Загальна теорія та конструкція тензометричних перетворювачів.

Принцип дії тензометричних перетворювачів грунтується на, так званому, тензоефекті - зміні активного опору провідника або напівпровідника за пружних деформацій (стиснення або розтягування). Самий поширений варіант використання тензоефекту - це розтягування дроту або стрічки з тензочутливого матеріалу. Такі провідникові перетворювачі, а вони розподіляються на дротяні та фольгові, використовують для вимірювання невеликих переміщень, деформацій, або інших механічних величин, що пов’язані з деформаціями, і перетворення останніх у зміну електричного опору. Для забезпечення передачі деформації на тензоперетворювач, його прикріплюють (приклеюють) до тих деталей, які деформуються.

Основною характеристикою тензоматеріалу є коефіцієнт тензочутливості Ѕ, який дорівнює: Ѕ = (ΔR/R) / (ΔL/L), де (ΔR/R) – відносна зміна опорутензорезистора, а (ΔL/L) – відносна його деформація (зміна розміру).

Провідникові тензорезистори. В якостітензочутливого матеріалу в них най

частіше використовується константан (сплав 45% нікелю та 55% міді), а також сплави нікелю й хрому. Такі тензоперетворювачі використовуються при тем-пературах середовища до 180°С.

 

а) б) в) г) д)

Рис 1. Тензорезистори: а) фольговий; б) – дротяний; в) – напівпровідниковий;

г) кільцевий фольговий мембранний та д) - остнній в корпусі ПВП.

 

Досить розповсюджені провідникові дротяні тензорезистори (рис. 1,б), які

виготовляються із укладеного у вигляді грати та приклеєного до основи 3 (з паперу або пластмаси) дроту 2 із константану діаметром 0,01...0,05 мм. У кінцях дроту розташовуються вивідні площинки 1, до яких припаюються вивідні дроти діаметром 0,5 мм. Замість дроту у фольгових тензоперетворювачів (рис.1а,г) вико­ристовується нанесена на тонку плівку 3 фольга з константану завтовшки 0,004...0,012 мм, із якої методом витравлювання (аналогічно виготовляють друковані плати електонних пристроїв) одержують теж перетворювач 2 у вигляді грати. Зверху такий перетворювач покривається захисною водостійкою плівкою (лаком). Тензоперетворювач наклеюють на пружний елемент, що перебуває під дією вимірюваного зусилля, пропорційного тиску. Останнє приводить до деформації пружного елемента і одночасно до зміни розмірів тензорезистора (змінюється довжина дроту L і його поперечний переріз S) і, як наслідок, змінюється електричний опір R перетворювача за формулою:

R = n ּ ρ (L/S), де ρ - питомий опір матеріалу; L – база перетворювача (довжина прямо-лінійних ділянок дротинки від 3 до 30 мм); S – площа перерізу дротинки; n – кількість лінійних ділянок розташованих у гратці. Початковий опір R їх становить 50…400 Ом.

Основна приведена похибка провідникових тензорезисторів складає 0,2… 2%

від діапазону вимірювання. Основний недолік – обмежений ресурс роботи із-за старіння клеїв та повзучість (зміна опору за незмінного значення деформації), що пов’язана з пружною недосконалістю основи та клею.

Напівпровідникові (п ’ езорезистивні) тензорезистори застосовуються, поряд з металевими тензоперетворювачами дедалі ширше. Вони відзначаються значно вищою чутливістю, меншими габаритами та масою, кращими метрологічними характеристиками.

В залежності від способу виготовлення їх поділяють на вирізані та дифузійні.

Вирізані тензорезистори являють собою вирізану із монокристалу кремнію 4 (рис.1, в) пластину, довжиною 5…10 мм та шириною до 1мм і яка має початковий опір 50…800 Ом. Пластину вирізають паралельно діагоналі кристалічного куба для кремнію «р -типу», або паралельна ребру куба для кремнію «n -типу». Таку пластинку 4 теж приклеюють до підложки 3, її кінці з’єднують дротами 2 та 5 з вивідними площинками 1 та 6.

Дифузійні п ’ єзорезистивні тензорезистори отримують методом дифузії домішок (елементів 3-ої та 5-ої груп таблиці Менделєєва) у кремнієву підложку. Якщо в кремній додаються елементи 3-ої групи (Ga, In), то отримують тензорезистор провідності «р -типу», в іншому випадку додають P, Sb та отримують провідність «n -типу».

Такі тензорезистори теж виготовляються у вигляді одиночних вирізаних, що приклеюються (ПВП по аналогії з провідниковими), але найчастіше у вигляді інтегральних тензомодулів, в яких пружний елемент (сама мембрана), виготовлений із монокристалічного напівпровідника (кремнію), на якому методом дифузії відразу формують інтегральний (за мостовою схемою) тензомодуль. Основна перевага такого тензомодулю – відсутність між пружним елементом (мембраною) та п’єзорезиторами проміжних ланок (клею), що покращує його метрологічні характеристики. На такому принципі працюють засоби вимірювання тиску типу «Сапфір» і їхні модифікації, а також прилади фірми

«Siemens» типу Sitrans P серій DZ та Z, дифманометри типу DS.

Як правило опір тензоперетворювачів вимірюється за допомогою мостових зрівноважених (рис.2,в) та незрівноважених (рис.2,б) схем. Схема зрівнова-женого мосту (рис.2,в) використовується у простих випадках. В ній зміна температури навколишнього середовища вливає на основні параметри тензористора R1. Так як відносна зміна опору тензорезистора від вимірюваної деформації складає не більше 1% від початкового опору, то температурні зміни можуть привести до суттєвої додаткової похибки, яку зменшують термоком-пенсацією або спеціальним ввімкненням тензорезисторів у мостову схему.

Температурної похибки немає у разі ввімкнення тензорезисторів у схему незрівноваженого мосту, приведеній на рис. 2,а та б (резистори R3, R4 - сталі). Деформацію пружного елемента (консолі) сприймають два тензорезистори, причому опір верхнього R1 збільшуєтьсяіз зростанням зусилля чи тиску (він розтягується), а нижнього- R2 зменшується (останній стискується), і їх вмикають у суміжні плечі моста.

в)

Рис. 2. Варіант використовування тензорезисторів на консолі.

 

Напруга U_CD у вимірювальній діагоналі незрівноважених мостових схем (рис.2.б та 3,в) дорівнює:

U_CD = U_Ж [(R₁*R₃ - R₂ * R₄)/ (R₁+R₂)(R₃ + R₄)] (1)

де U_Ж – напруга (змінного або постійного струму) живлення мостової схеми.

При цьому температурна похибка зникає. Оскільки опори R1 та R2 (рис.2,б)за коливань температури змінюються одинаково (як за значенням, так і за знаком), то різниця добутоків у (1) за зміни температури обох тензорезисторів залишається незмінною. Міст зрівноважується (напруга у вимірювальній діагоналі U_CD встановлюється рівною нулю за допомогою змінного опору R3) один раз при його налаштуванні на нижній діапазон вимірювання зусилля. Напруга нерівноваги підсилюється або перетворюється в відповідний цифровий код, який опрацьовується і використовується далі в системі.

Структурна схема первинного вимірювального перетворювача (ПВП) "Сапфір" для вимірювання надлишкового тиску показана на рис. 3. ПВП складається із тензомодуля і вмонтованого електронного підсилювача ЕП (рис. 3,а). Тензомодуль – це корпус 1, в якому розміщується двошарова мембрана – нижня 2 металева, та верхня 3 із сапфіру, що закріплюється на металевій мембрані 2. Сапфір – це мінерал (різновид корунду, підклас простих окислів алюмінію), який виготовляють синтетично і який являє собою кристал синього чи голубого кольору з домішками заліза та титану. На сапфіровій мембрані розміщується чотири однотипних п’єзорезистивні тензорезостори, які вмикаються за мостовою схемою [тензорезистори наносяться у вигляді монокристалічної плівки кремнію (тензомодулю) на сапфірову мембрану (рис.3,в)]. Окремі резистори з’єднані так, що за прогину мембрани опори резисторів R₁ та R₃ зростають (+), а R₂ та R₄ зменшуються (-) (рис.3,б). Як наслідок досягається, одночасно з термоко-мпенсацією, і висока чутливість вимірювального мосту, а напруга у вимірювальній діагоналі U_CD змінюється по залежності (1). При виготовленні перетворювача міст урівноважується при нульовому значенні вимірюваного тиску.

ЕП БЖ ВП

1 3

P а) R1 R2 U_CD

2

R1 U_Ж

+

R4 R4 R3

- R2 -

 

R3 в)

+ б)

 

Рис. 3. Варіант виконання тензомодулю типу "Сапфір.

 

Максимальне значення напруги U_CD = 0,1 В, тому напругу підсилюють в ЕП, який розміщують в цьому ж корпусі. Сигнал вимірювальної інформації подається до блоку живлення БЖ, де перетворюється в уніфікований сигнал по струму, який подається на вторинний прилад.

Вимірювальні перетворювачі «Сапфір» забезпечують вимірювання тисків до 100 МПа, розрідження – до 10 ^-5 МПа, різниці тисків від 2,5 Па до 16МПа. За класом точності бувають: 0,1; 0,25; 0,5. Переваги: ■надійність, так як використовуються незначні деформації чутливих елементів; ■ стабільність; ■ високий клас точності – 0,1; ■ дистанційна передача інформації.

Відмінною особливістю манометрів фірми «Siemens» - є ■ висока ступінь інтеграції електронних схем обробки сигналів ПВП; ■ наявність вбудованого мікпропроцесорного пристрою цифрової обробки, ■ пам’ять EEPROM, яка зберігає у цифровому коді константи заводського налаштування ППВ при його метрологічній атестації, та схема живлення і передачі інформації в два проводи.