Что такое тензорезисторные преобразователи. Как работают тензодатчики. Какие бывают виды тензорезисторов. Где применяются тензометрические датчики. Каковы преимущества и недостатки тензорезисторов.
Принцип работы тензорезисторных преобразователей
Тензорезисторные преобразователи основаны на явлении тензоэффекта — изменении электрического сопротивления проводников при их механической деформации. Конструктивно тензорезистор представляет собой тонкую проволоку или фольгу, закрепленную на гибкой подложке. При деформации исследуемой детали происходит растяжение или сжатие тензорезистора, что приводит к изменению его сопротивления.
Изменение сопротивления тензорезистора пропорционально относительной деформации ε:
ΔR / R = k * ε
где k — коэффициент тензочувствительности (обычно 2-4 для металлических тензорезисторов).
Таким образом, измеряя изменение сопротивления тензорезистора, можно определить деформацию исследуемой детали. Это позволяет использовать тензорезисторы для измерения различных механических величин — силы, давления, крутящего момента, ускорения и др.
Основные виды тензорезисторов
По конструкции и технологии изготовления выделяют следующие основные виды тензорезисторов:
- Проволочные — чувствительный элемент выполнен в виде тонкой проволоки
- Фольговые — чувствительный элемент изготовлен из тонкой металлической фольги
- Пленочные — чувствительный элемент получен напылением в вакууме
- Полупроводниковые — изготовлены из полупроводниковых материалов
Проволочные тензорезисторы
Проволочные тензорезисторы представляют собой тонкую проволоку диаметром 12-30 мкм, уложенную зигзагообразно и приклеенную к подложке. Применяются проволоки из специальных сплавов — константана, нихрома, элинвара. Достоинствами проволочных тензорезисторов являются простота конструкции и низкая стоимость. Недостатки — сравнительно низкая чувствительность и нестабильность характеристик.
Фольговые тензорезисторы
В фольговых тензорезисторах чувствительный элемент выполнен из тонкой металлической фольги толщиной 4-12 мкм. Решетка тензорезистора формируется методом фотолитографии. По сравнению с проволочными, фольговые тензорезисторы обладают лучшими характеристиками — более высокой точностью, стабильностью, меньшей поперечной чувствительностью. Они позволяют получать чувствительные элементы практически любой формы.
Полупроводниковые тензорезисторы
Полупроводниковые тензорезисторы изготавливаются из монокристаллов кремния или германия. Их главным преимуществом является очень высокая чувствительность — на порядок выше, чем у металлических тензорезисторов. Это позволяет получать большие выходные сигналы без применения усилителей. Недостатками являются нелинейность характеристик и сильная температурная зависимость.
Конструкция и характеристики тензорезисторов
Основными конструктивными элементами тензорезистора являются:
- Чувствительный элемент (решетка) — проволока, фольга или полупроводник
- Подложка — тонкая пленка или бумага для крепления решетки
- Выводы — для подключения к измерительной схеме
- Защитное покрытие — для защиты от внешних воздействий
Ключевые характеристики тензорезисторов:
- База — активная длина чувствительного элемента (2-100 мм)
- Номинальное сопротивление (50-1000 Ом)
- Коэффициент тензочувствительности (2-4 для металлических, до 200 для полупроводниковых)
- Рабочий диапазон деформаций (до ±3% для металлических, ±0,5% для полупроводниковых)
- Температурный диапазон (-200…+250°C)
Области применения тензорезисторных преобразователей
Тензорезисторные преобразователи нашли широкое применение в различных областях науки и техники:
Измерение деформаций и напряжений
Тензорезисторы позволяют проводить исследования напряженно-деформированного состояния деталей и конструкций. Их используют при прочностных испытаниях, для контроля нагрузок в процессе эксплуатации, в системах мониторинга состояния сооружений.
Датчики силы и веса
На основе тензорезисторов создаются различные датчики силы и веса — тензометрические датчики, весоизмерительные ячейки, силоизмерители. Они применяются в весах, дозаторах, испытательных машинах.
Датчики давления
Тензорезисторные датчики давления широко используются в промышленности, авиации, автомобилестроении. Они позволяют измерять давление в широком диапазоне — от долей кПа до сотен МПа.
Датчики крутящего момента
Тензометрические датчики крутящего момента применяются для измерения мощности двигателей, контроля нагрузки на валах и трансмиссиях. Они используются в автомобильной, авиационной, энергетической отраслях.
Акселерометры
Преимущества и недостатки тензорезисторных преобразователей
Основными преимуществами тензорезисторных преобразователей являются:
- Высокая точность измерений
- Широкий диапазон измеряемых величин
- Малые габариты и масса
- Простота конструкции
- Низкая стоимость
К недостаткам можно отнести:
- Необходимость температурной компенсации
- Влияние паразитных деформаций
- Ограниченный ресурс при циклических нагрузках
- Сложность монтажа на исследуемую деталь
Перспективы развития тензорезисторных преобразователей
Несмотря на то, что тензорезисторная технология известна уже много десятилетий, она продолжает активно развиваться. Основные направления совершенствования тензорезисторных преобразователей:
- Разработка новых тензочувствительных материалов с улучшенными характеристиками
- Создание многокомпонентных тензорезисторов для одновременного измерения нескольких параметров
- Миниатюризация тензорезисторов для применения в микросистемной технике
- Интеграция с микроэлектронными схемами усиления и обработки сигнала
- Разработка беспроводных тензометрических систем
Таким образом, тензорезисторные преобразователи остаются одним из наиболее универсальных и востребованных средств измерения механических величин. Их применение позволяет решать широкий круг измерительных задач в различных отраслях науки и техники.
1.3 Тензорезисторные преобразователи
В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации.
Устройство наклеиваемого проволочного тензорезистора показано на рисунке 3 [5, 263].
Рисунок 3 — Устройство наклеиваемого проволочного тензорезистора
На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку 2 наклеивается решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 3. К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники 4. Сверху преобразователь покрывается слоем лака 1. Такой преобразователь, будучи приклеенным к испытуемой детали, воспринимает деформацию ее поверхностного слоя.
Таким образом, естественной входной
величиной наклеиваемого тензопреобразователя
является деформация поверхностного
слоя детали, на которую он наклеен, а
выходной – изменение сопротивления
преобразователя, пропорциональное этой
деформации.
Фольговые преобразователи представляют собой весьма тонкую ленту из фольги толщиной 4-12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует решетку с выводами (рис. 4).
Рисунок 4 – Фольговый тензорезистор для измерения линейных напряжений
Технология изготовления фольговых тензорезисторов основана на использовании фотохимических процессов и обеспечивает получение решетки любой формы с базами от 0,3 мм и более. Технология удобна для массового производства.
Пленочные тензорезисторы получают путем вакуумной возгонки (сублимации) тензочувствительного материала и последующей его конденсации на подложку.
Фольговые и пленочные тензорезисторы
по сравнению с проволочными имеют, как
правило, лучшие технико-метрологические
характеристики. Их решетка может быть
выполнена практически любой формы и
размеров (практически любой рисунок),
что позволяет применять их для исследования
деформаций деталей практически любой
формы.
Полупроводниковые тензорезисторы дискретного типа представляют собой тонкие полоски из кремния или германия. Изменение сопротивления полупроводникового элемента при деформации в десять раз больше, чем проводникового, что увеличивает чувствительность преобразователя. Существенно выше и величина выходного сигнала. Изготавливаются обычно путем резки монокристалла с последующим травлением. Травление необходимо для того, чтобы на поверхности тензочувствительного элемента не осталось микротрещин от механической обработки.
Интегральные полупроводниковые тензорезисторы изготавливают по методу планарной технологии, их выращивают непосредственно на упругом элементе, выполненном из кремния или сапфира. Выращивают структуры в виде полумоста или моста с термокомпенсирующими элементами.
Области применения тензорезисторов весьма многообразны, но можно выделить две основные:
1. Исследование физических свойств
материалов, измерение деформаций и
напряжений в деталях машин элементах
конструкций.
Для этих задач характерны
значительные изменения параметров
окружающей среды, невозможность
градуировки измерительных каналов.
Основной причиной погрешности в этих
случаях является разброс параметров
тензорезисторов, дефекты наклейки
тензорезисторов. Погрешность 2 …10%.
2. Измерение механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента. Это реализуется с помощью специально изготовленных датчиков. В этом случае датчики градуируются по измеряемой величине и погрешности измерений лежат в диапазоне 0,5… 0,05%.
Механические величины, которые могут измеряться при помощи тензорезисторов: перемещение, усилие, давление, момент, вибрация и ускорение.
Тензорезисторы применяются в различных приборах и для измерения различных величин, в качестве примера можно привести силоизмеритель с чувствительным элементом в виде мембраны [3] (рис. 5).
1 – мембранная часть; 2 – цапфа; 3 – сферические опоры; 4 — тензорезисторы
Рисунок 5 — Силоизмеритель с чувствительным элементом в виде мембраны
Чувствительный элемент силоизмерителя
для измерений сжимающих сил величиной
0,5–50 кН представляет собой профилированную
по толщине мембрану 1.
По периметру
мембраны запрессовано три шарика 3,которые являются опорами силоизмерителя.
Измеряемая сила, воспринимаемая
центральной цапфой 2,вызывает прогиб
центра чувствительного элемента и
деформацию тензорезисторов 4,наклеенных на внутренней поверхности
мембраны.
Резисторные преобразователи лифта
Резисторные преобразователи лифта
Резисторные преобразователи применяются в основном двух типов — реостатные (реохордные) и тензорезисторные. Сопротивление реостатных преобразователей изменяется пропорционально линейному или угловому перемещению ползунка (подвижного контакта или токосъемника).
Конструктивно реостатные преобразователи выполняются намоткой на каркас тонкой изолированной проволоки и последующей шлифовкой контактного участка, по которому скользит ползунок токосъемника. Для изготовления реостатов и
реохордов применяют константановую проволоку.
Поперечное сечение реохордной проволоки строго калибровано, что
обеспечивает линейную зависимость между активным сопротивлением любого
участка реохорда и длиной этого участка.
Однако наличие подвижного механического контакта вызывает серьезный конструктивный недостаток этих преобразователей из-за непостоянства величины переходного сопротивления в подвижном контакте, зависящей от ряда внешних факторов, а механическое сопротивление перемещению не удовлетворяет условию вязкого сопротивления, предъявляемому к демпфирующим элементам динамических приборов.
Тензорезисторные преобразователи являются в
настоящее время наиболее распространенным и самым универсальным
средством преобразования деформации твердых тел в электрический сигнал.
Работа тензорезистора (тензометра сопротивления) основана на принципе
изменения активного сопротивления проводника (или полупроводника) при
его деформировании. Это свойство называется тензоре-зистивным эффектом.
Простейшим чувствительным элементом тензорезистора может служить
линейный проводник 1 (рис. 14.23) с сопротивлением R,.
, по всей длине
закрепленный с помощью подложки 2, приклеенной к поверхности исследуемой
детали. Выводные проводники 3 служат для электрического соединения
чувствительного элемента с внешней измерительной цепью. Основной
статической характеристикой преобразования тензорезистора является
зависимость выходного сигнала от деформации.
Рис. 14.23. Виды тензорезисторов в —
проводниковый проволочный однонитевой; б — проводниковый петлевой;
в-проводниковый фольговый; г — полупроводниковый; 1 — чувствительный
элемент;
2 — подложка; 3 — токовывод
При выборе материала чувствительного элемента
важным требованием является не только высокая чувствительность, но и
малый температурный коэффициент сопротивления. Следует отметить, что
температурная погрешность, т.е. изменение сопротивления тензорезистора,
вызванное изменением температуры окружающей среды, может оказаться
одного порядка с измеряемой деформацией.
Поэтому обычно проводниковые
тензорезисторы изготавливают из сплавов меди с никелем, таких, как
константан, эдванс, элинвар и др. Для них характерна высокая
стабильность электрических и механических свойств и очень малый
температурный коэффициент сопротивления.
Чувствительность тензорезисторов зависит не только от материала тензонити, но также от свойств клея, температуры, длины активной части (базы) чувствительного элемента и его формы. Наиболее широко распространены тензорезисторы двух видов: проводниковые (проволочные, фольговые) и полупроводниковые.
Выбор необходимого сопротивления тензодатчика определяется свойствами используемой измерительной аппаратуры и размерами испытываемого образца. Сопротивление датчика в недеформируемом состоянии зависит от размеров и физических свойств материала проводника.
Промышленность выпускает датчики с базой от 0,5 до
150 мм, сопротивлением от 50 до 400 Ом.
Петлевой проволочный тензорезистор (рис. 14.23 б), представляет собой несколько близко расположенных петель микропровода диаметром 12…25мкм, намотанных в плоскости и приклеенных к пленочной или бумажной подложке 2. База тензорезистора 1 для петлевой формы решетки обычно находится в пределах от 3 до 100 мм. Диапазон измерения очень широк. Температурный диапазон работы обычно ограничивается свойством используемого клея. При использовании клеев типа БФ, верхняя граница температурного диапазона достигает 200…250°С.
Недостатком петлевых проволочных тензорезисторов является их поперечная
чувствительность, т.е. изменение выходного сигнала, вызванного
деформацией петель в направлении, перпендикулярном главной оси
тензорезисторов. Отрицательно сказывается и применение проволоки
круглого сечения, не благоприятствующего совместной деформации
тензорезистора и испытываемого образца. Отмеченные недостатки в
значительной степени устранены в фольговых тензо-резисторах.
Фольговые тензорезисторы изготавливаются из тонкой (2…5мкм) константано-вой фольги фотолитографическим способом.
К преимуществам фольговых тензорезисторов (рис. 14.23 в) относятся: плоское прямоугольное сечение тензонитей, уширенное сечение в зоне петель 3, обуславливающее низкую поперечную чувствительность, а также высокая технологичность изготовления и возможность получения чувствительных элементов практически любой формы. Фольговые тензорезисторы (по сравнению с проволочными петлевыми и полупроводниковыми) обладают и лучшими метрологическими характеристиками, т.е. результаты проведенных с их помощью измерений являются более достоверными.
Полупроводниковые тензорезисторы изготавливаются
электронной (электроэр-розионной) резкой монокристаллов кремния или
германия в направлении, перпендикулярном главной кристаллической
плоскости. Таким способом получают пластины, 1, толщиной 0,05.
..0,01 мм,
шириной 0,5-1,0мм, длиной 2-15мм (рис.14.23г) Для присоединения выводных
проводников, 3, на конец пластины напыляют в вакууме слой золота или
сплава олова с сурьмой. Монокристалличе-ские полупроводниковые
тензорезисторы могут использоваться и без подложки, т.е. непосредственно
приклеиваться к исследуемой поверхности.
Главным достоинством полупроводниковых тензорезисторов является их высокая чувствительность, примерно в 60 раз превосходящая чувствительность проводниковых. Возможность получения большого выходного сигнала (более 0,1 В) делает целесообразным применение полупроводниковых тензорезисторов в тех случаях, когда необходимо использовать простую и компактную измерительную аппаратуру (обычно без усилителя).
Основным недостатком является низкий диапазон деформирования (примерно ±0,2%) из-за низкого предела усталости.
Тензорезисторы для датчиков | Tokyo Measuring Instruments Laboratory Co.
, Ltd.ФОРМА И ДЛИНА ИЗМЕРИТЕЛЯ
Одноэлементный, прямоугольный 2-элементный, для измерения крутящего момента (сдвига) деформации
| Образец | Расчетная длина (мм) |
|---|---|
| Одноэлементный | 2, 3 |
| 90° 2-элементный | 2, 3, 6 |
| Крутящий момент (деформация сдвига) использование | 2 |
Шаблон
| Одноэлементный | Крутящий момент | |
| 0°/90° 2-элементный | 0°/90° 2-элементный | |
2 типа 2-элементных манометров с углом наклона 90° выстроены в ряд с разным рисунком выступа манометра. Тип CM имеет полумостовую конфигурацию.
ДАТЧИК СОПРОТИВЛЕНИЯ
| Образец | Датчик сопротивления |
|---|---|
| Одноэлементный | 350, 1000 |
| 90° 2-элементный | 120, 350 |
| Крутящий момент (деформация сдвига) использовать | 350 |
*Датчик 1000 Ом имеет меньшую потребляемую мощность в мостовой схеме по сравнению с манометром 350 Ом и ограничивает тепловыделение Джоуля.
МАТЕРИАЛЫ ПОДКЛАДКИ ДАТЧИКОВ
В отличие от тензорезисторов, материалы подложки для тензометрических датчиков нельзя определить исключительно на основе рабочей температуры и метода соединения. Чтобы обеспечить максимальную производительность преобразователя, необходимо протестировать различные комбинации с использованием различных тел, создающих напряжение (эластичных тел), чтобы выбрать наиболее подходящие материалы основы.
ДИАПАЗОН РАБОЧИХ ТЕМПЕРАТУР
| Датчик серии | Базовые материалы датчика | Рабочая температура |
|---|---|---|
| Ф | специальная пластиковая смола | от -20 до + 80 ℃ |
| QF | Полиимидная смола | от -20 до + 200 ℃ |
| ЭФ | Полиимидная смола | от -20 до + 200 ℃ |
Температура эксплуатации отличается от температуры термостойкости. 9Датчики серии 0155 F с эпоксидной смолой доступны с термоотверждаемым клеем.
Условия приклеивания клея C-1
| Предварительное отверждение | Последующее отверждение | |
|---|---|---|
| Наддув | от 200 до 300 Па | Разгерметизация |
| Отопление | от 120 до 130 ℃ | 200℃ |
| Время | 2 часа | 1 час |
Температурная компенсация
Так же, как и тензорезисторы для измерения напряжения, доступны тензорезисторы с термокомпенсацией для мягкой стали, нержавеющей стали и алюминия.
Построение мостовой схемы с термокомпенсированным тензодатчиком позволяет легко сформировать мостовую схему с температурной компенсацией. Добавление резистора для компенсации нулевой точки обеспечивает еще более точную температурную компенсацию.
* Серия EF предназначена для мягкой стали.
РЕГУЛИРОВКА ПОЛЗУЧЕСТИ
Характеристика ползучести особенно важна для датчиков силы. Наиболее распространенная система компенсации использует ползучесть материала (+) тела, создающего напряжение (упругое тело), и ползучесть калибра (-), чтобы компенсировать друг друга. Различные тензодатчики TML доступны для регулировки ползучести и выбираются по коду ползучести.
Код ползучести
| Калибр ползучести | Большой —> Маленький |
|---|---|
| Код ползучести | С2>С4>С6>С8 |
КОМПЕНСАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
Модуль упругости деформирующего тела (упругого тела) зависит от изменения температуры.
Точно так же при изменении температуры окружающей среды вокруг тела, создающего деформацию, изменяется кажущаяся деформация. Для уменьшения такого влияния температуры резистор компенсации чувствительности собран по мостовой схеме.
Подробные спецификации должны быть обсуждены и согласованы перед заказом манометров для преобразователей.
Обратитесь к торговому представителю.
Основы тензодатчика
Викимедиа, CC BY-SA 2.5
Знание того, как работает тензодатчик, необходимо для правильного применения технологии.
Джон Блайлер | 10 февраля 2021 г.
Тензодатчики — это крошечные датчики, которые выглядят как маленькие проволочные резисторы, чем они, по сути, и являются. Эти датчики представляют собой чувствительные устройства, которые измеряют нагрузку, давление, крутящий момент, смещение и даже ускорение. Сопротивление тензорезистора изменяется под действием силы.
По прогнозам 360ResearchReports, мировой рынок тензорезисторов достигнет 240,6 млн долларов США к 2026 году по сравнению со 188 млн долларов США в 2020 году при среднегодовом темпе роста в 4,2%. Китай является крупнейшим потребителем тензорезисторов, а Северная Америка занимает далекое второе место.
Основы деформации
Тензорезисторы измеряют силу деформации, а также напряжение. С инженерной точки зрения деформация — это безразмерная величина, представляющая собой отношение изменения длины к исходной длине объекта. Таким образом, при растяжении материала возникает положительная деформация, а при сжатии — отрицательная. Деформация представляет собой меру приложенной силы, деленную на начальную площадь поперечного сечения объекта.
Тензорезистор состоит из тонкопленочной металлической фольги, изолированной гибкой подложкой. Ток проходит через манометр, когда поверхность измеряемого объекта растягивается или сжимается, что вызывает изменение сопротивления в манометре.
Это изменение сопротивления пропорционально изменению длины на поверхности тестируемого объекта:
Изменение сопротивления/сопротивления = тензометрический коэффициент x деформация
Тензорезисторы работают путем измерения изменения сопротивления на тонкой проводящей фольге. Коэффициент тензорезистора (или «коэффициент тензорезистора») — это чувствительность тензорезистора, т. е. линейная часть. Он преобразует изменение сопротивления в изменение длины.
Pleriche, Wikimedia, CC BY-SA 4.0 |
| Неустановленный тензодатчик из фольги. (Источник изображения: Pleriche, Wikimedia, CC BY-SA 4.0) |
Контрольно-измерительные приборы
Сопротивление тензорезистора прямо пропорционально степени деформации (или стресса), которую испытывает датчик из-за приложенной силы. Обычно это изменение сопротивления измеряется с помощью схемы моста Уитстона, в которой тензорезистор представляет собой одну из резистивных дорожек моста.
В этой конструкции четверть или одно плечо моста, образованного тензометрическим датчиком, является активным датчиком, а другие плечи представляют собой резисторы с фиксированным значением или датчики без деформации.
В идеальном случае тензодатчик является единственным резистором в цепи, который изменяется и то только за счет изменения деформации на поверхности образца, к которому он прикреплен. (См. «Основы тензометрических усилителей»)
Приложение
В дополнение к нагрузке, давлению, смещению и ускорению тензометрические датчики используются для измерения крутящего момента, например, применяемого двигателем, турбиной или двигателя к вентиляторам, генераторам, колесам или гребным винтам. Это оборудование используется на электростанциях, кораблях, нефтеперерабатывающих заводах, автомобилях и в промышленности. Мощность получается путем измерения деформации и скорости вращения вала.
Интересное применение крутящего момента с использованием тензодатчика было обнаружено при разработке велосипедного измерителя мощности.
Как сообщили в Наньянском технологическом университете в Сингапуре, тензометрические датчики использовались для измерения фактического крутящего момента, прилагаемого велосипедистом при включении велосипеда, то есть при нажатии на педаль. Тензодатчик был установлен на отдельном элементе датчика, который был модернизирован между существующими шатунами велосипеда. Основная задача состояла в том, чтобы обеспечить точное измерение крутящего момента за счет устранения не влияющих на систему сил и моментов. Цель состояла в том, чтобы разработать экономичное решение для точного устройства измерения мощности велосипедиста.
Измерители мощности позволяют профессиональным спортсменам отслеживать свой прогресс в тренировках. В большинстве велосипедных измерителей мощности используются тензометрические датчики для измерения приложенного крутящего момента и, в сочетании с угловой скоростью, для расчета мощности. Одним из наиболее распространенных типов является измеритель мощности на основе цепи.
Важно, чтобы хороший измеритель мощности измерял только крутящий момент (относительно оси шпинделя: ось Z), который отвечает за реальную выходную мощность.
Чтобы точно узнать выходную мощность, первым шагом является точное измерение крутящего момента, прилагаемого велосипедистом, ответственным за выработку энергии. Формально крутящий момент (или момент силы) есть произведение величины силы и перпендикулярного расстояния линии действия силы от оси вращения. Единицей СИ для крутящего момента является ньютон-метр (Н•м).
Yawe (общественное достояние), Wikimedia |
| Соотношение между силой F, крутящим моментом τ, линейным импульсом p и угловым моментом L в системе, вращение которой ограничено только одной плоскостью (силы и моменты силы тяжести и трения не учитываются). ( Источник изображения: Yawe (общественное достояние), Wikimedia) |
Фактический крутящий момент, прикладываемый велосипедистом, требует устранения всех непроизводительных сил и моментов в системе, например, изгиб кривошипной цепи в сторону рамы, когда велосипедист крутит педали.
