
- •Глава 5
- •§5.1. Назначение. Типы тензодатчиков
- •§ 5.2. Принцип действия проволочных тензодатчиков
- •§ 5.3. Устройство и установка проволочных тензодатчиков
- •§ 5.4. Фольговые, пленочные, угольные и полупроводниковые тензодатчики
- •§ 5.5. Методика расчета мостовой схемы с тензодатчиками
- •1. Почему сопротивление проволоки изменяется при деформации?
- •2. Какими преимуществами обладают фольговые и пленочные тензодат-чики по сравнению с проволочными?
- •3. Из каких материалов чаще всего делают проволочные и полупроводниковые тензодатчики?
§ 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^
где k — коэффициент, 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
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.