Нередко при решении тех или иных технических задач возникает необходимость в контроле неэлектрических величин – давления, температуры, влажности, массы, уровня деформации, скорости и пр. Контролировать эти величины можно как механическими приборами (манометр, ртутный или спиртовой термометр и т.д.), так и путем преобразования неэлектрических величин в пропорциональные им электрические. Сегодня мы поговорим об одном из таких преобразователей – тензорезисторе.
Для чего они
Тензорезистор (от латинского tensus — напряжённый и resisto — сопротивляюсь) служит для измерения уровня деформации – сжимания, растягивания, изгиба. Его задача – преобразовать величину деформации в пропорциональную ей электрическую величину. Такой метод измерения, в отличие от механического, имеет ряд преимуществ:
- Высокая точность измерения. Преобразование позволяет проводить измерения с точностью, в разы выше точности измерений механическими методами.
- Дистанционный контроль. Чтобы выяснить, к примеру, каково давление в магистрали, к механическому манометру нужно подойти. Электрический преобразователь передаст эти данные по обычным проводам или по радио на любое расстояние и в любое место.
- Автоматизация. При помощи электрических преобразователей легко автоматизировать процесс. Электроника при необходимости сама запустит компрессор, отключит нагреватель, изменит обороты двигателя, определит аварийный режим работы узла и пр.
Практически каждый из нас пользовался китайскими электронными весами. В них в качестве измерительного элемента как раз используются тензорезисторы. Они преобразуют вес в электрическую величину, которая выводится на дисплей в цифровой форме.
Какими бывают и как работают
Тензорезисторы, которые нередко называют тензометрами, тензосопротивлениями, пьезорезисторами, на сегодняшний день изготавливают по разным технологиям. Основные из них:
- проволочные;
- фольговые;
- полупроводниковые.
Рассмотрим каждый тип преобразователей более подробно.
Проволочные
В самом простом виде проволочный тензорезистор представляет собой отрезок проволоки, жестко закрепленный на деформируемой детали. Таким образом, проволока деформируется вместе с деталью. При этом изменяется ее длина и сечение, что приводит к изменению электрического сопротивления. Измеряя это сопротивление несложно определить величину деформации. Изменение сопротивление обычного кусочка проволоки очень мало, поэтому вместо обычного отрезка используют длинную проволоку, уложенную змейкой.
Для изготовления тензорезисторов используют материалы с высоким коэффициентом тензочувствительности и, что очень важно, с малым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Чаще всего для этих целей применяют тонкую (до 20-30 мкм) проволоку из константана. Эта проволока, уложенная змейкой, наклеивается на подложку из бумаги или пластиковой пленки и сверху закрывается еще одним листом бумаги или пленки. Сам прибор, как было уже отмечено, жестко крепится на деформируемом объекте.
Но такая конструкция имеет один существенный недостаток – она способна измерять деформации только в одной, продольной плоскости. При изгибе или растяжении в поперечной плоскости чувствительность датчика составляет всего 2% от продольной. То есть прибор практически перестает работать. Для измерения уровня деформации одновременно в разных плоскостях используют несколько датчиков, расположенных под разными углами, или проволоку укладывают спиралью.
Фольговые
Этот тип датчиков работает на том же принципе, что и проволочные, но вместо проволоки в них используется полоска тонкой (4-12 мкм) фольги. Чувствительность фольговых тензорезисторов примерно такая же, как у проволочных, но они ввиду относительно большой ширины дорожек и хорошего теплообмена с исследуемой деталью могут выдерживать больший ток (до 0.5 А против 30 мА у проволочных), что повышает чувствительность преобразователя и точность измерения.
Еще одним преимуществом фольговых преобразователей является возможность изготовления решеток самого разнообразного профиля, максимально удовлетворяющего условиям измерения.
Так для измерения продольных деформаций наиболее подходят прямоугольные решетки (рис. а, б). Для измерения крутящего момента на круглых валах используются розеточные решетки (рис. в, г). А перемещение мембраны удобно контролировать мембранными решетками (рис. д, е).
Если необходима высокая точность измерения, то для изготовления тензодатчика используют материалы и технологии, придающие преобразователю такой же коэффициент температурного расширения, как и у материала, для которого они компенсированы. Такие преобразователи называются термокомпенсированными.
Полупроводниковые
Ну как же без них в век полупроводников. Такие тензорезисторы изготавливаются преимущественно из кремния и германия, имеющих сильно выраженный тензоэффект. Но иногда материалом служит арсенид галлия и антимонид индия. Такие датчики выдерживают нагрев до 500 градусов, химически инертны, могут изготавливаться любой формы. Как и все полупроводниковые приборы, такие тензорезисторы делятся на n- и p- типы. Первый при растяжении имеет отрицательный знак тензоэффекта, второй – положительный.
Существенным преимуществом полупроводниковых тензорезисторов является их высокая чувствительность (в 50-60 раз выше проволочных и фольговых). Это упрощает обработку сигнала и избавляет от необходимости использования сложных чувствительных усилителей. Еще одно преимущество – большое (до 50%) изменение сопротивления при деформации. Ну и, наконец, при помощи тех или иных присадок можно изменять номинальное сопротивление тензорезистора в широких (от 100 Ом до 50 кОм) пределах без изменения размеров самого датчика. ТКС у полупроводниковых преобразователей обычно составляет 0,45% на градус.
Теперь о недостатках. Первый - малая механическая прочность и гибкость. Предельно допустимая деформация таких приборов составляет 0.3%. Второй – линейность измерений сохраняется при деформации не более 0.1%. Таким образом, полностью реализовать высокую чувствительность достаточно сложно – необходима коррекция нелинейности. Кроме того, на такие датчики влияет освещение и, как было замечено, температура. Ну и плюс существенный разброс характеристик от образца к образцу.
Вот мы и разобрались, что такое тензорезисторы, какими они бывают, как работают и для чего служат. Надеюсь, информация для наших посетителей будет если не полезной, то хотя бы интересной.
