Тензочувствительные преобразователи

Принцип действия тензочувствительных преобразователей основан на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения.

Используя для сопротивления проволоки зависимость , где ρ – удельное сопротивление; l – длина; S – площадь поперечного сечения проволоки, можно получить выражение для относительного изменения сопротивления проволоки в виде [15]

,

где  – коэффициент Пуассона; Δ d / d – относительное изменение диаметра круглого в сечении провода; Δ l / l – относительное изменение длины провода под действием деформации.

Разделив обе части последнего выражения на ε _l = Δ l / l, получим коэффициент тензочувствительности

,

где .

При использовании в качестве материала тензочувствительного ИП металла считается, что , т. е. удельное сопротивление резистора из металла практически не зависит от деформации.

Если в качестве материала тензочувствительного ИП используется полупроводник (обычно в виде тонкой пластины), то S ≈ m, т. е. основной вклад в изменение сопротивления полупроводника под действием деформации вносит изменение удельного сопротивления [15].

Для металлов с учетом коэффициента Пуассона в зоне действия упругих деформаций . Коэффициент тензочувствительности может быть от 1,48 до 2,2.

Коэффициент тензочувствительности полупроводников значительно выше и может достигать S = 100.

На рис. 2.3 представлен тензочувствительный проволочный преобразователь, представляющий собой тонкую зигзагообразную уложенную и приклеенную к подложке 1 проволоку 2. Преобразователь включают в цепь с помощью припаиваемых или привариваемых выводов 3. ИП наклеивают на поверхность детали, деформацию которой определяют так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с осью длинной стороны петель проволоки.

Основным требованием к материалу проволочных тензочувствительных преобразователей, кроме достаточного коэффициента S, является возможно меньший температурный коэффициент сопротивления материала. Это объясняется сравнительно малым относительным изменением сопротивления Δ R/R, так как относительная деформация Δ l / l в пределах упругих деформаций не превышает для металлов , что при значении S ≈ 2 приводит к Δ R/R, не превышающем , т. е. 0,5 %, даже при значительных деформациях. Важным требованием к материалу преобразователя является также возможно большее удельное сопротивление, так как при заданном номинальном сопротивлении R необходимо стремиться к возможно меньшей площади, занимаемой преобразователем.

Наиболее широкое применение нашел сплав константан, имеющий коэффициент тензочувствительности S = 1,9…2,1. В качестве подложки используется тонкая бумага, а также пленка лака или клея, а при высоких температурах – слой цемента. В зависимости от назначения преобразователи выполняют различных размеров. Длина (база) бывает от 0,5 до 150 мм, ширина 0,5…60 мм. Начальное сопротивление преобразователя от 50 до 200 Ом.

Полупроводниковые тензочувствительные преобразователи изготавливают в виде узкой полоски из охлажденного расплава германия (гедистор) или кремния (кредистор). К концам полоски присоединяют металлические выводы и приклеивают ее на подложку, а затем на объект. Наиболее перспективным материалом считается кремний, отличающийся хорошим сочетанием механических и электрических свойств и отработанной технологией изготовления.

Особенностью тензочувствительных преобразователей является то, что будучи размещенным (наклеенным) на объекте, преобразователь невозможно переместить и использовать повторно. В связи с этим для определения градуировочной характеристики  приходится прибегать к выборочной градуировке, которая заключается в следующем.

Из партии преобразователей, выполненных из одинаковой проволоки, т. е. от одной и той же катушки, выбирается несколько преобразователей, которые градуируются в лабораторных условиях. Градуировочные характеристики выбранных преобразователей усредняются, и эта усредненная характеристика распространяется на всю партию. Невозможность непосредственной градуировки рабочего преобразователя приводит к появлению погрешности от неидентичности преобразователей и различного качества наклейки на уровне 3…5 %. Для полупроводниковых тензочувствительных ИП из-за их плохой взаимозаменяемости невозможна даже выборочная градуировка, и их применяют только в случае, если возможна индивидуальная градуировка рабочего преобразователя.

Динамические свойства тензочувствительных ИП определяются в первую очередь инерционностью детали, на которую он наклеивается. Конструкция самого ИП обеспечивает малую механическую и электрическую инерционность. Предельная частота изменения измеряемой деформации зависит от величины базы ИП. Так, при базе 5 мм предельная частота составляет 100 кГц, а при базе 100 мм – 5 кГц [15].

Выходной параметр тензочувствительных преобразователей R измеряется с помощью мостовых или потенциометрических схем.

Достоинства тензочувствительных ИП заключаются в линейности статической характеристики преобразования (только для металлических ИП), простоте конструкции, высокой надежности, малых габаритных размерах и массе.

Недостатками таких преобразователей являются малая чувствительность (для металлических ИП), необходимость выборочной градуировки и соответственно значительные погрешности из-за неидентичности преобразователей, а также заметная температурная зависимость выходного сигнала и низкая нагрузочная способность, обусловленная толщиной проводника и ограничениями, накладываемыми на значение тока с целью снижения самонагрева.

Влияние температуры удается снизить с помощью специальных схем температурной компенсации (см. разд. 3). Приборы на основе тензочувствительных преобразователей позволяют измерять механические деформации, давление, усилия, крутящий момент и т. п.