4. Фольговые, пленочные, угольные и полупроводниковые тензодатчики

Фольговые тензодатчики изготовляют методом фотохимического травления. Решетка такого датчика выполняется из разных сплавов (медь с никелем, серебро с золотом и др.), которые обеспечивают достаточную чувствительность и в то же время имеют надежное сцепление (адгезию) с изоляционной основой, на которой выполняется датчик.

Пленочные тензодатчики изготовляют путем напыления слоя германия, теллура, висмута или сульфида свинца на эластичное изоляционное основание из слюды или кварца.

В отличие от проволочных, фольговые и пленочные тензодатчики имеют решетку не круглого, а прямоугольного сечения с очень большим отношением ширины к высоте. По сравнению с проволочными они имеют ряд преимуществ. Благодаря большой площади соприкосновения токопроводящих полосок датчика с деталью обеспечиваются хорошие условия теплоотдачи. Это позволяет в несколько раз повысить плотность тока фольговых датчиков и в десятки раз — плотность тока пленочных датчиков (до 10³ А/мм²). Благодаря большому отношению периметра сечения плоской полосы к площади ее сечения улучшается восприимчивость к деформации и точность ее измерения. Чувствительность пленочных датчиков достигает 50. Благодаря увеличенному сечению концов фольговой и пленочной решетки увеличивается надежность пайки (или приваривания) выводов датчика.

Фольговые датчики имеют толщину проводящего покрытия 3—15 мкм. Сопротивление фольговых датчиков находится в пределах от 30 до 300 Ом. Фотохимический способ позволяет выполнить любой рисунок решетки, что также является достоинством фольговых датчиков. На рис. 4 показаны различные типы фольговых тензодатчиков: а — предназначен для измерения линейных перемещений; б — розетка из двух датчиков, позволяющая измерять деформации в двух взаимно перпендикулярных направлениях; в — датчик, предназначенный для наклеивания на мембрану и измерения давления.

Рис. 4. Фольговые тензодатчики

Для измерения механических усилий и напряжений используются и угольные датчики. Их работа основана на зависимости активного сопротивления угольных (или графитовых) контактов от силы контактного сжатия. Устройство угольного датчика показано на рис. 5, а. Угольные диски 3 зажимаются между прижимным винтом 6 и упором 5, воспринимающим измеряемое усилие F. Давление на угольные диски 3 передается через металлические диски 7, изоляционные прокладки 4 и медные прокладки 2, имеющие выводы для включения датчика в измерительную схему.

Активное сопротивление R_д угольного столбика складывается из внутреннего сопротивления шайбы R_i и переходного контактного сопротивления между шайбами R_к:

Рис. 5. Угольный датчик для измерения усилия

(12)

Внутреннее сопротивление диска определяется электрическими свойствами материала дисков и не зависит от усилия F. Удельное сопротивление электродных углей составляет, например, 30—150 Ом мм²/м. Переходное контактное сопротивление зависит от усилия F следующим образом:

(13)

где к — коэффициент, зависящий от свойств материала шайб. Подставляя (12) в (13), получим

(14)

Зависимость сопротивления угольного датчика от усилия показана на рис. 5, б. Характеристика имеет небольшую петлю гистерезиса при прямом и обратном ходе из-за некоторого залипания угольных дисков. При небольших усилиях (F < F₀) из-за слабого контакта между дисками статическая характеристика угольного датчика имеет зону неопределенности. Для устранения этой зоны неопределенности и служит прижимный винт 6, обеспечивающий начальное усилие сжатия F₀.

Для измерения упругих деформаций используются угольные датчики тензолитового типа. Изготовляются они из угольного (графитового) порошка или сажи, смешанной с изолирующим лаком (бакелит или шеллак). Такая масса называется тензолитом.

Рис. 6. Тензолитовый угольный датчик

Выполняются угольные тензометрические датчики (рис. 6) в виде стержней 1 диаметром около 1 мм с медными выводами. На контролируемую деталь наклеивают полоску изоляционной бумаги 2, а к бумаге приклеивают стержень. При деформации детали стержень также деформируется. Происходит изменение плотности контакта, между частицами угля, и, следовательно, сопротивление датчика изменяется: при сжатии — уменьшается, при растяжении— увеличивается. Относительная чувствительность тензолитового датчика определяется, как и для проволочных тензодатчиков, по формуле . Она не является постоянной величиной из-за нелинейной зависимости(см. рис. 5,б) и может достигать больших величин (до 20).

В полупроводниковых тензодатчиках используются кристаллические полупроводниковые материалы. Принцип действия их такой же, как и у проволочных тензодатчиков: изменение активного сопротивления из-за механической деформации самого проводника и изменения удельного сопротивления. Но если в металлических проводниках главным является изменение размеров [коэффициент μ в уравнении (11)], то в металлических полупроводниках главным является изменение удельного сопротивления [коэффициент т в уравнении (11)].

Наиболее заметен тензоэффект в таких полупроводниках, как германий Ge, кремний Si, соединения индия In, галлия Ga. Для них можно на практике считать, что . Чувствительность полупроводникового тензодатчика зависит от ориентировки действия сил (кристаллографического направления). Влияют на чувствительность также наличие примесей и температура.

Наибольшее распространение получили германиевые и кремниевые тензодатчики, причем последние способны работать при высоких температурах (до 540 °С) и больших механических нагрузках.