Тензодатчики (тензорезисторы). Средства автоматизации и управления

В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Тензорезисторы бывают разных размеров, и их минимальная длина равняется примерно 0,025 см. Тензорезисторы закрепляются на поверх;

Рис. 2.11. Классификация тензодатчиков.

ности исследуемого образца или монтируются в материал, деформация которого измеряется. Они способны измерять деформации порядка 1 мкм.

Тензорезисторы могут быть трех различных типов: проволочные, фольговые и полупроводниковые. Проволочные тензодатчики могут быть наклеиваемыми и ненаклеиваемыми, а полупроводниковые — наклеиваемыми или диффузионными. Соответствующая классификационная схема приведена на рис. 2.11.

Для наклеиваемых проволочных тензорезисторов характерна следующая конструкция. На держатель — полоску тонкой бумаги или лаковую пленку — наклеивается решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки диаметром 0,02…0,05 мм. К концам проволоки пайкой или сваркой присоединяются выводные медные проводники. Сверху тензорезистор покрывается слоем лака. Такой тензорезистор, будучи наклеенным на испытуемую деталь, воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Измерительной базой в этом случае является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются преобразователи с базами 5…20 мм, обладающие исходным сопротивлением 30…500 Ом. Держатель обеспечивает жесткость и постоянство размеров тензорезистора. Он также обеспечивает механический контакт с поверхностью, на которую он наклеивается. Иногда используются и временные держатели, которые удаляются непосредственно перед использованием такого преобразователя, чем обеспечивается лучший механический и тепловой контакт между датчиком и деталью, к которой он прикрепляется.

Хотя тензопреобразователи реагируют главным образом на деформацию, происходящую вдоль их длины, они также имеют и некоторую поперечную чувствительность. Длинный узкий датчик измеряет деформацию в основном только в одном направлении, 'а петлеобразная конструкция позволяет увеличить его длину при относительно малых габаритах. Однако концы петель оказываются все же чувствительными к поперечной деформации, воздействие которой необходимо уменьшать. Деформация может быть измерена в нескольких направлениях с помощью конструкции, выполненной в виде розетки. При этом она может быть многослойной (т. е. состоять из отдельных элементов, наложенных друг на друга) или же планарной — в этом случае элементы тензодатчика не перекрываются. Для уменьшения токов утечки при высокой температуре или при высоком потенциале следует добиваться уменьшения площади поверхности наклеиваемых проволочных тензодатчиков.

Ненаклеиваемый проволочный тензодатчик обычно состоит из четырех проволочных секций, намотанных на рамки. Рамки ориентируются таким образом, что усилия, нормальные к их плоскостям, будут вызывать увеличение напряжения в двух секциях, в то же время уменьшая его в двух оставшихся секциях. Проволочные секции электрически соединяют между собой таким образом, чтобы они образовывали четыре плеча измерительного моста. Это повышает чувствительность измерения и в определенной степени обеспечивает температурную компенсацию. Ненаклеиваемые тензодатчики обладают меньшей чувствительностью, чем наклеиваемые, и имеют большие габариты. Они обычно используются в приборах, в которых они представляют собой конструктивную часть какого-либо другого устройства, например нагрузочного элемента или же акселерометра.

Фольговые тензорезисторы можно получить травлением из фольги толщиной 4…12мкм, так чтобы оставшаяся после травления часть металла образовывала решетку с выводами. Таким образом, удается получить тензопреобразователи с меньшими габаритами, чем проволочные. Известны фольговые тензорезисторы с базой 0,8 мм.

Фольговые тензорезисторы можно также получить методом вакуумной возгонки тензочувствительного материала с последующим его осаждением на основу (подложку). В этом случае форма тензорезистора определяется маской, через которую про;

Рис. 2.12. Конструктивные схемы проволочного (а) и фольгового (б) тензодатчиков изводится напыление. Пленочные тензорезисторы имеют толщину менее 1 мкм.

На рис. 2.12 представлены примеры конструктивных схем проволочного и фольгового тензодатчиков.

Полупроводниковые тензодатчики изготавливают из кремниевых кристаллов, нарезанных в виде волокон.

Наклеиваемый полупроводниковый датчик по конструкции подобен наклеиваемому металлическому тензодатчику и дает на выходе напряжение порядка 15 мВ на 1 В возбуждения.

Диффузионный полупроводниковый датчик изготавливается путем диффузии материала датчика в поверхность диафрагмы, которая представляет собой тонкий срез монокристалла кремния. Он имеет более высокую линейность (0,05%) и меньший гистерезис (0,01%), чем полупроводниковые датчики наклеиваемого типа, но уровень выходного сигнала у него ниже (ЮмВ/В).

Схема наклеиваемого кремниевого тензопреобразователя приведена на рис. 2.13. На этом рисунке: / — монокристалл кремния; 2—активная длина датчика; 3— контакт.

В целом полупроводниковые тензодатчики значительно чувствительнее металлических, но характеризуются меньшей линей;

Рис. 2.13. Схема наклеиваемого кремниевого тензопреобразователя ностью и обладают более высокой температурной чувствительностью.

Для изготовления тензопреобразователей используются металлы, обладающие высокой температурной стабильностью, т. е. низким температурным коэффициентом сопротивления. Это особенно важно при измерении статических напряжений. Перечислим наиболее широко применяющиеся сплавы. _д

• • Медно-никелевые сплавы, например константан. Этот сплав имеет низкий температурный коэффициент сопротивления и используется для измерения статических напряжений, когда уровень деформаций ниже 15 мкм/см и температурный диапазон составляет от —70 до +230 °С.
• • Никель-хромовые сплавы, например стабилой. Этот сплав имеет хорошую стабильность при температуре до 350 ^вС и обладает большем сроком службы.
• • Никель-железные сплавы, например диналой. Этот сплав имеет высокий коэффициент тензочувствительности, хотя и характеризуется сравнительно низкой температурной стабильностью. Он применяется обычно для измерения динамических напряжений.
• • Платиново-вольфрамовые сплавы. Они имеют высокую стабильность и длительный срок службы и используются для статических измерений при температуре до 650 °C и для динамических измерений при температуре до 820 °C.

В качестве временных покрытий обычно используется слоистый винил.

Назовем материалы, используемые для постоянных покрытий.

• • Полиамидные смолы. Эти материалы используются в качестве пленочных покрытий, наносимых методом полива на рабочий слой. Они образуют тонкий прочный слой покрытия, который выдерживает относительное растяжение до 20% и пригоден для использования при температуре до 200 °C. Эти смолы могут также армироваться слоистым стеклянным носителем. Такие покрытия выдерживают температуру до 400 ^вС.
• • Бумага, пропитанная феноловыми смолами. Такое покрытие используется при температуре до 260 °C. Оно наклеивается на фольгу или на проволоку при нагреве под давлением. Иногда осуществляется стекловолоконная армировка такого покрытия, что стабилизирует его форму, хотя и уменьшает диапазон деформаций.
• • Металлическая прокладка толщиной до 0,005 см, к которой тензопреобразователи крепятся изолирующим связующим веществом. Эта прокладка может прикрепляться к испытуемой детали с помощью точечной сварки. Значения температурных коэффициентов расширения детали и прокладки должны быть одинаковы.

Связующие вещества, используемые для крепления тензодатчика к детали, должны обладать высоким сопротивлением деформации сдвига во всем диапазоне измерений, что обеспечивает точную передачу деформации от детали к чувствительному элементу тензодатчика. Кроме того, они должны обладать высоким изолирующим сопротивлением порядка ЮОООМОм. Наиболее широкое применение получили нижеследующие виды связующих веществ.

• • Нитроцеллюлозный клей. Он застывает при комнатной температуре в течение 2…48 ч и может работать в температурном диапазоне от -70 до +80 °С. Этот клей совместим с большинством материалов, за исключением тех, которые подвергались воздействию кетонных растворителей. При необходимости тензодатчик можно отсоединить от поверхности детали, используя именно кетон. Однако нитроцеллюлоза гигроскопична, поэтому для обеспечения долговременной стабильности измерительное устройство должно иметь влагоустойчивое покрытие.
• • Цианакриловые клеи. Эти клеи совместимы с большинством материалов и держателей, образуют хороший контакт при соприкосновении и быстро застывают, поэтому с их помощью тензодатчик может быть установлен на детали за несколько минут. Они работают в достаточно широком температурном диапазоне от -70 до +620 °С, чувствительны к влажности и поэтому требуют защиты.
• • Эпоксидные смолы. Некоторые из них затвердевают при комнатной температуре в течение 2… 10 ч, а другие требуют для затвердевания выдержки при температуре от 100 до 200 °C в течение 1…5 ч. Они имеют рабочий диапазон температур от -250 до +300 °С и не реагируют на многие химикаты и на влажность.
• • Керамический цемент. Он используется как связующее вещество для датчиков, имеющих временный держатель и работающих при температурах выше 400 °C. Цемент, который является изолятором, наносится на тензодатчик и на испытываемую деталь, а затем спекается при 320 ^вС. В результате образуется твердое пористое покрытие, которое может работать в температурном диапазоне от -450 до +600 *С.

Для измерения различных физических величин (сил, давлений, деформаций, крутящих моментов и др.) тензорезисторы включают в измерительные схемы мостового или потенциометрического типа. В состав этой измерительной схемы должны входить и различного рода вспомогательные элементы (например, источники питания, балансирующие и стабилизирующие устройства, делители напряжения и т. д.).

Выходной сигнал измерительного моста с проволочными тензодатчиками составляет обычно не более 10…50 мВ при деформации 1%. Выходной сигнал измерительного моста с полупроводниковыми тензодатчиками имеет обычно такое же значение, но при деформации 0,1%.

Включение во все четыре плеча измерительного моста активных тензорезисторов и их правильное расположение на поверхности испытуемой детали (в соответствии с измеряемыми напряжениями) позволяет до четырех раз повысить величину измеряемого сигнала.

Повысить напряжение питания и тем самым увеличить выходной сигнал можно при питании тензорезисторов импульсным током.