Преобразователи, датчики, сенсоры - Информационный портал © 2011 - 2023 Использование материалов сайта возможно при размещении активной ссылки
Главная >> Тензодатчики, тензорезисторы >> Измерение механических деформаций (напряжений) с помощью тензорезистора
русский / english
• Представлена информация о различных преобразователях и датчиках физических величин, параметров различных физических процессов.
• Электрофизические свойства и эффекты в различных электротехнических материалах.
• Теория, экспериментальые результаты, практическое применение
Измерение механических деформаций (напряжений) с помощью тензорезистора
Рассмотрены устройство, принцип работы и методика измерения механических деформаций объекта с помощью фольговых металлических тензорезисторов и полупроводниковых тензорезисторов. Приведен пример измерения.
Тензорезистор представляет собой устройство электрическое сопротивление, которого изменяется при его деформировании. Это изменение сопротивления связано с величиной механической деформации ε через коэффициент тензочувствительности:
k = ΔR/Rо⋅ ε ,
где Rо - начальное электрическое сопротивление тензорезистора, ΔR = Rε - Rо - величина изменения сопротивления под воздействием деформации, Rε - величина электрического сопротивления деформированного тензорезистора.
В настоящее время наиболее широко для измерения механических деформаций используют фольговые (материал фольги металл) тензорезисторы и для решения отдельных задач полупроводниковые. Преимущества и недостатки обоих видов тензорезисторов хорошо представлены в литературе. Основным преимуществом полупроводниковых тензорезиторов является их более высокая (до 100 раз) тензочувствительность, но в тоже время они более хрупкие, жесткие, более высокая температурная зависимость параметров. Высокая тензочувствительность полупроводниковых тензорезисторов объясняется изменениями зонной структуры полупроводникового материала под воздействием механических напряжений и соответственно сильной зависимостью проводимости (сопротивления) от деформации. В то время как в металлических тензорезисторах тензочувствительность обеспечивается изменениями размеров чувствительного элемента (фольги).
Фольговые тензорезисторы различают по назначению - для измерения одноосных деформаций, распределенных деформаций, для разных диапазонов температур, по размерам и форме решетки (форме электропроводящей фольги), по величинам электрического сопротивления, а также некоторым другим параметрам.
Рис.1
Один из самых простых фольговых тензорезисторов показан на рис.1. Конструкция тензорезистора такова, что он реагирует (изменяет свое сопротивление) практически только в том случае, когда деформация направлена (приложена) вдоль оси решетки тензорезистора или возникает составляющая сложно-распределенной деформации в этом направлении ( это называют "продольная тензочувствительность"). Причем изменение сопротивления пропорционально величине продольной (или составляющей от сложной) деформации и связано с ее величиной через коэффициент k. Следует отметить, что существует и поперечная тензочувствительность, т.е. чувствительность к деформации направленной перпендикулярно базе (продольной оси) тензорезистора, но она незначительна, как правило, для фольговых тензорезисторов близка к нулю, а для проволочных не превышает 1% от продольной.
Основной причиной изменения сопротивления фольгового тензорезистора под воздействием деформации является изменение размеров электропроводящей решетки. Как известно электрическое сопротивление материалов определяется зависимостью:
R = ρl/S,
где ρ - удельное сопротивление (материала проволоки, фольги тензорезистора). l - длина (проволоки, решетки фольги), S - площадь поперечного сечения (проволоки, полоски фольги). Удельное сопротивление при деформации практически не изменяется, а изменяются l и S. При деформации растяжения сопротивление будет увеличиваться, при сжатии уменьшаться. В процессе использования тензорезисторов это учитывается для определения знака деформации объекта.
Для фольговых тензорезисторов коэффициент тензочувствительности зависит от материала фольги, и его величина находится в пределах k = 2-4 и указывается в паспортах и описаниях прилагаемых к партии тензорезисторов. Величина электрического сопротивления, как правило, составляет от 50 Ом.
Рис.2
Для измерения величины деформации исследуемого объекта тензорезистор монтируют (приклеивают) в точке объекта, в которой необходимо будет измерять деформацию. На рис.2 показан тензорезистор приклеенный на исследуемый объект. Для того что бы максимально точно измерять деформацию объекта, необходимо кроме всего, чтобы деформация практически без потерь передалась от объекта к решетке тензорезистора. Это достигается подбором соответствующего связующего (клея) и технологии монтажа. Основное требование к связующему это отсутствие пластической деформации в рабочем диапазоне использования тензорезистора. Оптимальное связующее и технология работы с ним указываются в технических описаниях к партиям тензорезисторов. Очень часто в качестве связующего используют клеи типа БФ-2.
Сопротивление, указанное в паспорте и измеренное после монтажа тензорезистора на объект могут незначительно отличаться - в процессе полимеризации связующего могут возникать деформации решетки тензорезистора. При точных измерениях необходимо это учитывать.
Далее, после монтажа тензорезистора на объект в процессе проведения механических испытаний объекта измеряют электрическое сопротивление тензорезистора. Если, например, коэффициент тензочувствительности тензорезистора k = 2, начальное сопротивление (указанное в паспорте или измеренное после монтажа тензорезистора на объект) Rо = 200,1 Ом, а при механическом нагружении объекта Rε = 200,9 Ом, то величина механической деформации (в данном случае растяжения) в точке монтажа тензорезистора и в направлении его базы равна:
ε = ΔR/kRо = (Rε - Rо)/kRо = 0,002 = 2⋅10^3 mln^-1 = 2⋅10^3 ЕОД.
Т.е. величина относительной деформации равна 0,002. Величины относительных деформаций иногда выражают в ЕОД - единица относительной деформации, которая равна 1/1000000 (одной миллионной части - mln^-1 ) единицы деформации.
На практике для измерений деформаций используется специальная аппаратура с целью автоматизации измерений, технологии измерений более сложные для достижения максимальной точности, расчета погрешностей по определенным методикам и т.д.
Если необходимо определить механические напряжения объекта в точке измерения деформации, то используют известную связь механической деформации ε с механическими напряжениями σ:
σ = εE,
где E - модуль Юнга (упругости) материала объекта.
Методика и последовательность измерения механических деформаций с помощью полупроводникового тензорезистора в основном практически такая же, как выше описанная для фольгового.
Смотрите также:
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ДАТЧИКИ, СЕНСОРЫ
Информация, новости, реклама
