Тензорезисторы.



Кроме обыкновенных резисторов, массово используемых в электронной аппаратуре, одним из новых типов резисторов является тензорезистор.

Тензорезистор – это резистор, который изменяет своё сопротивление при деформации, вызываемой механическим напряжением. Конструктивно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде петлеобразной решетки, который крепится с подложкой с помощью клея (рисунок 1). 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. Тензорезисторы плотно крепятся к объекту измерения таким образом, что чувствительный элемент (металлическая резистивная фольга) может удлиняться или сокращаться в соответствии с деформацией, вызванной измерительным объектом.

Тензорезистор.

Тензорезисторы используют как первичный преобразователь во время измерения механических величин: силы, давления, перемещения и т.д. В весах тензорезисторы используются как датчики нагрузки. Существует немало фирм, которые выпускают специальные устройства, приборы и системы, для работы с тензорезисторами. В течении нескольких десятков лет они остаются главными измерительными преобразователями деформации. Тензорезистор является составной частью тензометрических датчиков, которые используются для измерения веса, силы, давления, механических напряжений и др.

Тензорезисторы выпускаются с большим разнообразием спецификаций для решения различных измерительных задач. Но неправильный выбранный тип тензорезисторов не принесет ожидаемого эффекта. Выбор надлежащих тензорезисторов - первый шаг к успешному измерениям деформаций. Чтобы выбрать надлежащий тензорезистор, каждый раз необходимо учитывать следующие факторы: материал, конфигурация и размер измеряемого объекта; условия окружающей среды таких, как температура и влажность; условия проведения работ и измерительные приборы, которые используются совместно с тензорезисторами.

Внешний вид некоторых тензорезисторов представлен на рисунках ниже.


Фото 1. Фото 2. Фото 3.
Фото 4. Фото 5. Фото 6.

Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне


В таблице ниже приведены основные типы и классификация тензорезисторов.

Материал чувствительного элемента Фольговые (Cu-Ni сплав, Ni-Cr сплав и т.п.)
Проволочные (Cu-Ni сплав, Ni-Cr сплав и т.п.)
Полупроводниковые (монокристалл кремния, и т.п.)
По наличию или отсутствию подложки и материалу подложки На бумажной подложке
На пленочной (клеевой, лаковой) подложке
На стеклотканевой подложке
На металлической подложке
На других подложках
Со свободным чувствительным элементом (без подложки)
Длина чувствительного элемента 0.14 - 120mm
Конфигурация Одноэлементный (одинарный);
Многоэлементные (розетки и т.д.);
Специального применения
Сопротивление 60 – 1000 Ом или более (полупроводниковые - до 10 кОм)
По наличию термокомпенсации Термокомпенсированные
Частично термокомпенсированные
Нетермокомпенсированные
По диапазону измеряемых диформаций Для измерения упругих деформаций
Для измерения упругопластических деформаций
По способу установки на поверхность объекта Приклеиваемые
Привариваемые
Устанавливаемые методом газоплазменного или плазменного напыления жаростойких окислов

Основными параметрами тензорезисторов согласно ГОСТ 20420-75 являются:

Начальное сопротивление тензорезистора - это сопротивление установленного тензорезистора при начальных значениях деформации и других посторонних влияющих параметров.

Выходной сигнал тензорезистора - это отношение приращения сопротивления тензорезистора, вызванного воздействием деформации или влияющей величины, к его начальному сопротивлению.

Статическая характеристика преобразования тензорезистора - это зависимость выходного сигнала тензорезистора от деформации при фиксированных значениях других влияющих величин.

Чувствительность тензорезистора - это отношение изменения выходного сигнала тензорезистора к вызвавшему его изменению деформации, направленной вдоль главной оси тензорезистора, при фиксированных значениях других влияющих величин.

Поперечная чувствительность тензорезистора - это отношение изменения выходного сигнала к вызвавшему его изменению деформации, направленной перпендикулярно к главной оси тензорезистора, при фиксированных значениях других влияющих величин.

Относительная поперечная чувствительность тензорезистора - это отношение поперечной чувствительности тензорезистора к его чувствительности.

Температурная характеристика сопротивления тензорезистора - это зависимость выходного сигнала тензорезистора, установленного на свободно расширяющийся образец с заданным коэффициентом линейного расширения, от температуры.

Интервал термокомпенсации тензорезистора - это интервал в рабочей области температур, в пределах которого значения температурной характеристики сопротивления тензорезистора не выходят за нормированные пределы.

Дрейф выходного сигнала тензорезистора - это изменение выходного сигнала тензорезистора во времени при фиксированном значении влияющих величин и отсутствии деформации тензорезистора.

Ползучесть тензорезистора - это изменение выходного сигнала тензорезистора во времени при фиксированном значении деформации, вызвавшей этот сигнал, и при фиксированных значениях влияющих величин с учетом поправки на дрейф.

Усталостная характеристика тензорезистора - это зависимость числа симметричных циклов деформирования, при котором происходит отказ установленного тензорезистора от амплитуды деформаций.

Механический гистерезис тензорезистора - это различие между значениями выходного сигнала тензорезистора при возрастании и уменьшении деформации.

Рассмотрим некоторые типы тензорезисторов подробнее.

Фольговые тензорезисторы. У фольговых тензорезисторов чувствительный элемент выполнен из фольги толщиной несколько микрометров. Материал - сплав Ni-Cu или Ni-Cr. Эти датчики имеют малые размеры и изготовлены методом фототравления, что обуславливает относительно низкую стоимость. Эти тензорезисторы универсальны в применении. Все это обуславливает их самое массовое применение в различных областях измерений.

Проволочные тензорезисторы. В качестве чувствительного элемента в них применяется проволока из сплава Ni-Cu или Ni-Cr, толщиной 13-25 микрометров. Так выпускаются тензорезисторы на бумажной подложке, специальные тензорезисторы для бетона, тензорезисторы на большие деформации и специальные тензорезисторы для высоких температур.

Полупроводниковые тензорезисторы. Их чувствительный элемент изготовлен из монокристалла кремния, К-фактор таких тензорезисторов может достигать 90 - 200. Это делает их подходящими для измерения микро деформаций и для производства высокочувствительных датчиков. Возможна их работа без дополнительного усилителя. Однако эти тензорезисторы в значительной степени подвержены влиянию температуры, а также не обладают достаточной линейностью. Область их применения ограничена.

Для измерений на большинстве металлических материалов, наиболее подходят тензорезисторы с базой 1…6 мм. Такой выбор определяется большим разнообразием выпускаемых типономиналов и весьма привлекательной стоимостью. Для измерений средних по величине деформаций на бетоне или древесине, структура которых в значительной степени разнородна, применяются тензорезисторы с длинной решетки 30…120 мм. Для стеклопластиков применяются тензорезисторы с базой 5…30 мм, в зависимости от толщины волокон и расстояния между ними. Если толщина волокон мала, применяют тензорезисторы с базой менее 5 мм. Если измерения производятся в точке концентрации напряжений, то следует применять малобазные тензорезисторы (до 1 мм). Если применять более длинную базу, измерения дадут усредненное значение деформации, а пиковые значения не будут измерены. При ограниченной зоне для аппликации также используются короткобазные тензорезисторы с соответственно короткой подложкой.

Тензорезисторы выпускаются с различной конфигурацией.

Одиночные. Это базовая конфигурация тензорезисторов, чувствительность которых направлена по продольной оси решетки. При известном направлении деформаций, одиночный тензорезистор наклеивается в соответствии с этим направлением и успешно решает задачу измерения.

Двойные. В таком тензорезисторе решетки расположены по двум осями, расположенным под прямым углом, и используется для моноосевого измерения напряжения или в датчиках, работающих на простое сжатие. Также они используется для измерения деформаций сдвига и в датчиках крутящего момента.

Тройные. В случае, когда направление деформации неизвестно, необходимо применять тройные тензорезисторы (розетки) и проводить анализ направлений деформации.

Прочие конфигурации. Для проведения специализированных измерений применяются особые конфигурации тензорезисторов, включая тензорезисторы для измерения концентрации напряжений, в которых 5 решеток расположены на одной оси; и тензорезисторы устойчивые к воздействию переменных магнитных полей, 2-е решетки которых расположены точно одна над другой.


Список использованной литературы


1. Физическая энциклопедия. Т. 5 — М.: Большая российская энциклопедия.
2. ГОСТ 21616-91. Тензорезисторы. Общие технические условия.
3. ГОСТ 20420-75 Тензорезисторы. Термины и определения.



Поиск по сайту