- •Тема 1 Исследование характеристик терморезистивных и термоэлектрических термометров
- •Тема 2. Исследование характеристик тензорезисторов
- •Тема 3. Применение тензорезисторов для измерения давлений
- •Тема 4 Индуктивные дифференциально-трансформаторные преобразователи
- •Тема 5. Применение емкостных преобразователей для измерения ускорений
- •Тема 6. Разработка тензорезистивного измерителя усилий
- •Тема 7 Разработка терморезистивного измерителя температуры
- •Тема 8 Разработка термоэлектрического измерителя температуры
- •Тема 9 Коррекция нелинейности характеристики термистора
Тема 6. Разработка тензорезистивного измерителя усилий
Задание
1. Произвести расчет параметров упругого элемента заданного вида для заданного диапазона измерений и с учетом ограничений по относительной деформации
2. Выбрать стандартный тензорезистор (ТР) из предложенного перечня, пригодный для наклеивания на поверхность кольца упругого элемента
3. Задать напряжение питания измерительной цепи с учетом допустимого тока, протекающего через тензорезистор, и номинального сопротивления выбранного ТР.
4. Выбрать и обосновать схему компенсации температурной погрешности.
Исходные ограничения
Наибольшее измеряемое усилие, Н |
Модуль упругости материала кольца (Е), Н/м2 |
Номинальный радиус кольца (ro), мм |
Наибольшая относительная деформация (увеличение диаметра кольца) εd |
Диапазон возможных значений ширины кольца (b), мм |
Диапазон возможных значений толщины кольца (а), мм |
0,5 1,0 2,0 5,0 |
2*1011 |
25 |
(12-15)*10-5 |
5 - 16 |
1 - 2 |
Форма тела упругого элемента – кольцо.
Рекомендуемое приращение сопротивления тензорезистора при максимальной нагрузке – ΔRо ≤ (0,03 – 0,07) Ом
Перечень стандартных пленочных тензорезисторов
Тип |
Номинальное сопротивление Ro, Ом |
Коэффициент тензочувствительности Кт |
Габариты подложки |
|
Ширина, мм |
Длина, мм |
|||
2ПКП-10-100 2ПКБ- 10-100 2ПКБ -20-100 2ПКБ-20-200 ПКП-10-200 |
98 99,5 100 199 201 |
2,11 2,04 2,02 2,05 2,12 |
3 3 2 4 3 |
17 20 28 25 17 |
Методические указания
В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводника или полупроводника при его механической деформации.
Относительное изменение сопротивления проводника εR связано с относительной деформацией εd зависимостью
εR = Кт εd
где Кт - коэффициент тензочувствительности.
При измерении различных механических величин (усилий, давлений, крутящих моментов и т.д.) тензорезистор (ТР) наклеивается через специальную подложку на упругий элемент (балку, кольцо, мембрану и т.д.), который играет роль предварительного преобразователя измеряемой механической величины в относительную деформацию.
Расчет тензорезистивных измерительных преобразователей состоит из выбора формы и расчета геометрических параметров упругого элемента, выбора тензорезистора (при необходимости производится выбор материала и конструкции нетипового ТР), определения электрических параметров ТР, оценки погрешностей.
На практике чаще используются проволочные ТР, так как они обеспечивают измерение деформаций в широких диапазонах с удовлетворительной точностью.
Для измерения деформаций при отрицательных температурах предпочтительнее пленочные ТР, а при высоких температурах – проволочные. Полупроводниковые ТР, благодаря высокой чувствительности, делают возможным измерение малых деформаций в малом температурном диапазоне.
Геометрические размеры ТР увязываются с конструкцией и размерами упругого элемента, а также значением протекающего в ТР электрического тока.
Обычно значение допустимого тока через проволочные ТР лежит в диапазоне от 20 до 30 мА (диаметр проволоки 0,02 – 0,05 мм). Допустимый ток через пленочные и фольговые ТР может быть значительно больше, так как их условия охлаждения лучше.
Для температурной компенсации в диапазоне изменения окружающей температуры обычно используют схемные методы. При этом наряду с рабочими используются нерабочие (компенсационные) ТР, помещаемые в одинаковые с рабочими температурные условия, но не воспринимающие механическую деформацию детали упругого элемента. Прии включении рабочих и компенсационных ТР в схему моста или делителя напряжения одинаковые температурные изменения сопротивлений обоих резисторов не дают дополнительного изменения выходного сигнала схемы.
Схематичный вид упругого элемента:
Относительное увеличение диаметра кольца при растяжении можно вычислить по формуле:
εd = 0,894*Р*r2 /(E*b*a3).
При этом, толщину кольца а выбрать из заданного диапазона с условием, что расчетная ширина в кольца будет в заданном интервале по условию задачи.
Вычисление абсолютного приращения сопротивления тензорезистора произвести для относительной деформации (увеличения диаметра кольца) εd = 0,014% при номинальном значении сопротивления Ro . Результат сравнить с рекомендованным ΔRо в условии задачи.