Тензорезистивні ВП

Принцип дії тензорезисторів оснований на явищі тензоефекту — зміні величини активного опору провідникових і напівпровідникових матеріалів під дією прикладених до них механічних напруг.

Тензоефект різних матеріалів при деформації розтягнення або стискання характеризується коефіцієнтом тензочутливості

image001image002

де   image003 image004image002[1]

(image005R — приріст опору при зміні довжини l на величину image005[1]l) ; Е — модуль пружності матеріалу ; s — механічна напруга.

Коефіцієнт тензочутливості показує, в скільки разів відносна зміна опору dR більше його відносної деформації dl.

Коефіцієнт тензочутливості пов’язаний з деформацією матеріалу і його питомим опором такими виразами :

image006

image007 image008

де m -коефіцієнт Пуасона ; dr — відносний приріст питомого опору r матеріалу при деформації; Dd — величина поперечної деформації, d — поперечний розмір матеріалу (круглого або квадратного перерізу).

Коефіцієнт тензочутливості для металів, які найбільш часто використовуються в тензорезисторах, наближений до двох. Так, наприклад, для константана 2, для ніхрома 2,2, для хромеля 2,5.

Більш високою тензочутливістю, ніж метали, володіють напівпровідникові матеріали (германій, кремній). Так, наприклад, для германія КТ»100. Однак напівпровідникові матеріали характеризуються малою механічною міцністю і більш низькою стабільністю порівняно з металами.

Тензорезистори, що виготовляються з металів, розподіляються на дротяні та фольгові. Вони застосовуються для вимірювання деформації та напруги в механічних конструкціях, а також в якості чутливих елементів в манометрах, динамометрах, витратомірах і т.п.

Дротяний тензорезистор (рис. 2.2.13, а) виконується з дроту діаметром 0,002¸0,05 мм з високим питомим опором (константан, ніхром, елінвар, едванс та ін.), який укладається  у вигляді частих петель на тонкому папері чи ізоляційній плівці і приклеюється до неї.

image009

Кінці дроту мають виводи, за допомогою яких тензорезистор підключається до вимірювальної схеми.

Тензорезистор наклеюється на поверхню дослідної деталі таким чином, щоб його поздовжня вісь була розташована в напрямку вимірюваної деформації деталі, тобто щоб можливі деформації деталей проходили вздовж петель резистора. Це дозволяє точніше вимірювати лінійні деформації.

Характеристика управління дротяних тензорезисторів в межах пружної деформації близька до лінійної і визначається виразом

image010

Її лінійність досягає 0,1%.

Чутливість дротяного тензорезистора

image011

Для збільшення чутливості дротяних тензорезисторів необхідно обирати матеріали з високим коефіцієнтом тензочутливості КТ, великим питомим опором r і малою площею поперечного перерізу s.

Похибки дротяних тензорезисторів залежать від зміни температури, опору ізоляції, вологостійкості, якості наклеювання та наявності поперечної деформації (для наклеюваних перетворювачів). Зміни температури можуть нести особливо великі похибки. Це пов’язано як зі зміною питомого опору тензорезистора, так і з появою додаткових механічних напруг через різницю температурних розширень матеріалів тензорезисторів та деталі, деформація якої вимірюється. Тому часто застосовують тензорезистори з дротом із константану, що володіє малим температурним коефіцієнтом опору.

Максимальний струм через дротяний тензорезистор обмежується допустимою потужністю, що визначається виразом P £ mq sох Dq, де mq – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(см2∙град); sох – площа поверхні охолодження обмотки, см2; Dq = q q0 max – дозволене перевищення температури обмотки при нагріві її струмом, град. В даному випадку поверхня охолодження

image012

де p i l — відповідно периметр і довжина дроту тензорезистора.

Зазвичай для дротяних тензорезисторів максимальний струм складає величину порядка декількох десятків міліампер.

Дротяні тензорезистори виконуються з опором 10¸1000 Ом і мають розміри основи 2¸100 мм. Найбільше подовження тензорезистора в процесі вимірювання не повинно перевищувати меж пружної деформації. Зазвичай відносне подовження складає близько 1%.

До переваг дротяних тензорезисторів слід віднести незначну вагу і розміри, малу інерцію, відсутність гістерезису, а до недоліків – відносно невисоку чутливість і можливість використання для випробувань тільки однієї деталі.

Фольговий тензорезистор (рис. 2.2.13, б), в принципі, аналогічний дротяному. Лише гратка його виконана з константанової фольги товщиною порядка 10 мкм . Малюнок гратки вибирають таким, щоб можна було знизити похибку через поперечну деформацію, котра в фольгових тензорезисторах практично дорівнює нулю. Фольгові тензорезистори можуть пропускати більший струм, ніж дротяні; це обумовлено великою площею поперечного перерізу провідника при тих самих розмірах резистора і великою тепловіддачею, оскільки гратка примикає до досліджуваної деталі більшою поверхнею, що поліпшує умови теплообміну.

Напівпровідникові тензорезистори мають ряд суттєвих переваг: їх чутливість в 50-60 раз перевищує чутливість дротяних, розміри суттєво менші, рівень вихідного сигналу в ряді випадків достатній для використання без складних і дорогих підсилювачів. Основною їх відмінністю від дротяних є велика (до 50%) зміна опору тензоперетворювача при деформації.

До недоліків напівпровідникових тензорезисторів слід віднести малі механічну міцність і гнучкість. Велику тензочутливість цих тензорезисторів реалізувати виявляється дуже складно через нелінійність характеристики, високу чутливість до впливів зовнішніх умов і істотного розкиду параметрів від зразка до зразка.

Васюра А.С. – книга “Елементи та пристрої систем управління автоматики”

Оставьте комментарий к статье