Тензорезисторы. Описание, физико-технические основы работы измерительных преобразователей деформации
Работа тензорезистивных преобразователей (тензорезисторы, тензодатчики) основана на свойстве материалов изменять свое электрическое сопротивление при механических деформациях, возникающих под действием приложенной силы. Величина тензоэффекта проводников определяется в основном изменением геометрических размеров резистора (проволоки, пленки), а полупроводников - удельного сопротивления вследствие изменения эффективной массы и подвижности носителей тока.
Проволочные тензорезисторы (рис. 1) выпускаются в виде проводников, жестко связанных с бумажной или пленочной основой 2. Проводник 3 представляет собой зигзагообразно уложенную тонкую проволоку диаметром 0,02-0,05 мм, к концам которой пайкой или сваркой присоединяются выводы (медные проводники 4). Проводники закрываются бумагой, пленкой или лаком 1. После наклеивания подложки тензорезистора на исследуемую деформируемую поверхность деформация этой поверхности передается проводникам и приводит к изменению их сопротивления.
Главная >> Тензорезисторы, тензодатчики. Основы и принцип работы.
Преобразователи, датчики, сенсоры - Информационный портал © 2011 - 2023 Использование материалов сайта возможно при размещении активной ссылки
русский / english
Механические напряжения. Деформации.
• 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
Рис. 1. Конструкция проволочного тензорезистора.
Сопротивление R резистора, выполненного в виде проволоки длиной l, определяется известным выражением.
R = ρl/S (1)
где ρ - удельное сопротивление материала проволоки;
S - площадь поперечного сечения проволоки.
Тензоэффект характеризуется выходным сигналом, связанным с относительным изменением сопротивления резистора ΔR/R. Отношение относительного изменения выходного сигнала к вызвавшей его относительной деформации ε при фиксированных значениях величин тока, температуры, и др., называется коэффициентом тензочувствительности тензорезистора.
k = ΔR/Rε
Отношение ΔR/R определяется (математически можно получить дифференцируя (1))
ΔR/R = Δρ/ρ + Δl/l - ΔS/S
где ΔR, Δρ , Δl, ΔS - изменения сопротивления, удельного сопротивления, длины и площади поперечного сопротивления проводника соответственно.
В области упругих деформаций используя теорию для твердых тел можно получить выражение для коэффициента тензочувствительности в виде
k = 1 +2μ + ν
Для проводников составляющие μ (коэффициент Пуассона) и ν (коэффициент эластосопротивления) мало отличаются по величине. Для полупроводников величина ν может на два порядка превосходить μ и зависит от температуры, деформации, кристаллографического направления. Поэтому полупроводниковые тензорезисторы обладают намного большей тензочувствительностью, но и более подвержены влиянию сторонних воздействий.
Качество тензорезисторов определяется их коэффициентами тензочувствительности k и величиной температурного коэффициента сопротивления (ТКС) - ΔR/RΔТ. Чем выше коэффициент тензочувствительности К и меньше температурный коэффициент сопротивления (ТКС) материала, из которого изготовлен тензорезистор, тем выше его качество.
Например, для проволочных тензорезисторов, изготовленых из сплавов константана и манганина k=2, ТКС= 30*10^-6 K^-1 и 10*10^-6 K^-1 соответственно. Для полупроводниковых тензорезисторов k достигает величины 100 и более (например, кремниевых).
У фольговых тензорезисторов чувствительный элемент выполнен из фольги толщиной 3-6 мкм. Основными преимуществами фольговых тензорезисторов являются возможность образования тензорешеток любой формы и эффективный отвод тепла в процессе измерений, что позволяет получить больший выходной сигнал. Фольговые тензорезистолры малочувствительны к поперечным деформациям и могут изготавливаться размерами от 0,3 мм.
К одним из основных метрологических характеристик тензорезисторов относят тензочувствительность, ползучесть, механический гистерезис, температурная нестабильность.
Тензочувствительность определяется главным образом тензорезистивными свойствами материала чувствительного элемента. Тензочувствительность является основным параметром, по которому определяют величину измеряемой деформации
ε = ΔR/Rk
Ползучесть проявляется в виде изменения выходного сигнала при заданном и неизмененном значении ε. Причиной ползучести является упругое несовершенство основы и клея.
Механический гистерезис, как и ползучесть, обусловлен упругим несовершенством основы и клея и численно определяется через разность значений выходного сопротивления для одного и того же значения деформации при условии, что данное значение деформации достигается при плавном ее возрастании и плавном уменьшении.
Температурная нестабильность, заключается в изменении сопротивления тензорезистора за счет его ТКС, и также за счет появления дополнительных механических напряжений вследствие различия в температурных коэффициентах линейного расширения материала тензорезистора и исследуемой детали.
Важным параметром тензорезисторов является допустимая мощность, которая может рассеиваться в тензорезисторе при условии, что его перегрев не превысит допустимого значения. Допустимая мощность тензорезистора находится в определенной зависимости от его геометрических размеров.
Современные полупроводниковые датчики деформации - тензорезисторы по конструкции и техническим характеристикам ...
У фольговых тензорезисторов чувствительный элемент выполнен из фольги толщиной 3...6 мкм.
Толщина фольговых тензорезисторов меньше проволочных и составляет 30...50 мкм. Основными преимуществами ...
Смотрите также:
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ДАТЧИКИ, СЕНСОРЫ
Информация, новости, реклама
