Резистивные тензодатчики

Резистивный тензодатчик (тензорезистор) – это измерительный преобразователь, который изменяет свое сопротивление в результате деформации, возникающей при перемещении контролируемого объекта.

Принцип работы тензодатчика основан на том, что при растяжении провода его сопротивление увеличивается в связи с уменьшением поперечного сечения. Кроме того, поскольку при деформации изменяется кристаллическая структура материала привода, может также изменяться и его удельное сопротивление. Оба эффекта приводят к относительному изменению сопротивления

где – коэффициент Пуассона;

– относительное изменение длины;

– относительное изменение диаметра;

– относительное изменение удельного сопротивления.

Первый член в правой части соответствует геометрическим изменениям, второй – изменению удельного сопротивления при деформации (так называемый пьезорезистивный эффект)

Для сравнения рабочих характеристик различных тензочувствительных материалов, вводится коэффициент тензочувствительности материала (чувствительность к деформации).

Для большинства металлов коэффициент Пуассона равен » 0,3; поэтому G ³ 1,6.

Полупроводниковые материалы имеют коэффициент тензочувствительности в 50 – 70 раз больше, чем для металлов. Однако полупроводниковые материалы обладают также большим температурным коэффициентом сопротивления, что ухудшает их характеристики по сравнению с металлами.

Конструктивно тензодатчики выполняются двух типов: свободные и приклеиваемые.

Свободный тензодатчик (рис. 11.2) представляет собой провод, протянутый в изолирующей среде, например в воздухе, между двумя точками деформируемого объекта.

Рисунок 11.2 – Конструкция свободного тензодатчика из четырех тензоэлементов, образующих мостовой преобразователь

При перемещении движущейся части относительно его неподвижной части два датчика удлиняются и два других – укорачиваются. Приклеиваемый тензодатчик жестко закрепляется на деформируемой поверхности (приклеивается). В качестве тензочувствительного элемента используется металлическая проволока, фольга или полоска полупроводника.

На рис. 11.3 приведена схема тензоэлемента с использованием приклеиваемых тензоэлементов.

Рисунок 11.3 – Схема тензодатчика

Нелинейность таких тензодатчиков примерно 1 %. Поскольку относительное изменение сопротивления при деформации довольно мало (обычно не более 1 %), учет влияния температурных изменений при разработке и использовании тензодатчиков очень важен. Изменение температуры приводит к изменению сопротивления датчика и вызывают деформацию из-за различных температурных коэффициентов расширения материалов датчика и контролируемой структуры.

Один из наиболее эффективных способов температурной компенсации – использовании сбалансированного моста на четырех тензоэлементах. Если реализация такой схемы невозможна, используется два тензоэлемента – один активный и второй компенсирующий.

На рис. 11.4 показана упрощенная функциональная схема измерительной системы с использованием четырех тензоэлементов для измерения изгиба тонкой балки (два двухэлементных датчика закреплены на противоположных поверхностях балки). Система включает в себя мостовую схему на четырех тензоэлементах, источник питания моста, усилитель и АЦП. Выходной сигнал АЦП подается на персональный компьютер (ПК).

Рисунок 11.4 – Измерительная система с тензометрическим мостом