Принцип действия и конструкция. Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия – растяжения. При деформации проводника изменяются его длина l и площадь поперечного сечения Q. Деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления r. Эти изменения приводят к изменению сопротивления проводника
(4.66)
Этим свойством обладают в большей или меньшей степени все проводники. В настоящее время находят применение проводниковые (фольговые, проволочные и пленочные) и полупроводниковые тензорезисторы. Наилучшим отечественным материалом для изготовления проводниковых тензорезисторов, используемых при температурах ниже 180 ° С, является константант. Зависимость сопротивления R от относительной деформации е с достаточной точностью описывается линейным двучленом
(4.67)
где R0 – сопротивление тензорезистора без деформации; ST – тензочувствительность материала.
Тензочувствительность константана лежит в пределах 2,0 – 2,1. Нелинейность функции преобразования не превышает 1%.
Фольговые тензорезисторы представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензочувствительная решетка из константана толщиной 4 – 12мкм (рис. 4.12). Решетка сверху покрыта лаком. Фольговые тензорезисторы нечувствительны к поперечной деформации вследствие малого сопротивления перемычек, соединяющих тензочувствительные элементы.
Проволочный тензорезистор имеет аналогичное устройство, но его решетка выполнена из константановой проволоки толщиной 20 – 50 мкм. По метрологическим и эксплуатационным характеристикам проволочные преобразователи уступают фольговым.
Фольговые и проволочные тензорезисторы обычно имеют длину 5 – 20 мм, ширину 3 – 10 мм. Их номинальное сопротивление равно 50, 100, 200, 400 и 800 Ом. Параметры тензорезисторов общего назначения регламентирует ГОСТ 21616-76.
Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия длиной 5 – 10 мм, шириной 0,2 – 0,8 мм. К ее торцам приварены выводные проводники. Номинальное сопротивление лежит в пределах 50 – 800 Ом. Свойства полупроводниковых и металлических преобразователей сильно различаются. Чувствительность полупроводниковых преобразователей может быть как положительной, так и отрицательной и лежит в пределах ST = 55? 130. Как сопротивление, так и чувствительность сильно зависят от температуры. Недостатком является также большой разброс параметров и характеристик.
Тензорезисторы применяются для преобразования деформации деталей в изменение сопротивления. Для этого они приклеиваются к этим деталям и испытывают одинаковые с ними деформации.
Схемы включения. Наиболее часто тензорезисторные преобразователи включаются в схему неравновесного моста (рис. 4.13, а).
Если сопротивление нагрузки R н достаточно велико (режим холостого хода), то выходное напряжение моста
(4.68)
где U – напряжение питания. В качестве R1 и R 2 включаются одинаковые тензорезисторы.
При отсутствии измеряемой деформации их сопротивления равны: R10 = R20 =R0. Кроме того, обычно выбирают R3 = R4. В этом случае, когда деформация тензорезистора отсутствует (e = 0), Ux = 0.
При деформации тензорезисторов, когда е? 0 и R1? R2, выходное напряжение моста пропорционально разности сопротивлений тензорезисторов:
(4.69)
Мостовая цепь является дифференциальной, следовательно, в ней компенсируются аддитивные погрешности. С применением мостовой цепи тензорезисторные приборы строятся по дифференциальной схеме первого или второго типа.
При использовании дифференциальной схемы первого типа, т.е. при R1 = R0 + D R и R2 = R0, выходное напряжение цепи и чувствительность в режиме холостого хода
(4.70)
При использовании дифференциальной схемы второго типа, когда R1 = R0 + D R и R2 = R0 - D R, выходное напряжение и чувствительность в режиме холостого хода увеличиваются вдвое:
(4.71)
При R н?? выходное напряжение и чувствительность меньше полученных значений.
Выходное напряжение тензорезисторного моста обычно не превышает 10 – 20мВ. Для дальнейшего преобразования такое напряжение без усиления использовать трудно. Поэтому в тензорезисторных приборах обычно используются усилители.
Если напряжение питания моста U не стабилизировано, то при его вариациях возможна мультипликативная погрешность. Для ее исключения используется компенсационный метод измерения выходного напряжения моста. Принципиальная схема тензорезисторного прибора типа КСТЗ, в котором реализован этот метод и который предназначен для использования в силоизмерительных и весоизмерительных системах, приведена на рис. 4.13, б.
Мост М 1включает в себя два или четыре тензорезистора. Вследствие технологического разброса значений их сопротивлений мост не уравновешен и имеет некоторое выходное напряжение. При нулевом значении измеряемой величины это напряжение компенсируется с помощью моста М 2подстроечными резисторами R1 и R2. Результирующее напряжение U пропорционально измеряемой величине. Мост М 3служит для компенсации этого напряжения. Его выходное напряжение U квключено встречно напряжению U. Разность напряжений U – U кусиливается усилителем А и подается на реверсивный двигатель РД. При этом ротор двигателя, вращаясь, через редуктор Р перемещает движок реохорда R3 и указатель прибора относительно шкалы. Перемещение движка реохорда производится так, чтобы уменьшалась разность U – U к. Ротор останавливается, когда U – U к = 0, при этом движок реохорда занимает положение, соответствующее значению напряжения U а указатель прибора – положение, соответствующее значению измеряемой величины.
Мосты М 1 ,М 2 ,M 3питаются от одного источника переменного напряжения, от различных обмоток трансформатора. При нестабильности источника питания напряжения U1, U2, U3 изменяются пропорционально и равенство U= U к не нарушается. Не изменяется и показание прибора. Основная погрешность измерения составляет ± 0,5% от нормирующего значения, равного 2D Rmax, где D Rmax – максимальное значение приращения сопротивления плеча моста.
Погрешность тензорезисторных преобразователей. Тензорезисторы могут использоваться либо для измерения механических напряжений и деформаций, либо для измерения других механических величин: сил, давлений, ускорений и проч., когда деформация является промежуточной величиной преобразования. В первом случае для градуировки тензорезисторов из партии отбирают несколько штук и они наклеиваются на образцовую балку. С помощью гирь в балке создают определенные деформации е. По значениям деформаций и соответствующим им сопротивлениям рассчитывается чувствительность наклеенных тензорезисторов
(4.72)
Это значение принимается в качестве номинального для всей партии. Чувствительность других тензорезисторов той же партии может отличаться от номинальной на 2 – 10%.
Во втором случае тензорезисторы являются постоянными преобразователями датчика. Отклонение их чувствительности от номинального значения учитывается при градуировке прибора, и результирующая погрешность прибора значительно меньше, чем в первом случае, и находится в пределах 0,2 – 0,5%.
Погрешность может возникнуть вследствие температурных изменений сопротивления преобразователя. При изменении температуры оно изменяется как вследствие изменения удельного сопротивления материала, так и вследствие изменения натяжения из-за различных температурных коэффициентов удлинения тензорезистора b т и детали b д, на которую он наклеен. Полное изменение сопротивления
(4.73)
где R0 – сопротивление тензорезистора при нормальной температуре; S – его чувствительность; a – температурный коэффициент сопротивления; D t – изменение температуры.
Температурный коэффициент сопротивления константана можно изменять, изменяя его термообработку. Благодаря этому тензорезисторы можно изготавливать так, чтобы при наклейке на определенный материал его сопротивление не зависело от температуры. Такие тензорезисторы называются термокомпенсированными.
Температурная погрешность проводниковых тензорезисторов в основном имеет аддитивный характер. Для ее компенсации используются дифференциальные схемы. При измерении механических напряжений применяют схему первого типа с двумя или четырьмя тензорезисторами. Рабочие тензорезисторы наклеивают на исследуемую деталь вдоль ожидаемой деформации, а компенсационные – поперек нее. При измерении других величин, например силы, используется дифференциальная схема второго типа. При этом на силоизмерительную пружину с разных сторон наклеивают два тензорезистора, так что при изгибе пружины под действием силы один из них растягивается, другой – сжимается. В обоих случаях температурные условия и температурные изменения сопротивлений тензорезисторов одинаковы. Тензорезисторы включаются в смежные плечи моста, и это компенсирует температурную погрешность. Для увеличения чувствительности на силоизмерительную пружину можно наклеить четыре тензорезистора, причем преобразователи, воспринимающие деформации одного знака, должны включаться в противоположные плечи моста.
В тензорезисторных приборах высокой точности и для получения датчиков с унифицированными характеристиками, чтобы обеспечить их взаимозаменяемость, применяются мостовые схемы с нормирующими резисторами (рис. 4.14, a). На приведенной схеме R1 – R4 – тензорезисторы; Rd и R? d – резисторы, служащие для балансировки моста; R т1 и R? т1 – термозависимые резисторы для компенсации аддитивной температурной погрешности; R ч и R? ч – резисторы, изменяя сопротивления которых, можно регулировать чувствительность датчика
R т2 и R? т2 – термозависимые резисторы, с помощью которых компенсируется температурное изменение чувствительности; R ш и R вых – резисторы, служащие для регулирования входного и выходного сопротивлений моста.
Фольговые нормирующие резисторы показаны на рис. 4.14, б. Они сделаны так, что, обрывая ту или иную перемычку на фольговой решетке, можно изменять значение сопротивления и тем самым регулировать параметры и характеристики тензорезисторного моста и прибора в целом. Резисторы R б и R ч изготовлены из константановой фольги, R т1 – из медной, R т2 – из никелевой. При использовании мостовых схем с нормирующими резисторами погрешность датчиков с фольговыми тензорезисторами снижается до 0,03 – 0,05%, а у датчиков с полупроводниковыми тензорезисторами – до 0,1%.
