Тензорезисторные преобразователи

Принцип действия тензорезистора основан на явлении тензоэффекта, заключающегося в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации. В судовых системах контроля в основном применяются проводниковые тензорезисторы. Под воздействием внешней силы происходит деформация проводника как в направлении действия силы, так и в перпендикулярном направлении. Деформация в направлении действия силы в области упругих деформаций происходит в соответствии с законом Гука

ε_l = Δl/l = σ/Е, (2.7)

где ε_l – относительная продольная деформация;

l – длина проводника;

Δl – изменение длины в результате деформации;

σ – механическое напряжение в проводнике;

Е – модуль упругости (механическая х-ка материала).

Относительная поперечная деформация проводника прямо пропорциональна относительной продольной деформации, но имеет противоположный знак (так как если тело растягивают, поперечное сечение сжимается):

ε_l = – μ ε_п (2.8)

где μ – коэффициент Пуассона.

Активное сопротивление проводника при неизменной его температуре определяется из выражения R = ρl/S. Изменение сопротивления проводника под воздействием внешней силы обусловлено изменением всех трех переменных:

(2.9)

Относительное изменение сопротивления

(2.10)

Тензоэффект различных материалов характеризуется коэффициентом тензочувствительности, который равен

(2.11)

Для металлов и ряда сплавов (константан, нихром) k_т близок к 2.

Для увеличения чувствительности тензорезисторов выбирают материалы с высоким коэффициентом тензочувствительности, большим удельным сопротивлением и малым поперечным сечением. Наибольшее применение в тензорезисторах нашел константан. Он имеет незначительный температурный коэффициент сопротивления, что уменьшает погрешность, вызванную колебаниями температуры. В тензорезисторах, изготовленных из константана, в широком диапазоне сохраняется линейная зависимость между относительной деформацией и изменением сопротивления. Для работы при повышенных температурах рекомендуется изготовлять тензорезисторы из нихрома.

Проводниковые тензорезисторы разделяются на проволочные и фольговые. Обычно проволочный тензорезистор (рис. 2.3, а) представляет собой тонкую тензочувствительную проволоку, уложенную зигзагообразно между двумя электроизоляционными подложками. К концам проволоки присоединяются выводы. Для изготовления тензорезисторов применяют проволоку диаметром 0,01–0,05 мм.

Проволочные тензорезисторы выполняются с сопротивлением 10–1000 Ом и имеют размеры 2–100 мм.

Фольговые тензорезисторы (рис. 2.3, б) аналогичны проволочным. Решетка выполняется из фольги толщиной 0,004–0,012 мм. Эта решетка закрепляется между пленками из лака. Фотохимический способ изготовления позволяет создать любой рисунок решетки, что является существенным преимуществом фольговых тензорезисторов. Фольговые тензорезисторы имеют бóльшую площадь поперечного сечения проводника при тех же размерах резистора, поэтому они могут пропускать больший ток, чем проволочные тензорезисторы. Максимальная сила тока проводниковых тензорезисторов достигает нескольких десятков миллиампер.

Для измерения деформации тензорезистор наклеивается на поверхность контролируемой части механизма таким образом, чтобы его продольная ось совпадала с направлением измеряемой деформации. Тензорезистор, прикрепленный к контролируемому объекту, является датчиком деформации. Свойства тензорезисторного датчика зависят не только от самого тензорезистора, но и от качества его закрепления, осуществляемого обычно приклеиванием с помощью органических веществ, которые отверждаются благодаря полимеризации. Приклеива­ние тензорезисторов приводит к тому, что тензорезисторные датчики представляют собой датчики разового действия, т.е. могут быть использованы один раз и не подлежат демонтажу и вторичной установке.

Для преобразования выходного сигнала применяются две измерительные схемы тензорезисторных преобразователей: потенциометрическая и мостовая.

Потенциометрическая схема (рис. 2.4, а) питается от источника постоянного тока и используется при измерении динамических деформаций. Переменная составляющая напряжения поступает на усилитель переменного тока.

Усилитель необходим, потому что измерения с помощью тензодатчиков требуют регистрации очень малых изменений сопротивления. Например, относительное изменение сопротивления, вызываемое относительным растяжением 0,0005 при тензорезистивном коэффициенте, равном 2, составит 0,1%. Такого же порядка относительное изменение напряжения на тензорезисторе.

Изменение сопротивления тензорезисторов при колебании температуры внешней среды оказывает большое влияние на работу преобразователя. При измерении динамических деформаций температурный дрейф исключается благодаря конденсатору.

При измерении статических деформаций обычно применяют мостовую схему (рис. 2.4, б). При таком включении происходит компенсация температурной погрешности; для этого достаточно двух тензорезисторов (например, R3 и R4). Если же во все четыре плеча моста включены терморезисторы, причем два из них работают на растяжение (например, R1 и R4) и два – на сжатие (R2 и R3), то чувствительность увеличивается в четыре раза.

Общепринятого стандарта для питания моста не существует. Типовыми являются напряжения 3 – 10 В. Ток через тензодатчик обычно составляет от 2 мА до 30 мА для датчиков с сопротивлением от 1 кОм до 120 Ом. Напряжение питания моста должно быть по возможности большим, чтобы увеличить отношение сигнала к шуму, и в то же время достаточно малым, чтобы минимизировать погрешность, вызванную саморазогревом датчика.

Кроме проволочных и фольговых тензорезисторов получили распространение пленочные тензорезисторы, в которых тензочувствительный материал наносится на пленку путем вакуумной возгонки и последующей конденсации на пленку.

В настоящее время широкое применение находят тензорезисторы, изготовленные из полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы имеют кристаллическую структуру. В результате приложения к полупроводниковому кристаллу напряжения в определенном направлении происходит изменение средней подвижности зарядов, что обусловливает изменение удельного сопротивления.

Основными достоинствами полупроводниковых тензорезисторов, отличающими их от проводниковых, являются весьма малые размеры, высокий коэффициент тензочувствительности, высокий уровень выходного сигнала датчиков. Однако по сравнению с проводниковыми тензорезисторами характеристики полупроводниковые отличаются меньшей линейностью. Температуру внешней среды оказывает значительно большее влияние на сопротивление полупроводниковых тензорезисторов и его коэффициент тензочувствительности, а разброс параметров в одной партии доходит до ±20%.

Наряду с дискретными тензорезисгорами находят применение интегральные полупроводниковые тензорезисторы (ИПТ).

Для их изготовления используется технология микроэлектроники. На подложке выращивается несколько тензорезисторов, образующих мостовую схему (рис. 2.4, б). За счет соответствующего размещения на подложке тензорезисторы R1 и R4 обладают одним знаком тензочувствительности, а R2 и R3 – противоположным. Подложка ИПТ выполняется из кремния или сапфира. В датчике с ИПТ подложка служит упругим элементом.

Упругие элементы из кристаллических материалов обладают лучшей ли­нейностью и меньшим гистерезисом по сравнению с металлическими.

Применение методов интегральной микроэлектроники при изготовлении ИПТ привело к росту их надежности, чувствительности, точности и стабильности при изменении температуры окружающей среды. Интегральные тензорезисторы выполняются в виде КНК-структур (кремний на кремний) и КНС-структур (кремний на сапфире).

Датчики с КНС-структурами обладают более высокой стабильностью характеристик и применяются при тяжелых условиях работы. Вместе с тем ИПТ с КНК-структурами имеют экономические преимущества.

Тензорезисторные преобразователи нашли применение в датчиках крутящего момента и давления.