Принцип действия измерительных тензопреобразователей основан на изменении электрического сопротивления упругого тела при его деформации.
Тензопреобразователи выполняются из металлической проволоки или фольги. Наиболее перспективными являются полупроводниковые тензопреобразователи. Они обладают высокой тензочувствительностью по сравнению с металлическими тензорезисторами и позволяют с помощью усилителя получить унифицированный выходной сигнал постоянного тока.
Кремниевые тензопреобразователи используются в качестве передающих в измерительных устройствах для измерения переменного давления, преобразованного в деформацию.
Металлические тензорезисторы широко применяются в качестве первичных преобразователей для измерения деформации в деталях механизмов и машин при их исследовании.
По устройству металлические тензопреобразователи подразделяют на наклеиваемые и ненаклеиваемые.
Наклеиваемые тензорезисторные преобразователи, получившие широкое распространение, выполняются из уложенной зигзагообразно и приклеенной специальным клеем на полоску тонкой прочной бумаги (или пластмассы) проволоки диаметром 0,01…0,05 мм (рис. 5.12).
| Рис. 5.12. Проволочный тензопреобразователь | Рис. 5.13. Фольговый тензопреобразователь |
На рис. 5.12 обозначено: 1 – проволока; 2 – выводные проводники; 3 – подложка; L – база; h – ширина тензорезистора.
К концам проволоки тензорезистора припаяны или приварены выводные проводники диаметром 0,5 и длиной 40 мм, служащие для включения тензопреобразователя в измерительную цепь.
В качестве материала для проволоки используются обычно сплавы меди и никеля, никеля и хрома, никеля и железа.
Основными требованиями к тензочувствительным материалам являются стабильность градуировочных характеристик, малый температурный коэффициент электрического сопротивления, по возможности большая тензочувствительность.
На рис. 5.13 показано устройство фольгового тензопреобразователя.
Эти тензопреобразователи выполняют из металлической (константановой, хромоникелевой) фольги толщиной 0,001…0,01 мм вытравлением соответствующих частей, вследствие чего получается решетка требуемой формы. Такой способ дает возможность изготовлять тензорезисторы различных форм.
При деформации меняются размеры и, следовательно, электрическое сопротивление проволоки тензопреобразователя. Размер деформации определяет изменение электрического сопротивления тензорезистора, измеряемого обычно с помощью мостовой измерительной схемы.
Активное сопротивление R проволочного проводника определяется по формуле
,
где r – удельное электрическое сопротивление проволоки; l – длина проволоки; S – площадь поперечного сечения проволоки.
При деформации проволоки изменяются ее длина, сечение, удельное электрическое сопротивление, и результирующее относительное изменение активного сопротивления определяется как
.
Выражая в этом уравнении относительное изменение площади поперечного сечения проволоки через продольное изменение с помощью коэффициента Пуассона m,
,
получаем
. (5.3)
Разделив уравнение (5.3) на Dl/l, получим уравнение, определяющее коэффициент деформации (тензочувствительность) прямой проволоки,
.
Для металлов коэффициент Пуассона, в области упругих деформаций, лежит в пределах от 0,25 до 0,5, например, для константана и манганина m = 0,33; для никеля – 0,28.
Тензочувствительность металлических тензорезисторов приблизительно равна 2, кремниевых – до 200,
Проволочный тензопреобразователь обычно наклеивают на исследуемую деталь или упругий чувствительный элемент манометра таким образом, чтобы его ось совпадала с направлением наибольшего напряжения. При одноосном напряжении, кроме деформации в направлении напряжения, возникает поперечная деформация. Вследствие деформации частей, которые не находятся в направлении напряжения, по изменению удельного электрического сопротивления и известной тензочувствительности s проволоки точно определить значение относительного удлинения нельзя. Нельзя также тензочувствительность тензопреобразователя приравнять тензочувствительности s прямой проволоки. Влияющим фактором является также и неравномерность распределения напряжения при сдвиге, посредством которого передается деформация детали или упругого чувствительного элемента на проволоку тензопреобразователя.
Влияние поперечной деформации на тензочувствительность преобразователя sп уменьшается с уменьшением ширины h тензопреобразователя и с увеличением сечения поперечных проводников между продольными проволоками (см. рис. 5.12).
Значение тензочувствительности sп проволочного тензопреобразователя при одинаковом числе витков зависит от размера его базы L, если L < 15 мм. При L ³ 15 мм тензочувствительность sп практически не меняется с увеличением базы.
Тензочувствительность sп тензопреобразователей обычно определяют при заданном значении тока путем их индивидуальной градуировки. В большинстве случаев значение сопротивления тензопреобразователя лежит в пределах 80…600 Ом при 20 °С. Изменение сопротивления тензопреобразователя в зависимости от удлинения обычно определяют с погрешностью 1…2 %.
Относительное изменение сопротивления металлических тензопреобразователей не превышает 1 % даже при наибольших размерах удлинения проволок, и для уменьшения температурной погрешности необходимо, чтобы материал тензопреобразователя имел наименьший температурный коэффициент электрического сопротивления. При минимальном значении температурного коэффициента сопротивления материала проволоки и осуществлении дополнительных мер температурную погрешность можно свести практически к нулю.