Тензометрические датчики

(тензорезисторы)

Принцип действия тензорезисторов (TP) основан на явлении

тензоэффекта — изменении активного электрического сопротив-

ления проводниковых и полупроводниковых материалов при дефор-

мации под воздействием механических усилий. Связь между измене-

нием сопротивления тензорезистора и его деформацией устанавли-

вается соотношением

где ∆R/ R — относительное изменение сопротивления тензорезисто-

ра; ∆l/l — относительное изменение его длины; S_t — коэффициент

тензочувствительности, определяемый материалом ТР.

Тензочувствительность считается положительной, если ∆R/R> О,

и отрицательной, если ∆R/R< 0.

Металлы, используемые для изготовления тензорезисторов (кон-

стантан, нихром, хромель), имеют значение SТ = 2,0 ...2,5. Провод-

никовые тензорезисторы бывают двух видов: проволочные и фольго-

вые. Они используются в основном для измерения деформаций и

напряжений в механических конструкциях. Проволочный тензоре-

зистор выполняется из проволоки диаметром 0,02 ... 0,05 мм, которая

наклеивается на бумагу или изоляционную пленку в виде петель и

покрывается лаком; концы проволоки с помощью выводов подклю-

чаются к измерительной схеме. Тензорезистор наклеивается на по-

верхность детали так, чтобы длинная сторона петель (база датчика)

совпадала с направлением измеряемой деформации. Длина петель

составляет обычно 5... 20 мм; сопротивление тензорезистора —

30... 500 Ом. Изменение сопротивления, вызванное деформацией,

очень мало (от тысячных до десятых долей ома), поэтому для его из-

мерения используются мостовые схемы, причем тензорезисторы

включаются в два или четыре плеча измерительного моста. Статиче-

ская характеристика тензорезистора определяется выражением

где Ru — начальное сопротивление тензорезистора (при отсутствии

деформации); σ — измеряемая деформация.

Знак в формуле (2.18) зависит от вида деформации: «+» — для рас-

тяжения и «-» — для сжатия.

Фольговый TP аналогичен проволочному, но его решетка выпол-

нена из константановой фольги прямоугольного сечения толщиной

4... 12 мкм. Такие тензорезисторы обеспечивают большую точность

преобразования, так как на них не сказываются поперечные дефор-

мации.

К достоинствам проводниковых тензорезисторов относятся: про-

стота конструкции, малые габариты, возможность измерения механи-

ческих параметров статических и динамических процессов; к недо-

статкам — невысокая чувствительность, большая температурная

погрешность, требующая специальных схем компенсации, одноразовость

использования (при снятии с детали тензорезистор разрушается).

Полупроводниковые тензорезисторы имеют ряд преимуществ

перед проводниковыми, прежде всего гораздо большую чувствитель-

ность (в 50... 60 раз). Однако малая механическая прочность, нели-

нейность статической характеристики, сильное влияние внешних

условий и большой разброс параметров внутри одинаковой партии

долго ограничивали их применение. И только после того как появи-

лась возможность изготавливать тензорезистор непосредственно на

кристаллическом элементе, выполненном из диэлектрика, чаще все-

го сапфира, полупроводниковые тензорезисторы стали исключитель-

но популярными. Такая монокристаллическая структура получила

название «кремний на сапфире» — КНС. Сапфировая мембрана об-

ладает упругими свойствами, приближающимися к идеальным. Сцеп-

ление кремниевых тензорезисторов с мембраной за счет молекуляр-

ных сил позволяет отказаться от использования клеящих материалов

и улучшить метрологические характеристики преобразователей.

Планарная технология позволяет одновременно формировать в по-

лупроводнике тензорезисторы, элементы термокомпенсации и ми-

кроэлектронный блок обработки сигнала. Тензорезисторы мостовой

схемы можно располагать на мембране так, что при деформации они

будут иметь разные по знаку приращения сопротивления, что повы-

шает чувствительность тензодатчика в целом. Более подробно эти

датчики будут рассмотрены в гл. 5.

Контрольные вопросы

1. В изменение какой величины преобразуется механическое перемещение

в индуктивных датчиках?

2. В чем заключается основное различие между индуктивными и взаимо-

индуктивными (трансформаторными) датчиками?

3. Какие виды емкостных датчиков вы знаете?

4. На какие группы подразделяются индукционные датчики?

5. Для контроля каких параметров насосно-компрессорного оборудования

можно использовать вихретоковые датчики?

6. Одной из областей использования вихретоковых датчиков является тол-

щинометрия — определение толщины слоя диэлектрика на металличе-

ском основании. Можно ли использовать ВТД для измерения слоя ме-

таллизации на диэлектрическом основании?

7. Почему пьезоэлектрические датчики нельзя использовать для измере-

ния статических величин?

8. С какой целью в пьезодатчиках используют несколько пьезопластин,

соединенных параллельно?

9. В чем заключаются особенности тензорезисторного датчика структуры

КНС?

Гл а в а 3