Тензорезистор это – Тензорезисторы – конструкция, принцип действия

Содержание

Тензорезистор — Howling Pixel

Тензорези́стор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации[1]. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов[2]. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Принцип действия

При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — уменьшает.

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10−3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры или прецизионные усилители или прецизионные усилители + АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

Полупроводниковый тензорезистор обладает гораздо большей чувствительностью из-за изменения свойств полупроводникового материала при деформации.[3]

Электромеханические параметры

Чувствительность

Чувствительность тензорезистора характеризуется безразмерным параметром — коэффициентом тензочувствительности Kf,{\displaystyle K_{f},} который определяется как:

Kf=ΔR/R0ϵ,{\displaystyle K_{f}={\frac {\Delta R/R_{0}}{\epsilon }},}

где:

  • ΔR{\displaystyle \Delta R} — абсолютное изменение сопротивления, вызванное деформацией, Ом;
  • R0{\displaystyle R_{0}} — начальное сопротивление недеформированного тензорезистора, Ом;
  • ϵ{\displaystyle \epsilon } — относительная деформация.

Относительная деформация определяется как:

ϵ=ΔL/L0,{\displaystyle \epsilon =\Delta L/L_{0},}

где

  • ΔL{\displaystyle \Delta L} — абсолютное изменение длины, м;
  • L0{\displaystyle L_{0}} — длина недеформированного тензорезистора, м.

Для плёночных металлических тензорезисторов параметр Kf{\displaystyle K_{f}} слабо зависит от деформации и немного превышает 2[4].

При включении тензорезистора в мост Уитстона, в котором остальные 3 резистора постоянны (не имеют возможности регулирования сопротивления), выходное напряжение диагонали этого моста выражается формулой:

v=Vb⋅Kf⋅ϵ4,{\displaystyle v={\frac {V_{b}\cdot K_{f}\cdot \epsilon }{4}},}

где:

  • Vb{\displaystyle V_{b}} — напряжение питания моста, В.

Типичные значения коэффициента тензочувствительности для разных материалов приведены в таблице.

Материал Коэффициент тензочувствительности
Металлическая фольга 2-5
Тонкая металлическая плёнка (например, константановая) 2
Монокристаллический кремний От −125 до +200
Поликристаллический кремний ±30
Тонкоплёночные резистивные материалы 100

Температурный коэффициент

При изменении температуры изменяется сопротивление тензорезистора, не связанное с деформацией. Это является вредным побочным эффектом. Через коэффициент тензочувствительности относительное изменение сопротивления выражается формулой:

ΔRR=Kf⋅ε+α⋅θ,{\displaystyle {\frac {\Delta R}{R}}=K_{f}\cdot \varepsilon +\alpha \cdot \theta ,}

где:

Электрическая схема подключения тензорезистора

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного тока (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора R2{\displaystyle R_{2}} производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствие приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

При выполнении соотношения R1R2=RxR3{\displaystyle {\frac {R_{1}}{R_{2}}}={\frac {R_{x}}{R_{3}}}} напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление Rx{\displaystyle R_{x}} (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов Rx{\displaystyle R_{x}} и R3{\displaystyle R_{3}} (точки B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления Rx{\displaystyle R_{x}} может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения деформации. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора R3{\displaystyle R_{3}} включают такой же тензорезистор, как и Rx{\displaystyle R_{x}}, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления, вызванного изменением температуры, равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие полезные сервисные функции.

Конструкция

Обычно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника, нанесённого на гибкую подложку. Тензорезистор приклеивается подложкой на поверхность исследуемого на деформации объекта. Проводники тензорезисторов обычно изготавливаются из тонкой металлической проволоки, фольги, или напыляются в вакууме для получения плёнки полупроводника или металла. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, полимерную плёнку, слюду и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь тензорезистор имеет выводные проволочные концы или контактные площадки.

Плёночные металлические тензорезисторы имеют площадь около 2‑10 мм2.

Применение

Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей в тензометрах и тензостанциях при измерениях механических величин (деформации, силы, крутящего момента, перемещения, также, для измерения давления в манометрах и пр.)

См. также

Примечания

  1. ↑ Словарь по естественным наукам. Глоссарий.ру — «Тензорезистор» (недоступная ссылка с 14-06-2016 [1138 дней])
  2. ↑ Лабораторная работа: «Применение тензорезисторов для измерения усилий» Архивировано 22 октября 2008 года.. Донецкий национальный технологический университет. 2002
  3. ↑ Тензорезистивный эффект — Физическая энциклопедия
  4. ↑ Strain Gage: Sensitivity

Ссылки

Болометр

Боло́метр (др.-греч. βολή — луч и μέτρον — мера) — тепловой приёмник излучения, чаще всего оптического (а именно — ИК-диапазона). Был изобретён Самуэлем Пирпонтом Лэнгли в 1878 году.

Вариконд

Варико́нд (англ. vari(able) — переменный и англ. cond(enser) — конденсатор) — электрический конденсатор, ёмкость которого нелинейно изменяется в широких пределах в зависимости от напряжения, приложенного к его обкладкам.

В качестве изолятора в варикондах применяется специальная керамика, обладающая свойствами сегнетоэлектрика или параэлектрика. Диэлектрическая проницаемость такого материала значительно изменяется при изменении напряжённости электрического поля, в котором он находится. С увеличением напряжения диэлектрическая проницаемость (а, значит, и ёмкость конденсатора) растёт до определённого значения, а затем снижается. Вариконды выпускаются с номинальной ёмкостью от 10 пФ до десятых долей микрофарада. Ёмкость варикондов может изменяться в 4…8 раз.

Вариконды применяют в усилителях переменного и постоянного токов, умножителях частоты, стабилизаторах напряжения и других устройствах.

Преимущества варикондов — высокая механическая прочность и влагоустойчивость. Недостатки — нестабильность ёмкости, ограниченный диапазон рабочих частот и температур.

Гибридная микросхема

Гибридная интегральная схема (гибридная микросхема, микросборка, ГИС, ГИМС) — интегральная схема, в которой наряду с элементами, неразъёмно связанными на поверхности или в объёме подложки, используются навесные микроминиатюрные элементы (транзисторы, конденсаторы, полупроводниковые диоды, катушки индуктивности, вакуумные электронные приборы, кварцевые резонаторы и др.). В зависимости от метода изготовления неразъёмно связанных элементов различают гибридные, плёночную и полупроводниковую интегральные схемы.

Резисторы, контактные площадки и электрические проводники в ГИС изготовляют либо последовательным напылением на подложку различных материалов в вакуумных установках (метод напыления через маски, метод фотолитографии — ГИС тонкоплёночной технологии), либо нанесением их в виде плёнок (химические способы, метод шёлкографии и др. — ГИС толстоплёночной технологии).

Величины плёночных резисторов могут быть скорректированы в процессе производства с помощью лазерной подгонки (лазерное воздействие локально испаряет материал резистора, уменьшая его сечение), что необходимо, например, для создания высокоточных ЦАП и АЦП.

Навесные элементы крепят на одной подложке с плёночными элементами, а их выводы присоединяют к соответствующим контактным площадкам пайкой или сваркой. ГИС, как правило, помещают в корпус и герметизируют. Применение ГИС в электронной аппаратуре повышает её надёжность, уменьшает габариты и массу.

Гибридные МС являются дальнейшим развитием идеи микромодулей — компактных законченных функциональных блоков, собранных на миниатюрных бескорпусных элементах очень плотным монтажом. Микромодули же, в свою очередь, продолжают идеи компактронов — комбинированных радиоламп, содержащих в одном баллоне 3 и более лампы. Ещё до Второй Мировой войны существовали компактроны, в которых сразу были выполнены межэлектродные соединения ламп в нужную схему, а также имелись проволочные резисторы и дроссели, это и были первые микромодули и непосредственные предки гибридных МС.

Наиболее массово выпускаются гибридные интегральные микросхемы кварцевых генераторов.

Датчик нагрузки

Датчик нагрузки — это конвертер, который преобразовывает обычную механическую силу в электрические показания. Преобразование происходит в два этапа: вначале тело датчика деформируется под воздействием механической силы, потом тензорезистор преобразовывает эту силу в электрические сигналы.

Тензорезистор обычно состоит из четырёх сопротивлений, соединенных в мост Уитстона. На выходе электрический сигнал не мощнее нескольких милливольт, поэтому необходимо усилить сигнал с помощью соответствующего усилителя, чтобы этот сигнал можно было использовать в показаниях. Выходной сигнал преобразователя потом обрабатывается специальным алгоритмом, чтобы определить мощность, влияющую на датчик.

КМОП

КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor) — набор полупроводниковых технологий построения интегральных микросхем и соответствующая ей схемотехника микросхем. Подавляющее большинство современных цифровых микросхем — КМОП.

В более общем случае — КМДП (со структурой металл-диэлектрик-полупроводник). В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов в одной локации кристалла; вследствие меньшего расстояния между элементами КМОП-схемы обладают более высокой скоростью действия и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки.

По аналогичной технологии выпускаются дискретные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET, metal-oxide-semiconductor field-effect transistor).

Мемристор

Мемри́стор (англ. memristor, от memory — память, и resistor — электрическое сопротивление) — пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять своё сопротивление в зависимости от протекавшего через него заряда (интеграла тока за время работы).

Может быть описан как двухполюсник с нелинейной вольт-амперной характеристикой, обладающий гистерезисом.

Однопереходный транзистор

Одноперехо́дный транзи́стор (двухбазовый диод, ОПТ) — полупроводниковый прибор с тремя электродами и одним p-n переходом. Однопереходный транзистор принадлежит к семейству полупроводниковых приборов с вольт-амперной характеристикой, имеющей участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Оптрон

Оптопара или оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и, как правило, объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.

Подстроечный резистор

Подстро́ечный рези́стор — переменный резистор, пассивный электронный компонент, предназначенный для точной настройки заданных параметров радио- и электронных устройств в процессе их выпуска из производства при настройке после монтажа или в процессе ремонта.

После монтажа параметры работоспособного электронного устройства, как правило, отличаются от заданных параметров, что обусловлено, в основном, неизбежным технологическим разбросом номиналов применённых компонентов, например, обычные постоянные резисторы выпускаются с допуском по сопротивлению в 5 % к их номинальному сопротивлению. В процессе эксплуатации значения параметров устройств также могут выйти за допустимые пределы, что вызвано старением компонентов с изменением номиналов от их начальных значений. Именно для настройки заданных параметров устройств и предназначены переменные подстроечные резисторы.

Обычно эти компоненты устанавливаются внутри корпуса устройства, например, на печатных платах и недоступны для регулировки пользователем при эксплуатации.

В иноязычной технической литературе подстроечные резисторы обычно называют «триммеры».

Пьезоэлектрический излучатель

Пьезоэлектри́ческий излуча́тель, пьезоизлуча́тель — электроакустическое устройство, способное воспроизводить звук, либо излучать ультразвук, благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту.

Реостат

Реоста́т (потенциометр, переменное сопротивление, переменный резистор; от др.-греч. ῥέος «поток» и στατός «стоя́щий») — электрический аппарат, изобретённый Иоганном Христианом Поггендорфом, служащий для регулировки силы тока и напряжения в электрической цепи путём получения требуемой величины сопротивления. Как правило, состоит из проводящего элемента с устройством регулирования электрического сопротивления. Изменение сопротивления может осуществляться как плавно, так и ступенчато.

Изменением сопротивления цепи, в которую включён реостат, возможно достичь изменения величины тока или напряжения. При необходимости изменения тока или напряжения в небольших пределах реостат включают в цепь параллельно или последовательно. Для получения значений тока и напряжения от нуля до максимального значения применяется потенциометрическое включение реостата, являющего в данном случае регулируемым делителем напряжения.

Использование реостата возможно как в качестве электроизмерительного прибора, так и прибора в составе электрической или электронной схемы.

Тензометрический датчик

Тензометрический датчик (тензодатчик; от лат. tensus — напряжённый) — датчик, преобразующий величину деформации в удобный для измерения сигнал (обычно электрический), основной компонент тензометра (прибора для измерения деформаций). Существует множество способов измерения деформаций: тензорезистивный, пьезоэлектрический, оптико-поляризационный, пьезорезистивный, волоконно-оптический, или простым считыванием показаний с линейки механического тензодатчика. Среди электронных тензодатчиков наибольшее распространение получили тензорезистивные датчики.

Тензометрия

Тензометрия (от лат. tensus — напряжённый и греч. μετρέω — измеряю) — совокупность экспериментальных методов определения механического напряжения детали, конструкции. Основана на определении деформаций или других параметров материала, вызванных механическим напряжением (например, двойного лучепреломления или вращения плоскости поляризации света в нагруженных прозрачных деталях).

Приборы для измерения деформаций называются тензометрами. По принципу действия тензометры делятся на электрические, оптические, пневматические, акустические. В состав тензометра входит тензометрический датчик и показывающие устройства (индикаторы) и/или регистрирующие устройства.

Тензометры, предназначенные для измерения деформаций во многих точках исследуемого объекта и снабжённые средствами обработки данных, их регистрации и передачи в качестве сигналов управления, часто называют тензометрическими станциями или тензостанциями.

До 1980-х годов тензостанции представляли собой комплекс самописцев, регистрирующих сигналы многих датчиков на бумажной ленте. Развитие компьютерной техники и применение АЦП изменило облик этой аппаратуры. Стала возможной не только регистрация сигналов тензодатчиков, но и их цифровая обработка в реальном времени, визуализация деформаций на экранах мониторов и автоматическая выдача управляющих сигналов для изменения режима работы тестируемой конструкции, например, для компенсации деформации деталей манипуляторов в станках с ЧПУ, что позволяет повысить точность обработки заготовки.

Терморезистор

Терморези́стор (термистор, термосопротивление) — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры.

Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году.

Терморезисторы изготавливаются из материалов с высоким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который обычно на порядки выше, чем ТКС металлов и металлических сплавов.

Фотодетектор

Фотодатчик или фотодетектор — датчик света или другой электромагнитной энергии.

Фоторезистор

Фоторези́стор — полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом. Не имеет p-n перехода, поэтому обладает одинаковой проводимостью независимо от направления протекания тока.

Явление изменения электрического сопротивления полупроводника, обусловленное непосредственным действием излучения, называют фоторезистивным эффектом, или внутренним фотоэлектрическим эффектом.

Фототиристор

Фототири́стор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, имеющий структуру, схожую со структурой обычного тиристора, но отличающийся от последнего тем, что включается не напряжением, а светом, падающим на тиристорную структуру. Этот прибор применяется в управляемых светом выпрямителях и наиболее эффективен в управлении сильными токами при высоких напряжениях. Скорость отклика на свет — менее 1 мкс. Фототиристоры обычно изготавливают из кремния, и спектральная характеристика у них такая же, как и у других кремниевых фоточувствительных элементов.

Разновидностью фототиристора является оптотиристор, в котором источник света — светодиод из арсенида галлия — интегрирован в одном светонепроницаемом корпусе с кремниевой тиристорной структурой.

Электронные компоненты

Электронные компоненты (радиодетали) — составляющие части электронных схем.

Просторечное название электронных компонентов — «радиодетали» появилось от того, что в начале XX века первым повсеместно распространённым, и при этом технически сложным для неспециалиста электронным устройством, стало радио. Изначально термин «радиодетали» означал электронные компоненты, применяемые для производства радиоприёмников; затем обиходное название распространилось и на остальные радиоэлектронные компоненты и устройства, уже не имеющие прямой связи с радио.

Элемент Пельтье

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель).

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

На других языках


This page is based on a Wikipedia article written by authors
(here).


Text is available under the CC BY-SA 3.0 license; additional terms may apply.


Images, videos and audio are available under their respective licenses.

howlingpixel.com

Тензорезистор Википедия

Тензорези́стор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации[1]. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов[2]. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Принцип действия[ | ]

При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — уменьшает.

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10−3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры или прецизионные усилители или прецизионные усилители + АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

Полупроводниковый тензорезистор обладает гораздо большей чувствительностью из-за изменения свойств полупроводникового материала при деформации.[3]

ru-wiki.ru

Тензорезистор — Википедия

Тензорези́стор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации[1]. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов[2]. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Принцип действия

При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — уменьшает.

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10−3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры или прецизионные усилители или прецизионные усилители + АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

Полупроводниковый тензорезистор обладает гораздо большей чувствительностью из-за изменения свойств полупроводникового материала при деформации.[3]

Электромеханические параметры

Чувствительность

Чувствительность тензорезистора характеризуется безразмерным параметром — коэффициентом тензочувствительности Kf,{\displaystyle K_{f},} который определяется как:

Kf=ΔR/R0ϵ,{\displaystyle K_{f}={\frac {\Delta R/R_{0}}{\epsilon }},}

где:

  • ΔR{\displaystyle \Delta R} — абсолютное изменение сопротивления, вызванное деформацией, Ом;
  • R0{\displaystyle R_{0}} — начальное сопротивление недеформированного тензорезистора, Ом;
  • ϵ{\displaystyle \epsilon } — относительная деформация.

Относительная деформация определяется как:

ϵ=ΔL/L0,{\displaystyle \epsilon =\Delta L/L_{0},}

где

  • ΔL{\displaystyle \Delta L} — абсолютное изменение длины, м;
  • L0{\displaystyle L_{0}} — длина недеформированного тензорезистора, м.

Для плёночных металлических тензорезисторов параметр Kf{\displaystyle K_{f}} слабо зависит от деформации и немного превышает 2[4].

При включении тензорезистора в мост Уитстона, в котором остальные 3 резистора постоянны (не имеют возможности регулирования сопротивления), выходное напряжение диагонали этого моста выражается формулой:

v=Vb⋅Kf⋅ϵ4,{\displaystyle v={\frac {V_{b}\cdot K_{f}\cdot \epsilon }{4}},}

где:

  • Vb{\displaystyle V_{b}} — напряжение питания моста, В.

Типичные значения коэффициента тензочувствительности для разных материалов приведены в таблице.

Материал Коэффициент тензочувствительности
Металлическая фольга 2-5
Тонкая металлическая плёнка (например, константановая) 2
Монокристаллический кремний От −125 до +200
Поликристаллический кремний ±30
Тонкоплёночные резистивные материалы 100

Температурный коэффициент

При изменении температуры изменяется сопротивление тензорезистора, не связанное с деформацией. Это является вредным побочным эффектом. Через коэффициент тензочувствительности относительное изменение сопротивления выражается формулой:

ΔRR=Kf⋅ε+α⋅θ,{\displaystyle {\frac {\Delta R}{R}}=K_{f}\cdot \varepsilon +\alpha \cdot \theta ,}

где:

Электрическая схема подключения тензорезистора

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного тока (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора R2{\displaystyle R_{2}} производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствие приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

При выполнении соотношения R1R2=RxR3{\displaystyle {\frac {R_{1}}{R_{2}}}={\frac {R_{x}}{R_{3}}}} напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление Rx{\displaystyle R_{x}} (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов Rx{\displaystyle R_{x}} и R3{\displaystyle R_{3}} (точки B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления Rx{\displaystyle R_{x}} может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения деформации. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора R3{\displaystyle R_{3}} включают такой же тензорезистор, как и Rx{\displaystyle R_{x}}, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления, вызванного изменением температуры, равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие полезные сервисные функции.

Конструкция

Плёночный тензорезистор. На подложку через фигурную маску в вакууме напылена или сформирована методами фотолитографии плёнка металла. Для подключения электродов выполнены контактные площадки (снизу). Метки облегчают ориентацию при монтаже.

Обычно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника, нанесенного на гибкую подложку. Тензорезистор приклеивается подложкой на поверхность исследуемого на деформации объекта. Проводники тензорезисторов обычно изготавливаются из тонкой металлической проволоки, фольги, или напыляются в вакууме для получения плёнки полупроводника или металла. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, полимерную плёнку, слюду и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь тензорезистор имеет выводные проволочные концы или контактные площадки.

Плёночные металлические тензорезисторы имеют площадь около 2‑10 мм2.

Применение

Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей в тензометрах и тензостанциях при измерениях механических величин (деформации, силы, крутящего момента, перемещения, также, для измерения давления в манометрах и пр.)

См. также

Примечания

Ссылки

wikipedia.green

Тензорезистор — Википедия (с комментариями)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Тензорези́стор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации[1]. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов[2]. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Принцип действия

При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — уменьшается.

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10−3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры или прецизионные усилители или прецизионные усилители + АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

Электромеханические параметры

Чувствительность

Чувствительность тензорезистора характеризуется безразмерным параметром — коэффициентом тензочувствительности <math>K_f,</math> который определяется как:

<math>K_f = \frac{ \Delta R / R_0 }{ \epsilon } , </math>

где:

  • <math>\Delta R</math> — абсолютное изменение сопротивления, вызванное деформацией, Ом;
  • <math>R_0</math> — начальное сопротивление недеформированного тензорезистора, Ом;
  • <math>\epsilon</math> — относительная деформация.

Относительная деформация определяется как:

<math> \epsilon = \Delta L / L_0, </math>

где

  • <math>\Delta L</math> — абсолютное изменение длины, м;
  • <math>L_0</math> — длина недеформированного тензорезистора, м.

Для плёночных металлических тензорезисторов параметр <math>K_f</math> слабо зависит от деформации и немного превышает 2[3].

При включении тензорезистора в мост Уитстона, в котором остальные 3 резистора постоянны (не имеют возможности регулирования сопротивления), выходное напряжение диагонали этого моста выражается формулой:

<math> v = \frac{ V_b \cdot K_f \cdot \epsilon } 4 , </math>

где:

  • <math>V_b</math> — напряжение питания моста, В.

Типичные значения коэффициента тензочувствительности для разных материалов приведены в таблице.

Материал Коэффициент тензочувствительности
Металлическая фольга 2-5
Тонкая металлическая плёнка (например, константановая) 2
Монокристаллический кремний От −125 до +200
Поликристаллический кремний ±30
Тонкоплёночные резистивные материалы 100

Температурный коэффициент

При изменении температуры изменяется сопротивление тензорезистора, не связанное с деформацией. Это является вредным побочным эффектом. Через коэффициент тензочувствительности относительное изменение сопротивления выражается формулой:

<math> \frac{ \Delta R }{ R } = K_f \cdot \varepsilon + \alpha \cdot \theta , </math>

где:

Электрическая схема подключения тензорезистора

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного напряжения (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора <math>R_2</math> производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствие приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

При выполнении соотношения <math>\frac{R_1}{R_2} = \frac{R_x}{R_3}</math> напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление <math>R_x</math> (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов <math>R_x</math> и <math>R_3</math> (точки B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления <math>R_x</math> может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения деформации. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора <math>R_3</math> включают такой же тензорезистор, как и <math>R_x</math>, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления, вызванного изменением температуры, равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие полезные сервисные функции.

Конструкция

Обычно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника, нанесенного на гибкую подложку. Тензорезистор приклеивается подложкой на поверхность исследуемого на деформации объекта. Проводники тензорезисторов обычно изготавливаются из тонкой металлической проволоки, фольги, или напыляются в вакууме для получения плёнки полупроводника или металла. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, полимерную плёнку, слюду и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь тензорезистор имеет выводные проволочные концы или контактные площадки.

Плёночные металлические тензорезисторы имеют площадь около 2‑10 мм2.

Применение

Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей в тензометрах и тензостанциях при измерениях механических величин (деформации, силы, крутящего момента, перемещения, также, для измерения давления в манометрах и пр.)

См. также

Напишите отзыв о статье «Тензорезистор»

Примечания

  1. [slovari.yandex.ru/dict/gl_natural/article/2575/257_5066.HTM Словарь по естественным наукам. Глоссарий.ру — «Тензорезистор»](недоступная ссылка с 14-06-2016 (1150 дней))
  2. Лабораторная работа: «[www.masters.donntu.edu.ua/2002/kita/gerchikov/lib/lib5.htm Применение тензорезисторов для измерения усилий]»(недоступная ссылка с 22-05-2015 (1539 дней)). Донецкий национальный технологический университет. 2002
  3. [www.efunda.com/designstandards/sensors/strain_gages/strain_gage_sensitivity.cfm Strain Gage: Sensitivity]

Ссылки

  • [www.physicum.narod.ru/vol_5/070.pdf Физическая энциклопедия, т. 5 — М.: Большая российская энциклопедия, стр. 70.]
  • [www.autex.spb.ru/download/seminar/sensor99rus/sensor4.pdf Применение тензодатчиков.]
  • [vesovoy.info/view_theory.php?id=8 Конструкция тензорезисторного датчика.]
  • [dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/7857/03-Velykodnyi.pdf Тензоэффект в двухслойных пленках.]
  • [arduino-diy.com/arduino-rezistivnyy-datchik-davleniya Подключение тензорезистора к Arduino]

Отрывок, характеризующий Тензорезистор

– О гвардия! – сказал Ростов. – А вот что, пошли ка за вином.
Борис поморщился.
– Ежели непременно хочешь, – сказал он.
И, подойдя к кровати, из под чистых подушек достал кошелек и велел принести вина.
– Да, и тебе отдать деньги и письмо, – прибавил он.
Ростов взял письмо и, бросив на диван деньги, облокотился обеими руками на стол и стал читать. Он прочел несколько строк и злобно взглянул на Берга. Встретив его взгляд, Ростов закрыл лицо письмом.
– Однако денег вам порядочно прислали, – сказал Берг, глядя на тяжелый, вдавившийся в диван кошелек. – Вот мы так и жалованьем, граф, пробиваемся. Я вам скажу про себя…
– Вот что, Берг милый мой, – сказал Ростов, – когда вы получите из дома письмо и встретитесь с своим человеком, у которого вам захочется расспросить про всё, и я буду тут, я сейчас уйду, чтоб не мешать вам. Послушайте, уйдите, пожалуйста, куда нибудь, куда нибудь… к чорту! – крикнул он и тотчас же, схватив его за плечо и ласково глядя в его лицо, видимо, стараясь смягчить грубость своих слов, прибавил: – вы знаете, не сердитесь; милый, голубчик, я от души говорю, как нашему старому знакомому.
– Ах, помилуйте, граф, я очень понимаю, – сказал Берг, вставая и говоря в себя горловым голосом.
– Вы к хозяевам пойдите: они вас звали, – прибавил Борис.
Берг надел чистейший, без пятнушка и соринки, сюртучок, взбил перед зеркалом височки кверху, как носил Александр Павлович, и, убедившись по взгляду Ростова, что его сюртучок был замечен, с приятной улыбкой вышел из комнаты.
– Ах, какая я скотина, однако! – проговорил Ростов, читая письмо.
– А что?
– Ах, какая я свинья, однако, что я ни разу не писал и так напугал их. Ах, какая я свинья, – повторил он, вдруг покраснев. – Что же, пошли за вином Гаврилу! Ну, ладно, хватим! – сказал он…
В письмах родных было вложено еще рекомендательное письмо к князю Багратиону, которое, по совету Анны Михайловны, через знакомых достала старая графиня и посылала сыну, прося его снести по назначению и им воспользоваться.
– Вот глупости! Очень мне нужно, – сказал Ростов, бросая письмо под стол.
– Зачем ты это бросил? – спросил Борис.
– Письмо какое то рекомендательное, чорта ли мне в письме!
– Как чорта ли в письме? – поднимая и читая надпись, сказал Борис. – Письмо это очень нужное для тебя.
– Мне ничего не нужно, и я в адъютанты ни к кому не пойду.
– Отчего же? – спросил Борис.
– Лакейская должность!
– Ты всё такой же мечтатель, я вижу, – покачивая головой, сказал Борис.
– А ты всё такой же дипломат. Ну, да не в том дело… Ну, ты что? – спросил Ростов.
– Да вот, как видишь. До сих пор всё хорошо; но признаюсь, желал бы я очень попасть в адъютанты, а не оставаться во фронте.
– Зачем?
– Затем, что, уже раз пойдя по карьере военной службы, надо стараться делать, коль возможно, блестящую карьеру.
– Да, вот как! – сказал Ростов, видимо думая о другом.
Он пристально и вопросительно смотрел в глаза своему другу, видимо тщетно отыскивая разрешение какого то вопроса.
Старик Гаврило принес вино.
– Не послать ли теперь за Альфонс Карлычем? – сказал Борис. – Он выпьет с тобою, а я не могу.
– Пошли, пошли! Ну, что эта немчура? – сказал Ростов с презрительной улыбкой.
– Он очень, очень хороший, честный и приятный человек, – сказал Борис.
Ростов пристально еще раз посмотрел в глаза Борису и вздохнул. Берг вернулся, и за бутылкой вина разговор между тремя офицерами оживился. Гвардейцы рассказывали Ростову о своем походе, о том, как их чествовали в России, Польше и за границей. Рассказывали о словах и поступках их командира, великого князя, анекдоты о его доброте и вспыльчивости. Берг, как и обыкновенно, молчал, когда дело касалось не лично его, но по случаю анекдотов о вспыльчивости великого князя с наслаждением рассказал, как в Галиции ему удалось говорить с великим князем, когда он объезжал полки и гневался за неправильность движения. С приятной улыбкой на лице он рассказал, как великий князь, очень разгневанный, подъехав к нему, закричал: «Арнауты!» (Арнауты – была любимая поговорка цесаревича, когда он был в гневе) и потребовал ротного командира.
– Поверите ли, граф, я ничего не испугался, потому что я знал, что я прав. Я, знаете, граф, не хвалясь, могу сказать, что я приказы по полку наизусть знаю и устав тоже знаю, как Отче наш на небесех . Поэтому, граф, у меня по роте упущений не бывает. Вот моя совесть и спокойна. Я явился. (Берг привстал и представил в лицах, как он с рукой к козырьку явился. Действительно, трудно было изобразить в лице более почтительности и самодовольства.) Уж он меня пушил, как это говорится, пушил, пушил; пушил не на живот, а на смерть, как говорится; и «Арнауты», и черти, и в Сибирь, – говорил Берг, проницательно улыбаясь. – Я знаю, что я прав, и потому молчу: не так ли, граф? «Что, ты немой, что ли?» он закричал. Я всё молчу. Что ж вы думаете, граф? На другой день и в приказе не было: вот что значит не потеряться. Так то, граф, – говорил Берг, закуривая трубку и пуская колечки.
– Да, это славно, – улыбаясь, сказал Ростов.
Но Борис, заметив, что Ростов сбирался посмеяться над Бергом, искусно отклонил разговор. Он попросил Ростова рассказать о том, как и где он получил рану. Ростову это было приятно, и он начал рассказывать, во время рассказа всё более и более одушевляясь. Он рассказал им свое Шенграбенское дело совершенно так, как обыкновенно рассказывают про сражения участвовавшие в них, то есть так, как им хотелось бы, чтобы оно было, так, как они слыхали от других рассказчиков, так, как красивее было рассказывать, но совершенно не так, как оно было. Ростов был правдивый молодой человек, он ни за что умышленно не сказал бы неправды. Он начал рассказывать с намерением рассказать всё, как оно точно было, но незаметно, невольно и неизбежно для себя перешел в неправду. Ежели бы он рассказал правду этим слушателям, которые, как и он сам, слышали уже множество раз рассказы об атаках и составили себе определенное понятие о том, что такое была атака, и ожидали точно такого же рассказа, – или бы они не поверили ему, или, что еще хуже, подумали бы, что Ростов был сам виноват в том, что с ним не случилось того, что случается обыкновенно с рассказчиками кавалерийских атак. Не мог он им рассказать так просто, что поехали все рысью, он упал с лошади, свихнул руку и изо всех сил побежал в лес от француза. Кроме того, для того чтобы рассказать всё, как было, надо было сделать усилие над собой, чтобы рассказать только то, что было. Рассказать правду очень трудно; и молодые люди редко на это способны. Они ждали рассказа о том, как горел он весь в огне, сам себя не помня, как буря, налетал на каре; как врубался в него, рубил направо и налево; как сабля отведала мяса, и как он падал в изнеможении, и тому подобное. И он рассказал им всё это.
В середине его рассказа, в то время как он говорил: «ты не можешь представить, какое странное чувство бешенства испытываешь во время атаки», в комнату вошел князь Андрей Болконский, которого ждал Борис. Князь Андрей, любивший покровительственные отношения к молодым людям, польщенный тем, что к нему обращались за протекцией, и хорошо расположенный к Борису, который умел ему понравиться накануне, желал исполнить желание молодого человека. Присланный с бумагами от Кутузова к цесаревичу, он зашел к молодому человеку, надеясь застать его одного. Войдя в комнату и увидав рассказывающего военные похождения армейского гусара (сорт людей, которых терпеть не мог князь Андрей), он ласково улыбнулся Борису, поморщился, прищурился на Ростова и, слегка поклонившись, устало и лениво сел на диван. Ему неприятно было, что он попал в дурное общество. Ростов вспыхнул, поняв это. Но это было ему всё равно: это был чужой человек. Но, взглянув на Бориса, он увидал, что и ему как будто стыдно за армейского гусара. Несмотря на неприятный насмешливый тон князя Андрея, несмотря на общее презрение, которое с своей армейской боевой точки зрения имел Ростов ко всем этим штабным адъютантикам, к которым, очевидно, причислялся и вошедший, Ростов почувствовал себя сконфуженным, покраснел и замолчал. Борис спросил, какие новости в штабе, и что, без нескромности, слышно о наших предположениях?
– Вероятно, пойдут вперед, – видимо, не желая при посторонних говорить более, отвечал Болконский.
Берг воспользовался случаем спросить с особенною учтивостию, будут ли выдавать теперь, как слышно было, удвоенное фуражное армейским ротным командирам? На это князь Андрей с улыбкой отвечал, что он не может судить о столь важных государственных распоряжениях, и Берг радостно рассмеялся.
– Об вашем деле, – обратился князь Андрей опять к Борису, – мы поговорим после, и он оглянулся на Ростова. – Вы приходите ко мне после смотра, мы всё сделаем, что можно будет.

wiki-org.ru

10.1.    Тензорезисторы

Полупроводниковым тензорезистором называют преобразователь линейной деформации в изменение активного сопротивления, прин­цип действия которого основан на тензорезистивном эффекте, а чувствительный элемент его выполнен из полупроводника.

Тензорезистор (10.1, а, б) представляет собой полупроводниковую тонкую пластинку или пленку, нанесенную на изоляционную подложку, которая имеет два вывода.

Вид ВАХ полупро­водникового тензорезистора (рис. 10.1, в) зависит от температурной характеристики его сопротивления, каждая точка характеристики соответствует определенной рассеиваемой мощности, а следователь­но, и определенной температуре. ВАХ тензорезистора можно разде­лить на два участка: АБ – восходящая ветвь, от начала координат до точки максимума; БВ – участок с отрицательным наклоном, от точки максимума до точки, соответствующей максимально допусти­мой температуре.

Основными параметрами тензорезистора являются: начальное сопротивление (R)сопротивление между выводами тензорезистора при нормальной температуре и начальное значение деформации.

Тен­зорезистор представляет собой однородное по удельному сопротив­лению тело постоянного сечения, по­этому

,                                                     (10.1)

где  – удельное сопротивление по­лупроводника; а, b, lширина, вы­сота и длина кристалла.

Так как ВАХ тензорезистора нелинейна, начальное сопротивление зависит от значения установившегося тока:. Дифференциальное сопротивление равно: . Его значение на участке АБ характеристи­ки (рис. 10.1, в) положительно, в точке Б равно нулю, а на участке БВ отрица­тельно.

Чувствительность тензорезистора (S) – это отношение прираще­ния выходного сигнала тензорезистора к вызвавшей его деформации, направленной вдоль его главной оси:

,                                                         (10.2)

где  – относительное изменение длины чувствительного эле­мента (деформация).

Чувствительность зависит от типа электропроводности, удель­ного сопротивления материала, уровня деформации. На рис. 10.2 показана зависимость относительного изменения сопротивления кремниевого тензорезистора от относительной деформации для ма­териалов с электропроводностью п- и p-типов.

Температурный коэффициент сопротивления () – это относи­тельное изменение сопротивления при изменении температуры на 1 К (в процентах):

.                           (10.3)

В зависимости от значения удельного сопротивления () может быть как положительным, так и отрицательным.

К предельным режимам тензорезистора относятся:

· максимально допустимая мощность () максимальная мощность рассеяния на тензорезисторе, при которой сохраняется заданная надежность;

· предельная деформация (),  деформация, пре­вышение которой вызывает выход из строя тензорезистора. Значе­ние предельной деформации в основном определяется материалом, площадью поперечного сечения и качеством обработки поверхности.

Для изготовления тензорезисторов применяют германий, крем­ний, арсенид и антимонид галлия. Чаще всего используют кремний вследствие лучшей теплоустойчивости. Одним из основных требо­ваний к материалу является возможно более высокая тензочувствительность. Тензорезисторы изготавливают как из монокристалли­ческого, так и из поликристаллического материалов. Монокристаллы получают методами выращивания и эпитаксии.

Тензорезисторы изготавливают в виде бруска, проволоки, плен­ки. Они могут быть закреплены на подложке и выполнены без под­ложки. Тензорезисторы применяют в датчиках давления, усилий, на­пряжений, в датчиках малых перемещений, датчиках крутящего момента. Включаются тензорезисторы обычно по мостовой или потен­циометрической схеме. Работают они как на постоянном, так и на переменном токе.

electrono.ru

Тензорезистор — это… Что такое Тензорезистор?

Деформация тензорезистора из фольги. Значение сопротивления показано условно.

Отображение тензорезистора на электрических принципиальных схемах

Тензорези́стор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации[1]. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов.[2], Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Принцип действия

Принцип действия хорошо проиллюстрирован на картинке за одним небольшим замечанием — в реальности изменения сопротивления весьма малы и требуют прецизионных усилителей или АЦП. Он заключается в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.

Конструктивно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде петлеобразной решетки, который крепится с подложкой с помощью клея. Чувствительные элементы обычно изготавливаются из тонкой проволоки, фольги, а также могут быть образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, пленку и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные концы или контактные площадки. На исследуемый объект тензорезисторы крепятся с помощью связующего (клея)со стороны подложки.

Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей при измерениях механических величин (силы, крутящего момента, перемещения, давления и пр.).

Примечания

См. также

Ссылки

xn--httpsdic-56g3h1cya1j.academic.ru

Тензорезистор — Википедия

Тензорези́стор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации[1]. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов[2]. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Принцип действия[править]

При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — наоборот.

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10-3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры, прецизионные усилители или АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

Электромеханические параметры[править]

Чувствительность[править]

Чувствительность тензорезистора характеризуется безразмерным параметром — коэффициентом тензочувствительности который определяется как:

где:

  •  — абсолютное изменение сопротивления, вызванное деформацией, Ом;
  •  — начальное сопротивление недеформированного тензорезистора, Ом;
  •  — относительная деформация.

Относительная деформация определяется как:

где

  •  — абсолютное изменение длины, м;
  •  — длина недеформированного тензорезистора, м.

Для плёночных металлических тензорезисторов параметр слабо зависит от деформации и немного превышает 2[3].

При включении тензорезистора в мост Уитстона, в котором остальные 3 резистора постоянны (не имеют возможности регулирования сопротивления), выходное напряжение диагонали этого моста выражается формулой:

где:

  •  — напряжение питания моста, В.

Типичные значения коэффициента тензочувствительности для разных материалов приведены в таблице.

Материал Коэффициент тензочувствительности
Металлическая фольга 2-5
Тонкая металлическая плёнка (например, константановая) 2
Монокристаллический кремний От −125 до +200
Поликристаллический кремний ±30
Тонкоплёночные резистивные материалы 100

Температурный коэффициент[править]

При изменении температуры изменяется сопротивление тензорезистора, не связанное с деформацией. Это является вредным побочным эффектом. Через коэффициент тензочувствительности относительное изменение сопротивления выражается формулой:

где:

Электрическая схема подключения тензорезистора[править]

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного напряжения (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствии приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

При выполнении соотношения напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов и (точки B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения деформации. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора включают такой же тензорезистор, как и , но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления, вызванного изменением температуры, равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие полезные сервисные функции.

Плёночный тензорезистор. На подложку через фигурную маску в вакууме напылена или сформирована методами фотолитографии плёнка металла. Для подключения электродов выполнены контактные площадки (снизу). Метки облегчают ориентацию при монтаже.

Обычно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника, нанесенного на гибкую подложку. Тензорезистор приклеивается подложкой на поверхность исследуемого на деформации объекта. Проводники тензорезисторов обычно изготавливаются из тонкой металлической проволоки, фольги, или напыляются в вакууме для получения плёнки полупроводника или металла. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, полимерную плёнку, слюду и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь тензорезистор имеет выводные проволочные концы или контактные площадки.

Плёночные металлические тензорезисторы имеют площадь около 2‑10 мм2.

Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей в тензометрах и тензостанциях при измерениях механических величин (деформации, силы, крутящего момента, перемещения, также, для измерения давления в манометрах и пр.)

www.wiki-wiki.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о