§ 5.4. Фольговые, пленочные, угольные и полупроводниковые тензодатчики

Фольговые тензодатчики изготовляют методом фотохимического травления. Решетка такого датчика выполняется из разных сплавов (медь с никелем, серебро с золотом и др.), которые обеспечивают достаточную чувствительность и в то же время имеют надежное сцепление (адгезию) с изоляционной основой, на которой выполня­ется датчик.

Пленочные тензодатчики изготовляют путем напыления слоя германия, теллура, висмута или сульфида свинца на эластичное изо­ляционное основание из слюды или кварца.

В отличие от проволочных, фольговые и пленочные тензодат­чики имеют решетку не круглого, а прямоугольного сечения с очень большим отношением ширины к высоте. По сравнению t проволочными они имеют ряд преимуществ. Благодаря большой площади соприкосновения токопроводящих полосок датчика с де­талью обеспечиваются хорошие условия теплоотдачи. Это позволя­ет в несколько раз повысить плотность тока фольговых датчиков и в десятки раз — плотность тока пленочных датчиков (до 103 А/мм2). Благодаря большому отношению периметра сечения плоской поло­сы к площади ее сечения улучшается восприимчивость к деформа­ции и точность ее измерения. Чувствительность пленочных датчи­ков достигает 50. Благодаря увеличенному сечению концов фольго­вой и пленочной решетки увеличивается надежность пайки (или приваривания) выводов датчика.

Фольговые датчики имеют толщину проводящего покрытия 3—15 мкм. Сопротивление фольговых датчиков находится в преде­лах от 30 до 300 Ом. Фотохимический способ позволяет выполнить любой рисунок решетки, что также является достоинством фольго­вых датчиков. На рис. 5.4 показаны различные типы фольговых

тензодатчиков: а — предназначен для измерения линейных переме­щений; б — розетка из двух датчиков, позволяющая измерять де­формации в двух взаимно перпендикулярных направлениях; в — датчик, предназначенный для наклеивания на мембрану и измере­ния давления.

Для измерения механических усилий и напряжений использу­ются и угольные датчики. Их работа основана на зависимости ак­тивного сопротивления угольных (или графитовых) контактов от силы контактного сжатия. Устройство угольного датчика показано на рис. 5.5, а. Угольные диски 3 зажимаются между прижимным винтом 6 и упором 5, воспринимающим измеряемое усилие F. Дав­ление на угольные диски 3 передается через металлические диски 7, изоляционные прокладки 4 и медные прокладки 2, имеющие выво-ды для включения датчика в измерительную схему.

Активное сопротивление /?д угольного столбика складывается из внутреннего сопротивления шайбы R, и переходного контактного сопротивления между шайбами Л^


Внутреннее сопротивление диска определяется электрическими свойствами материала дисков и не зависит от усилия F. Удельное сопротивление электродных углей составляет, например, 30—150 Ом-мм2/м. Переходное контактное сопротивление зависит от усилия F следующим образом:

где kкоэффициент, зависящий от свойств материала шайб. Под­ставляя (5.12) в (5.13), получим

Зависимость сопротивления угольного датчика от усилия пока­зана на рис. 5.5, б. Характеристика имеет небольшую петлю гистере­зиса при прямом и обратном ходе из-за некоторого залипания уго­льных дисков. При небольших усилиях (F < F0) из-за слабого кон­такта между дисками статическая характеристика угольного датчика имеет зону неопределенности. Для устранения этой зоны неопреде­ленности и служит прижимный винт 6, обеспечивающий начальное усилие сжатия F0.

Для измерения упругих деформаций используются угольные датчики тензолитового типа. Изготовляются они из угольного (гра­фитового) порошка или сажи, смешанной с изолирующим лаком (бакелит или шеллак). Такая масса называется тензолитом.

Выполняются угольные тензометрические датчики (рис. 5.6) в виде стержней 1 диаметром около 1 мм с медными выводами. На контролируемую деталь наклеивают полоску изоляционной бумаги 2, а к. бумаге приклеивают стержень. При деформации детали стер­жень также деформируется. Происходит изменение плотности кон­такта, между частицами угля, и, следовательно, сопротивление датчика изменяется: при сжа­тии — уменьшается, при растяжении— увеличи­вается. Относительная чувствительность тензо­литового датчика определяется, как и для про­волочных тензодатчиков, по формуле

S = —-—. Она не является постоянной вели-dl/l

чиной из-за нелинейной зависимости Ra =f(F) (см. рис. 5.5, б) и может достигать больших ве­личин (до 20).

В полупроводниковых тензодатчиках испо­льзуются кристаллические полупроводниковые материалы. Принцип действия их такой же, как

и у проволочных тензодатчиков: изменение активного сопротивле­ния из-за механической деформации самого проводника и измене­ния удельного сопротивления. Но если в металлических проводни­ках главным является изменение размеров [коэффициент ц в урав­нении (5.11)], то в металлических полупроводниках главным является изменение удельного сопротивления [коэффициент т в уравнении (5.11)].

Наиболее заметен тензоэффект в таких полупроводниках, как германий Ge, кремний Si, соединения индия In, галлия Ga. Для них можно на практике считать, что Su & т. Чувствительность полупро­водникового тензодатчика зависит от ориентировки действия сил (кристаллографического направления). Влияют на чувствительность также наличие примесей и температура.

Наибольшее распространение получили германиевые и кремни­евые тензодатчики, причем последние способны работать при высо­ких температурах (до 540 °С) и больших механических нагрузках.

Соседние файлы в папке Раздел 2