Расчет и выбор конструкций тензорезисторов
Конструкцию и материал тензорезисторов выбирают исходя из требований технического задания по пределам измерения, условиям установки датчика деформации (материал объекта измерения, размеры, кривизна и состояние места под установку тензорезисторов, возможность проведения термообработки ) , по температурному диапазону работы и по точности.
При решении этих вопросов необходимо учитывать следующее. Для измерения деформации при отрицательных температурах предпочтительнее пленочные (лаковые), а при высоких – цементные подложки. Полупроводниковые тензорезисторы благодаря высокой чувствительности дают возможность измерять уровень малых деформаций в узком температурном диапазоне.
Для расчета геометрических размеров тензорезистора определяющими требованиями являются требования по питанию измерительной цепи, точности и габаритным размерам датчика.
Допустимый ток питания проволочного тензорезистора рассчитывают по формуле
, а,
, где d-диаметр проволоки в метрах.
Диаметр проволоки выбирают минимально возможным. Допустимый ток пленочных и фольговых тензорезисторов может быть значительно больше, т.к. у них условия охлаждения лучше, чем у проволочных, и зависит от соотношения ширины и толщины полоски тензоризисторов. Так при отношении ширины к толщине полоски, равным 10, допустимый ток фольгового тензорезистора может быть в 1.4 раза больше, чем в проволочном тензорезисторе того же сечения. При отношении, равном 40 – 81.95 раза, допустимый ток полупроводниковых резисторов можно принимать равным допустимому току фольговых, а свободных тензорезисторов в 1.5 -2 раза ниже, чем приклеенных.
По заданному напряжению питания и в зависимости от выбранной измерительной схемы рассчитывают сопротивление тензорезисторов.
Расчет базы и ширины проволочного тензорезистора производят из следующих предпосылок. Для уменьшения габаритных размеров датчика необходимо уменьшать базу тензорезистора. Однако при заданном сопротивлении и материале тензорезистора уменьшение базы приводит к увеличению ширины, и при этом все большая часть проволоки оказывается нерабочей, что приводит к снижению коэффициента чувствительности. Поэтому отношение размера базы тензорезистора к его ширине принимают равным 2-5. Уменьшение ширины тензорезистора возможно за счет сокращения расстояния между отдельными проволочками.
Однако чрезмерное уменьшение этого расстояния приводит к температурному воздействию одной стороны петли тензорезистора на другую, что требует снижения допустимого тока, и , кроме того, ограничено технологическими возможностями намотки тензорезистора. Практически расстояние между проволоками выбирают в 10-20 раз больше диаметра проволоки. Базу тензорезистора можно рассчитать следующим образом.
Если расстояние между проволочками равно t, а отношение базы тензорезистора к его ширине , тогда число витков тензорезистора
(1)
, где - длина тензопроволоки
R - сопротивление тензорезистора,
d - диметр проволоки,
- удельное сопротивление тензопроволоки.
Ширина тензоризистора может быть выражена через число витков и шаг намотки следующим образом
Из уравнения один
И соответственно