Статические характеристики приборов

Основным элементом тензодатчика является тензорезистор. Они наилучшим образом удовлетворяют критерию стоимость-эффективность. Тензорезистор конструктивно представляет собой чувствительный элемент из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники.

Деформация е исследуемой конструкции, переданная с помощью связующего чувствительному элементу, приводит к изменению его сопротивления, функционально зависимого от деформации вдоль главной оси тензорезнстора, сопротивления R до деформации, коэффициентов передачи деформаиии /Спер и ее преобразования /Спр.

Схема тензорезнстора:

1 - чувствительный элемент; 2 - связующее; 3 - подложка; 4 - исследуемая деталь; 5 - защитный элемент; 6 - узел пайки (сварки); 7 - выводные проводники

Этот принцип и был положен в основу разработанных в 1975-1976 гг. Государственных стандартов на тензорезисторы, включающих в себя термины и определения (ГОСТ 20420-75), общие технические условия с установленными параметрами метрологических характеристик (ГОСТ 21616-76) и методику их определения (ГОСТ 21615-76).

Преобразование измеряемой деформации в изменение электрического сопротивления происходит в чувствительном элементе тензорезистора вследствие наличия тензорезистивного эффекта в проводниковых и полупроводниковых материалах.

Резистивные чувствительные элементы относятся к пассивным и преобразуют внешние воздействия в изменение сопротивления, определяемого по формуле:

,

где ρ, l, S – удельное электросопротивление, длина и сечение проводника соответственно.

Удельное сопротивление ρ зависит от изменения температуры:

,

где ρ₀ – удельное сопротивление при эталонной температуре (обычно 25 ˚C).

При механическом напряжении металлической нити ее сопротивление изменяется, т.к. при удлинении нити её площадь поперечного сечения уменьшается при постоянном объеме. Это свойство называется тензоэффектом.

Отношение называется тензочувствительностью, которая показывает, насколько относительное изменение сопротивления превосходит его относительную деформацию.

Использование тензоэлементов в датчиках основано на законе Гука:

,

где σ, Е – напряжение и модуль Юнга соответственно.

После преобразования получим:

,

где К – постоянный коэффициент.

Зависимость приращения сопротивления материала от изменения объема при всестороннем сжатии

Модель	Тип	Относительная деформация Δl/l в %	Тензо- чувстви-тельность S	Рабочий ток I, мА	Размеры, мм
Длина	Ширина
КФ-5, ФКПА (Россия)	Фольговый	0,2

 

Основными характеристиками тензодатчиков являются:

1) Температурная и временная стабильность.

2) Погрешность измерения деформации, которая не должна превышать Δll= 1 мкм/м в диапазоне ±5%(±50000мкм/м).

3) Длина и ширина датчика должны быть достаточно малы для адекватного измерения деформации в точке.

4) Инерционность датчика должна быть мала для регистрации высоких частот динамических процессов.

5) Линейность отклика датчика в пределах всего диапазона.

6) Экономичность датчика и сопряженных с ним устройств.

7) Минимальные требования к квалификации обслуживающего персонала для установки и проведения измерений.

Применияется трехпроводная схема включения тензодатчиков. Рабочий (Rp) и компенсационный (Rk) тензорезисторы установлены в зонах с одинаковой температурой. На рабочий тензорезистор воздействует измеряемая деформация и температура. На компенсационный тензорезистор влияет только температура. Соединительные провода к рабочему и компенсационному тензорезисторам имеют одинаковую длину и находятся при одинаковой температуре. На рис. б представлена эквивалентная схема для такого включения тензорезисторов. Если выполняются указанные выше условия, то изменение температуры не приведет к изменению баланса мостовой схемы. Это обеспечивает устранение аддитивной погрешности от изменения температуры.Но как следует из рис. б, линии с сопротивлениями r_л включены последовательно с тензорезисторами, что приводит к уменьшению чувствительности схемы к измеряемой деформации, т.е. к образованию мультипликативной погрешности, которая зависит от соотношения r_л /R и изменяется при изменении температуры.