Принцип работы тензорезистора – Тензорезисторы – конструкция, принцип действия

Тензорезисторы

ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение
высокого и стабильного качества
промышленной продукции является в
настоящее время одной из основных
проблем, на решение которой направлены
усилия коллективов ученых, конструкторов
и технологов.

В рамках этой
проблемы важное место занимают прочностные
испытания образцов техники. Для измерения
напряжений или величин деформаций в
деталях машин и элементах конструкций
используют резистивные, струнные и
индуктивные первичные преобразователи
в сочетании с измерительными схемами
включения и преобразования информации.

Из названных выше
первичных преобразователей в практике
наиболее часто находят применение
тензорезисторы.

Простота конструкции,
малые масса и габариты позволяют
использовать тензорезисторы для
измерения сил, давлений, вращающих
моментов, ускорений и других величин,
преобразуемых в упругую деформацию в
труднодоступных местах различных машин
и механизмов без изменения конструкций.

Определение и
принцип работы тензорезистивных
преобразователей.

Тензорезисторами
называют преобразователи, осуществляющие
преобразование механических деформаций
в изменение электрического сопротивления,
т.е. преобразователи, основанные на
тензоэффекте.

Как следует из
определения, измерения деформаций с
помощью тензорезисторов основано на
тензоэффекте. Тензоэффектом называется
свойство проводниковых и полупроводниковых
материалов изменять электропроводность
(электрическое сопротивление) при
изменении объёма или напряжённого
состояния.

У полупроводников
материалов тензоэффект связан со
значительным изменением удельного
сопротивления; знак тензоэффекта зависит
от типа проводимости полупроводникового
материала, а величина – от
кристаллографического направления.
Наиболее сильно тензорезистивный эффект
выражен в полупроводниковых кристаллах
германия и кремния. Для создания
полупроводниковых тензорезистивных
элементов применяются преимущественно
кремний, поскольку он, по сравнению с
германием, имеет более высокую
тензочувствительнотсть, большую
механическую прочность и выдерживает
более высокие температуры. Тензометрические
свойства кремния анизотропны и зависят
от кристаллографических направлений.
Наибольшей тензочувствительностью
обладают тензорезисторы, у которых
направление деформации совпадает с
кристаллографическим направлением.

Основные
параметры и характеристики тензорезисторов.

Тензорезисторы
характеризуются рядом параметров,
основными из которых являются:

— тензочувствительность
Sт;

— номинальное
сопротивление R;

— допустимая
деформация Едоп;

— погрешность
преобразования.

Для обоих видов
тензочувствительных материалов,
проводниковых и полупроводниковых,
тензоэффект характеризуется величиной
тензочувствительности, устанавливающей
связь между относительным изменением
сопротивления и относительной деформацией
в направлении измерений [1,2].

Тензочувствительность
материала характеризуется зависимостью

ST
=
=1+2
, [1]

где
;
R;
ΔR;
Δ
— длина и сопротивление тензочувствительного
элемента и их приращение в следствии
деформации;

m
— коэффициент эластосопротивления,
равный m
=υΕм
;

Εм
— модуль
упругости образца тензочувствительного
материала;

υ
– продольный коэффициент пьезосопротивления.

В формуле члены
1+2
определяют зависимость величины ST от изменения
геометрии, а последний член – от изменения
свойств материала образца. Для металлов
m
составляет небольшую долю от величины
1+2.
Для полупроводниковых материалов,
наоборот, m>
1+2,
и для них без особой ошибки можно считать,
что ST≈ m.
Коэффициент Пуассона для металлов и
сплавов, из которых изготовляют
тензорезисторы, в области упругих
деформаций лежит в пределах 0,24 – 0,42.
Учитывая, что m
0, получаем величину ST=1,48÷1,84, т.е.
значение коэффициента тензочувствительности
проволочных и и фольговых преобразователей
близко к двум. У полупроводниковых
материалов μ и mдостигают
нескольких десятков, а поэтому ST=50÷100. Важным
свойством полупроводниковых тензорезисторов
является практически линейная зависимость
сопротивления от деформации и температуры,
поэтому отпадает необходимость применения
специальных средств для компенсации
нелинейности.

Номинальное
сопротивление тензорезистора –
сопротивление между его выводами при
заданной температуре окружающей среды
в отсутствии механических нагрузок.

Величины номинального
сопротивления проволочных и фольговых
тензорезисторов находятся в пределах
10–800 Ом, полупроводниковых – 50–
50000 Ом.

Одной из важных
характеристик тензорезисторов является
допустимая деформация Едоп.
Её превышение приводит к появлению
остаточных деформаций и даже обрыву
проволочных проводников и разрушение
пластины полупроводниковых преобразователей.
Для тензорезисторов Едоп
=3÷5∙10-3.

Максимально
возможное изменение сопротивления
преобразователей составляет:

у проволочных и
фольговых при Sт=2

=
Sт
Едоп
= 2∙3∙10-3
=0,6% [2]

у полупроводниковых
при Sт=100

=30%.

Вследствие малости
относительного изменения сопротивления
проволочных и фольговых преобразователей
возникает необходимость включения их
в специальные схемы, предусматривающие
усиление сигнала и компенсацию изменения
сопротивления R в зависимости от других
факторов. Полупроводниковые тензорезисторы
имеют большой динамический диапазон
изменения сопротивления и поэтому могут
вырабатывать значительный сигнал, не
требующий усиления.

Погрешности
измерения тензорезисторами

возникают за счёт следующих основных
факторов:

— влияния температуры
преобразователя на его сопротивление
и линейное расширение;

— ползучести
характеристики, т.е. её изменения,
вызываемого остаточными деформациями
в преобразователи при длительном
действии значительных по величине
нагрузок, близких к допустимым;

— невоспроизводимости
характеристики преобразования при
нагрузке и разгрузке;

— изменения крутизны
характеристики преобразования от
времени из-за старения материалов,
особенно из-за изменения свойств клеящих
компонентов;

— снижения
чувствительности при увеличении частоты
деформаций, когда длина распространяющейся
в детали звуковой волны деформации
становятся соизмеримой с базой
преобразователя.

Наиболее существенное
влияние на величину погрешности имеет
первый фактор. Изменение сопротивления
преобразователя от изменения температуры
соизмеримо с изменением сопротивления
от действия деформации. Температура
тензорезистора зависит от температуры
окружающей среды и величины тока,
протекающего через резистор. Изменения
температуры должно учитываться при
обработки результатов путём введения
коррекций или, что более желательно,
автоматической компенсацией температурной
погрешности. Для снижения температурной
погрешности используют несколько путей:

— выбирают материал
для тензорезистора с малым температурным
коэффициентом линейного расширения,
близким к коэффициенту расширения
детали;

— применяют
компенсационные преобразователи,
располагаемые в непосредственной
близости от однотипного рабочего, но
не подвергаемы действию деформации;

— используют
самокомпенсирующие тензорезисторы,
состоящие из двух частей. Одна часть
обладает положительным температурным
коэффициентом сопротивления, вторая –
отрицательным. Правильным подбором
величин и температурных коэффициентов
сопротивлений частей датчика добиваются
высокой степени компенсации температурной
погрешности. Особенно широкое применение
такой способ нашёл при изготовлении
полупроводниковых тензорезисторов.

Основная погрешность
выпускаемых в настоящее промышленностью
проволочных и фольговых тензорезисторов
при компенсации температурной погрешности
не превышает 1%.

Конструкция
тензорезисторов.

В технике измерения
неэлектрических величин тензорезисторы
используются по двум направлениям.

Первое направление
– использование тензоэффекта проводника,
находящегося в состоянии объёмного
сжатия, когда естественной входной
величиной преобразователя является
давление окружающего его газа или
жидкости. На этом принципе строятся
манометры для измерения высоких и
сверхвысоких давлений, преобразователи
которых представляют собой катушку
провода (обычно манганинового) или
полупроводниковый элемент (чаще всего
германиевый или кремниевый), помещённые
в область измеряемого давления (жидкости
или газа). Выходной величиной преобразователя
является изменение его активного
сопротивления.

Второе направление
– использование тензоэффекта
растягиваемого или сжимаемого
тензочувсвительного материала. При
этом тензорезисторы применяются в виде
«свободных» преобразователей и в виде
наклеиваемых.

«Свободные»
преобразователи выполняются в виде
одной или ряда проволок, закреплённых
по концам между подвижной и неподвижной
деталями и, как правило, выполняющих
одновременно роль упругого элемента.
Естественной входной величиной таких
преобразователей является весьма малое
перемещение подвижной детали.

Устройство наиболее
распространённого типа наклеиваемого
проволочного тензорезистора изображено
на рисунке 1. На полоску тонкой бумаги
или лаковую плёнку 2 наклеивается так
называемая решётка из зигзагообразно
уложенной тонкой проволоки 3 диаметром
0,02 – 0,05 мм. К концам проволоки
присоединяются (пайкой или сваркой)
выводные медные проводники 4. Сверху
преобразователь
покрывается слоем лака 1. Такой
преобразователь, будучи приклеенным к
испытуемой детали, воспринимает
деформации её поверхностного слоя.
Таким образом, естественной входной
величиной наклеиваемого тензопреобразователя
я

Рисунок 1

вляется деформация поверхностного
слоя детали, на которую он наклеен, а
выходной – изменение сопротивления
преобразователя, пропорциональное этой
деформации.

Измерительной
базой преобразователя является длина
детали, занимаемая проволокой. Наиболее
часто используется преобразователи с
базами 5 – 20 мм, обладающие сопротивлением
30 – 500 Ом.

Кроме наиболее
распространённой петлевой конструкции
проволочных тензорезисторов, существуют
и другие. При необходимости уменьшения
измерительной базы преобразователя
(до 3 – 1 мм) его изготовляют двухслойным
так называемым витковым способом,
который заключается в том, что на оправке
круглого сечения на трубку из тонкой
бумаги наматывается спираль из
тензочувсвительной проволоки. Затем
эта трубка проклеивается, снимается с
оправки, расплющивается и к концам
проволоки прикрепляются выводы.

Когда надо подучить
от цепи с тензорезистором ток большой
величины, часто используют «мощные»
проволочные тензорезисторы.

Они состоят из
большого числа (до 30 – 50) параллельно
соединенных проволок, отличаются
большими габаритами (длина базы 150 –
200 мм) и развивают мощность, достаточную
для вибратора осциллографа без
использования усилителей .

Фольговые
преобразователи представляют собой
весьма тонкую ленту из фольги толщиной
4 – 12 мкм, на которой часть металла
выбрана травлением таким образом, что
оставшаяся его часть образует показанную
на рисунке 2 решётку с выводами.

В

Рисунок 2

последние годы появился ещё один
способ массового изготовления
тензорезисторов, заключающийся в
вакуумной возгонке тензочувсвительного
материала и последующей конденсации
его на подложку. Такие тензорезисторы
получили название плёночных.

Для изготовления
плёночных тензорезисторов, помимо
металлических материалов (например,
титаноалюминиевый сплав 48Т-2, обеспечивающий
измерение деформаций до 12% при коэффициенте
тензочувствительности порядка 0,2),
используется также целый ряд
полупроводниковых материалов, например
германий, кремний (k=100÷120) и др.

При изготовлении
фольговых и плёночных преобразователей
можно предусмотреть любой рисунок
решётки, что является существенным их
достоинством.

Полупроводниковые
тензорезисторы
могут быть
изготовлены непосредственно вырезанием
из полупроводникового материала. Однако
возможны и другие пути. Можно выращивать
монокристаллы в виде «усов» путём
конденсации паров, но получающиеся при
этом тензорезисторы имеют большой
разброс по размерам и свойствам.
Выращивание дендритных кристаллов
позволяет получить более однородные
тензорезисторы. Таким способом получают
тензорезисторы, предназначеные для
наклеивания на упругий элемент. Клей
или цемент в этом случае исполняет роль
изолятора. Наклеиваемые тензорезисторы
не получили широкого применения, потому
что склейка не позволяет получить
безгистерезисные соединения.

Для получения
наклеиваемых тензорезисторов используются
диффузная или эпитаксиальная технология.
В обоих случаях электрическая изоляция
тензорезистора обеспечивается большим
сопротивлением p-n
перехода.

Тензорезисторы
образуются за счёт локальной диффузии
примесей в подложку. При этом тип
электрической проводимости тензорезистивных
плёнок должен быть противоположен типу
электрической проводимости подложки.
Обычно маской является оксидная плёнка,
в которой методом фотолитографии
вытравливаются окна соответствующих
размеров.

Температура и
длительность процесса диффузии определяют
толщину и сопротивление получаемых
тензорезисторов.

В качестве подложек
применяется сапфир или шпинель. Подложка
из монокристаллического сапфира обладает
исключительными упругими свойствами.
Сапфир весьма прочен, имеет высокую
стойкость к агрессивным средам. В вакууме
сапфир хорошо спаивается с металлами
твёрдыми припоями.

На точность
измерения деформаций и напряжений
тензорезисторами большое влияние
оказывает изменение температуры. Однако
мостовая цепь позволяет довольно легко
исключить температурные погрешности.
С этой целью в соседнее с датчиком плечо
моста включается второй тензорезистор,
также расположенный на детали, но в
таком направлении, что измеряемая
деформация не изменяет его сопротивления.
В некоторых случаях преобразователи
можно разместить на детали так, что они
будут находиться при одинаковой
температуре, но испытывать деформации
разного знака. При этом наряду с
термокомпенсацией в два раза повышается
чувствительность преобразования.

Заключение.

Тензорезисторами
называют преобразователи, осуществляющие
преобразование механических деформаций
в изменение электрического сопротивления.
Простота конструкции, малые масса и
габариты позволяют использовать
тензорезисторы для измерения сил,
давлений, вращающих моментов, ускорений
и других величин, преобразуемых в упругую
деформацию в труднодоступных местах
различных машин и механизмов без
изменения конструкций.

Контрольные
вопросы.

  1. Дайте определение
    тензорезистора.

  2. Укажите какие
    физические величины позволяют измерять
    тензорезисторы.

  3. Назовите основные
    типы используемых тензорезисторов и
    их конструктивных исполнений.

  4. Перечислите
    основные параметры и характеристики
    тензорезисторов.

  5. Дайте сравнительную
    оценку проводниковым и полупроводниковым
    тензорезисторам.

  6. Перечислите
    основные погрешности измерения
    тензорезисторами и способы устранения
    их влияния.

10

studfiles.net

Тензорезисторы определение и принципы работы

Что такое деформация?


Внешнее усилие, прикладываемое к упругому материалу, создает механическое напряжение, которое, в свою очередь, вызывает деформацию материала. В случае, если приложено усилие растяжения, длина материала L увеличивается и становится равной L + ΔL. Отношение ΔL к L, т.е. ΔL/L, называется деформацией. С другой стороны, если приложено усилие сжатия, длина L уменьшается до значения L-ΔL. В этом случае деформация равна (-ΔL/L).

Что такое тензорезистор?


Электрическое сопротивление металла изменяется пропорционально механической деформации, вызванной приложенным к металлу внешним усилием. При креплении тонкого слоя металла к объекту измерения поверх тонкого слоя диэлектрика, металл деформируется в зависимости от деформации объекта измерения и изменения его электрического сопротивления. Таким образом, тензорезистор — это чувствительный элемент, преобразующий собственную деформацию в изменение электрического сопротивления.

Конструкция тензорезистора


Тензорезистор состоит из решетки, выполненной из тонкой проволоки или металлической фольги, уложенной на изоляционную подложку, и подсоединенных выводов тензорезистора.

Принцип работы тензорезистора


При деформации объекта измерения эта деформация передается резистивной проволоке или резистивной фольге тензорезистора через его основание (подложку). В результате сопротивление проволоки или фольги изменяется. Это изменение точно пропорционально деформации,что отражает следующее уравнение:



Если R=R1=R2=R3=R4, сопротивление тензорезистора, из-за деформации, меняется и становится равным R+ΔR. Таким образом, изменение выходного напряжения Δe из-за деформации задается следующим выражением:


При измерении деформации с помощью тензорезистора, он подключается к измерительному прибору, называемому тензометром. Тензометр содержит мост Уитстона и подает напряжение возбуждения. Измеренное значение деформации отображается на цифровом дисплее и/или выводится в виде аналоговых сигналов.


На нашем сайте Вы можете купить (заказать) качественные японские тензорезисторы от производителя, аксессуары и химию (клеи и защитные покрытия) для тензорезисторов с отличным соотношением цена-качество. Для этого отставьте заявку на обратный звонок и наши специалисты свяжутся с вами в ближайшее время или напишите нам сообщение. В комментарии можно указать, какие модели тензорезисторов вы бы хотели заказать.

www.tmljp.ru

25-26 Определение и принцип работы тензорезистивных преобразователей.

Тензорезисторами
называют преобразователи, осуществляющие
преобразование механических деформаций
в изменение электрического сопротивления,
т.е. преобразователи, основанные на
тензоэффекте. У полупроводников
материалов тензоэффект связан со
значительным изменением удельного
сопротивления; знак тензоэффекта
зависит от типа проводимости
полупроводникового материала. Наиболее
сильно тензорезистивный эффект выражен
в полупроводниковых кристаллах германия
и кремния. Для создания полупроводниковых
тензорезистивных элементов применяются
преимущественно кремний, поскольку
он, по сравнению с германием, имеет
более высокую тензочувствительнотсть,
большую механическую прочность и
выдерживает более высокие температуры.

Основные
параметры и характеристики тензорезисторов.


тензочувствительность k;


номинальное сопротивление R;


допустимая деформация Едоп;


погрешность преобразования.

Тензочувствительность
материала характеризуется зависимостью

;;k
=

=,
коэф. тензочувсвтвительности

коэф. Пуассона материала
В формуле
члены 1+2определяют зависимость величиныk от изменения
геометрии, а последний член – от
изменения свойств материала образца.
Для металлов <1+2.Для
полупроводниковых материалов

> 1+2,

и для них без особой ошибки можно
считать, что k≈ .
Коэффициент Пуассона лежит в пределах
0,24 – 0,42. Учитывая, что≈ 0, получаем величинуk=1,48÷1,84, т.е.
значение коэффициента тензочувствительности
проволочных и и фольговых преобразователей
близко к двум. У полупроводниковых k=100÷120.

Номинальное
сопротивление тензорезистора –
сопротивление между его выводами при
заданной температуре окружающей среды
в отсутствии механических нагрузок.

Величины
номинального сопротивления проволочных
и фольговых тензорезисторов находятся
в пределах 10–800 Ом, полупроводниковых
– 50– 50000 Ом.

Погрешности
измерения тензорезисторами

возникают за счёт следующих основных
факторов:


влияния температуры преобразователя
на его сопротивление и линейное
расширение;


ползучести характеристики, т.е. её
изменения, вызываемого остаточными
деформациями в преобразователи при
длительном действии значительных по
величине нагрузок, близких к допустимым;


невоспроизводимости характеристики
преобразования при нагрузке и разгрузке;


изменения крутизны характеристики
преобразования от времени из-за старения
материалов, особенно из-за изменения
свойств клеящих компонентов;


снижения чувствительности при увеличении
частоты деформаций, когда длина
распространяющейся в детали звуковой
волны деформации становятся соизмеримой
с базой преобразователя.

Требования
к тензорезисторам:

  1. Высокий
    коэф. чувствительности

  2. Наименьший
    ТКС

  3. Постоянство
    свойств материала

  4. Большое
    удельное сопротивление

27. Проволочные тензорезисторы

Устройство
наиболее распространённого типа
наклеиваемого проволочного тензорезистора
изображено на рисунке 1. На полоску
тонкой бумаги или лаковую плёнку 2
наклеивается так называемая решётка
из зигзагообразно уложенной тонкой
проволоки 3 диаметром 0,02 – 0,05 мм. К
концам проволоки присоединяются (пайкой
или сваркой) выводные медные проводники
4. Сверху преобразователь покрывается
слоем лака 1. Такой преобразователь,
будучи приклеенным к испытуемой детали,
воспринимает деформации её поверхностного
слоя. Таким образом, естественной
входной величиной наклеиваемого
тензопреобразователя является деформация
поверхностного слоя детали, на которую
он наклеен, а выходной – изменение
сопротивления преобразователя,
пропорциональное этой деформации.

Измерительной
базой преобразователя является длина
детали, занимаемая проволокой. Наиболее
часто используется преобразователи с
базами 5 – 20 мм, обладающие сопротивлением
30 – 500 Ом.

Когда
надо получить от цепи с тезопреобразователем
ток большой величины, часто используют
“мощные” проволочные тензопреобразователи.
Они состоят из большого числа (до 30 –
50) параллельно соединенных проволок,
отличаются большими габаритами (длина
базы 150 – 200 мм) и дают возможность
значительно увеличить пропускаемый
через преобразователь ток (рисунок 2).

Проволочные
датчики имеют малую поверхность связи
с образцом (основанием), что уменьшает
токи утечки при высоких температурах
и дает большее напряжение изоляции
между чувствительным элементом и
образцом.

Недостатки

  1. с
    увеличением числа витков появляется
    поперечная тензочувствительность

  2. ограниченная
    рассеиваемая мощность

studfiles.net

4.2.2. Тензорезисторные преобразователи

Принцип действия и конструкция.
Тензорезисторный преобразователь
(тензорезистор) представляет собой
проводник, изменяющий свое сопротивление
при деформации сжатия – растяжения.
При деформации проводника изменяются
его длина
l и площадь поперечного
сеченияQ. Деформация кристаллической
решетки приводит к изменению удельного
сопротивления.
Эти изменения приводят к изменению
сопротивления проводника

(4.66)

Этим свойством обладают в большей или
меньшей степени все проводники. В
настоящее время находят применение
проводниковые (фольговые, проволочные
и пленочные) и полупроводниковые
тензорезисторы. Наилучшим отечественным
материалом для изготовления проводниковых
тензорезисторов, используемых при
температурах ниже 180 С, является константант. Зависимость
сопротивленияRот относительной
деформацииес достаточной точностью
описывается линейным двучленом

(4.67)

где R0– сопротивление
тензорезистора без деформации;ST– тензочувствительность материала.

Тензочувствительность константана
лежит в пределах 2,0 – 2,1. Нелинейность
функции преобразования не превышает
1%.

Фольговые тензорезисторы представляют
собой тонкую лаковую пленку, на которую
нанесена фольговая тензочувствительная
решетка из константана толщиной 4 –
12мкм (рис. 4.12). Решетка сверху покрыта
лаком. Фольговые тензорезисторы
нечувствительны к поперечной деформации
вследствие малого сопротивления
перемычек, соединяющих тензочувствительные
элементы.

Проволочный тензорезистор имеет
аналогичное устройство, но его решетка
выполнена из константановой проволоки
толщиной 20 – 50 мкм. По метрологическим
и эксплуатационным характеристикам
проволочные преобразователи уступают
фольговым.

Фольговые и проволочные тензорезисторы
обычно имеют длину 5 – 20 мм, ширину 3 –
10 мм. Их номинальное сопротивление равно
50, 100, 200, 400 и 800 Ом. Параметры тензорезисторов
общего назначения регламентирует ГОСТ
21616-76.

Полупроводниковые тензорезисторы
представляют собой пластинку монокристалла
кремния или германия длиной 5 – 10 мм,
шириной 0,2 – 0,8 мм. К ее торцам приварены
выводные проводники. Номинальное
сопротивление лежит в пределах 50 – 800
Ом. Свойства полупроводниковых и
металлических преобразователей сильно
различаются. Чувствительность
полупроводниковых преобразователей
может быть как положительной, так и
отрицательной и лежит в пределах ST
= 55
130. Как
сопротивление, так и чувствительность
сильно зависят от температуры. Недостатком
является также большой разброс параметров
и характеристик.

Тензорезисторы применяются для
преобразования деформации деталей в
изменение сопротивления. Для этого
они приклеиваются к этим деталям и
испытывают одинаковые с ними деформации.

Схемывключения. Наиболее часто
тензорезисторные преобразователи
включаются в схему неравновесного моста
(рис. 4.13,
а).

Если сопротивление нагрузки R н
достаточно велико (режим холостого
хода), то выходное напряжение моста

(4.68)

где U – напряжение питания. В качествеR1иR2включаются
одинаковые тензорезисторы.

При отсутствии измеряемой деформации
их сопротивления равны: R10
= R
20 = R0. Кроме того, обычно выбираютR3
= R
4. В этом случае, когда
деформация тензорезистора отсутствует
(e = 0), Ux = 0.

При деформации тензорезисторов, когда
е0 иR1
R2, выходное напряжение моста пропорционально
разности сопротивлений тензорезисторов:

(4.69)

Мостовая цепь является дифференциальной,
следовательно, в ней компенсируются
аддитивные погрешности. С применением
мостовой цепи тензорезисторные приборы
строятся по дифференциальной схеме
первого или второго типа.

При использовании дифференциальной
схемы первого типа, т.е. при R1
= R
0 +
R
иR2 = R0,
выходное напряжение цепи и чувствительность
в режиме холостого хода

(4.70)

При использовании дифференциальной
схемы второго типа, когда R1
= R
0 +
R
иR2 = R0
R,
выходное напряжение и чувствительность
в режиме холостого хода увеличиваются
вдвое:

(4.71)

При R нвыходное напряжение и чувствительность
меньше полученных значений.

Выходное напряжение тензорезисторного
моста обычно не превышает 10 – 20мВ. Для
дальнейшего преобразования такое
напряжение без усиления использовать
трудно. Поэтому в тензорезисторных
приборах обычно используются усилители.

Если напряжение питания моста Uне
стабилизировано, то при его вариациях
возможна мультипликативная погрешность.
Для ее исключения используется
компенсационный метод измерения
выходного напряжения моста. Принципиальная
схема тензорезисторного прибора типа
КСТЗ, в котором реализован этот метод
и который предназначен для использования
в силоизмерительных и весоизмерительных
системах, приведена на рис. 4.13,б.

Мост М1 включает в
себя два или четыре тензорезистора.
Вследствие технологического разброса
значений их сопротивлений мост не
уравновешен и имеет некоторое выходное
напряжение. При нулевом значении
измеряемой величины это напряжение
компенсируется с помощью мостаМ2
подстроечными резисторамиR1иR2. Результирующее
напряжениеU пропорционально
измеряемой величине. МостМ3
служит для компенсации этого
напряжения. Его выходное напряжениеU
к
включено встречно напряжениюU. Разность напряженийU – U к
усиливается усилителемАи подается
на реверсивный двигательРД. При
этом ротор двигателя, вращаясь, через
редукторР перемещает движок реохордаR3и указатель прибора
относительно шкалы. Перемещение движка
реохорда производится так, чтобы
уменьшалась разностьU – U к
.
Ротор останавливается, когдаU –
U
к = 0, при этом движок реохорда
занимает положение, соответствующее
значению напряженияU а указатель
прибора – положение, соответствующее
значению измеряемой величины.

Мосты М12,M3
питаются от одного источника
переменного напряжения, от различных
обмоток трансформатора. При нестабильности
источника питания напряженияU1,
U
2, U3 изменяются
пропорционально и равенствоU= U
к не нарушается. Не изменяется и показание
прибора. Основная погрешность измерения
составляет

0,5% от нормирующего значения, равного
2 Rmax,
гдеRmax– максимальное значение приращения
сопротивления плеча моста.

Погрешность тензорезисторных
преобразователей.
Тензорезисторы
могут использоваться либо для измерения
механических напряжений и деформаций,
либо для измерения других механических
величин: сил, давлений, ускорений и
проч., когда деформация является
промежуточной величиной преобразования.
В первом случае для градуировки
тензорезисторов из партии отбирают
несколько штук и они наклеиваются на
образцовую балку. С помощью гирь в балке
создают определенные деформациие.
По значениям деформаций и соответствующим
им сопротивлениям рассчитывается
чувствительность наклеенных тензорезисторов

(4.72)

Это значение принимается в качестве
номинального для всей партии.
Чувствительность других тензорезисторов
той же партии может отличаться от
номинальной на 2 – 10%.

Во втором случае тензорезисторы являются
постоянными преобразователями датчика.
Отклонение их чувствительности от
номинального значения учитывается при
градуировке прибора, и результирующая
погрешность прибора значительно меньше,
чем в первом случае, и находится в
пределах 0,2 – 0,5%.

Погрешность может возникнуть вследствие
температурных изменений сопротивления
преобразователя. При изменении температуры
оно изменяется как вследствие изменения
удельного сопротивления материала, так
и вследствие изменения натяжения из-за
различных температурных коэффициентов
удлинения тензорезистора ти деталид, на которую он наклеен. Полное
изменение сопротивления

(4.73)

где R0– сопротивление
тензорезистора при нормальной температуре;S– его чувствительность;температурный коэффициент
сопротивления;t– изменение температуры.

Температурный коэффициент сопротивления
константана можно изменять, изменяя
его термообработку. Благодаря этому
тензорезисторы можно изготавливать
так, чтобы при наклейке на определенный
материал его сопротивление не зависело
от температуры. Такие тензорезисторы
называются термокомпенсированными.

Температурная погрешность проводниковых
тензорезисторов в основном имеет
аддитивный характер. Для ее компенсации
используются дифференциальные схемы.
При измерении механических напряжений
применяют схему первого типа с двумя
или четырьмя тензорезисторами. Рабочие
тензорезисторы наклеивают на исследуемую
деталь вдоль ожидаемой деформации, а
компенсационные – поперек нее. При
измерении других величин, например
силы, используется дифференциальная
схема второго типа. При этом на
силоизмерительную пружину с разных
сторон наклеивают два тензорезистора,
так что при изгибе пружины под действием
силы один из них растягивается, другой
– сжимается. В обоих случаях температурные
условия и температурные изменения
сопротивлений тензорезисторов одинаковы.
Тензорезисторы включаются в смежные
плечи моста, и это компенсирует
температурную погрешность. Для увеличения
чувствительности на силоизмерительную
пружину можно наклеить четыре
тензорезистора, причем преобразователи,
воспринимающие деформации одного знака,
должны включаться в противоположные
плечи моста.

В тензорезисторных приборах высокой
точности и для получения датчиков с
унифицированными характеристиками,
чтобы обеспечить их взаимозаменяемость,
применяются мостовые схемы с нормирующими
резисторами (рис. 4.14, a) . На приведенной
схемеR1 – R4– тензорезисторы;R
иR
– резисторы, служащие для балансировки
моста;R т1 и R
т1 – термозависимые резисторы
для компенсации аддитивной температурной
погрешности;
R ч и R
ч – резисторы, изменяя
сопротивления которых, можно регулировать
чувствительность датчика

R т2иR
т2– термозависимые резисторы,
с помощью которых компенсируется
температурное изменение чувствительности;R ш и R вых
резисторы, служащие для регулирования
входного и выходного сопротивлений
моста.

Фольговые нормирующие резисторы
показаны на рис. 4.14,
б.
Они сделаны так, что, обрывая ту или иную
перемычку на фольговой решетке, можно
изменять значение сопротивления и тем
самым регулировать параметры и
характеристики тензорезисторного моста
и прибора в целом. Резисторы
R
б
и R ч изготовлены
из константановой фольги,
R
т1
– из медной, R т2
– из никелевой. При использовании
мостовых схем с нормирующими резисторами
погрешность датчиков с фольговыми
тензорезисторами снижается до 0,03 –
0,05%, а у датчиков с полупроводниковыми
тензорезисторами – до 0
,1%.

studfiles.net

1.3 Принцип работы тензорезистора.

Из закона Гука,
напряжение:

где, E
– модуль упругости,

– относительная деформация.

Сопротивление
проводника рассчитывается по формуле:

где:

– удельное
сопротивление,
– длина,S-
поперечное сечение.

Величина
чувствительности:

В рабочей зоне
тензоризистора его сопротивление
изменяется на очень малую величину.

Как известно,
температура достаточно сильно влияет
на удельную проводимость всех материалов,
это в полной мере касается и материалов,
из которых изготовлен тензодатчик.

Для компенсации
изменения проводимости в зависимости
от температуры применяется схема
подключения, по типу резисторного моста,
когда один из тензорезисторов не
установлен на модели, а находится от
неё на небольшом расстоянии, что позволяет
учесть изменение температуры окружающей
среды.

1)

2)

1.4. Устройство тарировочного стенда.

1 — тензодатчики;

2 — балка;

3 — червячный
механизм;

4 — индикатор
часового типа;

5 — опоры, передающие
нагрузку с червячного механизма;

6 — опоры;

7 — станина.

Состав тарировочного
стенда:

— ЭВМ — предназначена
для получения результатов от измерительной
системы, их записи и дальнейшей обработке;

— Распаячная коробка
— служит для согласования подключения
тензорезисторов к измертельному
оборудованию, а также для установки
элементов термокомпенсации.;

— Измерительное
оборудование — предназначено для
измерения и преобразования сигналов с
датчиков — из аналоговой в цифровую.;

— Комплект датчиков
(тензорезисторов) — предназначен для
преобразования измерительной величины
(механического напряжения) в параметры
электрической цепи.

Параметры балки
были сняты с модели путем измерения
штангенциркулем и линейкой и имеют
следующие значения: a=0,03м;
b=0.006м;
l=0.365м
(см рисунок 1.2.)

рис.
1.2.

1.5. Расчет коэффициента k

Расчетная схема:

Коэффициент k
устанавливает зависимость между
перемещением и напряжением:

1.6. Определение тарировочного коэффициента

Расчет для группы
№5

Балке последовательно
передавались перемещения 0.5, 1(мм) на
нагрузку и разгрузку. Результаты, снятые
с ЭВМ приведены в таблице:

Перемещение,
мм

0

-37

43

0,5

2830

-2828

1

5543

-5532

0,5

2822

-2838

0

46

-30

Далее определяется
зависимость напряжения для каждого
перемещения от полученных параметров:

0,0005

0,001

0,0005

2830

5543

2822

-2828

-5532

-2838

2,31·

2,31·

Из полученных
значений находим среднее:

Вычислив значения
К для всех групп, выбираем из средний
результат:

2. Эксперимент

2.1. Принцип работы стенда

Испытательный
стенд состоит из нижней (1) и верхней (6)
рам, двух опорных плит (2), двух тумб (5),
установленных на верхней раме, и двух
нагрузочных устройств (3) рычажного
типа, смонтированных на тумбах, с
соотношением плеч каждого рычага 1:40.
Нагружение модели (9) осуществляется
подвешиванием грузов (4) на штангу рычага.
Вес каждого груза — 20 Н, а максимальное
количество грузов, подвешиваемых на
одну штангу — 10. Таким образом, нагрузка
на модель может меняться ступенчато.
Для крепления индикаторов перемещения
на верхней и нижней рамах стенда имеются
кронштейны (8) с зажимами.

studfiles.net

Введение 2 Определение и принцип работы

ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ

СОДЕРЖАНИЕ

тензорезистивных
преобразователей.
2

Основные параметры
и характеристики тензорезисторов.
3

Расчёт тензорезисторов.

5

Конструкция
тензорезисторов.
9

Схемы включения
тензорезисторов.
12

Заключение

16

Контрольные
вопросы.
16

Литература

17

Введение

Обеспечение
высокого и стабильного качества
промышленной продукции является в
настоящее время одной из основных
проблем, на решение которой направлены
усилия коллективов ученых, конструкторов
и технологов.

В рамках этой
проблемы важное место занимают прочностные
испытания образцов техники. Для измерения
напряжений или величин деформаций в
деталях машин и элементах конструкций
используют резистивные, струнные и
индуктивные первичные преобразователи
в сочетании с измерительными схемами
включения и преобразования информации.

Из названных выше
первичных преобразователей в практике
наиболее часто находят применение
тензорезисторы.

Простота конструкции,
малые масса и габариты позволяют
использовать тензорезисторы для
измерения сил, давлений, вращающих
моментов, ускорений и других величин,
преобразуемых в упругую деформацию в
труднодоступных местах различных машин
и механизмов без изменения конструкций.

Определение и принцип работы тензорезистивных преобразователей.

Тензорезисторами
называют преобразователи, осуществляющие
преобразование механических деформаций
в изменение электрического сопротивления,
т.е. преобразователи, основанные на
тензоэффекте.

Как следует из
определения, измерения деформаций с
помощью тензорезисторов основано на
тензоэффекте. Тензоэффектом называется
свойство проводниковых и полупроводниковых
материалов изменять электропроводность
(электрическое сопротивление) при
изменении объёма или напряжённого
состояния.

У полупроводников
материалов тензоэффект связан со
значительным изменением удельного
сопротивления; знак тензоэффекта зависит
от типа проводимости полупроводникового
материала, а величина – от
кристаллографического направления.
Наиболее сильно тензорезистивный эффект
выражен в полупроводниковых кристаллах
германия и кремния. Для создания
полупроводниковых тензорезистивных
элементов применяются преимущественно
кремний, поскольку он, по сравнению с
германием, имеет более высокую
тензочувствительнотсть, большую
механическую прочность и выдерживает
более высокие температуры. Тензометрические
свойства кремния анизотропны и зависят
от кристаллографических направлений.
Наибольшей тензочувствительностью
обладают тензорезисторы, у которых
направление деформации совпадает с
кристаллографическим направлением.

studfiles.net

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о