![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Тензорезисторы
В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации [10]. В технике измерения неэлектрических величин тензорезисторы используются по двум направлениям. Первое направление – использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объемного сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего его газа или жидкости. На этом принципе строятся манометры для измерения высоких и сверхвысоких давлений, преобразователи которых представляют собой катушку провода (обычно манганинового) или полупроводниковый элемент (чаще всего германиевый или кремниевый), помещенные в область измеряемого давления (жидкости или газа). Второе направление – использование тензоэффекта растягиваемого или сжимаемого тензочувствительного материала. При этом тензорезисторы применяются либо в виде «свободных» преобразователей, либо в виде наклеиваемых. Конструкция распространенного типа проволочного тензорезистора приведена на рис. 2.15, она представляет собой полоску тонкой бумаги или лаковую пленку 1, на которую наклеивается зигзагообразно уложенная «решетка» из тонкой проволоки 2 диаметром 0, 02 – 0, 05 мм. К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники 3. Сверху преобразователь покрывается защитным слоем лака 4. Такой преобразователь, приклеенный к испытуемой детали, воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Естественной входной величиной наклеиваемого тензопреобразователя является деформация поверхностного слоя детали, на которую он наклеен, а выходной – изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации. Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются преобразователи с базами 5 – 20 мм, обладающие сопротивлением 30 – 500 Ом. Фольговые преобразователи представляют собой тонкую ленту из фольги толщиной 4 – 12 мкм, на которой часть металла сформирована в виде решетки с выводами (рис. 2.16). Существует также еще один способ массового изготовления тензорезисторов, заключающийся в вакуумном нанесении тензочувствительного материала на подложку. Такие тензорезисторы получили название пленочных. Для изготовления пленочных тензорезисторов, помимо металлических материалов (например, титаноалюминиевый сплав 48Т-2 обеспечивающий измерение деформаций до 12% при коэффициенте тензочувствительности порядка 0, 2), используется также целый ряд полупроводниковых материалов, например германий кремний (k = 100 – 120) и др. При изготовлении фольговых и пленочных преобразователей можно предусмотреть любой рисунок решетки, что является существенным их достоинством. На рис. 2.16, а показан внешний вид преобразователя для измерения линейных напряжений, на рис. 2.16, б – преобразователь, наклеиваемый на вал, для измерения крутящих моментов, а на рис. 2.16, в – преобразователь, нанесенный на мембрану. Для изготовления тензопреобразователей и прикрепления их к объекту измерения применяются различные клеящие составы (клеи или цементы) в зависимости от условий работы (температура, влажность, характер среды). При нормальных и повышенных температурах используются ацетатноцеллулоидные, бакелитофенольные (БФ) клеи, лаки на основе органических смол.
Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности k, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:
где При деформации твердых тел изменение их длины связано с изменением объема, причем величина изменения объема в зоне упругих деформаций для каждого материала постоянна и характеризуется коэффициентом Пуассона
где
и
Учитывая, что
получаем:
а коэффициент тензочувствительности
Коэффициент Пуассона mдля металлов имеет значения 0, 24 ¸ 0, 4. Следовательно, значение коэффициента тензочувствительности k для большинства металлов не должно выходить за пределы 1, 48 ¸ 1, 8. Однако значения k для различных материалов, определенные экспериментально, выходят за указанные пределы, как в ту, так и в другую сторону. Расчет тензорезисторов сводится к определению при выбранных их размерах допускаемой тензорезистором мощности рассеяния (а следовательно, и допустимого значения тока при данном сопротивлении) или наоборот – к определению размеров тензорезистора, необходимых для обеспечения заданной мощности. Мощность Р, рассеиваемая в тензорезисторе, ограничена его нагревом, вызывающим появление повышенных значений погрешности. При тепловом контакте тензорезистора с деталью через слой клея и подложку отводится в 200–300 раз больший тепловой поток, чем при теплоотдаче тензорезистора в окружающий воздух. Необходимые для расчета значения удельной тепловой нагрузки P уд = P / S 0большинства используемых сейчас проволочных, фольговых и полупроводниковых тензорезисторов (с мощностью от 25 до 630 мВт и полной площадью, занимаемой решеткой, от 0, 9 до 240 мм2) колеблются в очень узких пределах Р уд = 26 ¸ 28 кВт/м2 (или мВт/мм2). Лишь в редких случаях, используя очень тонкую подложку, удается достичь Допустимое значение тока I доп через тензорезистор определяется из соотношения Р = I 2 R = PудS0. Так, например, для проволочных тензорезисторов с базой длиной l, из п проводов в решетке с диаметром d, изготовленных из материала с удельным сопротивлением r, и допустимое значение тока Для константановой проволоки r = 0, 46× 10-6Ом× м, тогда при
где I доп в амперах и d в метрах, или, выражая I доп в миллиамперах и d в миллиметрах, получим: I доп = Погрешности приборов с проволочными, фольговыми и пленочными тензорезисторами тесно связаны с градуировкой этих приборов. Если нет возможности градуировать непосредственно рабочий преобразователь, то погрешность, обусловленная неидентичностью и качеством приклейки рабочих и градуируемых тензорезисторов, может быть 1 ¸ 5 % даже при весьма тщательной приклейке, а общая погрешность прибора (включая погрешность усилителя, указателя и др.) может достигать 10 ¸ 15 %. При градуировке непосредственно рабочего преобразователя, а также при возможности контроля чувствительности усилителя и установки нуля перед каждым измерением погрешность прибора может быть снижена до 0, 2 ¸ 0, 5 % при статических и
|