полупроводники.

Коэффициент тензочувствительности металлов колеблется от 2 до 6 и его слагаемые от изменения формы и пьезосопротивления имеют одинаковый порядок значений. Материалы с коэффициентом к=2 занимают предпочтительное положение так как в этом случае величина коэффициента не звисит от деформированного состояния материала, а датчики с такими преобразователями отличаются

Линейной градуированной характеристикой в большом диапазоне деформаций. Кроме того, их коэффициент тензочувствительности в первом приближении независим от особенностей предварительной обработки, а поэтому и от последствий неизбежных отклонений в технологическом процессе. К этой группе относятся константы, нихром, карма. Эти свойства сохраняются особенно если тензочувствительный элемент изготовлен в виде проволоки. Если тензорезисторы изготавливаются напылением в виде тонких поликристаллических пленок, то свойства металла изменяются: коэффициент тензочувствительности значительно уменьшается, а временная стабильность снижается. Преимуществами этого метода являются отсутствие вязкой прослойки (клеевого слоя), которая приводит к явлениям ослабления напряжений, а также возможность изготавливать большое число тензорезисторов на упругом элементе в одном процессе с высокой степенью идентичности. Поэтому технология тонкопленочных тензорезисторов может еще приобрести большое значение.

Полупроводники.

В них эффект пьезосопротивления превосходит влияние изменения формы на 1 -2 порядка. У монокристаллических полупроводников, наиболее широко применяемых в настоящее время, вклад эффекта пьезосопротивления зависит от ориентации направления деформации относительно кристаллографических осей.

В настоящее время основным материалом для тензорезисторов является кремний. В зависимости от величины удельного сопротивления и ориентации значение К может достигать 200, поэтому возможно применение очень жестких упругих элементов. Кроме того в зависимости от типа проводимости (p- или n-кремний ) К имеет положительный или отрицательный знак.

По сравнению с металлическими тензорезисторами аналогичные полупроводниковые приборы имеют 1 недостаток: значительную нелинейность, которую необходимо компенсировать.

Полупроводниковые пленки также можно изготавливать методом напыления. Но они имеют существенно меньшие значения К, чем монокристаллические. По своим свойствам они аналогичны металлическим напыленным тензорезисторам.

Конструктивные схемы тензочувствительных элементов (комментарий к таблице 3):

Чувствительные элементы в виде натянутой тензопроволочки. Благодаря относительной простоте конструкции они подходят также для

датчиков с мнимым интегрированием. При более точном рассмотрении их следует признать элементами, изменяющими не деформацию, а путь.

Намотанные транзисторы. Тензопроволока наматывается с предварительным натягом в диапазоне деформации упругого элемента. Эта конструкция применяется преимущественно с формоизменяемыми упругими элементами. Преимущество состоит в большой длине тензопроволоки, что обеспечивает большое сопротивление моста и очень хорошую передачу тепла упругому элементу. Поэтому напряжение питания моста можно поднимать до 200 В и получать выгодное напряжение до 400 МВ.

Проволочные тензорезисторы. В настоящее время важнейшие тензочувствительные элементы делаются преимущественно из константановой проволоки, которая вклеена между двумя подложками. Благодаря изменению размеров витков проволоки можно изготавливать тензорезисторы с различными номинальными сопротивлениями. Кроме того, возомжна подгонка тензорезистора к упругому элементу с учетом его формы.

Фольговые тензорезисторы. В большинстве случаев тензорешетку выполняют фотохимическим способом. Применяются прежде всего в современных конструкциях датчиков силы, которые во многих случаях могут быть выполнены технически только благодаря тензорезисторам.

Металлические тонкопленочные тензорезисторы. Они являются перспективными, т.к. все чувствительные элементы упругого элемента могут изготавливаться в ходе одной технологической операции, что обеспечивает высокую степень идентичности их свойств.

Полупроводниковые тензорезисторы. Имеется большое число таких тензорезисторов различных размеров и различной концентрации легирующей примеси. Для универсального применения в датчиках силы предпочтительны гибкие, максимально тонкие, тензорезисторы.

Диффузионные тензорезисторы . Они представляют собой тензочувствительные области, созданные в кремниевом элементе путем внесения примеси диффузным способом. Изоляция диффузного чувствительного слоя от остальной части этого элемента осуществляется благодаря р-n-переходу, смещенному в обратном направлении приложенным напряжением, или же двуокисью кремния.

Авто- и гетероэпитаксиальные тензорезисторы. Их изготавливают эпитаксиальным наращиванием кремния, легированного соответствующим образом, на монокристаллическом упругом элементе.

Диффузионные, авто- и гетероэпитаксиальные тензорезисторы называются интегральными тензорезисторами.

Полупроводниковые тонкопленочные тензорезисторы. Они соответствуют по своим особенностям металлическим тензорезисторам.

Конструкцию и материал тензорезисторов выбирают исходя из требований технического задания по пределам измерения, условиям установки датчика деформации (материал объекта измерения, размеры, кривизна и состояние места под установку тензорезисторов, возможность проведения термообработки ) , по температурному диапазону работы и по точности.

При решении этих вопросов необходимо учитывать следующее. Для измерения деформации при отрицательных температурах предпочтительнее пленочные (лаковые), а при высоких – цементные подложки. Полупроводниковые тензорезисторы благодаря высокой чувствительности дают возможность измерять уровень малых деформаций в узком температурном диапазоне.

Для расчета геометрических размеров тензорезистора определяющими требованиями являются требования по питанию измерительной цепи, точности и габаритным размерам датчика.

Допустимый ток питания проволочного тензорезистора рассчитывают по формуле

, а,

, где d-диаметр проволоки в метрах.

Диаметр проволоки выбирают минимально возможным. Допустимый ток пленочных и фольговых тензорезисторов может быть значительно больше, т.к. у них условия охлаждения лучше, чем у проволочных, и зависит от соотношения ширины и толщины полоски тензоризисторов. Так при отношении ширины к толщине полоски, равным 10, допустимый ток фольгового тензорезистора может быть в 1.4 раза больше, чем в проволочном тензорезисторе того же сечения. При отношении, равном 40 – 81.95 раза, допустимый ток полупроводниковых резисторов можно принимать равным допустимому току фольговых, а свободных тензорезисторов в 1.5 -2 раза ниже, чем приклеенных.

По заданному напряжению питания и в зависимости от выбранной измерительной схемы рассчитывают сопротивление тензорезисторов.

Расчет базы и ширины проволочного тензорезистора производят из следующих предпосылок. Для уменьшения габаритных размеров датчика необходимо уменьшать базу тензорезистора. Однако при заданном сопротивлении и материале тензорезистора уменьшение базы приводит к увеличению ширины, и при этом все большая часть проволоки оказывается нерабочей, что приводит к снижению коэффициента чувствительности. Поэтому отношение размера базы тензорезистора к его ширине принимают равным 2-5. Уменьшение ширины тензорезистора возможно за счет сокращения расстояния между отдельными проволочками.

Однако чрезмерное уменьшение этого расстояния приводит к температурному воздействию одной стороны петли тензорезистора на другую, что требует снижения допустимого тока, и , кроме того, ограничено технологическими возможностями намотки тензорезистора. Практически расстояние между проволоками выбирают в 10-20 раз больше диаметра проволоки. Базу тензорезистора можно рассчитать следующим образом.

Если расстояние между проволочками равно t, а отношение базы тензорезистора к его ширине , тогда число витков тензорезистора

(1)

, где - длина тензопроволоки

R - сопротивление тензорезистора,

d - диметр проволоки,

- удельное сопротивление тензопроволоки.

Ширина тензоризистора может быть выражена через число витков и шаг намотки следующим образом

Из уравнения один

И соответственно

Для изготовления тензорезисторов используют в зависимости от условий эксплуатации клей горячего отвержения БФ, ВС-10Т, ВЛ-931 и т.д.; модифицированные каучуками; такие как ВК-32-20, ВК-13 и т.д.

Наиболее широко для установки тензорезисторов применяют эпоксидные клеи холодного отвержения. Они имеют высокие адгизионные и механические характеристики, позволяют измерять большие деформации, допускают перегрузки, длительную цикловую нагрузку до 100 млн циклов. Эти характеристики сохраняются при многоцикловых нагрузках.

Клеи горячего отвержения используются для установки тензорезисторов в случае исследования образцов и элементов конструкции, допускающих тепловую обработку, а также при использовании тензорезисторов в качестве промежуточных преобразователей в измерительных устройствах. Чтобы тензорезисторы имели удовлетворительные измерительные характеристики(линейность хар-ки преобразования, малые значения ползучести и гистерезиса и т.д.). Температура тепловой обработки тензорезисторов после установки должна быть выше температуры полимеризации клеев, указанной разработичиком. Так применение феногформадегидных клеев, модифицированных поливинилацеталями, имеющих температуру полимеризации 140 ⁰ С, обеспечивают тензорезисторам удовлетворительную ползучесть только после двухчасового прогрева при t=200-250 ⁰ С, фольговые тензорезисторы со связующими из фенолкаучукового клея ВК-32-200М имеют удовлетворительную стабильность характеристики чувствительности в диапазоне температур 20-200⁰ С только после тепловой обработки при 230 ⁰ С.

В параметрических датчиках для измерения неэлектрических величин наибольшее распространение получили 2 разновидности электрических цепей:

- цепь делителя напряжения,

- мостовая цепь.

Причем под действием измеряемой величины изменяется одно сопротивление плеча делителя напряжения или мостовой цепи, либо 2, либо все 4 (для мостовой цепи).

Входной величиной является относительное изменение сопротивления плеч измерительной цепи

Выходной величиной является

, где - чувствительность измерительной цепи

z-полное сопротивление,

- изменение сопротивления z.

Основными составляющими погрешности тензодатчиков являются:

1 погрешность тензорезистора,

2 погрешность измерительной цепи.

В погрешность тензорезистора входят следующие составляющие: ползучесть, нестабильность, гистерезис, нелинейность, температурные погрешности 0 и чувствительности, погрешность от разброса коэффициента тензочувствительности и некоторые другие. Основная погрешность тензорезистора температурная обычно лежит в пределах 0.5 – 5 % измеряемой величины и зависит от типа тензорезистора и условий эксплуатации.

Существует три метода компенсации температурной погрешности:

1 программный,

2 установка термокомпенсационного сопротивления,

3 Термокомпенсированные проволоки.

В датчиках деформации термокомпенсационное сопротивление нуля практически не ставят, т.к. для расчета необходимо экспериментальное определение значения температурной погрешности нуля, что сложно осуществить для обычных датчиков. Поэтому для изготовления датчиков деформации широко используют термокомпенсированные тензометрические проволоки, температурный коэффициент сопротивления которых можно получить специальным отжигом заданной величины, соответствующий температурному коэффициенту расширения материала упругого элемента.

Погрешность измерительной цепи, как правило, значительно меньше и обусловлено в основном стабильностью и точностью напряжения питания и элементов измерительной цепи. Если ее обозначить через , то формулу для расчета основной погрешности можно вычислить как среднее квадратичное от температурной погрешности и погрешности цепи: