Что такое тензорезисторы. Как работают тензорезисторы. Какие основные характеристики имеют тензорезисторы. Где применяются тензорезисторы. Какие виды тензорезисторов существуют.

Принцип действия тензорезисторов

Тензорезисторы — это преобразователи, которые изменяют свое электрическое сопротивление при механической деформации. Принцип их работы основан на тензоэффекте — свойстве проводниковых и полупроводниковых материалов изменять электропроводность при изменении объема или напряженного состояния.

При растяжении проводника его длина увеличивается, а поперечное сечение уменьшается, что приводит к увеличению электрического сопротивления. При сжатии наблюдается обратный эффект — сопротивление уменьшается. Это позволяет преобразовывать механические деформации в изменение электрического сигнала.

Основные характеристики тензорезисторов

Ключевыми параметрами тензорезисторов являются:

• Тензочувствительность — отношение относительного изменения сопротивления к относительной деформации
• Номинальное сопротивление — сопротивление без нагрузки при нормальной температуре
• Допустимая деформация — максимальная деформация без повреждения резистора
• Погрешность преобразования — точность преобразования деформации в изменение сопротивления

Виды тензорезисторов

По конструкции и используемым материалам различают следующие основные виды тензорезисторов:

Проволочные тензорезисторы

Чувствительный элемент выполнен в виде тонкой проволоки, уложенной зигзагообразно на подложку. Имеют невысокую чувствительность, но хорошую линейность и стабильность.

Фольговые тензорезисторы

Изготавливаются из тонкой металлической фольги методом фотолитографии. Позволяют получить более сложную конфигурацию чувствительного элемента.

Полупроводниковые тензорезисторы

Чувствительный элемент выполнен из полупроводникового материала, обычно кремния или германия. Обладают высокой чувствительностью, но имеют нелинейную характеристику.

Применение тензорезисторов

Основные области применения тензорезисторов:

• Измерение деформаций, напряжений и механических нагрузок в элементах конструкций
• Создание датчиков силы, давления, крутящего момента
• Весоизмерительная техника
• Измерение вибраций и ускорений
• Медицинская техника (измерение давления крови, пульса и др.)
• Автомобильная промышленность (системы безопасности, подвеска и др.)

Преимущества и недостатки тензорезисторов

Основные достоинства тензорезисторов:

• Простота конструкции
• Малые размеры и масса
• Высокая точность измерений
• Возможность измерения в труднодоступных местах
• Широкий диапазон измеряемых деформаций

К недостаткам можно отнести:

• Необходимость температурной компенсации
• Влияние способа крепления на точность
• Склонность к ползучести характеристик
• Ограниченный срок службы из-за усталости материалов

Схемы включения тензорезисторов

Для измерения малых изменений сопротивления тензорезисторов обычно используют мостовые схемы включения. Наиболее распространены следующие варианты:

Четвертьмостовая схема

Один активный тензорезистор включается в одно плечо моста Уитстона. Простая схема, но требует температурной компенсации.

Полумостовая схема

Два тензорезистора включаются в смежные плечи моста. Позволяет компенсировать температурную погрешность.

Полномостовая схема

Четыре тензорезистора образуют все плечи моста. Обеспечивает максимальную чувствительность и температурную компенсацию.

Технология изготовления тензорезисторов

Процесс производства тензорезисторов включает следующие основные этапы:

1. Подготовка подложки (очистка, нанесение изоляционного слоя)
2. Формирование чувствительного элемента (напыление, фотолитография)
3. Создание контактных площадок
4. Нанесение защитного покрытия
5. Присоединение выводов
6. Калибровка и проверка параметров

Современные технологии позволяют изготавливать миниатюрные тензорезисторы с высокой точностью и стабильностью параметров.

Перспективы развития тензорезисторов

Основные направления совершенствования тензорезисторов:

• Повышение чувствительности и точности измерений
• Улучшение температурной стабильности
• Расширение диапазона рабочих температур
• Миниатюризация и создание микро- и наноразмерных датчиков
• Разработка новых материалов с улучшенными характеристиками
• Интеграция с микроэлектронными схемами обработки сигналов

Развитие технологий изготовления и новых материалов открывает широкие перспективы для создания высокоточных тензорезистивных датчиков с уникальными характеристиками.

КРАТКО О ТЕНЗОРЕЗИСТОРАХ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕНЗОРЕЗИСТОРАХ

Тензодатчики и тензорезисторы. Давайте посмотрим, что связывает тензодатчик и тензорезистор. 

Тензорезистор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков.

Принцип действия

При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — уменьшается.

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10−3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры или преобразователи (АЦП, весоизмерительные преобразователи (терминалы)), прецизионные усилители. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

Мы не будем останавливаться подробно на электромеханических параметрах тензорезисторов. Отметим только, что чувствительность характеризуется коэффициентом чувствительности и зависит от применяемых материалов. А температурный коэффициент является вредным побочным эффектом, влияющий на показания.

Тензорезисторы широко используются в качестве чувствительного элемента, датчиков для измерения сил, давления. Собственно тензометрические датчики или сокращенно тензодатчики получили свое название от тензорезисторов.

Электрическая схема подключения тензорезистора

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного тока (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствие приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

Измерительный мост с вольтметром в диагонали. Тензорезистор обозначен R_x

При выполнении соотношения R₁/R₂=R₂/R₃ напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление R_x (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов R_x и R₃(точки

B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления R_x может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения деформации. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора R₃ включают такой же тензорезистор, как и R_x, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления, вызванного изменением температуры, равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие полезные сервисные функции.

Конструкция

Обычно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника, нанесенного на гибкую подложку. Тензорезистор приклеивается подложкой на поверхность исследуемого на деформации объекта. Проводники тензорезисторов обычно изготавливаются из тонкой металлической проволоки, фольги, или напыляются в вакууме для получения плёнки полупроводника или металла. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, полимерную плёнку, слюду и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь тензорезистор имеет выводные проволочные концы или контактные площадки.

Плёночный тензорезистор. На подложку через фигурную маску в вакууме напылена или сформирована методами фотолитографии плёнка металла. Для подключения электродов выполнены контактные площадки (снизу). Метки облегчают ориентацию при монтаже.

Плёночные металлические тензорезисторы имеют площадь около 2‑10 мм2.

Конфигурация 

Тензодатчики, как правило, приклеиваемые, состоят из:

• элемента чувствительного к деформации;
• тонкой плёнки, которая является изолятором и несущей основой для чувствительного элемента;
• контактных площадок для присоединения выводных проводов.

Элемент, чувствительный к деформации, представляет собой решётку, которая вытравлена способом фотолитографии или отштампована из очень тонкого листа металлической фольги толщиной 2,5 мкм. Конфигурация выбирается таким образом, чтобы обеспечить сопротивление равное 100 Ом при достаточно малой длине и ширине. Выпускаются датчики, длина которых меняется в диапазоне от 2 до 150 мкм. Выпускаются датчики  специального назначения (мембранные датчики давления, напряжения, датчики деформации сдвига).

Несущая основа

Применяются материалы такие, как:

• акриловые;
• полиамидные;
• фенольные;
• эпоксидно-стеклянные;
• бумага;
• эпоксидные;
• эпоксидно-полиамидные;
• эпоксидно-фенольные;
• фенольно-стеклянные.

В большинстве случаев применяются полиамидная плёнка, отличающаяся прочностью, гибкостью и совместимостью с большинством связующих. Применяется плёнка с эпоксидной смолы. Её особенности:

• линейно-упругое поведение материала;
• отсутствие гистерезиса.

Полимеры, армированные стекловолокном, применяются в датчиках для работ в циклических деформациях. В датчиках, работающих при повышенных температурах, используются основы из эпоксидных и фенольных смол, армированных стекловолокном.

Клеи, с помощью которых приклеивают тензодатчики

Клей, с помощью которого приклеивают тензодатчик на образец, должен обладать прочностью, линейной упругостью и стабильностью в течение длительного периода времени.

Комбинация датчика: его несущая основа и клеи требуют самого серьезного внимания. Необходимо применять апробируемые клеи и соблюдать процедуры нанесения и сушки.

В качестве клея наиболее широко используется метил-2-цианоакриад, эпоксидная смола, полимид и некоторые виды керамики.

Цианоакриад не требует ни нагрева, ни отвердителей для инициирования полимеризации. Для ускорения полимеризации на одну из поверхностей может быть нанесён катализатор. Благодаря очень быстрой полимеризации этот клей является идеальным компонентом для тензодатчиков общего назначения. Минутного нажатия большим пальцем и двух минутной паузы оказывается достаточно. Он может использоваться в диапазоне температур от -32 до +65°С. Он обеспечивает правильное измерение деформации не выше 6%. Прочность клея снижается со временем из-за поглощения влаги, поэтому его необходимо защищать при длительной эксплуатации.

Эпоксидный состоит из смолы и отвердителя, который вступает в реакцию со смолой, обеспечивая полимеризацию. В некоторых случаях для вязкости смолы в нее добавляют растворитель. Разбавленные смолы (эпоксидно-фенольные) более предпочтительны, так как образуют очень тонкие высокопрочные, однородные плёнки со слабо выраженной ползучестью и гистерезисом. Для обеспечения тонкого однородного слоя к датчику должно быть приложено давление от 70 до 210 кПа. чтобы гарантировать полную полимеризацию эпоксидные клеи подвергают повышенной температуре в течение нескольких часов. По-видимому, наилучшими являются эпоксидно-фенольные клеи с рабочим диапазоном температур от -269 до +260°С. Допустимое относительное удельное изменение находится в пределах 3-10%.

Полиамидные представляют собой однокомпонентный полимер, который может применяться в диапазоне температур от -260 до +399°С. Полиамид утверждается при давлении 275кПа при температуре 260°С.

Итак, для отверждения нужны сравнительно высокие давления и температуры (например, 8 — 10 кгс/мм2, 170° С). Поверхность упругого элемента перед приклеиванием тщательно очищается механическими и химическими средствами, а затем к ней приклеивают тензорезисторы на слои соответствующих клеящих и изолирующих веществ. Процесс отверждения ведут по специальной температурно-временной программе. После окончания процессов «послеотверждения», если таковые имеют место, приклеенные тензорезисторы защищаются от действия окружающей среды.

После отвердения клеев тензодатчики должны быть покрыты герметиком (парафин, каучук, полимеритан).

Конструкция закрепления также имеет большое значение для работы датчика (рис. 1). В классической конструкции (а) применяется «утопленный» тензорезистор (например, в основе из фенольного клея), который наклеивается на упругий элемент с помощью клея (например, фенольного). В конструкции (б) голый тензорезистор (например, полупроводниковый) приклеивают через подложку (например, из специальной бумаги), пропитанную клеем. В обоих случаях возникает относительно толстая прослойка толщиной d2, (» 20 — 50 мкм), которая образуется по существу вязкой средой и служит причиной явлений ослабления напряжений. Поскольку прослойка выполняет одновременно функцию изоляции, она не может делаться сколь угодно тонкой. Поэтому в более новой конструкции задачи изоляции и крепления разделены. Здесь сначала наносится изоляционный слой, (расплавленная эмаль или керамика), который обладает существенно лучшими механическими свойствами, чем клей. Теперь собственно клеевой слой может выполняться очень тонким (< 1 мкм) и должен только заполнить неровности поверхностей. В этой конструкции практически полностью пренебрежимо ослабление напряжений, вызванное клеем.

Рисунок 1 — Конструкции тензорезисторных чувствительных элементов датчиков
а и б — обычные конструкции с толстыми клеевыми слоями dz;
в — современная конструкция с тонким клеевым слоем dz.
1 — упругий элемент; 2 — тензорезистор; 3 — основа тензорезистора; 4 — клеевой слой; 5 -подложка, пропитанная клеем; 6 — изолирующий слой с хорошими механическими свойствами

Явления ослабления напряжения рассматривались до сих пор всегда в связи с процессами в клее и конструкцией крепления тензорезисторов. Это понятно, так как в период становления техники измерений, основанной на тензорезисторах, на исследование и уменьшение ползучести клеев было направлено основное внимание. Однако в настоящее время можно уменьшить эти эффекты, по крайней мере до порядка значений ослабления напряжений, вызванных другими причинами (например, самим упругим элементом). Поэтому ослабление клея следует рассматривать только вместе с другими явлениями, если ими вообще нельзя пренебречь. Различные причины погрешностей тензорезисторных датчиков сопоставлены ниже:

Ослабления в упругом элементе

Вязкое ослабление из-за клеевых слоев благодаря современным способам приклеивания становится часто пренебрежимо малым.

Температурный уход нуля возникает из-за тепловых волн, распространяющихся по упругому элементу, при выравнивании теплового состояния, если тензорезисторы имеют большие температурные коэффициенты сопротивления (полупроводниковые тензорезисторы).

Термоэлектрические эффекты возникают из-за процессов перераспределения потерь мощности в мосте; также заметны только у полупроводниковых тензорезисторов.

Ослабление клея — единственный эффект, который по своей природе противоположен действию силы. Поэтому он может в принципе компенсировать эффекты ослабления, совпадающие по своему характеру с силой, однако из-за различных постоянных времени этих эффектов лишь не полностью и с большой зависимостью от температуры.

Защита от воздействия окружающей среды. Чувствительные элементы после их приклеивания должны защищаться от воздействий окружающей среды, чтобы препятствовать прежде всего действию влажности. Для этого после отверждения, по возможности еще в теплом состоянии, они покрываются защитными лаками. Чтобы воспрепятствовать образованию сквозных пор, такую операцию повторяют, как правило, несколько раз.

Полученные таким образом тонкие слои не могут полностью и на длительное время исключить диффузию паров воды. Это достигается только благодаря герметически плотным металлическим корпусам, которые часто заполняются еще достаточно большим запасом гигроскопичного вещества или сухим инертным газом. Однако влага, внедрившаяся в чувствительные элементы, несмотря на все эти меры, вызывает два эффекта:

1. Уменьшение сопротивления изоляции между тензорезистором и упругим элементом. В идеальном случае это сопротивление бесконечно велико. При конечном сопротивлении изоляции Ris получаются условия, отраженные на рис. 2. Благоприятнейший случай изображен на рис. 2,а, где Ris, равномерно распределено на четыре части моста; разбаланса моста нет. Для неблагоприятнейшего случая расчет дает погрешность нуля:

где eNcp — средняя номинальная деформация и R0 — основное сопротивление тензорезисторов. Эти соотношения для тензорезисторов с большим коэффициентом тензочувствительности (для полупроводниковых) не имеют такого значения.

Рисунок 2 — Влияние уменьшения сопротивления изоляции

Ris — дискретная эквивалентная схема. a — благоприятный случай: уменьшение Ris распределено равномерно; б — неблагоприятный случай: уменьшение Ris действует на один тензорезистор.

Разбухание клеевого слоя вызывает кажущуюся деформацию, а этим самым — дополнительную погрешность нуля. Можно с уверенностью считать, что этот эффект значительно сильнее, чем эффект от сопротивления изоляции. Но уменьшение Ris может служить в качестве меры внедрившейся влаги и поэтому — общей ожидаемой погрешности нуля. Можно принять, что разбухание также достаточно мало, если сопротивление изоляции более 109 Ом.

unives.ru

Введение 2 Определение и принцип работы

ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ

СОДЕРЖАНИЕ

тензорезистивных преобразователей. 2

Основные параметры и характеристики тензорезисторов. 3

Расчёт тензорезисторов. 5

Конструкция тензорезисторов. 9

Схемы включения тензорезисторов. 12

Заключение 16

Контрольные вопросы. 16

Литература 17

Введение

Обеспечение высокого и стабильного качества промышленной продукции является в настоящее время одной из основных проблем, на решение которой направлены усилия коллективов ученых, конструкторов и технологов.

В рамках этой проблемы важное место занимают прочностные испытания образцов техники. Для измерения напряжений или величин деформаций в деталях машин и элементах конструкций используют резистивные, струнные и индуктивные первичные преобразователи в сочетании с измерительными схемами включения и преобразования информации.

Из названных выше первичных преобразователей в практике наиболее часто находят применение тензорезисторы.

Простота конструкции, малые масса и габариты позволяют использовать тензорезисторы для измерения сил, давлений, вращающих моментов, ускорений и других величин, преобразуемых в упругую деформацию в труднодоступных местах различных машин и механизмов без изменения конструкций.

Определение и принцип работы тензорезистивных преобразователей.

Тензорезисторами называют преобразователи, осуществляющие преобразование механических деформаций в изменение электрического сопротивления, т.е. преобразователи, основанные на тензоэффекте.

Как следует из определения, измерения деформаций с помощью тензорезисторов основано на тензоэффекте. Тензоэффектом называется свойство проводниковых и полупроводниковых материалов изменять электропроводность (электрическое сопротивление) при изменении объёма или напряжённого состояния.

У полупроводников материалов тензоэффект связан со значительным изменением удельного сопротивления; знак тензоэффекта зависит от типа проводимости полупроводникового материала, а величина – от кристаллографического направления. Наиболее сильно тензорезистивный эффект выражен в полупроводниковых кристаллах германия и кремния. Для создания полупроводниковых тензорезистивных элементов применяются преимущественно кремний, поскольку он, по сравнению с германием, имеет более высокую тензочувствительнотсть, большую механическую прочность и выдерживает более высокие температуры. Тензометрические свойства кремния анизотропны и зависят от кристаллографических направлений. Наибольшей тензочувствительностью обладают тензорезисторы, у которых направление деформации совпадает с кристаллографическим направлением.

studfiles.net

Тензорезисторы

ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение высокого и стабильного качества промышленной продукции является в настоящее время одной из основных проблем, на решение которой направлены усилия коллективов ученых, конструкторов и технологов.

В рамках этой проблемы важное место занимают прочностные испытания образцов техники. Для измерения напряжений или величин деформаций в деталях машин и элементах конструкций используют резистивные, струнные и индуктивные первичные преобразователи в сочетании с измерительными схемами включения и преобразования информации.

Из названных выше первичных преобразователей в практике наиболее часто находят применение тензорезисторы.

Простота конструкции, малые масса и габариты позволяют использовать тензорезисторы для измерения сил, давлений, вращающих моментов, ускорений и других величин, преобразуемых в упругую деформацию в труднодоступных местах различных машин и механизмов без изменения конструкций.

Определение и принцип работы тензорезистивных преобразователей.

Тензорезисторами называют преобразователи, осуществляющие преобразование механических деформаций в изменение электрического сопротивления, т.е. преобразователи, основанные на тензоэффекте.

Как следует из определения, измерения деформаций с помощью тензорезисторов основано на тензоэффекте. Тензоэффектом называется свойство проводниковых и полупроводниковых материалов изменять электропроводность (электрическое сопротивление) при изменении объёма или напряжённого состояния.

У полупроводников материалов тензоэффект связан со значительным изменением удельного сопротивления; знак тензоэффекта зависит от типа проводимости полупроводникового материала, а величина – от кристаллографического направления. Наиболее сильно тензорезистивный эффект выражен в полупроводниковых кристаллах германия и кремния. Для создания полупроводниковых тензорезистивных элементов применяются преимущественно кремний, поскольку он, по сравнению с германием, имеет более высокую тензочувствительнотсть, большую механическую прочность и выдерживает более высокие температуры. Тензометрические свойства кремния анизотропны и зависят от кристаллографических направлений. Наибольшей тензочувствительностью обладают тензорезисторы, у которых направление деформации совпадает с кристаллографическим направлением.

Основные параметры и характеристики тензорезисторов.

Тензорезисторы характеризуются рядом параметров, основными из которых являются:

— тензочувствительность S_т;

— номинальное сопротивление R;

— допустимая деформация Е_доп;

— погрешность преобразования.

Для обоих видов тензочувствительных материалов, проводниковых и полупроводниковых, тензоэффект характеризуется величиной тензочувствительности, устанавливающей связь между относительным изменением сопротивления и относительной деформацией в направлении измерений [1,2].

Тензочувствительность материала характеризуется зависимостью

S_{T =} =1+2 , [1]

где ; R; ΔR; Δ — длина и сопротивление тензочувствительного элемента и их приращение в следствии деформации;

m — коэффициент эластосопротивления, равный m =υΕ_м ;

Ε_м — модуль упругости образца тензочувствительного материала;

υ – продольный коэффициент пьезосопротивления.

В формуле члены 1+2 определяют зависимость величины S_T от изменения геометрии, а последний член – от изменения свойств материала образца. Для металлов m составляет небольшую долю от величины 1+2. Для полупроводниковых материалов, наоборот, m> 1+2, и для них без особой ошибки можно считать, что S_T≈ m. Коэффициент Пуассона для металлов и сплавов, из которых изготовляют тензорезисторы, в области упругих деформаций лежит в пределах 0,24 – 0,42. Учитывая, что m≈ 0, получаем величину S_T=1,48÷1,84, т.е. значение коэффициента тензочувствительности проволочных и и фольговых преобразователей близко к двум. У полупроводниковых материалов μ и mдостигают нескольких десятков, а поэтому S_T=50÷100. Важным свойством полупроводниковых тензорезисторов является практически линейная зависимость сопротивления от деформации и температуры, поэтому отпадает необходимость применения специальных средств для компенсации нелинейности.

Номинальное сопротивление тензорезистора – сопротивление между его выводами при заданной температуре окружающей среды в отсутствии механических нагрузок.

Величины номинального сопротивления проволочных и фольговых тензорезисторов находятся в пределах 10–800 Ом, полупроводниковых – 50– 50000 Ом.

Одной из важных характеристик тензорезисторов является допустимая деформация Е_доп. Её превышение приводит к появлению остаточных деформаций и даже обрыву проволочных проводников и разрушение пластины полупроводниковых преобразователей. Для тензорезисторов Е_доп =3÷5∙10^-3.

Максимально возможное изменение сопротивления преобразователей составляет:

у проволочных и фольговых при S_т=2

= S_т Е_доп = 2∙3∙10^-3 =0,6% [2]

у полупроводниковых при S_т=100

=30%.

Вследствие малости относительного изменения сопротивления проволочных и фольговых преобразователей возникает необходимость включения их в специальные схемы, предусматривающие усиление сигнала и компенсацию изменения сопротивления R в зависимости от других факторов. Полупроводниковые тензорезисторы имеют большой динамический диапазон изменения сопротивления и поэтому могут вырабатывать значительный сигнал, не требующий усиления.

Погрешности измерения тензорезисторами возникают за счёт следующих основных факторов:

— влияния температуры преобразователя на его сопротивление и линейное расширение;

— ползучести характеристики, т.е. её изменения, вызываемого остаточными деформациями в преобразователи при длительном действии значительных по величине нагрузок, близких к допустимым;

— невоспроизводимости характеристики преобразования при нагрузке и разгрузке;

— изменения крутизны характеристики преобразования от времени из-за старения материалов, особенно из-за изменения свойств клеящих компонентов;

— снижения чувствительности при увеличении частоты деформаций, когда длина распространяющейся в детали звуковой волны деформации становятся соизмеримой с базой преобразователя.

Наиболее существенное влияние на величину погрешности имеет первый фактор. Изменение сопротивления преобразователя от изменения температуры соизмеримо с изменением сопротивления от действия деформации. Температура тензорезистора зависит от температуры окружающей среды и величины тока, протекающего через резистор. Изменения температуры должно учитываться при обработки результатов путём введения коррекций или, что более желательно, автоматической компенсацией температурной погрешности. Для снижения температурной погрешности используют несколько путей:

— выбирают материал для тензорезистора с малым температурным коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту расширения детали;

— применяют компенсационные преобразователи, располагаемые в непосредственной близости от однотипного рабочего, но не подвергаемы действию деформации;

— используют самокомпенсирующие тензорезисторы, состоящие из двух частей. Одна часть обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления, вторая – отрицательным. Правильным подбором величин и температурных коэффициентов сопротивлений частей датчика добиваются высокой степени компенсации температурной погрешности. Особенно широкое применение такой способ нашёл при изготовлении полупроводниковых тензорезисторов.

Основная погрешность выпускаемых в настоящее промышленностью проволочных и фольговых тензорезисторов при компенсации температурной погрешности не превышает 1%.

Конструкция тензорезисторов.

В технике измерения неэлектрических величин тензорезисторы используются по двум направлениям.

Первое направление – использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объёмного сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего его газа или жидкости. На этом принципе строятся манометры для измерения высоких и сверхвысоких давлений, преобразователи которых представляют собой катушку провода (обычно манганинового) или полупроводниковый элемент (чаще всего германиевый или кремниевый), помещённые в область измеряемого давления (жидкости или газа). Выходной величиной преобразователя является изменение его активного сопротивления.

Второе направление – использование тензоэффекта растягиваемого или сжимаемого тензочувсвительного материала. При этом тензорезисторы применяются в виде «свободных» преобразователей и в виде наклеиваемых.

«Свободные» преобразователи выполняются в виде одной или ряда проволок, закреплённых по концам между подвижной и неподвижной деталями и, как правило, выполняющих одновременно роль упругого элемента. Естественной входной величиной таких преобразователей является весьма малое перемещение подвижной детали.

Устройство наиболее распространённого типа наклеиваемого проволочного тензорезистора изображено на рисунке 1. На полоску тонкой бумаги или лаковую плёнку 2 наклеивается так называемая решётка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 3 диаметром 0,02 – 0,05 мм. 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 деформации её поверхностного слоя. Таким образом, естественной входной величиной наклеиваемого тензопреобразователя я

Рисунок 1

вляется деформация поверхностного слоя детали, на которую он наклеен, а выходной – изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации.

Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используется преобразователи с базами 5 – 20 мм, обладающие сопротивлением 30 – 500 Ом.

Кроме наиболее распространённой петлевой конструкции проволочных тензорезисторов, существуют и другие. При необходимости уменьшения измерительной базы преобразователя (до 3 – 1 мм) его изготовляют двухслойным так называемым витковым способом, который заключается в том, что на оправке круглого сечения на трубку из тонкой бумаги наматывается спираль из тензочувсвительной проволоки. Затем эта трубка проклеивается, снимается с оправки, расплющивается и к концам проволоки прикрепляются выводы.

Когда надо подучить от цепи с тензорезистором ток большой величины, часто используют «мощные» проволочные тензорезисторы.

Они состоят из большого числа (до 30 – 50) параллельно соединенных проволок, отличаются большими габаритами (длина базы 150 – 200 мм) и развивают мощность, достаточную для вибратора осциллографа без использования усилителей .

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 показанную на рисунке 2 решётку с выводами.

В

Рисунок 2

последние годы появился ещё один способ массового изготовления тензорезисторов, заключающийся в вакуумной возгонке тензочувсвительного материала и последующей конденсации его на подложку. Такие тензорезисторы получили название плёночных.

Для изготовления плёночных тензорезисторов, помимо металлических материалов (например, титаноалюминиевый сплав 48Т-2, обеспечивающий измерение деформаций до 12% при коэффициенте тензочувствительности порядка 0,2), используется также целый ряд полупроводниковых материалов, например германий, кремний (k=100÷120) и др.

При изготовлении фольговых и плёночных преобразователей можно предусмотреть любой рисунок решётки, что является существенным их достоинством.

Полупроводниковые тензорезисторы могут быть изготовлены непосредственно вырезанием из полупроводникового материала. Однако возможны и другие пути. Можно выращивать монокристаллы в виде «усов» путём конденсации паров, но получающиеся при этом тензорезисторы имеют большой разброс по размерам и свойствам. Выращивание дендритных кристаллов позволяет получить более однородные тензорезисторы. Таким способом получают тензорезисторы, предназначеные для наклеивания на упругий элемент. Клей или цемент в этом случае исполняет роль изолятора. Наклеиваемые тензорезисторы не получили широкого применения, потому что склейка не позволяет получить безгистерезисные соединения.

Для получения наклеиваемых тензорезисторов используются диффузная или эпитаксиальная технология. В обоих случаях электрическая изоляция тензорезистора обеспечивается большим сопротивлением p-n перехода.

Тензорезисторы образуются за счёт локальной диффузии примесей в подложку. При этом тип электрической проводимости тензорезистивных плёнок должен быть противоположен типу электрической проводимости подложки. Обычно маской является оксидная плёнка, в которой методом фотолитографии вытравливаются окна соответствующих размеров.

Температура и длительность процесса диффузии определяют толщину и сопротивление получаемых тензорезисторов.

В качестве подложек применяется сапфир или шпинель. Подложка из монокристаллического сапфира обладает исключительными упругими свойствами. Сапфир весьма прочен, имеет высокую стойкость к агрессивным средам. В вакууме сапфир хорошо спаивается с металлами твёрдыми припоями.

На точность измерения деформаций и напряжений тензорезисторами большое влияние оказывает изменение температуры. Однако мостовая цепь позволяет довольно легко исключить температурные погрешности. С этой целью в соседнее с датчиком плечо моста включается второй тензорезистор, также расположенный на детали, но в таком направлении, что измеряемая деформация не изменяет его сопротивления. В некоторых случаях преобразователи можно разместить на детали так, что они будут находиться при одинаковой температуре, но испытывать деформации разного знака. При этом наряду с термокомпенсацией в два раза повышается чувствительность преобразования.

Заключение.

Тензорезисторами называют преобразователи, осуществляющие преобразование механических деформаций в изменение электрического сопротивления. Простота конструкции, малые масса и габариты позволяют использовать тензорезисторы для измерения сил, давлений, вращающих моментов, ускорений и других величин, преобразуемых в упругую деформацию в труднодоступных местах различных машин и механизмов без изменения конструкций.

Контрольные вопросы.

1. Дайте определение тензорезистора.

2. Укажите какие физические величины позволяют измерять тензорезисторы.

3. Назовите основные типы используемых тензорезисторов и их конструктивных исполнений.

4. Перечислите основные параметры и характеристики тензорезисторов.

5. Дайте сравнительную оценку проводниковым и полупроводниковым тензорезисторам.

6. Перечислите основные погрешности измерения тензорезисторами и способы устранения их влияния.

10

studfiles.net

Принцип работы тензорезисторов и тензодатчиков

Опубликовано 30.06.2016

Принцип работы

Тензорезисторы

Тензорезисторы – это резисторы, сопротивление которых зависит от их деформации.

Широко используются решётчатые чувствительные элементы из тонкой металлической резистивной фольги.

Пьезорезисторы

Пьезорезисторы – это полупроводниковые датчики, сопротивление которых зависит от деформации.

Тензодатчики

Тензорезисторы являются основой тензодатчиков (Strain Gauge), служащих для косвенного измерения силы (веса, давления, момента, ускорения, перемещения) по деформации калиброванного элемента (пружины, стержня), вызванного действием этой силы.

Весоизмерительные ячейки

Весоизмерительные ячейки (Load Cell) – это тензодатчики, конструкция которых позволяет использовать их для измерения веса в различных промышленных приложениях (платформенные весы, резервуарные весы, конвейерные весы и т.п.).

Специальные монтажные компоненты компенсируют нежелательные (горизонтальные) нагрузки на весоизмерительную ячейку:

• Самоцентрирующаяся качающаяся опора
• Ограничитель качания
• Стопор подъёма
• Эластичная опора
• Изгибная опора и др.

Мост Уитстона (Weatstone Bridge)

Мост Уитстона используется для регистрации изменения сопротивления.
В тензодатчиках с помощью моста Уинстона измеряют деформацию.

На упругий стержень наклеиваются четыре тензорезистора: 1,2,3 и 4 (см. рисунок) с одинаковыми характеристиками. Тензорезисторы включаются в плечи моста так, как показано на рисунке справа. На диагональ a-b моста подаётся постоянное напряжение E, диагональ c-d является измерительной. В ненагруженном состоянии мост сбалансирован и выходное напряжение моста U равно нулю.

Под воздействием силы F стержень деформируется, тензорезисторы 1 и 4 сжимаются, а тензорезисторы 2 и 3 растягиваются. Выходное напряжение моста U пропорционально силе F.

Как выбрать

Датчики силы, весоизмерительные ячейки

• Приложение силы
• Сжатие
• Растяжение
• Сжатие и растяжение
• Конструкция
• Балочного типа:
• изгибный стержень
• срезной стержень
• Изгибная кольцевая пружина
• S — образная (тензодатчики сжатия-растяжения)
• Прямоугольная (Single Point)
• Датчики сжатия мембранного типа
• Датчики сжатия типа колонна
• Специальное применение
• Платформенные весы
• Путевые весы
• Резервуарные весы
• Подвесные весы
• Конвейерные весы
• Ленточные весы
• Рольганговые весы
• Бункерные весы
• Диапазон измерений (Н, кгс)
• Точность измерений
• Нелинейность
• Гистерезис
• Максимальная безопасная перегрузка
• Защита от перегрузки
• Ресурс (число циклов измерений)
• Выходной сигнал.

Акселерометры (датчики ускорения)

• Диапазон измерений (м/с²)
• Нелинейность
• Гистерезис
• Безопасная перегрузка
• Частотный диапазон
• Выходной сигнал.

Датчики перемещения

• Диапазон измерений (мм)
• Нелинейность
• Гистерезис
• Усилие при измерении (Н)
• Индикаторная шкала
• Выходной сигнал.

Датчики крутящего момента

• Диапазон измерений (Нм)
• Нелинейность
• Гистерезис
• Безопасная перегрузка
• Ограничитель перегрузки
• Максимальная частота вращения
• Выходной сигнал.

Общее для всех тензодатчиков

• Выходной сигнал
• Степень защиты корпуса
• Материал
• Класс взрывозащиты
• Напряжение питания.

---

Анализаторы газа и жидкости

Системы идентификации

www.maxplant.ru

Область применения тензорезисторов.

При всем многообразии задач, решаемых с по­мощью тензорезисторов, можно выделить две основные области их использования.

К первой области относятся исследова­ния физических свойств материалов, дефор­маций и напряжений в деталях и конструк­циях. Для этих задач характерны значитель­ное число точек тензометрирования, широкие диапазоны изменения параметров окружаю­щей среды, а также невозможность градуиров­ки измерительных каналов. Основной причиной погрешности в этих случаях является разброс параметров тензорезисторов R и KT вокруг средних для данной партии значений, и погрешность измерения составляет 2-10%.

Вторая область — применение тензорезисторов для измерения ме­ханических величин, преобразуемых в деформацию упругого эле­мента. В этом случае датчики градуируются по измеряемой величине и погрешности измерений лежат в диапазоне 0,5—0,05%.

Тензорезисторы используются для измерения статических и динамических деформаций, верхняя граница частотного диапазона опре­деляется соотношением между длиной волны λ и базой l тензорезистора. Для того чтобы не было искажения результата измерения из-за усреднения деформации, принимается отношение . В частности, для измерения в стальных деталях динамических дефор­маций с частотой до 50 кГц должны применяться тензорезисторы с ба­зой, не большей 10 мм, так как скорость распространения ультразвука в сталиv = 5000 м/с и длина волны .

При измерении динамических деформаций величина максимальной деформации для проволочных тепзорезисторов не должна превышать , для полупроводни­ковых, так как при больших деформациях резко по­нижается надежность тензорези­сторов.

Для повышения точности и чувствительности тензорезисто­ров, а также измерительных цепей к ним представляет интерес установление предельных воз­можностей тензорезисторов, оп­ределяемых термодинамически­ми флюктуациями. Тензорезистор является параметрическим преобразователем с внутренним сопротивлением R и может представлен в виде эквивалентного генератора с мощностью короткого замыкания , где РT, — мощность, потребляемая тензорезистором. Средняя мощность термодинамиче­ского шума равна , гдеДж/К — посто­янная Больцмана; Т — абсолютная температура;— полоса ча­стот. Отсюда средняя квадратическая погрешность находится в виде:

.Полупроводниковые тензорезисторы. Интегральное исполнение.

4. Индуктивные преобразователи линейных величин.

Типы индуктивных преобразователей. На рис.1, а изображен наиболее распространенный преобразователь с малым воздушным зазором δ, который изменяется под действием измеряемой величины Р. Рабочее перемещение в преобразователях с переменным зазором составляет 0,01—10 мм. В этих преобразователях могут быть использованы ферритовые элементы 2 (рис.1, б), выпускаемые промышленностью; для изготовления подвижного сердечника 1 используется основание такого же элемента 2, стенки которого сошлифовываются. На рис.1, в изображен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью. Он представляет собой катушку 1, внутри которой помещен стальной сердечник 2. Перемещение сердечника вызывает изменение индуктивности катушки. Этот тип преобразователя применяется для измерения значительных перемещений сердечника (10—100 мм).

Рис. 1

Одним из основных достоинств индуктивных преобразователей является возможность получения большой мощности преобразователя (до 1—5 В∙А), что позволяет пользоваться сравнительно малочувствительным указателем на выходе измерительной цепи и регистрировать измеряемую переменную величину самописцем или вибратором осциллографа без предварительного усиления. Лишь при малогабаритных преобразователях приходится прибегать к включению усилителя.

При перемещении якоря под действием силы изменяется воздушный зазор δ, следовательно, меняется сопротивление магнитной цепи, что приводит к изменению индуктивности L по гиперболическому закону и нелинейности характеристики:

,

где μ₀ – магнитная проницаемость воздушного зазора,

w – число витков обмотки,

S – площадь поперечного магнитопровода.

Электрическое сопротивление индуктивного преобразователя (рис.1, а), если считать, что все сопротивление утечки Rут включено параллельно зазору, выразится формулой:

Из этой формулы видно, что Z связано с длиной δ воздушного зазора зависимостью, близкой к гиперболической. С увеличением зазора и, следовательно, сопротивления R0 полное электрическое сопротивление уменьшается так, как показано на рис.2, а: от при бесконечно малом зазоре допри бесконечно большом зазоре. Линейный участок характеристики преобразователя с начальным зазором δ₀ ограничен значением ∆δ, равным (0,1÷0,15) δ₀. Относительное изменение сопротивления ∆Z/Z из-за наличия активного сопротивления обмотки, потока утечки и магнитного сопротивления магнитопровода в 2—5 раз меньше относительного изменения зазора εδ=∆δ/δ₀. Кроме того, следует обратить внимание на то, что при изменении сопротивления зазора Rδ изменяется не только реактивная , но и активнаясоставляющая сопротивленияZ, и вектор сопротивления изменяется так, как показано на рис.2, б.

Рис.2

Расширения линейного участка характеристики можно добиться, если выбрать в качестве выходной величины преобразователя не сопротивление Z, а проводимость Y, которая (если пренебречь сопротивлением R) связана с изменением зазора как

Изменение проводимости при относительном изменении зазора εδ=∆δ/δ₀ составит

и будет почти линейно связано с изменением зазора, в особенности при R_УТ>>Rδ. Уравнение можно представить как

откуда очевидно, что соответствующий вектор параллелен мнимой оси и сохраняет свое направление вне зависимости от изменения параметров, так как изменяются обе его составляющие.

Существенно уменьшить погрешности и увеличить линейный участок характеристики позволяет применение дифференциальных преобразователей. Поэтому в практике индуктивные преобразователи всегда выполняются дифференциальными. На рис. 8-31,а показана схематическая конструкция преобразователя для измерения малых перемещений, на рис. 8-31,б — для измерения больших перемещений. В том и другом преобразователе происходит перемещение сердечника 1 и при перемещении в направлении стрелки — увеличение сопротивления Z2 и уменьшение сопротивления Z1.

studfiles.net

10.1.    Тензорезисторы

Полупроводниковым тензорезистором называют преобразователь линейной деформации в изменение активного сопротивления, прин­цип действия которого основан на тензорезистивном эффекте, а чувствительный элемент его выполнен из полупроводника.

Тензорезистор (10.1, а, б) представляет собой полупроводниковую тонкую пластинку или пленку, нанесенную на изоляционную подложку, которая имеет два вывода.

Вид ВАХ полупро­водникового тензорезистора (рис. 10.1, в) зависит от температурной характеристики его сопротивления, каждая точка характеристики соответствует определенной рассеиваемой мощности, а следователь­но, и определенной температуре. ВАХ тензорезистора можно разде­лить на два участка: АБ – восходящая ветвь, от начала координат до точки максимума; БВ – участок с отрицательным наклоном, от точки максимума до точки, соответствующей максимально допусти­мой температуре.

Основными параметрами тензорезистора являются: начальное сопротивление (R) – сопротивление между выводами тензорезистора при нормальной температуре и начальное значение деформации.

Тен­зорезистор представляет собой однородное по удельному сопротив­лению тело постоянного сечения, по­этому

,                                                     (10.1)

где  – удельное сопротивление по­лупроводника; а, b, l – ширина, вы­сота и длина кристалла.

Так как ВАХ тензорезистора нелинейна, начальное сопротивление зависит от значения установившегося тока:. Дифференциальное сопротивление равно: . Его значение на участке АБ характеристи­ки (рис. 10.1, в) положительно, в точке Б равно нулю, а на участке БВ отрица­тельно.

Чувствительность тензорезистора (S) – это отношение прираще­ния выходного сигнала тензорезистора к вызвавшей его деформации, направленной вдоль его главной оси:

,                                                         (10.2)

где  – относительное изменение длины чувствительного эле­мента (деформация).

Чувствительность зависит от типа электропроводности, удель­ного сопротивления материала, уровня деформации. На рис. 10.2 показана зависимость относительного изменения сопротивления кремниевого тензорезистора от относительной деформации для ма­териалов с электропроводностью п- и p-типов.

Температурный коэффициент сопротивления () – это относи­тельное изменение сопротивления при изменении температуры на 1 К (в процентах):

.                           (10.3)

В зависимости от значения удельного сопротивления () может быть как положительным, так и отрицательным.

К предельным режимам тензорезистора относятся:

· максимально допустимая мощность () максимальная мощность рассеяния на тензорезисторе, при которой сохраняется заданная надежность;

· предельная деформация (),  деформация, пре­вышение которой вызывает выход из строя тензорезистора. Значе­ние предельной деформации в основном определяется материалом, площадью поперечного сечения и качеством обработки поверхности.

Для изготовления тензорезисторов применяют германий, крем­ний, арсенид и антимонид галлия. Чаще всего используют кремний вследствие лучшей теплоустойчивости. Одним из основных требо­ваний к материалу является возможно более высокая тензочувствительность. Тензорезисторы изготавливают как из монокристалли­ческого, так и из поликристаллического материалов. Монокристаллы получают методами выращивания и эпитаксии.

Тензорезисторы изготавливают в виде бруска, проволоки, плен­ки. Они могут быть закреплены на подложке и выполнены без под­ложки. Тензорезисторы применяют в датчиках давления, усилий, на­пряжений, в датчиках малых перемещений, датчиках крутящего момента. Включаются тензорезисторы обычно по мостовой или потен­циометрической схеме. Работают они как на постоянном, так и на переменном токе.

electrono.ru

📌 Тензорезистор — это… 🎓 Что такое Тензорезистор?

Деформация тензорезистора из фольги. Значение сопротивления показано условно. Отображение тензорезистора на электрических принципиальных схемах

Тензорези́стор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации^[1]. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов.^[2], Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Принцип действия

Принцип действия хорошо проиллюстрирован на картинке за одним небольшим замечанием — в реальности изменения сопротивления весьма малы и требуют прецизионных усилителей или АЦП. Он заключается в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.

Конструктивно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде петлеобразной решетки, который крепится с подложкой с помощью клея. Чувствительные элементы обычно изготавливаются из тонкой проволоки, фольги, а также могут быть образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, пленку и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные концы или контактные площадки. На исследуемый объект тензорезисторы крепятся с помощью связующего (клея)со стороны подложки.

Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей при измерениях механических величин (силы, крутящего момента, перемещения, давления и пр.).

Примечания

См. также

Ссылки

dic.academic.ru