Тензометрические датчики

Тензодатчики применяются для измерения величины силы (давления).

Различают резистивные, полупроводниковые и пьезоэлектрические тензометрические датчики. Измерение силы тензодатчиком происходит косвенно – путем измерения деформации калиброванного элемента, вызванной действием данной силы. Для измерения давления его преобразуют в силу и измеряют тензометрическим методом. Тензодатчики также применяют для измерения скоростей потока различных жидкостей и сред (воздуха, газов). Такие измерения производят, используя дифференциальный метод измерения. В табл. 2.3 приведены направления и техника применения тензодатчиков.

Таблица 2.3

Применение тензодатчиков

Резистивный тензодатчик меняет свои размеры при действии на него силы (сжимается или растягивается), таким образом он изменяет свое сопротивление.

В простейшем случае резистивный тезодатчик представляет собой тензопроволочку, натянутую между двумя стойками-контактами (рис. 2.8). Сила, воздействуя на проволочку (площадью сечения А, длиной L, удельным сопротивлением ρ), вызовет удлинение или сжатие последней, что приведет к пропорциональному увеличению или уменьшению ее сопротивления:

R=ρL,

A

∆R =GF ∆L ,

R L

где GF – это тензочувствительность (значение 2.0–4.5 – для металлов, более 150 – для полупроводников).

Значение силы, приложенной к проволочке, определяется величиной ∆L/L, выражается в единицах относительной деформации(е. о. д.). Таким образом, чем больше тензочувствительность, тем больше величина изменения сопротивления и, следовательно, выше чувствительность датчика.

Рис. 2.8. Проволочный тензодатчик

Если проволочку или проводящую тензофольгу закрепить на специальной подвижной пластине или основании, мы получим наклеиваемый тензодатчик. Такой датчик устанавливается вдоль направления измеряемой силы

(рис. 2.9).

Рис. 2.9. Наклеиваемый проволочный тензодатчик

Наклеиваемые датчики изготовляют из тех же металлов, что и проволочные (константан, нихром, сплав никеля с железом и т. д.). Наибольшее распространение получили фольговые датчики, изготавливаемые методом фототравления.

Таблица 2.4

Сравнение металлических и полупроводниковых тензодатчиков

Проволочные датчики имеют малую поверхность связи с образцом (основанием), что уменьшает токи утечки при высоких температурах и дает большее напряжение изоляции между чувствительным элементом и образцом. Кроме того, фольговые чувствительные элементы имеют большое отношение площади поверхности к площади поперечного сечения (чувствительность) и более стабильны при критических температурах и длительных нагрузках. Большая площадь поверхности и малое поперечное сечение также обеспечивают хороший температурный контакт чувствительного элемента с образцом, что уменьшает саморазогрев датчика.

Полупроводниковые материалы (например, кремний и германий), имеющие пьезорезистивный эффект, используют для изготовления тензодатчиков большой чувствительности. Однако они трудно поддаются компенсации и имеют нелинейное изменение сопротивления (табл. 2.4).