тензорезисторы принцип действия основные характеристики и параметры

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:

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:

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

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.

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

Источник

Энциклопедия электроники

Тензорезистор (strain gauge) – элемент, сопротивление которого меняется в зависимости от деформации.

Классификация тензорезисторов

По материалу чувствительного элемента (ЧЭ) тензорезисторы делятся на следующие группы:

Чувствительный элемент фольговых и проволочных тензорезисторов называют чувствительной решеткой. В зависимости от количества чувствительных решеток и их положения различают следующие тензорезисторы:

Условно графическое обозначение (УГО)

Внешний вид тензорезисторов определяется согласно ГОСТ 2.728-74 «ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы». Размеры прямоугольника такие же как и у постоянного резистора.

Конструкция и принцип действия

Принцип действия тензорезисторов основан на изменении сопротивления проводника при изменении его длины и площади поперечного сечения.

Чувствительным элементом проволочных и фольговых тензорезисторов является чувствительная решетка.

Проволочные

Проволочные резисторы состоят из подложки (бумага, пленки из: полиуретана, полиимида, фенола и т.д.) на которую петлей уложена тонкая проволока, образующая чувствительную решетку. К концам проволоки как правило припаяны выводные проводники. Сверху проволока покрыта эластичным клеем.

Для измерения деформации подложка обратной стороной приклеивается к детали.

Фольговые тензорезисторы

Фольговые тензорезисторы состоят из подложки (бумага, пленки из: полиуретана, полиимида, фенола и т.д.), чувствительной решетки в виде тонкой фольги (толщина около 0,0035 мм) и припаянных выводов.

Чувствительную решетку изготавливают методом фотолитографии. Перед травлением фольгу покрывают тонким защитным слоем, так как в процессе травления фольга может легко повредиться.

По сравнению с проволочными тензорезисторами фольговые обладают рядом преимуществ:

Полупроводниковые

Полупроводниковые тензирезисоры получают вырезанием из монокристала полупроводника. Толщина полупроводника составляет 20-50 мкм. Полупроводниковые тензорезистор обладают следующими преимуществами по сравнению с проволочными и фольговыми:

Однако имеют ряд недостатков:

Основные параметры тензорезисторов

Номинальное сопротивление – сопротивление тензорезистора в ненагруженном состоянии.

Коэффициент тензочувствительности тензорезистора – отношение относительного приращения сопротивления тензорезистора к относительной деформации тензорезистора.

Типоразмеры тензорезисторов

Стандартов на типоразмеры тензорезисторов не существует. На рисунке представлены наиболее распространенные типоразмеры тензорезисторов для измерения деформаций в различных направлениях.

Линейные тензорезисторы состоят из одной измерительной решетки, предназначены для измерения деформации действующей только в одном направлении.

Двойные тензорезисторы состоят из двух измерительных решеток, расположенных параллельно. Предназначены для измерения деформации действующей только в одном направлении.

Розетка тензорезисторов 0/90° и Т розетка состоят из двух измерительных решеток, расположенных под углом 90°. Предназначены для измерения деформаций, действующих в двух направлениях.

Тензорезисторы в розетка 0/45/90° предназначены для измерения изгибов по двум осям.

Мембранные розетки тензирезисторов предназначены для измерения радиальных и тангенциальных деформаций, применяются в датчиках давления.

Цепочки тензорезисторов состоят из нескольких решеток расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга на общей подложке. Предназначены для определения градиента деформации.

Применение тензорезисторов

Изменение сопротивления тензорезистора при деформации определяется следующим выражением:

, где

Относительная деформация определяется как:

, где

Формула для расчета изменения сопротивления тензорезистора прием вид:

Для металлов коэффициент тензочувствительности равен 0,8…5,5.

Изменение сопротивления тензорезистора при деформации очень мало. Например, изменение сопротивления тензорезистора при измерении деформации стального стержня поперечным диаметром 10 мм, длиной 100 мм при нагрузке 10 кН с номинальным сопротивлением 150 Ом будет равно 0,048 Ом.

Измерить такие маленькие значения сопротивления непосредственным измерением проблематично. Поэтому в схемах измерения деформация применяют специальный усилитель – мост Уитстона.

Мост Уитстона представляет состоит из четырех резисторов R1…4. В данном случае R1 представляет собой тензорезистор. Напряжение питания подводится к вершинам моста. На противоположных вершинах измеряют напряжение (резистор Rн).

Мост уравновешен, когда напряжение на выходе Uвых=0. Это достигается при выполнении условия:

Путем подбора номинала резисторов можно добиться равновесия моста.

Если номинальное сопротивление резисторов одинаковы R1=R2=R3=R4, то изменение выходного напряжения будет пропорционально изменению деформации тензорезистора будет определяться формулой:

Если в плечи моста включить два тензорезистора то такой мост будет называться полумостом:

Формула для схемы включения в противоположные плечи (левая схема):

Формула для схемы включения в соседние плечи (правая схема):

Если в плечи моста включить тензорезисторы то такой мост будет называться полным мостом:

Формула для схемы включения тензорезисторов в полный мост:

Пример базовой схемы подключения тензорезисторов к АЦП AD7788 показан на рисунке:

Тензорезисторы широко применяются в весоизмерительной технике: бытовые весы, автомобильные, железнодорожные.

Тензорезисторы используются в датчиках контроля деформации зданий и сооружений.

В датчиках измерения давления также применяют тензорезисторы.

Чувствительным элементов датчика давления является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами. Пластина прочно соединена с чувствительной мембраной. Давление среды воздействует на мембранный разделитель. При деформации мембранного разделителя разделительная жидкость (кремнийорганическая) воздействует на чувствительный элемент.

Источник

Тензорезисторы

В статье рассматриваются конструктивные особенности и основные параметры такого дат­чика для измерения величины механической де­формации, как тензорезисторы.

Среди вариантов электронных датчиков раз­личных конструкций, функциональных особенно­стей и предназначения выделяются приборы, о которых сегодня знают далеко не все радиолю­бители. Специалисты радиоэлектронной отрасли применяют их в экспериментальных исследова­ниях напряженного состояния конструкций, в ка­честве преобразователей деформаций в различ­ных измерительных устройствах, преобразовате­лях механической энергии (деформации) в элек­трический ток. Соответственно в электрической цепи такие пассивные компоненты уже выполня­ют роль датчиков состояния.

Приборы эти называются тензорезисторы (от лат. tensus — напряженный и лат. resisto — сопро­тивляюсь); по сути, это резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от механи­ческой деформации его рабочей поверхности или при деформации других элементов, связан­ных с данным элементом. Тензорезистор являет­ся составной частью тензодатчиков, широко при­меняющихся для измерения силы, давления, ве­са, механических напряжений, перемещения, крутящих моментов, измерения давления в ма­нометрах и во многих других случаях. По сути, один такой элемент может заменить целое элек­тронное устройство со множеством дискретных элементов.

Полезные свойства тензорезисторов были востребованы после открытия эффекта измене­ния удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжа­тия (гидростатического давления) в 1856 г. лор­дом Кельвином, ив 1881 г. О.Д. Хвольсоном. Пи­онерами, в практических измерениях деформа­ций, являются Е.Е. Симмонс (Калифорнийский технологический институт) и Л.С. Руже (Массачу­сетский технологический институт), которые в 1938 г. изготовили и применили первые образцы приклеиваемого тензорезистора, который стал прототипом широко распространенных во всем мире тензорезисторов различного назначения.

Принцип работы тензорезистора

При механическом воздействии на прибор от­носительные изменения его сопротивления весьма малы, поэтому для их измерений и фик­сации требуются чувствительные прецизионные усилители или аналого-цифровые преобразователи напряжения (АЦП). Именно с помощью таких дополнительных преобразователей, содержащих в себе также и усилители сигнала, данные о механической дефор­мации, преобразуются в электри­ческий ток посредством измене­ния электрического сопротивле­ния проводников или полупро­водников.

Чувствительность тензорезистора характери­зуется безразмерным параметром — коэффици­ентом чувствительности К,. Тензорезисторы по своей конструкции и способу изготовления могут быть пленочные металлические или фольговые константановые. Для первых параметр К_f слабо зависит от деформации и немного превышает 2. Типичные значения коэффициента тензочувствительности для разных материалов приведены в таблице.

Еще одной особенностью тензорезистора яв­ляется изменение сопротивления от воздейству­ющей температуры. Температурный коэффици­ент проявляется следующим образом. При изме­нении температуры окружающей среды сопро­тивление тензорезистора изменяется вне связи с механическим воздействием на его рабочую поверхность. Это «интересное» свойство являет­ся «побочным» эффектом, который необходимо учитывать разработчику электронной аппарату­ры. Через коэффициент тензочувствительности относительное изменение сопротивления выра­жается формулой:

Типичное или классическое включение тензо­резисторов в электрическую цепь предусматри­вает его место в одном или сразу в двух плечах сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного напряжения (рис.1). С помощью переменного резистора в одном из плеч моста производят балансировку моста так, чтобы в отсутствии приложенной механической силы и при воздействии неизменной температу­ры напряжение в диагонали моста было практи­чески нулевым.

При этом к диагонали моста подключают чув­ствительный измерительный прибор, дифферен­циальный усилитель или АЦП. В настоящее время выпускаются специализированные микросхе­мы для работы с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала предусмотрены и источники питания дифференцирующего моста, и схемы термокомпенсации, и цифровые интер­фейсы для связи с внешними системами обра­ботки сигналов.

Как уже отмечалось выше, имеет значение по­грешность показаний тензорезистора, которая зависит от температуры, и для снижения этого влияния разработчики применяют метод стаби­лизации с помощью использования в тензодат­чиках специальных сплавов с низким темпера­турным коэффициентом сопротивления (ТКС). Это только один из вариантов. Есть и другие, к примеру, применение дифференциальной схемы или метод компенсаторного включения двух тен­зорезисторов.

Пленочные тензорезисторы наклеивают на разные участки поверхностей в местах возмож­ной или ожидаемой деформации, к примеру, с разных сторон изгибаемой металлической балки (рис.2). Таким образом, установка в одном месте (но с двух сторон — с взаимно перпендикулярной ориентацией) тензорезисторов является компен­саторным решением. При изменении температу­ры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления (вы­званного изменением температуры) равны, таким образом, температурный уход сопротивления тензодатчика при этом компенсируется.

Конструкция тензорезистора

Конструкция тензорезистора показана на рис.3, а. На тонкую бумагу или пленку 1 наклеи­вается тензочувствительная проволока диаметром около 0.025 мм. К концам проволоки присое­диняются выводные проводники 3. Сверху нано­сят слой лака 4. Такой тензорезистор, будучи прикрепленным к детали 5, воспринимает де­формации её поверхностного слоя. Фольговые тензорезисторы представляют собой травленую фольгу толщиной 0.005-0.025 мм с выводами 7 (рис.3, б). Применяются также пленочные и по­лупроводниковые тензорезисторы. При изготов­лении фольговых и пленочных тензорезисторов можно предусмотреть любой рисунок. Наилуч­шими эксплуатационными характеристиками об­ладают фольговые тензорезисторы, имеющие малую поперечную чувствительность и хорошую температурную стабильность. Полупроводнико­вые тензорезисторы при очень большой тензочувствительности (около 100) обладают нелинейной функцией преобразования и высокой темпе­ратурной чувствительностью.

Тензорезистор конструктивно состоит из под­ложки и гибкой рабочей поверхности, на которой нанесены тонкие проводящие дорожки. Благода­ря свойствам своей конструкции прибор получа­ется тонким и гибким, что расширяет спектр его применения. На подложку через фигурную маску в условиях вакуума напылена или сформирована методами фотолитографии тонкая пленка металла (толщиной в несколько микрон). Для тензорезисторов различного диапазона сопротивлений в качестве материала подложки используют ткань, бумагу, полимерную пленку, слюду и др. матери­алы. Для подключения электродов имеются кон­тактные площадки. Ориентационные метки об­легчают радиомонтаж элемента.

Кроме пленочных распространены фольговые константановые тензорезисторы — прямоуголь­ного и розеточного типа. Они предназначены для измерения деформации деталей машин, метал­локонструкций при статических нагрузках, а так­же используются в качестве чувствительных эле­ментов силоизмерительных датчиков в условиях районов с умеренным и холодным климатом.

Их технические характеристики таковы:

Размеры тензорезисторов небольшие. К при­меру, тензорезистор 2ФКП-5х200 имеет вид пря­моугольника с размерами всего 10×5 мм. Его со­противление — это цифра в наименовании после символа «х», в данном случае для тензорезистора 2ФКП-5х200, номинальное сопротивление равно 200 ± 0.35% Ом.

Кроме сопротивления тензорезистора посто­янному току, учитывают метрологические харак­теристики прибора:

В многофункциональных цифровых устройст­вах тензорезисторы используются вместе с мно­гоканальными измерительно-информационными системами. К примеру, они почти незаменимы в гидротехнике и смежных сферах, когда требуется контролировать микронное смещение несущих конструкций, грунтов, бетонных оснований. Без применения электронных метрологических при­боров с тензорезисторами не обходился ни один

научно-исследовательский институт. Инженер ВНИИГ (Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники им. Б. Веденеева) Кашкаров Петр Николаевич, мой отец, участвовавший в проектных испытаниях фундаментов Братской, Нижнекамской и др. ГЭС, уже имел с ними дело в конце 1950-х, середине 1960-х годов. В СССР тензорезисторы начали применять в конце 1940-х годов, и потому они практически замени­ли механические тензометры, открыли новые возможности в исследовании прочности различ­ных машиностроительных конструкций.

Сегодня актуальные для разработчиков задачи включают повышение надежности работы и упро­щения установки тензорезисторов. Развитие точ­ных динамометров и датчиков давления тензорезисторного типа обеспечило метрологическим устройствам погрешность измерения до сотых долей процента. Пример использования тензодатчиков на железной дороге показан на рис.5.

Разработка новых типов тензорезисторов и методов их применения требует:

Для получения расчетных зависимостей сле­дует учитывать две основные функции, выполня­емые тензорезистором:

В бытовых электронных устройствах, где не требуется сверхвысокая точность измерений, тензорезисторы встречаются в напольных весах, устройствах электронных сигнализаторов по­клевки для рыбалки и во многих других случаях. Широкое распространение тензорезисторов в современных электронных разработках объясня­ется следующим:

Сегодня тензорезисторы также широко при­меняют и в радиолюбительских разработках.

Автор: Андрей Кашкаров, г. Санкт-Петербург
Источник: Радиоаматор №11-12, 2016

Источник