3.3.4. Тензометрические датчики

Работа преобразователя тензометрического датчика (тензорези-стора) основана на изменении электрического сопротивления про­водников при упругих деформациях растяжения или сжатия. Они применяются для преобразования деформаций, усилий и напряжений в электрический сигнал. В зависимости от конструк­ции и материала чувствительного элемента тензорезисторы под­разделяются на проволочные, фольговые, полупроводниковые и тензолитовые.

Простейшим проволочным тензорезистором может служить отрезок тонкой проволоки. При деформации детали одновременно будет деформироваться и наклеенная проволока. Изменение элек­тросопротивления ΔR проволоки при ее растяжении или сжатии связано с относительной деформацией ε соотношением

где R — номинальное сопротивление проволоки, Ом; k — коэф­фициент чувствительности.

Коэффициент чувствительности k зависит от вида материала и технологии изготовления преобразователя; его значение опре­деляют экспериментально. Наибольшее распространение полу­чили константан и нихром, для которых k = 1,9…2,1.

Размеры детали часто не позволяют закрепить на ней преоб­разователь в виде прямолинейного отрезка проволоки большой длины. Поэтому промышленность изготовляет тензометрические преобразователи в виде спирали (решетки) из нескольких петель проволоки (рис. 3.10,а). Проволоку 1 наклеивают на подложку 2 из тонкой бумаги или лаковой пленки и сверху наклеивают такую же тонкую бумагу. К проволоке приваривают (или припаивают) выводы 3, выполненные из тонких полосок медной фольги. Недостатком данной конструкции решетки, является чув­ствительность преобразователя к поперечным деформациям. Для устранения этого недостатка петли между рядами заменяют мед­ными перемычками 4 (рис. 3.10, б). Основными параметрами решетки являются: длина l (3 ... 75 мм), ширина а (0,03 ... 10 мм) и радиус закругления r (0,1 ... 0,3 мм).

Проволочные тензорезисторы просты по конструкции, имеют малую массу и невысокую стоимость. Их статическая характе­ристика линейна и реверсивна. К недостаткам проволочных тензорезисторов относятся низкая чувствительность и одноразовость действия. Они подвержены влиянию окружающей среды (темпе­ратура и влага).

Фольговые тензорезисторы по принципу действия и основным параметрам сходны с проволочными преобразователями и отли­чаются только конструкцией решетки (рис. 10, в) и способом ее получения. Для фольговых тензорезисторов применяется фольга толщиной 4 ... 12 мкм из константана, нихрома, титан-алюми­ниевого или золото-серебряного сплавов. Решетку фольговых тензодатчиков получают методом фотолитографии, который позво­ляет изготовлять преобразователи любой конструкции (линейные, розеточные, мембранные и т. п.) с высокой повторяемостью пара­метров. Фольговые тензорезисторы по сравнению с проволочными имеют ряд преимуществ. Они более чувствительны и точны за счет лучшей передачи деформации от детали к фольге, имеют хоро­ший механический контакт с контролируемой деталью и позво­ляют пропускать через фольгу большой ток.

В настоящее время находят все большее применение полупро­водниковые тензопреобразователи, изготовленные из полупровод­никовых материалов — кремния, германия, мышьяка, галия и др.

В отличие от проволочных и фольговых преобразователей изме­нение сопротивления при деформации у полупроводниковых происходит благодаря изменению удельного сопротивления.

Основным преимуществом полупроводниковых преобразова­телей является высокая чувствительность (почти в 100 раз выше, чем у проволочных). Они имеют большой выходной сигнал, что позволяет в некоторых случаях отказаться от применения уси­лителя. Однако у них большой разброс параметров и низкая механическая прочность, т. е. они хрупки.