Тензорезисторные преобразователи. Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия—растяжения

Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия—растяжения. При деформации проводника изменяются его длина l и площадь поперечного сечения Q. Деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления ρ. Эти изменения приводят к изменению сопротивления проводника

Этим свойством обладают в большей или меньшей степени все проводники. В настоящее время находят применение проводниковые (фольговые, проволочные и пленочные) и полупроводниковые тензорезисторы. Наилучшим отечественным материалом для изготовления проводниковых тензорезисторов, используемых при температурах ниже 180 °С, является константант. Зависимость сопротивления R от относительной деформации е с достаточной точностью опи­сывается линейным двучленом

где R₀— сопротивление тензорезистора без деформации; S_T — тензочувствительность материала.

Тензочувствительность константана лежит в пределах 2,0—2,1. Нелинейность функции преобразования не превышает 1%.

Фольговые тензорезисторы представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензочувствительная решетка из константана толщиной 4-12 мкм (рис. 14.2).

Решетка сверху покрыта лаком. Фольговые тензорезисторы нечувствительны к поперечной деформации вследствие малого сопротивления перемычек, соединяющих тензочувствительные элементы.

Проволочный тензорезистор имеет аналогичное устройство, но его решетка выполнена из константановой проволоки толщиной 20-50 мкм. По метрологическим и эксплуатационным характеристикам проволочные преобразователи уступают фольговым.

Фольговые и проволочные тензорезисторы обычно имеют длину 5—20 мм, ширину 3—10 мм. Их номинальное сопротивление равно 50, 100, 200, 400 и 800 Ом.

Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия длиной 5-10 мм, шириной 0,2-0,8 мм. К ее торцам приварены выводные проводники. Номинальное сопротивление лежит в пределах 50-800 Ом.

Свойства полупроводниковых и металлических преобразователей сильно различаются. Чувствительность полупроводниковых преобразователей может быть как положительной, так и отрицательной и лежит в пределах S_T = 55-130. Как сопротивление, так и чувствительность сильно зависят от температуры. Недостатком является также большой разброс параметров и характеристик.

Тензорезисторы применяются для преобразования деформации деталей в изменение сопротивления. Для этого они приклеиваются к этим деталям и испытывают одинаковые с ними деформации. Суть работы тензорезистора поясняется на рис. 14.3.

Для измерения деформации тензорезистора используются мосты постоянного и переменного тока. Чаще всего исследователь производит тарировку показаний моста по заданной нагрузке на упругий элемент тензодатчика.

Обычно тензорезистор наклеивают на упругий элемент специальным клеем. При этом используют клеи, которые после высыхания или полимеризации обладают достаточной твердостью и упругостью. С этой целью можно рекомендовать эпоксидные композиции или циакриловые клеи.

Одним из недостатков тензорезисторов является изменение их сопротивления при изменении температуры, что характерно практически для всех проводниковых и полупроводниковых материалов. В то же время температурный коэффициент сопротивления константана можно изменять, изменяя его термообработку. Благодаря этому тензорезисторы можно изготавливать так, чтобы при наклейке на определенный материал его сопротивление не зависело от температуры. Такие тензорезисторы называются термокомпенсированными.

Температурная погрешность проводниковых тензорезисторов в основном имеет аддитивный характер. Для ее компенсации используются дифференциальные схемы первого типа - с двумя или четырьмя тензорезисторами. Рабочие тензорезисторы наклеивают на исследуемую деталь вдоль ожидаемой деформации, а компенсационные — поперек нее.

При измерении, например силы, используется дифференциальная схема второго типа. При этом на силоизмерительный элемент с разных сторон наклеивают два тензорезистора, так что при изгибе этого элемента под действием силы один из тензорезисторов растягивается, другой - сжимается.

В обоих случаях температурные условия и температурные изменения сопротивлений тензорезисторов одинаковы. Тензорезисторы включаются в смежные плечи моста, и это компенсирует температурную погрешность.

Выпускаются также тензорезисторы, в конструкцию которых сразу включены основной и термо-компенсационный элементы.

Для работы с тензорезисторами выпускаются специально разработанные тензостанции, чаще всего многоканальные (могут работать сразу с несколькими измерительными схемами), которые снабжаются достаточно подробными инструкциями для подключения тензорезисторов. Современные тензостанции имеют каналы связи с компьютером.