Тензорезисторные преобразователи

Принцип работы тензорезисторных преобразователей основан на использовании явления тензоэффекта – изменения электрического сопротивления проводника (полупроводника) при его механической деформации. Относительное изменение сопротивления ΔR/R линейно зависит от относительной деформации Δl/l проводника:

где S – коэффициент тензочувствительности. для константана.

Для изготовления тензорезистров наиболее часто используется сплав константан. Он имеет большой коэффициент чувствительности (S = 1,9...2,1), высокое удельное сопротивление и температурную стабильность. Основа тензорезистора изготавливается из полимерных пленок или бумаги. Тензорезисторы для измерения деформаций конструкций изготавливаются из фольги или константановой проволоки диаметром 0,02…0,05 мм. Тензорезистор наклеивают на поверхность испытуемой детали так, чтобы деформация прикладывалась вдоль его базы.

Фольговые тензорезисторы являются основой тензорезисторных датчиков, используемых для измерения силы (веса), давления жидкой или газообразной среды. Такие датчики содержат упругий элемент из материала с хорошими упругими свойствами, на который наклеиваются тензорезисторы. Метрологические характеристики датчика в очень значительной степени зависят от качества наклейки тензорезистроров. Наклейка осуществляется специальными клеями с сушкой, как правило, при повышенной температуре. Для изготовления упругого элемента применяются пружинные стали и алюминиевые сплавы с соответствующей термообработкой. Как правило, используется четыре тензорезистора R1…R4, включенных по мостовой схеме (рис. ). В идеале два тензорезистора должны работать на растяжение, два на сжатие с одинаковой величиной деформации. Тензорезисторы с одинаковым знаком деформации включают в противоположные плечи моста.

Часто используются датчики, в которых используются два активных и два пассивных тензорезистора. Активные тензорезисторы включают в два противоположных плеча моста, пассивные в два других противоположных плеча моста. При прочностных испытаниях конструкций могут использоваться схемы с одним активным тензорезистором.

В датчиках давления широкое распространение получили также кремниевые тензорезисторы, получаемые методами полупроводниковой технологии на упругом элементе, например, из искусственного сапфира. Готовые чувствительные элементы датчиков давления на основе полупроводниковых тензорезисторов производятся рядом фирм. По сравнению с фольговыми, полупроводниковые тензорезисторы обеспечивают более высокую чувствительность, но меньшую точность датчика. Типичные значения погрешности тензодатчиков с фольговыми тензорезисторами – порядка 0,02…0,1 %, с полупроводниковыми – порядка 0,25…1,0 %.

Рис. Схема тензорезисторного датчика

В зависимости от решаемой задачи, используются разнообразные упругие элементы, преобразующие измеряемую силу и давление в деформацию тензорезисторов. Примеры упругих элементов для измерения силы показаны на рис. , для измерения давления жидкой или газообразной среды – на рис. .

Чем больше измеряемая сила или давления, тем более жестким должен быть упругий элемент. Например, для измерения малых усилий используют упругие элементы консольной конструкции, для максимальных усилий – упругие элементы в виде сплошного металлического стержня.

Материал упругого элемента должен обладать высокими значениями пределов прочности и текучести. Для этих целей обычно применяют специальные стали со специальной термообработкой и твердые алюминиевые сплавы.