Тензометрические датчики

Работа преобразователя тензометрического датчика (тензорези-стора) основана на изменении электрического сопротивления про­водников при упругих деформациях растяжения или сжатия. Они применяются для преобразования деформаций, усилий и напряжений в электрический сигнал. В зависимости от конструк­ции и материала чувствительного элемента тензорезисторы под­разделяются на проволочные, фольговые, полупроводниковые и тензолитовые.

Простейшим проволочным тензорезистором может служить отрезок тонкой проволоки. При деформации детали одновременно будет деформироваться и наклеенная проволока. Изменение элек­тросопротивления ΔR проволоки при ее растяжении или сжатии связано с относительной деформацией ε соотношением

где R — номинальное сопротивление проволоки, Ом; k — коэф­фициент чувствительности.

Коэффициент чувствительности k зависит от вида материала и технологии изготовления преобразователя; его значение опре­деляют экспериментально. Наибольшее распространение полу­чили константан и нихром, для которых k = 1,9…2,1.

Размеры детали часто не позволяют закрепить на ней преоб­разователь в виде прямолинейного отрезка проволоки большой длины. Поэтому промышленность изготовляет тензометрические преобразователи в виде спирали (решетки) из нескольких петель проволоки (рис. 3.10, а). Проволоку 1 наклеивают на подложку 2 из тонкой бумаги или лаковой пленки и сверху наклеивают такую же тонкую бумагу. К проволоке приваривают (или припаивают) выводы 3, выполненные из тонких полосок медной фольги. Недостатком данной конструкции решетки, является чув­ствительность преобразователя к поперечным деформациям. Для устранения этого недостатка петли между рядами заменяют мед­ными перемычками 4 (рис. 3.10, б). Основными параметрами решетки являются: длина l (3 ... 75 мм), ширина а (0,03 ... 10 мм) и радиус закругления r (0,1 ... 0,3 мм).

Проволочные тензорезисторы просты по конструкции, имеют малую массу и невысокую стоимость. Их статическая характе­ристика линейна и реверсивна. К недостаткам проволочных тензорезисторов относятся низкая чувствительность и одноразовость действия. Они подвержены влиянию окружающей среды (темпе­ратура и влага).

Фольговые тензорезисторы по принципу действия и основным параметрам сходны с проволочными преобразователями и отли­чаются только конструкцией решетки (рис. 10, в) и способом ее получения. Для фольговых тензорезисторов применяется фольга толщиной 4 ... 12 мкм из константана, нихрома, титан-алюми­ниевого или золото-серебряного сплавов. Решетку фольговых тензодатчиков получают методом фотолитографии, который позво­ляет изготовлять преобразователи любой конструкции (линейные, розеточные, мембранные и т. п.) с высокой повторяемостью пара­метров. Фольговые тензорезисторы по сравнению с проволочными имеют ряд преимуществ. Они более чувствительны и точны за счет лучшей передачи деформации от детали к фольге, имеют хоро­ший механический контакт с контролируемой деталью и позво­ляют пропускать через фольгу большой ток.

В настоящее время находят все большее применение полупро­водниковые тензопреобразователи, изготовленные из полупровод­никовых материалов — кремния, германия, мышьяка, галия и др.

В отличие от проволочных и фольговых преобразователей изме­нение сопротивления при деформации у полупроводниковых происходит благодаря изменению удельного сопротивления.

Основным преимуществом полупроводниковых преобразова­телей является высокая чувствительность (почти в 100 раз выше, чем у проволочных). Они имеют большой выходной сигнал, что позволяет в некоторых случаях отказаться от применения уси­лителя. Однако у них большой разброс параметров и низкая механическая прочность, т. е. они хрупки.

3.3.5. Фотоэлектрические датчики

Принцип действия преобразовате­лей фотоэлектрических датчиков (фотоэлементов) основан на использовании фотоэлектрического эффекта, т. е. они реагируют на изменение светового потока. Создание фотоэлектрических преобразователей оказалось возмож­ным, когда были открыты материалы, электроны которых полу­чают дополнительную энергию при воздействии световой энергии. Причем значение дополнительной энергии может быть таково, что часть электронов оказывается свободной.

В зависимости от поведения электронов, высвобождающихся под действием светового потока, различают три группы фотоэле­ментов: с внешним и внутренним фотоэффектом и с запирающим слоем (вентильные).

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (рис. 3.11, а) представляет собой вакуумную двухэлектродную лампу. Катод 1 образован светочувствительным слоем (цезий или сплав сурьмы с цезием) и нанесен на внутреннюю поверхность лампы, а анод 2 выпол­няется в виде кольца или пластины. Нередко в лампу вводят некоторое количество нейтрального газа (аргона), который не окисляет поверхность металла, но способен ионизироваться под ударами летящих электронов и увеличивать за счет своих ионов значение протекающего тока. Под действием световой энергии с поверхности выбиваются электроны, образующие электрический ток (внешний фотоэффект). Промышленность выпускает фото­элементы следуюших типов: ЦГ — цезиевый газонаполненный; СЦВ — сурьмяно-цезиевый, вакуумный; ЦВ — цезиевый, вакуум­ный.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом обладают высокой чувствительностью и высокой температурной стабильностью. Для них характерна линейная зависимость фототока от светового потока. К числу недостатков рассмотренных фотоэлементов, ко­торые ограничивают их применение в автоматических системах управления, относятся: необходимость в повышенном напряжении питания; хруп­кость стеклянного баллона; старение и утомляемость, т. е. снижение чувствительности при сильной освещенности. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) чувствительнее элементов первого типа, использующих фотоэффект со свободной поверхности металла. Фотоэлементы с вну­тренним фотоэффектом не нуждаются во вспомогательной энер­гии, и им может быть придана весьма разнообразная и очень удобная форма. Недостатками их являются: подверженность влия­нию окружающей температуры, утомляемость и высокая инер­ционность. Последнее ограничивает применение фотоэлементов с внутренним фотоэффектом при частоте прерывания светового потока в несколько десятков герц.

Фоторезисторы (рис. 3.11, б) представляют собой стеклянную пластинку 1 с нанесенным тонким слоем селена или сернистых соединений различных металлов (таллия, висмута, кадмия, свин­ца). К пластине прикреплены электроды 2. имеющие контакт с полупроводниковым слоем. Размеры фоторезисторов очень не­велики. При подаче к электродам напряжения через фоторезистор будет протекать ток, значение которого пропорционально осве­щенности. Зависимость тока от освещения имеет нелинейную величину. Однако чувствительность фоторезисторов в сотни раз превышает чувствительность вакуумных элементов, что позволяет их использовать в автоматических устройствах без усилителей.

У вентильных преобразователей свободные электроны, изме­няя свою энергию под действием светового потока, остаются в веществе. В промышленности получили наибольшее распро­странение селеновые и меднозакисные фотоэлементы.

Селеновый фотоэлемент (рис. 3.11, в) имеет четыре рабочих слоя. Первый слой образован тонкой пленкой золота 1, далее идут запирающий слой 2, селеновый слой 3 и стальная подкладка 4. Запирающий слой, обладая детекторным свойством, пропускает электроны, выделившиеся из пленки золота, и препятствуют про­хождению электронов противоположного направления. Таким образом, световой поток, проходя через пленку золота, создает вентильный фотоэффект, т. е. электроны из освещенного слоя переходят в неосвещенный. Это приводит к возникновению раз­ности потенциалов U_вых. Фотоэлектрические преобразователи просты по устройству и достаточно надежны в работе, однако они более инерционны.

1. Азбель В.О. и др. Гибкое автоматическое производство . – Л.: «Машиностроение», 1983. – 376 с.

2. Бауман В.А., Быховский И.И. Вибрационные машины и процессы в строительстве. – М.: Высшая школа, 1977. – 255 с.

3. Белоусов А.П. и др. Автоматизация процессов в машиностроении. – М.: «Высш. школа», 1973. – 456 с.

4. Блехман И.И., Джанелидзе Г.Ю. Вибрационное перемещение. – М.: Наука, 1964. – 410 с.

5. Бовсуновский Я.И., Свечников Л.В. Механизация и автоматизация контрольных операций в машиностроении и приборострении. – М.-К.: Машгиз, 1961. 318 с.

6. Бочков В.М., Сілін Р.І. Обладнання автоматизованого виробництва. – Львів: Видавництво Державного університету “Львівська політехніка”, 2000. – 380 с.

7. Буда Я.Я. и др. Автоматизация процессов машиностроения. – М.: «Высшая школа», 1991. – 480 с.

8. Владзиевский А.П. Автоматические линии в машиностроении. Кн. І. – М.: Машгиз, 1958. – 430 с.

9. Владзиевский А.П., Белоусов А.П. Основы автоматизации производства в машиностроении. – М.: «Высшая школа», 1974. – 352 с.

10. Волчкевич Л.И. и др. Автоматы и автоматические линии. Ч.1 – М.: Высшая школа, 1976. – 230 с.