Что показывает коэффициент тензочувствительности

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

Измерение деформации с помощью тензорезисторов

При измерениях с помощью тензорезисторов используют мостовую схему Уитстона, соответствующую количеству используемых тензорезисторов и цели измерения. В четвертьмостовой схеме широко используется трехпроводное подключение для устранения влияния температуры на сопротивление проводов тензорезистора. Однако при этом вносится определенная погрешность измерения из-за коэффициента тензочувствительности, вызванная сопротивлением проводов и изменением сопротивления контактов при подключении проводов к мосту.
В 4х-проводной схеме TML измерения деформации с 1 тензорезистором для измерения деформации используется не мост Уитстона, а простая последовательная цепь с сопротивлением тензорезистора (R) и эталонным сопротивлением (Rs). Деформацию определяют с помощью напряжения (V) на сопротивлении тензорезистора и напряжения (Vs) на эталонном сопротивлении. Поскольку путь протекания тока и путь измерения напряжения различаются, на измерения не влияют ни сопротивление проводов, ни сопротивление контактов (r).

Температурная компенсация проводов четвертьмостовой схемы измерений

При измерениях с помощью тензорезистора, для преобразования изменения сопротивления тензорезистора в сигнал напряжения используют мостовую схему Уитстона. Простейшей мостовой схемой измерений является четвертьмостовая, в которой одно плечо состоит из тензорезистора, а три других содержат постоянные сопротивления измерительного прибора. Для подключения тензорезистора к измерительному прибору можно использовать двухжильный провод. Но если температура проводов меняется, это оказывает температурное влияние на мост, даже если фактическая деформация не меняется. По этой причине, четвертьмостовая схема с двухпроводным подключением используется только в том случае, когда во время измерения не ожидается изменений температуры, или проводным подключением для динамических измерений, при которых температурное влияние можно не учитывать.

Четвертьмостовая схема с трехпроводным подключением, когда для подключения тензорезистора используется трехжильный провод, позволяет предотвратить температурное изменение сопротивления проводов. При этом способе влияние изменения сопротивления проводов, вызванное изменением температуры, исключается. Кроме того, влияние проводов на коэффициент тензочувствительности вдвое меньше, чем у четвертьмостовой схемы с двухпроводным подключением.

Четвертьмостовая схема с трехпроводным подключением рекомендуется как предпочтительная по сравнению с двухпроводной, особенно, если во время измерений ожидается изменение температуры и/или используются относительно длинные провода. Существуют также другие мостовые схемы измерений, в том числе полумостовая и полномостовая.

Температурное изменение сопротивления, вызванное изменением температуры

Коррекция коэффициента тензочувствительности (чувствительности тензорезистора) с учетом соединительных проводов

Сопротивление проводов, соединяющих тензорезистор с тензометром, существенно снижает коэффициент тензочувствительности. Необходимо рассчитывать поправку в зависимости от способа измерения, а также типа и длины проводов.

Суммарное сопротивление на метр длины типового предварительно подсоединенного провода TML

Сопротивление провода в тензорезисторе искажает чувствительность и тепловой дрейф тензорезистора. Провод должен быть как можно толще и короче.

Четырехпроводная схема измерения деформации с 1 тензорезистором

Влияние сопротивления контактов отсутствует

Сравнение трехпроводной четвертьмостовой схемы и четырехпроводной схемы с одним тензорезистором:

Сопротивление проводов

В обычной схеме рекомендуется применять как можно более толстые и короткие провода, чтобы их сопротивление было низким. Поскольку в четырехпроводной схеме с одним тензорезистором сопротивление проводов не оказывает никакого влияния, к тензорезисторам можно подключать тонкие и длинные провода.

Сравнение трехпроводной четвертьмостовой схемы и четырехпроводной схемы с одним тензорезистором:

Тензорезисторы с проводами и модульным штекером

Большинство наших тензорезисторов может поставляться с предварительно подсоединенными четыремя проводами и модульным штекером (RJ12), составляющими нашу запатентованную четырехпроводную систему с одним тензорезистором. Поскольку модульный штекер устанавливается на концы проводов, отпадает необходимость в пайке или привинчивании соединений с измерительным устройством, но измерительное устройство должно быть модели TML. Жилы трех проводов покрыты полипропиленовой смолой, не выделяющей вредных газов даже при воздействии пламени.

Измерение деформации с помощью тензорезисторов

Источник

Определение коэффициента тензочувствительности тензодатчиков

1. Ознакомиться с испытательным стендом, включающим тарировочную балку, индикатор часового типа, набор грузов и мост постоянного тока;

2. Включить мост постоянного тока и, убедившись в его работоспособно­сти, снять начальные отсчеты с моста Р и индикатора часового типа;

3. Загрузить тарировочную балку различными ступенями нагрузки и на каждой ступени также снять отсчеты с моста постоянного тока и индикатора с це­лью измерения приращения сопротивления тензодатчиков Р и прогиба балки. Полу­ченные экспериментальные результаты занести в таблицу 2.1.

4. Разгрузить балку в той же последовательности и на каждой ступени снять отсчеты с указанных приборов с целью проверки ранее полученных экспери­ментальных результатов и выявления процессов релаксации в клеевом слое тензо­датчиков;

5. Определить экспериментальные значения относительной деформации балки при ее поэтапном загружении внешней нагрузкой.

6. Используя экспериментальные значения приращения относительного сопротивления тензодатчиков и относительной фибровой деформации материала тарировочной балки, определить коэффициент тензочувствительности поверяемых тензосопротивлений

в) Определение диаметра арматуры и глубины её заложения

В случае полного отсутствия каких-либо предварительных данных обсле­дования конструкции следует начинать с выявления расположения рабочей армату­ры в последней, добиваясь получения на шкале прибора наименьшего показания. После достижения указанного со всех шкал индикатора необходимо снять отсчеты, характеризующие мнимые глубины залегания исследуемой арматуры. Затем под выносной датчик необходимо установить прокладку толщиной 10-15 мм и снова снять отсчет по всем шкалам. Прибавляя к первым показаниям численное значение толщины прокладки (в мм) и сравнивая их с отсчетами, полученными при наличии прокладки, можно выявить шкалу, для которой глубина заложения арматуры совпа­дает и в первом, и во втором случае, что будет свидетельствовать о выявлении ис­тинной глубины заложения исследуемой арматуры. Диаметр последней следует определить также по выделенной шкале.

Оценку точности результатов, полученных с помощью приборов ИЗС-1, возможно произвести с помощью специального тарировочного стенда или с помо­щью данных, полученных приборами ПОИСК-2.3 или ИПА-МГ4.

Дата добавления: 2014-12-24 ; просмотров: 2287 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

1.4.1. Тензорезисторы

Тензорезистором называется полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого изменяется под воздействием механических усилий, вызывающих его деформацию.

У полупроводников от механических напряжений сильно зависит электропроводность, что позволяет использовать их для изготовления тензорезисторов. Полупроводниковые тензорезисторы во много раз чувствительнее проволочных металлических. Причиной изменения электропроводности полупроводников при деформациях является изменение межатомных расстояний в кристаллической решетке, влияющее на ширину запрещенной зоны и вызывающее заметное изменение концентрации носителей. Главной характеристикой тензорезисторов является тензочувствительность (рис. 1.4). Тензочувствительностью (К) называется отношение относительного изменения сопротивления (R) к относительному изменению длины (l) образца:

Для полупроводниковых тензорезисторов величина К может достигать 100 – 200 и существенно зависеть от ориентации деформирующего усилия относительно кристаллографических осей полупроводникового кристалла. Тензочувствительность у полупроводников n-типа – отрицательна, так как при возрастании давления сопротивление уменьшается; у полупроводников р-типа тензочувствительность положительна. Практически коэффициент тензочувствительности может доходить до сотен со знаком «плюс» или «минус». Тензоэффект в полупроводниках практически безинерционен, что позволяет успешно применять тензорезисторы для измерения как статических деформаций, так и быстроменяющихся динамических.

Наряду с полупроводниками, высокочувствительными к деформациям определенного направления, существуют полупроводниковые материалы, чувствительные к всестороннему давлению (например, антимонид галлия с проводимостью n-типа) и пригодные для измерения гидростатического давления в жидкостях. Недостатками полупроводниковых тензорезисторов являются зависимость тензочувствительности от температуры и относительно большой температурный коэффициент сопротивления, без компенсации которого точность измерения статических деформаций снижается.

Основными параметрами тензорезисторов, кроме тензочувствительности (К) и температурного коэффициента сопротивления (ТКС), являются: номинальное сопротивление в отсутствие деформаций (R), температурный коэффициент тензочувствительности, геометрические размеры. Предельные эксплуатационные режимы тензорезисторов ограничены диапазоном рабочих температур, максимальным током, протекающим через датчик, максимальными механическими нагрузками (давлением, ускорением и т.д.) /1/.

Источник

Кратко о тензорезисторах

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕНЗОРЕЗИСТОРАХ

Тензодатчики и тензорезисторы. Давайте посмотрим, что связывает тензодатчик и тензорезистор. Как известно основным элементом тензодатчика является тензорезистор. Конечно эти комплектующие многих весовых и измерительных приборов наилучшим образом удовлетворяют критерию стоимость-эффективность.

На тензоэффект впервые обратил внимание Кельвин в 1856 году.

Проволочные тензодатчики были вытеснены фольгованными.

Полупроводниковые тензодатчики были получены в результате побочного исследования. Они получили распространение в 60-е годы.

Фольговые датчики характеризуются предельной деформацией ±5%.

Материалы, наиболее используемые в тензодатчиках

S_R в области упругой деформации

Физика изменения удельного сопротивления при деформации материала: деформация материалов связана с деформацией решётки. При этом изменяется положение уровня Ферми, что сказывается на концентрации свободных электронов.

Особенности материалов:

Трудность пайки выводных проводников к контактным площадкам датчика.

4) Нихром V, платиновольфрам, армюр Д:

Применяют в узкоспециальных приложениях, связанных с высокими температурами, при которых приобретают существенное значение устойчивости к окислительным процессам.

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