Тензорезистивные преобразователи

В основе работы тензорезистивных преобразователей перемещений лежит тензоэффект (лат. tendere – натягивать, напрягать), который заключается в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их упругой механической деформации.

Количественно тензоэффект принято характеризовать коэффициентом относительной тензочувствительности, который определяется выражением

где ε_R = ∆R/R – относительное изменение электрического сопротивления; ε_l= ∆l/l– относительное изменение длины; R и l – сопротивление и длина; ∆R и ∆l– приращения сопротивления и длины.

Выражение для коэффициента тензочувствительности справедливо только в том случае, если при деформации не изменяется объем проводника. В действительности тензоэффект связан как с изменением объема проводника или полупроводника при деформации, так и с изменением их удельного сопротивления. Поэтому коэффициент тензочувствительности описывается выражением

где µ – коэффициент Пуассона; – постоянная, зависящая от изменения удельного сопротивления при деформации; ρ и ∆ρ – удельное сопротивление и его приращение.

Установлено, что для металлов << (1 + 2µ), а само значение (1 + 2µ) для металлов составляет 1,48–1,80 (µ для металлов равно 0,24–0,40). Для полупроводников, напротив, >>(1 + 2µ), поэтому с достаточной точностью для полупроводников можно считать, что S ≈ m, а само значение S составляет 100–120.

Изменение удельного сопротивления особенно значительно при деформации полупроводников, что связано с изменением энергии электронов, находящихся в поле кристаллической решетки, с изменением ширины запрещенной зоны полупроводника, подвижностью носителей зарядов, а также рядом других явлений. Изменение удельного сопротивления проводников и полупроводников при деформации называется пьезорезистивным эффектом.

Конструктивно тензорезистивные преобразователи изготовляют ненаклеиваемыми («свободными»), наклеиваемыми и интегральными.

«Свободные» тензорезистивные преобразователи выполняют из одной или ряда проволок (рис. 7.2, а, б), закрепленных на изоляторах между неподвижной основой и движущимся элементом контроля. Входной величиной таких преобразователей является весьма малое перемещение (деформация) проволок, возникающее под действием силы F.

Наиболее распространенными являются наклеиваемые тензорезистивные преобразователи. Здесь на подложку, представляющую собой полоску бумаги, слюды, стекла, паковую пленку и т. д., зигзагообразно укладывают тонкую проволоку (рис. 7.2, в) диаметром 0,02–0,05 мм или наносят фольгу или пленку (рис. 7.2, г). Проволока, фольга или пленка являются тензорезисторами и называются решетками. Сверху тензорезисторы покрывают защитными слоями лака. Такие преобразователи, будучи приклеенными к испытуемому объекту, воспринимают деформации его поверхности и изгибаются относительно оси Х–Х. При этом изменяется электрическое сопротивление.

Рис. 7.2. Схемы тензорезистивных ненаклеиваемых (а и б) и наклеиваемых проволочных (в) и фольговых (г) преобразователей: 1 – тензопроволока; 2 – изоляторы; 3 – выводы; 4 – скобы; 5 – подложка; 6 – защитный слой; 7–тензорезистор; 8 – разметка осей

Электрическое сопротивление тензорезистивных преобразователей измеряют соответствующими средствами измерений, описанными в гл. 3. Фольговые тензорезистивные преобразователи изготовляют с использованием фотохимического процесса, который широко применяется в полиграфической промышленности, толщина фольги составляет 4–12 мкм. При изготовлении пленочных тензорезистивных преобразователей применяют процесс вакуумной возгонки тензочувствительного материала с последующей конденсацией его паров на подложке. Они могут иметь толщину менее 1 мкм. Материалом для проволочных и фольговых тензорезисторов чаще всего служит специальный сплав, называемый тензометрическим константаном, а также другие сплавы: константан, копель, манганин, нихром и др.

Для изготовления пленочных тензорезисторов используют также полупроводниковые материалы, в том числе германий и кремний.

Технологии изготовления фольговых и пленочных тензорезисторов позволяют создавать решетки, имеющие любой рисунок, что является существенным преимуществом при решении ряда измерительных задач.

К объекту измерений тензорезистивные преобразователи приклеивают различными клеящими составами – клеями, лаками и цементами.

Интегральные тензорезистивные преобразователи содержат упругий элемент, изготовленный из кремния или сапфира, на поверхности которого методом планарной технологии выращен тензорезистор. В данном случае тензорезистор «сцепляется» с материалом подложки (упругого элемента) за счет внутримолекулярных сил, что практически исключает все погрешности, связанные с передачей деформации от подложки к тензорезистору.

Основными характеристиками тензорезистивных преобразователей, наряду с коэффициентом тензочувствительности S являются: база А – длина петли решетки (ее значение составляет 0,4–150 мм); ширина петли В; номинальное сопротивление R, величина которого для проводников тензорезистивных преобразователей 10–1000, для полупроводниковых – 50–10 000 Ом; температурный коэффициент чувствительности; погрешность ± (0,2–15) %.

Для компенсации изменений сопротивления тензорезистором от температуры обычно используют электрические измерительные мосты (см. гл. 3), содержащие в смежных плечах два (четыре) одинаковых тензорезистора, один (два) из которых является измерительным, а другой (два других) – компенсационным, поставленный в одинаковые с рабочим тензорезистором тепловые условия, но не воспринимающий деформацию.