Тензометрические преобразователи

В основе работы тензорезисторов лежит тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. Характеристикой тензоэффек­та материала является коэффициент относительной тензочувстви­тельности k, определяемый как отношение изменения сопротив­ления к изменению длины проводника

k = е_R / е_l

где е_R = ΔR /R - относительное изменение сопротивления про­водника;

е_l = Δl /l – относительное изменение длины проводни­ка.

Основными требованиями, предъявляемыми к материалу тен­зорезисторов, являются:

высокий коэффициент тензочувствительности γ, определяю­щий разрешающую способность преобразователя;

высокое удельное электрическое сопротивление для упроще­ния построения измерительных цепей;

низкий температурный коэффициент сопротивления (слабая зависимость сопротивления от температуры) в рабочем диапазо­не температур;

линейная зависимость сопротивления от деформации (стабиль­ность γ) в возможно более широком диапазоне деформаций;

химическая стойкость к материалу, обеспечивающему крепеж датчика, стойкость к окислению и механическая прочность.

При изготовлении тензорезисторов чаще других материалов применяют константан для обычных и нихром для высоких тем­ператур. Конструктивно тензорезистор (рис. 3.17, а) состоит из лаковой или бумажной подложки 2, на которой при помощи свя­зующего (клея) укреплен чувствительный элемент 1, к нему при­соединены выводные проводники 3. Чувствительный элемент пред­ставляет собой обычно проволочную (толщина проволоки состав­ляет 0,02…0,05 мм) петлевую решетку или ленту из фольги тол­щиной 0,004...0,012 мм. Сверху чувствительный элемент защищен тонкой бумагой.

Существуют так называемые пленочные тензорезисторы, по­лучаемые вакуумной возгонкой тензочувствительного материала (например, титаноалюминиевого сплава или полупроводников гер­мания или кремния) и последующей конденсацией его на подложку.

Важнейшим параметром чувствительного элемента, определя­ющим разрешающую способность датчика, является его длина (база) l, составляющая обычно 5... 30 мм. Номинальное сопротив­ление тензодатчиков составляет 50... 400 Ом, коэффициент тен­зочувствительности k= 2±0,2, номинальный рабочий ток 30 мА, максимально допустимые деформации не превышают ±0,3 %, га­бариты от 17 х 8 до 42 х 10 мм.

Тензорезисторы применяются для определения относитель­ной деформации и механического напряжения в элементах конструкции. Для этого датчики наклеиваются на поверхность элемента, элемент под­вергается нагружению, возникающие деформации элемента пе­редаются тензорезистору. Контроль за изменением его сопро­тивления по времени и несложный пересчет его в деформа­ции, перемещения, напряжения и другие параметры позволя­ет сравнительно просто получать достоверную информацию о напряженно-деформированном состоянии локальных областей объекта.

Текущее сопротивление тензорезистора определяется как его де­формацией (естественной входной величиной), так и приращением, возникающим при измене­нии температуры

Особенностью тензорезисторов является их разовое использо­вание. Поэтому перед испытаниями они подвергаются тарирова­нию - деформированию и нагреву конструкции с наклеенными датчиками на известную величину, замеру изменения сопротив­лений и точному расчету тензочувствительности и других пара­метров. В случае невозможности тарирования остается пользоваться паспортными данными на партию датчиков. Поэтому в последнее время все большие требования предъявляются к стабильности, воспроизводимости параметров датчиков внутри партии.

В качестве измерительных цепей для тензопреобразователей, как правило, используются неравновесные мосты, рассмотрен­ные ранее. Схема расположения тензорезисторов при измерении деформаций изгиба пластины и схема измерительной цепи пред­ставлены на рис. 3.17, б, в.

При невозможности предварительного тарирования измеритель­ного прибора погрешность, обусловленная разбросом характери­стик датчиков и качества их монтажа, составляет 1... 5%, а общая погрешность измерительного прибора (включая погрешность уси­лителя и указателя) может достигать 10... 15 %. Градуировкой дат­чиков, контролем коэффициента усиления усилителя и контролем нуля указателя можно снизить погрешность измерения до 0,1... 0,2 % при статических и до 1... 1,5 % при динамических испытаниях.

Достоинствами проволочных тензодатчиков являются:

• простота конструкции;

• безынерционность;

• линейная и симметричная при растяжении-сжатии (без гисте­резиса) характеристика;

• малая масса, небольшие габаритные размеры и невысокая стои­мость.

К недостаткам проволочных тензодатчиков относятся:

• невысокая чувствительность и необходимость применения уси­лителей;

• чувствительность показаний к температуре;

• малый диапазон деформаций (до 0,3 %);

• необходимость защиты от воздействия агрессивной среды; одноразовое использование;

• значительная база (достигает - 5... 30 мм).

Помимо тензодатчиков, использующих тензоэффект в спла­вах, существуют полупроводниковые тензодатчики, использую­щие изменение удельного сопротивления полупроводникового кристалла при деформации. Эти датчики обладают:

• высокой тензочувствительностью (примерно в 100 раз выше, чем у проволочных);

• большим выходным сигналом, что позволяет обходиться без усилителя.

К недостаткам этих датчиков следует отнести:

• малую механическую прочность (хрупкость); сильное влияние окружающей температуры;

• большой разброс параметров датчиков внутри партии (до 20 %).