3. Тензометричні датчики

В основі роботи тензометричних датчиків (тензорезисторів) лежить тензоефект, що полягає у зміні активного опору провідникових і напівпровідникових матеріалів при їх механічної деформації.

Характеристикою тензоефекта матеріалу служить коефіцієнт тензочутливості (К_Т), який визначається як відношення зміни опору до зміни довжини провідника

де δR = R/R; δl = l/l; R – приріст опору при зміні довжини l на l ; Е – модуль пружності матеріалу (модуль Юнга); σ – механічне напруження.

Ліва частина останнього виразу отримана з використанням закону Юнга, який встановлює пряму пропорціональність σ = Е δl.

Коефіцієнт тензочутливості зв’язаний з деформацією матеріалу та його питомим опором наступним виразом:

де  - коефіцієнт Пуассона (відношення поперечної відносної деформації до

осевої відносної деформації; δ - відносна зміна питомого опору  при

деформації.

Коефіцієнт тензочутливості металів, найбільш часто застосовуваних для тензорезисторів, близький до двох: для константана - 2; для ніхрому - 2,2; для хромеля - 2,5. Для напівпровідникових матеріалів він набагато більше, ніж у металів. Наприклад, для германію К_Т  100. Однак напівпровідникові матеріали характеризуються малими механічною міцністю і стабільністю в порівнянні з металами.

Тензорезистори використовують для вимірювання тиску рідини і газу, а також при вимірюванні пружних деформацій матеріалів: тисків, вигинів, скручувань і т.д.

Як тензорезистивний матеріал можна використовувати сплави з малим ТКО (манганін, константан, ніхром, нікелін), платіносрібні і платіновольфрамові, напівпровідникові матеріали (германій, кремній). Найбільш поширені тензорезистори, виконані з металу. Вони поділяються на дротяні і фольговій.

Д ротяні тензорезистори виконують з дроту діаметром 0,002 ... 0,05 мм, який укладають частими петлями на тонкий папір або лакову плівку і приклеюють до неї (рис. 4.7,а). До кінців дроту припаюють або приварюють а – дротяний; б – фольговий

Рисунок 4.7 - Тензорезистори

мідні дроти. Зверху перетворювач покривають лаком. Матеріал для плівки вибирають в залежності від умов експлуатації. Резистори на плівці з клею БФ-2 працюють в діапазоні температур від -40 до 70 °С, а на плівці з бакелітового лаку - до 200 °С. Для більш високих температур використовують спеціальні високотемпературні клеї або цемент. Тензорезистор наклеюють таким чином, щоб його поздовжня вісь була розташована в напрямку вимірюваної деформації, тобто щоб можливі деформації деталі відбувалися уздовж петель резистора. Це дозволяє точніше вимірювати лінійні деформації.

Найбільш часто використовують перетворювачі з базою (довжиною петель) 5 ... 20 мм, яки мають опір 30 ... 500 Ом. Їх номінальний робочий струм, який визначається умовами відведення втрат енергії, що виділяються в них, знаходиться в межах десятків міліампер. Максимально допустимі відносні деформації не перевищують 0,3%.

Оскільки зміна опору тензорезисторів, що викликається деформацією, є дуже малою і коливається від одиниць мОм до декількох десятих часток Ома, то для вимірювань застосовують високочутливі потенціометричні і мостові схеми. Щоб підвищити чутливість тензорезисторів, їх можна включати в два і навіть чотири плеча мостовий схеми.

Характеристика дротяних тензорезисторів в межах пружної деформації близька до лінійної і визначається виразом

де S - площа перерізу дроту.

Відхилення від лінійності характеристики не перевищує 0,1%. Чутливість дротяного тензорезистору є

Фольгові перетворювачі (рис. 4.4,б) більш досконалі, ніж дротові. Вони мають грати з тонких смужок фольги прямокутного перерізу товщиною 4 ... 12 мкм, отриману травленням і нанесену на лакову підкладку. Завдяки більшій площі контакту смужок фольгового тензорезистору з об'єктом вимірювання його тепловіддача значно вище, ніж у дротяного, що дозволяє збільшити струм, що протікає через резистор, до 0,5 А, і тим самим підвищити чутливість тензоперетворювача. Інше достоїнство фольгових тензорезисторів полягає в можливості виготовлення решіток складного профілю, які найбільш повно задовольняють умовам вимірювань.

Напівпровідникові тензорезистори мають ряд істотних переваг: їх чутливість у 50 ... 60 разів перевищує чутливість дротяних, розміри істотно менше, рівень вихідного сигналу в ряді випадків достатній для використання без складних і дорогих підсилювачів. Основним їх відмінністю від дротяних є велике (до 50%) зміна опору тензопреобразователя при деформації.

До недоліків напівпровідникових тензорезисторів слід віднести малі механічну міцність і гнучкість. Реалізувати велику тензочувствітельность цих тензорезисторів виявляється досить складно через нелінійність характеристики, високу чутливість до впливу зовнішніх умов і істотний розкид параметрів від зразка до зразку.

Похибки тензорезисторів можуть бути викликані змінами температури, недостатніми опором ізоляції і вологостійкістю, якістю наклеювання, наявністю поперечної деформації (для перетворювачів, що наклеюються). Особливо великі похибки можуть внести зміни температури і не тільки через відхід параметрів матеріалу, а й з-за появи додаткових механічних напруг, викликаних різницею температурних розширень матеріалів тензорезистору і деталі. Тим не менше, застосовуючи додаткові заходи (додаткову установку нуля перед кожним вимірюванням, калібрування і т.д.), можна довести похибку вимірювань до 0,2 ... 0,5% при статичних і до 1 ... 1,5% при динамічних вимірюваннях.

До достоїнств тензорезисторів можна віднести незначну масу, малі розміри, простоту конструкції, можливість вимірювання статичних та динамічних процесів; до недоліків - відносно невисоку чутливість, можливість тільки разового використання (оскільки він руйнується при від'єднанні від деталі), необхідність використання мостової вимірювальної схеми і компенсації температурних впливів.