Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы)

В конструк­торской практике часто необходимы измерения механических напряже­ний и деформаций в элементах конструкций. Наиболее распространен­ными преобразователями этих величин в электрический сигнал являются тензорезисторы.

В основе работы тензорезисторов лежит свойство металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление под действием приложенных к ним сил. Простейшим тензорезистором может быть отрезок проволоки, жестко сцепленный с поверхностью де­формируемой детали.

Растяжение или сжатие детали вызывает пропорциональное растяжение или сжатие проволоки, в результате чего изме­няется ее электрическое сопротивление.

В пределах упругих деформаций относительное изменение сопротивления проволоки связано с ее относи­тельным удлинением: где l, R - начальные длина и сопротивление проволоки; Δl, ΔR - при­ращение длины и сопротивления; К_T - коэффициент тензочувствительности.

Величина коэффициента тензочувствительности зависит от свойств материала, из которого изготовлен тензорезистор, а также от способа крепления тензорезистора к изделию. Для металлических проволок из различных металлов К_T = 1... 3,5.

Различают проволочные и полупроводниковые тензорезисторы(тензометры).

Для изготовления проволочных тензорезисторов применяются материалы, имеющие достаточно высокий коэффициент тензочувствительности и малый температурный коэффициент сопротивления. Наиболее употре­бительным материалом для изготовления проволочных тензорезисторов является константановая проволока диаметром 20... 30 мкм.

Конструктивно, проволочные тензорезисторы представляют собой решетку, состоящую из нескольких петель проволоки, наклеенных на тонкую бумажную (или иную) подложку (рис.16.6 и 16.7).

Тензометр Тензометр на образце

Рис.16.6 Рис.16.7

В зависимости от ма­териала подложки тензорезисторы могут работать при температурах от -40 до +400 °С.Существуют конструкции тензорезисторов, прикрепляе­мых к поверхности деталей с помощью цементов, способные работать при температурах до 800 °С.

Основными характеристиками тензорезисторов являются номиналь­ное сопротивление R, база l и коэффициент тензочувствительности К_T

Промышленностью выпускается широкий ассортимент тензорези­сторов с величиной базы от 5 до 30 мм, номинальными сопротивлениями от 50 до 2000 Ом, с коэффициентом тензочувствительности 2±0,2.

Дальнейшим развитием проволочных тензорезисторов являются фольговые и пленочные тензорезисторы, чувствительным элементом ко­торых являются решетка из полосок фольги или тончайшая метал­лическая пленка, наносимые на подложки на ла­ковой основе.

Тензорезисторы выполняются, на основе по­лупроводниковых материалов. Наиболее сильно тензоэффект выражен у германия, кремния и др.. Основным отличием полупроводниковых тензо­резисторов от проволочных является большое (до 50%) изменение сопротивления при деформации благодаря большой величине коэффициента тензочувствительности (от -100 до +200).

Для измерения механического напряже­ния в элементе конструкции тензорезистор наклеивают на исследуемый элемент в ин­тересующем сечении таким образом, чтобы его продольная ось совпадала с направлением деформации (рис.16.7).

Если на элемент конструкции действует сила F, то ве­личина возникающего в нем механического напряжения σ= F/Sсвязана с относительной деформацией ε = ΔL/L соотношением σ= εE.

Здесь: S - поперечное сечение элемента; Е - модуль упругости материала; L - длина образца.

Учитывая.что относительное изменение сопротивления проволоки связано с ее относи­тельным удлинением получим .

Измерив ΔRтензорезистора можно по известным R, К_T, и Еопреде­лить напряжение σ.

Весьма эффективным способом наклеивания тензорезисторов является дифференциальный метод, когда тензорезисторы наклеивают с двух сторон упругой пластины (рис.16.11). В этом случае, при деформации упругой пластины сопротивление одного тензорезистора увеличивается а другого уменьшается, что повышает чувствительность тензодатчика.

Индуктивные преобразователи при­меняются для измерения перемещений, размеров, отклонений формы и расположения поверхностей.

Преобразователь состоит из неподвижной катушки индуктивности с магнитопроводом и якоря, также являющегося частью магнитопровода, перемещающегося относительно катушки ин­дуктивности.

Для получения возможно большей индуктивности магнитопровод катушки и якорь выполняются из ферромагнитных материалов.

При перемещении якоря (связанного, например, со щупом измерительного устройства) изменяется индуктивность катушки и, следовательно, изменя­ется ток, протекающий в обмотке.

На рис.16.8 приведены схемы индук­тивных преобразователей:

- (а) с перемен­ным воздушным зазором, применяемых для измерения перемеще­ний в пределах 0,01...10 мм;

- (б) с перемен­ной площадью воздушного зазора, применяемых в диапазоне 5...20 мм.

Индуктивные преобразовате­ли перемещений

Рис.16.8

Индуктивные преобразователи с переменным зазором имеют высокую чувствительность и реагируют на изменение зазора порядка 0,1…0,5 мкм.

Анализ исследований показывает, что зависимость I=f(δ) нелинейная. Спрямление нелинейности достигается применением дифференциальных преобразователей с двумя раздельными магнитными цепями и общим якорем.

Индуктивные преобразователи широко применяются в современных средствах линейных и угловых измерений: профилографах, контрольных автоматах и в электронных аналоговых и цифровых приборах для активного контроля линейных размеров. Приведенная погрешность индуктивных преобразователей не превосходит 1…2%.

Емкостные преобразователи - это устройства, содержащие не менее двух поверхностей, между которыми действует электрическое поле, создаваемое приложенным напряжением (рис.16.9).

Емкостные преобразователи

а)-с изменяющимся расстоянием между пластинами;

б)-дифференциальный;

в)- дифференциальный с переменной активной площадью пластин;

г)-с изменяющейся диэлектрической проницаемостью среды.

рис.16.9

Основным элементом в этих преобразователях является конденсатор переменной емкости, изме­няемой в зависимости от площади электродов, диэлектрической про­ницаемости среды и расстояния между электродами.

Преобразователь на рис.16.9, а представляет собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины х относительно неподвижной пластины. Статическая характеристика такого преобразователя нелинейная. Чувствительность преобразователя возрастает с уменьшением зазора. Их используют главным образом для измерения малых перемещений (менее 1 мм).

Используют также дифференциальный преобразователь (рис.16.9,б) у которого имеется одна подвижная и две неподвижные пластины. При воздействии измеряемой величины х у этих преобразователей одновременно изменяются две емкости С₁ и С₂, что повышает их чувствительность.

На рис. 16.9, в показан дифференциальный емкостной преобразователь с переменной активной площадью пластин. Такой преобразователь используют для измерения сравнительно больших линейных (более 1мм) и угловых перемещений.

Преобразователи показанные на рис. 16.9, г используют для измерения уровня жидкости, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т.п.

Для измерения выходного параметра емкостных преобразователей применяют мостовые цепи и цепи с использованием резонансных контуров, что позволяет создавать приборы с высокой чувствительностью.

Емкостные преобразователи питают током высокой частоты (десятки мегагерц). Это вызвано желанием увеличить сигнал, попадающий в измерительный прибор, и необходимостью уменьшить шунтирующее действие сопротивления изоляции.

Достоинствами емкостных преобразователей являются простота устройства, высокая чувствительность и возможность получения малой инерционности.

К недостаткам следует отнести влияние внешних электрических полей, паразитных емкостей, температуры, влажности, относительная сложность включения и необходимость в источниках питания повышенной частоты.