Тензометрические датчики

Тензорезисторы находят большое применение для анализа напряжений в различных промышленных конструкциях, а также при проведении экспериментальных научно-исследовательских работ. Тензодатчики используются широко как составная часть измерительных приборов при измерении деформаций и давлений.

В качестве первичных измерительных преобразователей чаще всего используются тензорезисторы. В основе их работы лежит явление тензоэффекта, заключающееся в том, что электрическое сопротивление проводников изменяется при их деформации.

Конструктивно тензодатчики выполняются в виде проволочки, которая зигзагообразно наклеивается на тонкую бумагу или лаковую пленку, к концам проволочки припаяны медные выводы. Такой датчик приклеивается к испытуемой детали и воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Обычно, в машиностроении исследуются деформации во многих точках, для чего применяются многоканальные тензостанции.

Для того чтобы можно было сравнить рабочие характеристики различных тензочувствительных материалов вводится коэффициент тензочувствительности. Он определяется как

_G= DR/R

^DL/L

Материал	Коэффициент тензочувствительности G	ТКС 0°С-1×10-5
Константан	2,1	+ 2
Изоэластик	3,52 - 3,6	+ 17
Манганин	0,3 - 0,47	+ 2
Никель	-12 -20
Нихром	2,1 - 2,63
Кремний	р - типа	100 - 170
	n - типа	-100 - 140	70 -700
Германий	p - типа
	n - типа	-150

Для полупроводниковых материалов G в 50 -70 раз больше, чем для металлов. Применение полупроводниковых датчиков с большим G «наказывается» слишком большим ТКС.

Западногерманская фирма НВМ имеет 40-летний опыт разработки тензометрических приборов и 25 патентов, подтверждающих ее лидерство в этом направлении. Фирмой выпускается целый спектр тензометрических датчиков для измерения с высокой точностью сосредоточенных и распределенных 1, 2-х и 3-х осевых усилий, поперечных и скручивающих деформаций. Датчики отличает высокий коэффициент силовой чувствительности, в которых температурный разброс подстраивается к соответствующему материалу конструкции, на которую они устанавливаются. На каждой упаковке датчиков указывается линейный температурный коэффициент расширения, к которому подстроен температурный разброс датчиков. В дополнение задается график температурного разброса, аппроксимирующие полиномы температурных зависимостей.

Когда применяют датчик к материалу, не входящему в стандартный перечень более 10 стандартных наименований (феррит-железо, закаленная сталь, алюминий, пластик титан, молибден и т.д.) применяют датчик с «самокомпенсацией». Это выражение используют, когда датчики включают в цепь запатентованного фирмой НВМ специального термокомпенсированного моста «Wheatstone». Стандартный набор тензометрических датчиков, выпускаемых фирмой НВМ, включает 4 серии для решения наиболее типичных задач.

Серия Y - стандартные датчики для виброанализа с одной измерительной сеткой. Широкая номенклатура, хорошее соотношение цена-производительность. Полиамидная подложка датчиков Y настолько гибкая, что они могут опоясывать легко лезвия бритвы. Могут быть использованы неопытным установщиком.

Серия S - никель-хромовые датчики для измерения напряжений в конструкциях в условиях экстремальных температур от -200° до +200°С.

С 1,2 и 3-мя измерительными сетками, позволяющими измерять напряжения с неизвестным априори направлением главного усилия.

Серия G - специальные датчики для измерения остаточных напряжений и высоких усилий. Подложка под измерительную сетку: фенолформальдигидная смола на стекловолоконной основе.

Серия К - датчики для производства преобразователей с высоким качеством. С 1, 2 и 4-мя измерительными сетками, включающие элементы баланса и компенсации. На базе этих типов выпускаются тенозометры с различной конструкцией расположения измерительных сеток.

Т- образный датчик измеряет продольные и поперечные усилия, особенно удобен при тестировании растяжения, сжатия балок от температурных деформаций.

V- образный датчик для измерения поперечных и скручивающих деформаций. Кроме того,

тензометры с цепочечным расположением измерительных сеток, позволяющие измерять распределенные нагрузки. Находят широкое применение тензодатчики, герметизированные от влияния внешней среды с помощью специальной смолы или закрытые в специальный

корпус IP67.

Фирма НВМ выпускает весь необходимый спектр средств для установки и приборы для контроля функционирования тензометрических датчиков. К средствам установки относятся средства очистки поверхности конструкции перед установкой, средства приклеивания тензодатчиков с помощью 1 и 2-х композиционных клеев и даже сварки датчиков, имеющих подложку, выложенную на металлической фольге.

Обычно тензорезисторы включаются по мостовой схеме, выходной сигнал моста с проволочными тензорезисторами составляет не более 10 - 50 мВ при относительной деформации g _{L =} Dl. _{100% = 1 %} (увеличения длины проводника)

^l

Наибольшее распространение получили приборы, в которых тензорезисторы включаются в неуравновешенный мост, питаемый переменным током, или даже импульсным. (при большей чувствительности ® больше амплитуда сигнала, меньше греется тензодатчик - значит нет температурной зависимости).

Особенно перспективны полупроводниковые тензометры диффузионного типа. Диффузионные тензометры на кремниевой подложке обладают высокой чувствительностью.

Путем травления по тонкопленочной технологии на поверхности кристалла кремния с n-проводимостью формируется круглая диафрагма. По краям диафрагмы методом диффузии наносятся пленочные резисторы, имеющие p - проводимость. Если к диафрагме прилагается давление, то сопротивление одной из пар резисторов увеличивается, а другой уменьшается. (за счет ИК - ориентации).

Для измерения артериального давления:

Включение датчиков (тензометров) по мостовой схеме позволяет уменьшить температурную зависимость измерительной схемы и повысить ее чувствительность.

Резистивный датчик

Нелинейность, обусловленная подключением сопротивления нагрузки к потенциометрическому преобразователю, возрастает при уменьшении сопротивления. Это влияние можно ослабить путем шунтирования верхнего плеча потенциометра резистором с сопротивлением R_m = R_L

(как показано ниже)

Потенциометрический резистивный преобразователь

.

Индуктивный датчики перемещения Емкостный датчик уровня

.

Тематика, связанная с постановкой и изучением измерительных преобразователей значительно более обширна и глубока, чем представлено в данном пособии, однако, такая задача в рамках рассматриваемого учебного курса и не могла быть поставлена. Задачей следующей темы методического пособия является рассмотрение характеристик звеньев функциональной схемы УСД.