Тензорезистивні перетворювачі механічних величин

Класифікація тензорезисторів

Вимірювальні кола тензорезистивних перетворювачів

Здебільшого тензорезистори вмика­ються в мостові кола постійного струму. Якщо використовується мостове коло з одним робочим тензорезистором, то для температурної компенсації необхідно застосувати другий неробочий тензорезистор, аналогічний робочому і поміщений в однакові з робочим тензорезистором температурні умови. Кращою є схема з диференціальним (різни­цевим) увімкненням ідентичних тензорезисторів, якщо один з них за­знає деформації розтягу, а другий -- деформації стиску.


Фольгові тензорезистори - це тонка стрічка з фольги товщиною 0,01...0,02 мм, на якій частина матеріалу вибрана (наприклад, травлен­ням) так, що та її частина, котра залишилась, утворює плоску решітку з виводами. Ця решітка закріплюється між двома плівками з лаку.

Поширені також плівкові тензорезистори, в яких тензочутливий елемент наноситься методом вакуумної сублімації (перегону) з подальшою конденсацією на плівку. Для виготовлення плівкових тензо­резисторів застосовуються як металеві (наприклад, титаноалюмінієвий сплав), так і напівпровідникові (германій, кремній) матеріали.

Навісні тензорезистивні перетворювачі мають дротяний тензо­чутливий елемент у вигляді струни чи декількох струн, натягнених між двома планками, відносне переміщення яких є вхідною величиною.

Напівпровідникові монокристалічні тензорезистори виготовля­ються головним чином з германію та кремнію, які мають кубічну кристалічну ґратку. Тензочутливість напівпровідни­кового тензорезистора залежить від орієнтації його чутливого елемента відносно кристалографічних напрямків.

Характерною особливістю напівпровідникових тензорезисторів є те, що характер функції перетворення за інших однакових умов зале­жить від питомого електричного опору тензорезистора. Нелінійність функції перетворення найменше проявляється в матеріалах з малим питомим електричним опором.

У серійних тензорезисторах застосовують здебільшого кремній.




4.1. Перетворювачі деформацій. Тензорезистори за принципом дії є перетворювачами механічних деформацій, тому безпосередньо вони застосовуються в засобах вимірювань деформацій. У таких випадках тензорезистор (рис. 2, а) тієї чи іншої конструкції приклеюється до досліджуваного об'єкта 1 так, щоби деформація об'єкта повністю сприй­малась тензорезистором. Виводи тензорезистора припаюють до контактної колодки 2, котра приклеюється також до досліджуваного об'єк­та. Для захисту тензорезистора від впливу зовнішніх чинників, а також для забезпечення стійкості до механічних пошкоджень тензорезистор і монтажну схему покривають спеціальною герметизуючою речовиною.

Як вже відзначалось, здебільшого вимірювальними колами тензо­резистивних перетворювачів є мостові кола постійного струму. Якщо використовується мостове коло з одним робочим тензорезистором , для температурної компенсації необхідно застосувати другий неробочий тензорезистор , аналогічний робочому і поставлений в однакові з робочим температурні умови (рис. 2, в). Якщо таке мостове коло при відсутності деформації буде знаходитись у рівновазі, тобто , то при наявності деформації опірзміниться, рівновага мостового кола порушиться і на виході з'явиться напруга, яка буде пропорційна величині деформації.

Якщо ж причиною зміни опору тензорезистора буде зміна темпе­ратури довкілля, то, оскільки тензорезистори ідентичні та знаходяться в однакових температурних умовах, їх температурні зміни будуть однаковими, тобто коли, наприклад, при відсутності деформації міст був зрівноважений, то зміна опорів двох ідентичних тензорезисторів RT та RTK, увімкнених у сусідні плечі моста, не призведе до порушення його умови рівноваги, а вихідна напруга залишиться нульовою. Компенсація впливу температури в такій схемі відзначатиметься і при наявності вимірюваної деформації.

Рис. 2 – Тензорезистивні давачі механічних деформацій та способи їх ввімкнення в мостових колах



Перевагу треба віддавати давачам деформації (рис. 2, б) з чотир­ма тензорезисторами. Тут тензорезистори RT1 та RT2 сприймають вимірювану (поздовжню) деформацію , а тензорезистори RT3 та RT4-поперечну деформацію і можуть служити для темпера­турної компенсації (рис. 2, г).

Живляться мостові кола від стабілізованого джерела напруги, а вихідна напруга підсилюється за допомогою диференціального під­силювача з високим вхідним опором. Треба також мати на увазі, що через неповну ідентичність тензорезисторів при відсутності вимірюва­ної деформації на виході моста може бути деяка початкова напруга, для регулювання якої застосовують шунтування термонезалежних опорів плеч моста. Однак таке регулювання є громіздким, а при використанні повного моста, тобто коли плечима моста є чотири робочі тензоре­зистори, нераціональним, бо призводить до зменшення чутливості.

Особливістю наклеюваних тензорезисторів є те, що вони є перетворювачами разової дії, тобто не можуть бути переклеєні з об'єкта на об'єкт. Тому функція перетворення робочого тензорезистора не може бути визначена попередньо, а для її оцінки визначають функцію перетворення аналогічного, так званого градуювального перетворювача з тієї ж партії перетворювачів. Природно, що такий спосіб оцінки характеристик робочих тензорезисторів може бути застосований лише коли властивості перетворювачів всієї партії повністю ідентичні, а залишкові деформації, викликані приклеюванням робочих та градуювальних тензорезисторів, також однакові. Практика свідчить, що по­хибка від неідентичності при старанному приклеюванні тензорезисторів та добрій якості клею звичайно не перевищує 1,5%.



4.2 Перетворювачі переміщень. Тензорезистори широко застосову­ються як перетворювальні елементи в засобах вимірювань переміщень, сил, тиску, вібрацій, прискорень. Первинними перетворювачами в названих засобах є механічні пружні елементи, які перетворюють вхідну вимірювану величину в деформацію, котра сприймається тензорезистором і перетворюється ним в зміну електричного опору.

Основні властивості тензорезистивних перетворю-вачів перемі­щень, як і перетворювачів інших названих величин, визначаються головним чином властивостями механічних пружних елементів.

Рис. 3 – Тензорезистивний перетворювач вертикальних переміщень


Тому залежно від значення перетворюваного переміщення, необхідної точ­ності та інших параметрів конструкції пружних елементів та конструк­ції перетворювачів переміщень загалом можуть бути найрізноманіт­нішими.

Найпоширенішими є консольні перетворювачі переміщень. На рис. 3 показана конструкція консольного пере­творювача вертикальних переміщень у діапазоні від 2,5 до 25 мм. На досліджуваний об'єкт перетворювач закріплюють струбциною та з'єднують з нерухомою точкою. Досліджуване переміщення передасться через рухомий шток 1 на пружний елемент 2 з тензо­резисторами 3, наклеєними по обидва боки консольної балки (з дефор­маціями різних знаків), що при увімкненні їх у сусідні плечі моста дає змогу збільшити чутливість та уникнути температурної похибки. Основна похибка перетворювача не перевищує 2 %.



4.3 Перетворювачі сил. Тензорезистивні перетворювачі сил (тензодинамометри) широко застосовуються, оскільки вони компактні та мають широкий діапазон перетворень (від декількох міліньютон до десятків меганьютон). У перетворювачах великих сил (понад 10 кН) найчастіше використовуються стержневі пружні елементи (рис. 4, а). Перетво­рювач складається з циліндричного пружного елемента 1, на зовнішній поверхні якого наклеєні робочі тензорезистори 2, які сприймають вимірювану (поздовжню) деформацію, та тензорезистори 3, які сприй­мають поперечну деформацію і при ввімкненні їх у сусідні з робочими тензорезисторами плечі моста можуть використо­вуватись для температурної компенсації. Для рівномірного розподілу механічного напруження по перерізу пружного елемента в зоні тензорезисторів відношення висоти робочої частини пружного елемента до його діаметра повинно дорівнювати 3...4.

Недоліком такої функції перетворювачів сил є помітний вплив нестабільності функції перетворення пружного елемента, яка досягає І...1,5 %, неповна компенсація впливу температури довкілля. Крім того, тензорезистори 3 можуть бути використані лише коли відоме спів­відношення між поздовжньою та поперечною деформаціями. Цей недолік може бути усунений застосуванням диференціального пруж­ного перетворювального елемента, що має два пружні перетворювальні елементи 4 та 5 (рис. 4, б) з протилежними за знаком та однаковими за значенням деформаціями.

Рис.4 – Тензорезистивні перетворювачі сил (тензодинамометри)



4.4 Перетворювачі тиску та різниці тисків. У тензорезистивних перетворювачах тиску (тензоманометрах) як первинні перетворювальні елементи використовуються мембрани, сильфони та трубчасті системи.

У мембранних перетворювачах тиску деформація мембрани звичайно сприймається наклеєним на неї тензоперетворювачем безпо­середньо. Для одержання максимальної чутливості та термокомпенсації тензорезистори наклеюють у зонах максимальних деформацій різних знаків. Тензоманометри з плоскими мембранами відріз­няються простотою конструкції, однак вони чутливі до різких перепадів температур. Досконалішими є тензоманометри з гофрованими мембран­ними перетворювачами тиску 1, центри яких з'єднані з тензорезистивними перетворювачами сили у вигляді консольних балок 2 з накле­єними на них тензорезисторами (рис. 5, а) або з кільцевими пружними перетворювальними елементами сили в деформацію (рис.5, б). В останньому випадку вимірюваний тиск через отвір в штуцері 1 діє на еластичну мембрану 2 та сферичну подушку 3, внаслідок чого кільцевий пружний елемент 4 деформується, викликаючи деформацію тензорезисторів 4 та 5.

Рис. 5 – Тензорезистивні перетворювачі тиску



Верхні границі перетворень розглянутих вище тензоманометрів становлять від 0,1 до 10 МПа. На рис.6 показана конструкція тензорезнстивного давача різниці тисків типу "Сапфір".

Рис. 6 - Тензорезистивний перетворювач різниці тиску


Давач має первинний мембранно-важільний перетворювач різниці тисків 1, розділювальні мембрани 2 і 3, з'єднані між собою та з кінцем важеля первинного перетворювача за допомогою тяги 4.

Дія вимірюваної різниці тисків Р1 > Р2 призводить до переміщення тяги і, відповідно, кінця важеля, деформації мем­брани із монокристалічного сапфіру, на зовнішню поверхню якої нанесена тензочутлива гетероепітаксіальна плівка крем­нію. Тензорезистори через гер­метичний вивід під'єднуються до вторинного перетворювача, що входить до складу "Сапфіра" і служить для перетворення зміни опору тензорезисторів у вихідний уніфікований струм.

Останнім часом все більше застосовують перетворювачі тиску з напівпровідниковими тензорезисторами. Мініатюрний (діаметром 10.. 15 мм) перетворювач тиску (рис.7,а) має мембранний первинний перетворювач тиску 1.

Рис. 7 – Перетворювачі тиску з напівпровідниковими тензорезисторами



Переміщення центру мембрани, викликане вимі­рюваним тиском, передається за допомогою штока 2 на консольну балку 3, на котрій склоприпоєм закріплені напівпровідникові тензорезистори 4 у вигляді ниткоподібного кристала кремнію р-типу з орієнтацією з платиновими струмовиводами.


Для вимірювань дуже високих тисків (до Па) використо­вують звичайно ефект об'ємного стискання тензорезистора. Чутливим елементом 1 мініатюрних давачів даного типу (рис.7, б) може бути ниткоподібний кристал, наприклад, з антимоніду галію п-типу. Один з виводів припаяний до ізольованого від корпуса 2 гермовводу 3, інший - до самого корпуса. Фторопластовий ковпачок 4 виконує роль розділювальної мембрани. Внутрішня порожнина з чутливим елементом запов­нена трансформаторною оливою, за допомогою якої вимірюваний тиск передається на чутливий елемент,





Контрольні запитання:



1.Застосування та принцип дії тензорезистивних перетворювальних елементів.

2.Вимірювальні кола тензорезистивних перетворювачів.

3.Класифікація тензорезистивних перетворювачів.

4.Тензорезистивні перетворювачі деформацій. Принцип дії.

5.Тензорезистивні перетворювачі переміщень. Принцип дії.

6.Тензорезистивні перетворювачі сил. Принцип дії.

7.Тензорезистивні перетворювачі тиску та різниці тисків. Принцип дії.



2292790667693174.html
2292858640632010.html
    PR.RU™