Міністерство освіти і науки, молоді і спорту України

Національний університет «Львівська політехніка»

ІКТА

Кафедра метрології, стандартизації та сертифікації

Курсова робота з дисципліни

«Сенсори для випробувальних систем»

на тему:

«Проектування тензорезисторного сенсора з комбінованим корегуванням мультиплікативної похибки від неінформативного параметра (навколишня температура)»

Виконала:

ст.гр. МС – 31

Зеліско Ю. М.

Прийняв:

д. т. н., проф.

Ванько В. М.

Львів 2011

ВСТУП. ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО ТЕНЗОРЕЗИСТОР

Механізми та конструкції повинні бути міцними, щоб гарантувати безпеку в експлуатації та функціональними і легкими у відношенні ваги, з економічним використанням матеріалів, щоб можна було досягнути високої економічної ефективності. Проте, ці дві технічних мети: безпека та економія, є суперечливими. Тому їх оптимальне співвідношення, має бути досліджено з найбільшою ретельністю. Це може бути зроблено шляхом точних досліджень напружених станів, із застосуванням загальновизнаного методу - тензометричних вимірювань. Тензорезистори є основою високоточних вимірювань в цій області.

Тензорезистори можуть також виміряти і перетворити різноманітні фізичні величини в електричні сигнали. Тому вони знайшли широке застосування в сенсорах сили, тиску, переміщення, прискорення або обертаючого моменту.

Тензорезистори дозволяють здійснити точні вимірювання з унікальними перевагами наступним чином:

(1) Точне вимірювання напруги, у визначеному місці на поверхні вимірюваного об'єкта.

(2) Швидкодія для експрес-вимірювань, завдяки компактній і легкій структурі.

(3) Чудова лінійність в межах широкого діапазону напруг.

(4) Вимірювання в широкому діапазоні температур і в несприятливих умовах навколишнього середовища.

(5) Можливість вимірювань на віддалі для промислового моніторингу.

Основою тензорезистора є чутливий елемент, металевий або напівпровідниковий, опір якого змінюється пропорційно напрузі на поверхні вимірюваного об'єкта. Такий елемент виконаний у вигляді решітки з константанові сплаву (як правило) і розміщено на підкладці з поліаміду або іншого матеріалу. Зверху решітка покривається захисною плівкою. На рис.1. показано класичну структуру тензорезистора, готового до аплікації на поверхню вимірюваного об'єкта. Для аплікації, як правило, застосовується клей.

Рис. 1. − Структура тензорезистора.

Рис. 1.а.− Міст Уїтстона.

Позначимо початковий опір тензорезистор як R, а відносну зміну опору тензорезисторів, викликану напругою, позначимо як дельта R. Тоді формула буде виглядати наступним чином:

(1)

де Ks - К-фактор тензорезисторів, тобто коефіцієнт чутливості тензорезистор. Як правило, він приблизно дорівнює 2 для тензорезисторів загального застосування.

Як видно з формули, відносна зміна опору сенсора викликана напругою в матеріалі дуже мала. Наприклад, при R = 120 Ом і = 1000x10 -6, дельта R дорівнюватиме всього 0.24 Ом. Ця невелика зміна опору повинна бути перетворена в електричний сигнал. Щоб зробити це ефективно, застосовується міст Уїтстона, який зображений на рис. 1.а. Тоді ми підсилюємо сигнал до рівня, достатнього для вимірювання та реєстрації.

Невеликий вихідний сигнал був головною незручністю при тензометричних вимірах. В даний час це більше не є проблемою завдяки високій стабільності і точності сучасних тензометричних підсилювачів.

Інша проблема застосування тензорезисторів полягала в необхідності їх наклейки вручну, в той час як вимірювальне обладнання стає все більш автоматизованим.

В даний час ця незручність є не актуальною, так як досягнення хімічної промисловості значно поліпшили якість підкладки і клею.

Для достовірного вимірювання деформацій, користувачі повинні ретельно дотримуватися технології наклеювання, яка наводиться нижче. Це допоможе уникнути помилок при вимірах.

Саме у світлі найновіших технологій тензометрування компільовано стандартні процедури аплікації. Для цього, розглянуто всі сучасні методи аплікації, застосовувані в даний час. Однак слід звернути увагу на те, що інструкції, дані в цьому керівництві є тільки базовими, і вони можуть не завжди підходити для конкретних вимірювальних завдань. У деяких випадках, користувачам, ймовірно, доведеться змінити частину процедур відповідно до реальним завданням, і все ж таки ці інструкції є основними і кардинальне відступ від них може призвести до неточних результатів вимірювань.

Види і чинники вибору тензорезисторів

Тензорезистори випускаються з великою різноманітністю специфікацій для вирішення різних вимірювальних завдань. Але неправильний обраний тип тензорезисторів не принесе очікуваного результату. Вибір належних тензорезисторів − перший крок до успішного вимірювання деформації. Щоб вибрати належний тензорезистор, кожного разу необхідно враховувати наступні фактори: матеріал, конфігурація та розмір вимірюваного об'єкта; умови навколишнього середовища (температура і вологість); умови проведення робіт і вимірювальні прилади, які використовуються спільно з тензорезисторами.

Типи тензорезисторів

У таблиці 1 наведена загальна класифікація тензорезисторів, їх основні характеристики і фактори вибору.

Тип чутливого елемента.

* Фольгові тензорезистори.

У фольгових тензорезисторів чутливий елемент виконаний з фольги товщиною кілька мікрометрів. Матеріал - сплав Ni-Cu або Ni-Cr. Ці сенсори мають малі розміри і виготовлені методом фототравлення, що обумовлює відносно низьку вартість. Ці тензорезистори універсальні в застосуванні. Все це обумовлює їх найширше застосування в різних галузях вимірювань.

* Дротяні тензорезистори.

В якості чутливого елемента у них застосовується дріт зі сплаву Ni-Cu або Ni-Cr, товщиною 13-25 мікрометрів. Так випускаються тензорезистори на паперовій підкладці, спеціальні тензорезистори для бетону, тензорезистори на великі деформації і спеціальні тензорезистори для високих температур.

* Напівпровідникові тензорезистори.

Їх чутливий елемент виготовлений з монокристалу кремнію, К-фактор таких тензорезисторів - може досягати 90 - 200. Це робить їх придатними для вимірювання мікро деформацій і для виробництва високочутливих датчиків. Можлива їх робота без додаткового підсилювача. Однак ці тензорезистори в значній мірі схильні до впливу температури, а також не володіють достатньою лінійністю. Відповідно, область їх застосування обмежена.

Матеріал підкладки

Характеристики матеріалу підкладки відповідають характеристикам чутливого елемента. Як правило, для підкладки застосовують поліамід або деякі інші типи полімерів. Високотемпературні тензорезистори мають керамічну або подібну підкладку. Для тензорезисторів, що пиварюються в якості матеріалу підкладки використовується такі сплави як Inconel 600.

Таблиця 1 − Типи тензорезисторів

Матеріал чутливого елемента	Фольгові (Cu-Ni сплав, Ni-Cr сплав і т.п.). Дротові (Cu-Ni сплав, Ni-Cr сплав і т.п.) Напівпровідникові (монокристал кремнію, і т.п.)
Матеріал підкладки	Папір Фенольно / епоксидна основа Поліамід Інші
Довжина чутливого елемента	0.14 - 120mm
Конфігурація	Одноелементні (одинарний); Багатоелементні (розетки і т.д.); Спеціального застосування
Опір	60 - 1000 Ом або більше (напівпровідникові - до 10 кОм)

Довжина чутливого елемента (бази, решітки)

* Для вимірювань на більшості металевих матеріалів, найбільш підходять тензорезистори з базою 1 ... 6 мм.

* Для вимірювань середніх за величиною деформацій на бетоні чи деревині, структура яких значною мірою різнорідна, застосовуються тензорезистори з довгою решітки 30 ... 120 м.

* Для склопластиків застосовуються тензорезистори з базою 5 ... 30 мм, в залежності від товщини волокон і відстані між ними. Якщо товщина волокон мала, застосовують тензорезистори з базою менше 5 мм.

* Якщо вимірювання проводяться в точці концентрації напружень, то слід застосовувати тензорезистори (до 1 мм). Якщо застосовувати більш довгу базу, вимірювання дадуть усереднене значення деформації, а пікові значення не будуть виміряні.

* При обмеженій зоні для аплікації також використовуються короткобазним тензорезистори з відповідно до короткої підкладкою.

Конфігурація тензорезисторів

Тензорезистори випускаються з різною конфігурацією. На рис.2 показані лише деякі з них.

* Одиночні

Це базова конфігурація тензорезисторів, чутливість яких спрямована по поздовжній осі решітки. При відомому напрямку деформацій, одиночний тензорезистор наклеюється відповідно з цим напрямком і успішно вирішує задачу вимірювання.

* Подвійні

У такому тензорезисторі решітки розташовані за двома осями, розташованим під прямим кутом, і використовується для моноосевого вимірювання напруги або в датчиках, що працюють на просте стиснення. Також вони використовується для вимірювання деформацій зсуву і в сенсорах крутного моменту.

* Потрійні

У випадку, коли напрямок деформації невідомо, необхідно застосовувати потрійні тензорезистори (розетки) і проводити аналіз напрямів деформації.

* Інші конфігурації

Для проведення спеціалізованих вимірювань застосовуються особливі конфігурації тензорезисторів, включаючи тензорезистори для вимірювання концентрації напружень, в яких 5 решіток розташовані на одній осі; і тензорезистори стійкі до впливу змінних магнітних полів, 2-е решітки яких розташовані точно одна над іншою.

Рис. 2. − Тензорезистори з різною конфігурацією.

Опір тензорезисторів.

120 Ом є стандартним для тензорезисторів. Тензорезистори з опором 120 Ом випускаються з великою різноманітністю конфігурацій і опцій, а також досить привабливі за ціною.

Застосування тензорезисторів з іншим, ніж 120 Ом опором можливо в наступних випадках:

60 Ом − у разі використання двох тензорезисторів спільно, для корекції похибки від наклейки.

350 Ом, 500 Ом − сенсори, як правило, вимагають порівняно великої напруги харчування мостів. Також, коли потрібно зменшити вплив температурного ефекту при наклейці на матеріали з поганою теплопровідністю, такі як пластик.

1 кОм і вище − вимога сенсорів до підвищеної напруги живлення. Також, коли апаратура для роботи з тензорезисторами вимагає низького енергоспоживання.

10 кОм (напівпровідникові) − високошвидкісні вимірювання такі, як удар без використання підсилювача.

Інші чинники вибору

Робочий температурний діапазон.

Робочий температурний діапазон позначає нижня і верхня межа температур для оптимальної роботи наклеєного тензорезистора. Рекомендовано застосовувати тензорезистори з ТКС, максимально близьким до ТКС матеріалу.

Інші характеристики.

Якщо можливий перехід деформації об'єкта вимірювань з пружної зони в пластичну, то слід враховувати межі деформації і температуру навколишнього середовища. Також, якщо передбачається циклічне навантаження, слід враховувати кількість циклів, при яких тензорезистор збереже свою працездатність; та інші фактори при виборі.

Слід враховувати, що можлива зміна характеристик за часом, в залежності від виду випробувань і способу наклейки. Якщо це - несприятливе навколишнє середовище, Ви повинні використовувати тензорезистори відповідного типу, що володіють певними захисними опціями. Слід враховувати такі важливі фактори, як відхилення чутливості і дрейф нуля.