Измерение неэлектрических величин

2.4.1 Структурные схемы измерительных преобразователей для измерения неэлектрических величин

2.4.1.1 Разновидностей электрических приборов для измерения неэлектрических величин значительно больше, чем приборов для измерения электрических величин. Это объясняется тем, что измеряемых и контролируемых неэлектрических величин значительно больше, чем электрических величин.

Причины широкого применения электрических приборов для измерения неэлектрических величин:

- электроизмерительные приборы лучше неэлектрических приборов позволяют осуществлять дистанционные измерения, благодаря чему обеспечиваются измерения в одном месте различных по своей природе параметров, контролируемых нередко в территориально удаленных друг от друга и недоступных для наблюдения точках;

- электроизмерительные приборы легче поддаются автоматизации, что значительно улучшают их качество. В них имеются широкие возможности для автоматического и непрерывного проведения математических операций над результатами измерений, что позволяет автоматически вводить поправки, интегрировать и дифференцировать результат;

- электроизмерительные приборы более удобны, чем неэлектрические для решения задач автоматического управления;

- электроизмерительные приборы дают возможность регистрировать как очень медленно меняющиеся величины, так и быстро меняющиеся процессы.

Особенностью электрических приборов для измерения неэлектрических величин является обязательное наличие измерительного преобразователя неэлектрической величины в электрическую величину.

Измерительный преобразователь неэлектрической величины однозначно устанавливает функциональную зависимость выходной электрической величины (ЭДС, сопротивления и т.д.) от измеряемой входной величины (температуры, перемещения и т.д.).

2.4.1.2 На рисунке 39а показана упрощенная структурная схема электрического прибора прямого преобразования для измерения неэлектрической величины. Измеряемая неэлектрическая величина x подается на вход измерительного преобразователя ИП. Выходная электрическая величина y преобразователя измеряется электрическим измерительным устройством ЭИУ. ЭИУ, в зависимости от предъявляемых к нему требований, может быть различной степени сложности. В одном случае это – магнитоэлектрический милливольтметр, в другом – автоматический потенциометр или цифровой измерительный прибор. Обычно шкала ЭИУ градуируется в единицах измеряемой неэлектрической величины.

Рисунок 39 – Структурная а и функциональная б схемы приборов прямого преобразования

 

На рисунке 39б в качестве примера показан электрический прибор, предназначенный для измерения температуры. В этом приборе Т_п – термопара, ЭДС которой является

функцией измеряемой температуры. В данном случае термопара – измерительный преобразователь, т.е. прибор, выполнен по структурной схеме рисунка 39а.

Часто измеряемая неэлектрическая величина неоднократно преобразуется в целях согласования пределов ее изменения с рабочим диапазоном ИП, получения более удобного для ИП вида входного воздействия и т.д. Для выполнения подобных преобразований в прибор вводятся предварительные преобразователи неэлектрических величин в неэлектрические.

2.4.1.3 При большом числе промежуточных преобразований в приборах прямого преобразования существенно возрастает суммарная погрешность. Для снижения погрешности применяют дифференциальные измерительные преобразователи (ДИП), которые имеют меньшую аддитивную погрешность, меньшую нелинейность функции преобразования и повышенную чувствительность по сравнению с аналогичными недифференциальными ИП.

На рисунке 40 показана структурная схема прибора, включающая в себя дифференциальный измерительный преобразователь.

Характерная особенность этой схемы – наличие двух каналов преобразования и дифференциального звена П_д, имеющего один вход и два выхода. При изменении входной величины x относительного начального значения x₀ выходные величины звена П_д получают приращения с разными знаками относительно начального значения x₁₀.

Рисунок 40 – Структурная схема прибора с дифференциальным измерительным преобразователем

 

Следовательно, при изменении входной величины информативный параметр сигнала одного канала увеличивается, а другого уменьшается. Выходные величины y₁ и y₁' каналов вычитаются и образуют выходной сигнал ДИП( y), т.е.

При идентичных каналах, т.е. при

 

Одинаковые нелинейности функций преобразования идентичных каналов не влияет на линейный характер функции преобразования ДИП. Например, при

и

Практически полной компенсации аддитивных погрешностей и нелинейностей функций преобразования каналов ДИП не получается из-за некоторой неидентичности каналов преобразования.

Например, в приборе для измерения угла поворота α (рисунок 41) применен индуктивный ДИП.

Катушка 1 питается от источника переменного тока. Изменение положения ферромагнитного подвижного якоря А относительно неподвижного сердечника Б в процессе измерения вызывает изменение магнитного сопротивления катушек 2 и 2' на одинаковые значения с противоположными знаками, в результате чего ЭДС, наводимые переменным магнитным потоком в катушках, получает приращения

 

где при симметричном относительно обеих катушек положении якоря А.

Рисунок 42 – Функциональная (а) и структурная (б) схемы компенсационного прибора для измерения вращающегося момента

 

При полной компенсации

где B – индукция;

w – число витков рамки электромагнитного механизма;

s – площадь рамки электромагнитного механизма;

I – ток в рамке электромагнитного механизма.

Решение уравнения относительно тока

Таким образом, по току в цепи можно судить об измеряемой величине М_х. Из этого выражения видно, что ток в миллиамперметре не зависит от параметров осветительной лампы, фотоэлемента, усилителя, от напряжений источников питания осветительной лампы и усилителя, а также сопротивления цепи рамки, т.е. не зависит от параметров звеньев цепи прямого преобразования.

 

 

2.4.2 Измерение времени

2.4.2.1 Измерение времени основано на двух основных принципах:

- принцип вращения (принцип колебания). Если маркировать и наблюдать вращающиеся объекты, то можно использовать для измерения, периодически возникающие индексы или маркерные знаки. Одинаковые виды движения колеблющихся объектов можно свести к вращению (маятники с грузами, пружинные маятники, электрические колебательные контуры);

- принцип накопления. В науке и технике известны многочисленные явления, которые характеризуются равномерным или подчиняющемуся определенному закону возрастанием (снижением) количества вещества или уровня энергии (равномерное заполнение или опорожнение сосудов, зарядка или разрядка конденсаторов и т.п.). Если эти процессы воспроизводимы и наблюдаемы, то их можно использовать для измерения времени.

Меры времени с колебательной системой. Механические колебания реализуются с помощью систем с накопителем энергии (маятник, пружина), имеющим положение равновесия, при отключении которого возникают силы, возвращающие их в это положение.

Электрические колебательные системы. Колебательный контур LC состоит из катушки и конденсатора, в которых возбуждаются электрические колебания (рисунок 43а). Когда конденсатор заряжается, колебательный контур получает энергию, которая преобразуется из энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки и обратно.

Q – кварцевый осциллятор; V- усилитель; К – резонансный контур; C_ос – конденсатор обратной связи; r – омическое сопротивление катушки и проводов.

Рисунок 43 – Меры времени с колебательной системой: а – колебательный контур; б – кварцевый генератор

 

Период колебаний Т определяется по формуле

В кварцевых генераторах (рисунок 43б) при механической деформации кристаллов кварца или турмалина возникают электрические заряды и, наоборот, под действием электрического поля происходит их механическая деформация (прямой или обратный пьезоэлектрический эффект).

При прикладывании к кристаллу периодически изменяющегося электрического поля кристалл начинает колебаться с частотой возбуждающего поля, если частота его собственных колебаний с ней совпадает. Амплитуда собственных колебаний зависит от структуры кристалла, его размеров и температуры.

Атомные колебательные системы. Молекулярная колебательная система содержит молекулы аммиака, имеющие пирамидальную структуру. Атом азота периодически колеблется между двумя состояниями равновесия. При этом обеспечивается получение частоты 23 870 МГц с высокой степенью стабильности.

В атомных колебательных системах при переходе от возбужденного состояния в исходное атомы дают излучение с характеристической частотой. Для изотопа цезия – 133 эта частота при переходе из состояния F = 4, m = 0 в состояние F = 3, m = 0 равна 9 192 613 770 Гц.

При этом обеспечивается высокая стабильность частоты и однозначное фиксированное излучение перехода.

2.4.2.2 Приборы для измерения времени. С помощью приборов для измерения времени определяют текущее время и интервалы времени. Все приборы для измерения времени соотносят измеряемое время с физическими процессами, зависящими от времени.

Механическиеприборы для измерения времени (механические часы) используются для измерения длительности механических процессов.

Функциональные узлы механических часов: механизм завода, привод, ходовой механизм, блок индикации – представляют собой механические конструктивные элементы.

Часы называются механическими и в тех случаях, когда завод или включение и выключение механического часового механизма осуществляются электрически.

Привод часов является источником и накопителем энергии. Прерывисто поступающая энергия при подзаводе накапливается приводом и непрерывно подается на спусковой механизм и регулятор хода. Механические приводы (систем завода) представляют собой гири (для стационарных часов) или специальные плоские пружины.

Регулятор хода часов состоит из механического осциллятора, анкерного колеса и анкера. Для поддержания постоянной частоты колебаний движение этого механизма попеременно тормозится анкером и снова освобождается.

Времязадающим звеном является осциллятор. При полном перемещении осциллятора анкерное колесо поворачивается на один зуб. Анкерное колесо жестко связано с приводом и механизмом хода и возмещает потери энергии осциллятора от трения.

В качестве осциллятора используются маятниковые (с частотой от 0,05 до 0,50 Гц) и вращающие (с частотой от 2,5 до 5,0 Гц) колебательные системы.

 

Механические часы всегда имеют собственные меры времени.

Электрические приборы для измерения времени.

Электрические часы с собственной механической мерой времени – это приборы для измерения времени, в которых, по крайней мере, одна из функций (привод, регулирование хода, передача энергии к указателю времени) реализуется с помощью электрических элементов и устройств.

В электрических часах привод осуществляется с помощью электрических накопителей энергии (батарей, сети низкого напряжения питания).

В качестве колебательной системы применяются вращающие осцилляторы или камертоны, которые снабжены зубцами из магнитомягкой стали, постоянными магнитами или катушками индуктивности. Осциллятор связан механически или магнитной связью с механизмом спуска и непосредственно его взводит. Подача энергии к колебательной системе регулируется самим осциллятором.

Электрические часы с собственной электронной мерой. Эти электрические приборы, содержащие в качестве меры электрический кварцевый резонатор, называются кварцевыми часами.

В настоящее время создаются кварцевые часы в различных исполнениях и разной точности – от больших установок для централизованных служб времени до наручных часов.

Электрические часы с собственной атомной мерой времени. Атомные часы используют колебания молекул NH₃, частоту энергетических переходов атома цезия или

принцип квантования генераторов на водороде или таллия. Цезиевые часы, например, представляют собой кварцевые часы, характеризуемые высокой точностью хода, частота которых управляется резонатором, наполненным цезием.

Эта система измерения времени используется в различных научно - исследовательских институтах и реализует (в качестве первичного эталона) единицу времени.

2.4.3 Измерение геометрических величин

2.4.3.1 Изготовление (ремонт) изделий связано с обработкой материалов (изделий) по заданным размерам, форме и качеству поверхностей. При этом качество изделий контролируют средствами измерения геометрических величин. К технике измерений геометрических величин относятся измерения длин и углов, отклонений размеров, формы и расположения поверхностей, параметров конусов, резьбы, шлицевых соединений и зубчатых колес.

Область линейно – угловых размеров характеризуется большим числом измерительных задач и объектов измерения. Так, измерения отклонений формы и расположения поверхностей включают в себя измерения отклонения от параллельности, биений, отклонений от перпендикулярности, эксцентриситетов, параметров шероховатости и т.д. Одно из главных мест в линейно – угловых измерениях занимает измерение длины.

 

Диапазон задаваемых линейных размеров – от долей микрометра (при измерении микронеровностей поверхностей) до единиц и десятков метров (для крупногабаритных изделий).

Методы и средства измерения геометрических величин подразделяются на несколько групп, основными из которых являются группы механических, оптико-механических приборов, пневматических и электрических приборов. При проведении этих измерений на результат измерения значительное влияние оказывают: температура окружающей среды, атмосферное давление, влажность, вибрация и т.д.

Требования к нормальным условиям (НУ) в зависимости от допусков на измеряемую величину и требований к допустимой погрешности измерения устанавливаются по ГОСТ8.050 – 73.

2.4.3.2 К основным механическим средствам измерения длин относят:

- штриховые меры длины (линейки, рулетки, брусковые штриховые меры);

- плоскопараллельные меры длины (ПКМД);

- штангенприборы (штангенциркули, штангенглубиномеры, штангенрейсмассы);

- микрометрические приборы (микрометры, микрометрические глубиномеры, микрометрические нутромеры);

- индикаторы часового типа (измерительные головки);

- пружинные измерительные головки (микрокаторы, микаторы, миникаторы, оптекаторы).

К основным оптико – механическим средствам измерения длинотносят:

- оптиметры (вертикальный – для размеров типа вал, горизонтальный – для размеров типа вал и отверстие);

- измерительные проекторы (с размерами экранов от 250 × 250 до 600 × 700 мм);

- измерительные микроскопы.

2.4.3.3 Средства и методы измерения углов. Объекты угловых измерений очень разнообразны по размерам, величинам измеряемых углов и требуемой точности измерения. Это обуславливает большое разнообразие методов и средств измерения углов, которые могут быть объеденены в три группы.

Первая группа методов и средств объединяет методы измерения углов с помощью жестких мер: угольников, угловых плиток, многогранных призм.

Вторую группу образуют гониометрические методы и средства измерений, у которых измеряемый угол сравнивают с соответствующим значением встроенный в прибор круговой или секторной шкалы.

Третью группу образуют методы косвенных измерений (пневматические, гидравлические, электрические и оптические, в том числе, лазерные).

 

 

2.4.3.4 Приборы активного контроля. Приборы (устройства) активного контроля предназначены для измерений линейных и угловых размеров в процессе формообразования деталей.

Эти приборы, как правило, устанавливаются на станках с чистовой обработкой деталей, при которой доводят детали до заданных отклонений от номинальных размеров.

Устройства активного контроля разделяют на устройства активного контроля, основанных на прямом методе измерения и на устройства активного контроля, основанных на косвенном методе измерения.

При контроле в процессе обработки при прямом методе измерения к устройствам активного контроля относят двухконтактные и трехконтактные приборы, осуществляющие диаметральные измерения, а также системы с жесткими калибрами. Данные устройства, в свою очередь, подразделяются на приборы с «плавающими» корпусами и приборы, у которых корпус является неподвижным, а перемещаются только измерительные стержни и рычаги.

С точки зрения влияния вибраций на точность предпочтительнее приборы с «плавающими» корпусами.

При косвенных измерениях широко применяют бесконтактные приборы (пневматические, гидравлические, электрические и оптические, в том числе, лазерные).

Для измерения геометрических размеров в устройстве с числовым программным управлением металлорежущими станками широко используются кодирующие измерительные преобразователи линейных и угловых перемещений. Пределы допустимых погрешностей для преобразователей высшего класса точности составляют: 1'' – для угловых размеров (в пределах 360° угла поворота) и 0,3 мкм – для линейных размеров (для перемещений в пределах до 10 мм).

2.4.3.5 Пневматические приборы для линейных измерений. В пневматических приборах для линейных измерений использована зависимость между площадью f проходного сечения канала истечения и расхода G сжатого воздуха. Площадь канала истечения изменяется за счет измеряемого линейного перемещения

,

где p – давление воздуха, под которым он истекает через проходное сечение канала площадью f.

Измеряя расход G при постоянном давлении p, можно судить о размере контролируемой детали.

Структурная схема пневматического прибора показана на рисунке 44.

Пневматические приборы обладают высокой точностью, позволяют производить дистанционные измерения. Малогабаритная пневматическая измерительная оснастка позволяет производить измерения в труднодоступных местах и создавать наиболее простые конструкции многомерных устройств для контроля практически любых линейных параметров деталей.

П – первичный пневматический преобразователь; ИС – измерительная пневматическая схема; Ук – указательное устройство; К – командное устройство; С – стабилизатор давления; Ф – фильтр очитки воздуха; ИВ – источник сжатого воздуха; 1 – измеряемая деталь.

Рисунок 44 – Структурная схема пневматического прибора

 

Для работы пневматических устройств необходима воздушная сеть с определенным давлением воздуха, подготовка которого требует особого внимания в процессе эксплуатации прибора.

Пневматические приборы обладают значительной инерционностью, снижающей их производительность. Последний недостаток иногда является положительным качеством прибора, так как обеспечивает нечувствительность прибора к вибрациям.

При бесконтактном измерении детали пневматический преобразователь, показанный на рисунке 45а, представляет собой измерительное сопло 2, в качестве заслонки которого служит контролируема деталь 1. Расход воздуха в данном случае будет определяться площадью кольцевого зазора f₂, образованного торцом измерительного сопла диаметром проходного сечения d₂ и поверхностью контролируемой детали

В противном случае изменение площади канала истечения не будет зависеть от изменения Z.

Из – за простоты изготовления эти преобразователи очень широко применяются в пневматических приборах.

2.4.3.6 Индуктивные приборы. В индуктивных приборах используется свойство катушки изменять свое реактивное сопротивление при изменении некоторых ее параметров, определяющих величину индуктивности L.

Для получения возможно больщей индуктивности катушка, как правило, выполняется с магнитопроводом из ферромагнитного материала.

 

Рисунок 45 – Принципиальные схемы пневматических преобразователей: а, б – с плоской заслонкой; в – с конической заслонкой; г – с заслонкой типа параболоид вращения; 1 – контролируемая деталь; 2 – измерительное сопло; Z – зазор между соплом и деталью

 

Один из элементов магнитопровода выполняется подвижным (якорь). Его положение относительно неподвижной части магнитопровода будет определять величину магнитного сопротивления цепи, и, следовательно, индуктивности катушки (рисунок 46).

Изменение индуктивного сопротивления катушки ведет к соответствующему изменению ее полного сопротивления Z. Если связать перемещение якоря с измеряемой величиной зазора δ при U = const, то

Устройство, которое преобразует линейные перемещения в электрический параметр с помощью катушки индуктивности называется индуктивным преобразователем.

Структурная схема индуктивного преобразователя показана на рисунке 47.

Выражение для определения индуктивности катушки преобразователя

(15)

где w – число витков катушки;

δ₀, S₀ – длина и площадь воздушного зазора между якорем и неподвижной

 

1 – катушка преобразователя; 2 – магнитопровод; 3 – якорь преобразователя; 4 – пружина, создающая измерительное усилие; 5 – контролируемая деталь.

Рисунок 46 – Принципиальные схемы индуктивных преобразователей: а - преобразователь, у которого измеряемая величина вызывает изменение величины зазора δ; б - преобразователь, у которого измеряемая величина вызывает изменение площади воздушного зазора S

П – индуктивный преобразователь; ИС – измерительная система; У – электронный усилитель; Ук – указательная система; К – устройство для подачи команд; ИП – источник питания.

Рисунок 47 – Структурная схема индуктивного прибора

 

частью магнитопровода соответственно;

δ₁, S₁ – длина магнитных линий и площадь сечения магнитопровода соответственно;

μ₀, μ₁ – магнитная проницаемость воздуха и материала магнитопровода соответственно.

В применяемых в настоящее время индуктивных преобразователей для линейных измерений изменение индуктивности достигается посредством изменения величины δ₀ (рисунок 46а) или площади S₀ (рисунок 46б).

2.4.3.7 Приборы с лазерами (оптическими квантовыми генераторами) для измерения геометрических величин. Оптические квантовые генераторы (ОКГ) применяют для измерения больших расстояний до объектов методами радиолокации. В этом случае на объект посылаются непрерывные либо импульсные сигналы. Временной интервал между генерируемым и отраженным сигналом или сдвиг по фазе между ними пропорциональны измеряемому расстоянию, например, расстояния до 2000 м измеряют с погрешностью ± 0,02 м.

При измерении малых расстояний (от метра до долей микрометра) используют лазерные интерферометры. В этих приборах производится сложение двух световых потоков, излучаемых лазером, один из которых проходит постоянный путь, а второй имеет путь, зависящий от измеряемого расстояния. Сложение потоков приводит к усилению или ослаблению суммарного потока в зависимости от разности фаз потоков, т.е. в зависимости от измеряемого расстояния.

На рисунке 48 показано устройство лазерного прибора для измерения перемещения объекта (детали).

 

Рисунок 48 – Прибор с лазером для измерения перемещения объекта

 

 

Лазер излучает световой поток Ф, который разделяется на два потока Ф₁ и Ф₂ с помощью полупрозрачного наклоненного зеркала 2. Поток Ф₁, отражаясь от зеркала 2, а затем от зеркала 3, попадает на фотоэлемент 1. Поток Ф₂ проходит через зеркало 2, отражается от объекта 4, затем от зеркала 2 и попадает на фотоэлемент 1. В фотоэлементе 1 потоки складываются, и при измерении расстояния от объекта интенсивность суммарного потока будет изменяться, что вызовет модуляцию фототока. Число подсчитанных с помощью счетчика 5 периодов фототока k и перемещение объекта на расстояние L_x связаны соотношением

 

где λ – длина волны света.

При измерении расстояния до 1 м погрешность составляет от 0,1 до 1 мкм.

 

2.4.4 Измерение массы

2.4.4.1 Масса и вес (точнее сила тяжести) данного тела являются принципиально разными величинами. Масса тела в отличие от силы тяжести не зависит от нахождения тела на Земле (или на другой планете).

Зависимость силы тяжести G от значения ускорения свободного падения g в данном месте и массы m определяется уравнением . Ускорение свободного падения зависит от широты и высоты над уровнем моря. Для средних широт принято считать g₀ = 9,80665 м∙с^-2.

Так как пружинные весы являются силоизмерительными приборами, калибруемыми в единицах массы, их градуировка является правильной лишь для места ее проведения.

2.4.4.2 Принципы взвешивания. Существует четыре основных области применения весоизмерительных устройств (позиции а – г):

а) взвешивание при товарообороте как основы установления цены;

б) взвешивание в целях определения, контроля и регулирования внутризаводских материальных потоков;

в) взвешивание в целях изготовления и поверки образцовых гирь;

г) взвешивание в целях анализа и синтеза веществ и их смесей.

Взвешивание основано на использовании закона всемирного тяготения, согласно которому гравитационное поле Земли притягивает массу с силой, пропорциональной этой массе. При этом сила притяжения может сравниваться с известной по величине силой, создаваемой различными способами:

а) в качестве уравновешивающей силы используется груз известной массы (классический метод);

б) уравновешивающее усилие возникает при растяжении слабой пружины (пружинные весы);

 

в) уравновешивающее усилие возникает при деформации достаточно жестких пружинных элементов. Такие деформации измеряют преимущественно при помощи тензорезисторных датчиков (электромеханические весы);

г) уравновешивающее усилие создается пневматическим устройством. Мерой подлежащего взвешиванию груза является давление воздуха;

д) уравновешивающее усилие создается гидравлическим устройством. Мерой подлежащего взвешиванию груза является давление жидкости;

е) уравновешивающее усилие создается электродинамически при помощи соленоидной обмотки, находящейся в постоянном магнитном поле. При этом ток, протекающий по обмотке, является мерой подлежащего взвешиванию груза;

ж) усилие возникает при погружении тела в жидкость. Глубина погружения и, следовательно, изменяющаяся вместе с ней подъемная сила служат мерой подлежащего взвешиванию груза.

Только в случаях «а» и «ж» непосредственно сравниваются веса двух тел. Калибровка весоизмерительных устройств, основанных на использовании этих принципов, не зависят от ускорения силы тяжести, т.е. от места проведения калибровки.

При использовании всех остальных методов взвешивания следует учитывать различия значений ускорения силы тяжести в различных географических точках. В общем случае наибольшая точность взвешивания достигается наиболее просто при помощи названного в пункте а классического метода.

2.4.4.3 Методы взвешивания. Выбор соответствующего метода взвешивания позволяет исключить влияния погрешности весов на результат взвешивания, особенно при применении рычажных весов. Достижимая точность взвешивания в этом случае в основном определяется чувствительностью и вариацией. Для достижения малых погрешностей должны быть также учтены погрешности гирь и влияние аэродинамической подъемной силы.

При взвешивании грузов из материалов малой плотности аэродинамическая подъемная сила может составлять до 2∙10^-3 веса груза. Местные колебания плотности воздуха при определенных обстоятельствах становятся заметными при 10^-4 нагрузки.

При точных взвешиваниях пренебрежение аэродинамической подъемной силой может свести на нет тщательность операции взвешивания.

Только при равных плотностях материала взвешиваемого груза и материала гирь в процессе взвешивания непосредственно определяется масса взвешиваемого груза.

Во всех остальных случаях имеет место относительная погрешность F_r

 

где ρ_L – плотность воздуха;

ρ_w – плотность материала взвешиваемого груза;

ρ_n - плотность материала гирь, применяемых при взвешивании или тарировке.

 

 

В зависимости от целей взвешивания и допустимых погрешностей применяют различные методы: пропорциональный метод, метод замещения, метод двойного взвешивания. Последний метод применяется только в рычажных весах.

Пропорциональный метод взвешивания применяется при всех технических взвешиваниях. Перед каждым взвешиванием ненагруженные весы должны быть установлены на нуль. Масса взвешиваемого груза равна показанию весов, скорректированному на величину их погрешности. При технических взвешиваниях отсчитываемые по шкале показания весов считают правильными и корректировку результатов взвешивания, учитывающую погрешность весов, обычно не проводят, так как в большинстве случаев эта погрешность неизвестна.

Метод замещения предусматривает замену взвешиваемого груза гирей. Взвешивание происходит в две стадии. Взвешиваемый груз устанавливают на грузоприемное устройство весов и при помощи соответствующих гирь, помещаемых на гиревую чашу, весы приводят в равновесие и регистрируют показание. Не меняя гирь, находящихся в гиревой чаше, заменяют взвешиваемый груз гирями известной величины и восстанавливают равновесие и записанные их показания. При этом результат взвешивания не зависит от погрешности передаточного отношения, от погрешности отсчета и положения нуля, а зависит только от вариации и чувствительности весов, а также от погрешности применяемых гирь (мер).

Метод двойного взвешивания применяется только в равноплечих рычажных весах и обеспечивает наивысшую точность взвешивания. Взвешивание производят в два приема. При втором взвешивании первоначально находившийся слева взвешиваемый груз m_w и находившиеся справа гири m_n1 меняют местами, после чего в общем случае для восстановления равновесия необходима незначительная добавка к гире m_n1

Из уравнений

где i – соотношение длин рычагов), опуская величины второго порядка, находим

Метод двойного взвешивания (метод Гаусса) применяют, прежде всего, при сопоставлении гирь высшей точности.

2.4.4.4 Электромеханические датчики веса. Датчики веса с тензорезисторами являются в настоящее время наиболее точными силоизмерительными устройствами, применяемыми для взвешивания. Весы, оснащенные этими датчиками, допускаются к тарировке, так как их погрешности отвечают законодательно установленным диапазонам погрешностей торговых весов. Наряду с тензорезисторами в датчики весов встроены сопротивления, предназначенные для регулировки мостовой схемы в процессе изготовления, что

обеспечивает взаимозаменяемость датчиков, а также возможность при необходимости включать в общую схему несколько датчиков.

Магнитоупругие датчики веса. Магнитоупругий эффект обуславливает в соответствующих материалах (пермаллое), подвергаемых нагрузке, изменение их магнитной восприимчивости. Такой материал используют в качестве сердечника обмотки, полное сопротивление которой снижается при увеличении нагрузки вследствие уменьшения магнитной восприимчивости. Подобные чувствительные элементы обладают относительно высокой выходной мощностью, что позволяет присоединять к их выходу показывающие приборы без усилителя. Однако линейный диапазон характеристики недостаточен для осуществления точных измерений.

Индуктивные датчики веса. В этих датчиках изменение индуктивности обмотки вызывается смещением железного сердечника под действием измерительного усилия.

По сравнению с тензометрическими датчиками индуктивные датчики веса обладают большим выходным напряжением, меньшей чувствительностью к воздействию температуры и влажности. Использование мягких пружин дает возможность измерения малых усилий до 10^-2 Н. Однако точность, обеспечиваемая тензометрическими датчиками веса, недостижима.

Устройство электромагнитной силовой компенсации. В этом устройстве чаша весов соединена рычагом с компенсационной катушкой, которая находится в поле постоянного магнита. Током в обмотке этой катушки управляет датчик положения, связанный с усилителем. Изменение тока в обмотке компенсационной катушки происходит до момента достижения равновесия. При изменении нагрузки в чаше весов изменяется соответственно сила тока в обмотке, являющаяся мерой веса груза.

Весоизмерительные ячейки с вибрирующей струной. Принцип действия ячейки основан на возбуждении вибрации постоянной частоты предварительно натянутой струны при помощи электромагнитной системы и передачу на струну усилия, развиваемого находящимся на грузовой чаше весом грузом при помощи рычагов.

Это усилие увеличивает натяжение струны и, как следствие, частоту ее вибраций. Изменение частоты является мерой определяемой массы груза. Ячейка выдает дискретный сигнал.

Электронные весы. Весы позволяют измерять массу тела, измерив его вес, поскольку эти величины связаны известным соотношением. Среди многочисленных типов весов в настоящее время практически единственным типом весов становятся электронные весы.

Вес тела деформирует упругий элемент весоизмерительного датчика электронных весов, что приводит к изменению электрического сопротивления наклеенных на него тензорезисторов, обладающих свойством изменять электрическое сопротивление под влиянием деформации.Чаще всего применяют фольговые тензорезисторы из константана – сплава меди и никеля.

Вторичный прибор, состоящий из усилителя, АЦП и микропроцессора, обрабатывает

 

сигнал датчика и выдает результат на цифровой индикатор.

2.4.4.5 Весы подразделяются на разные типы:

- в зависимости от вида грузоприемного устройства- платформенные, бункерные, монорельсовые, крюковые;

- в зависимости от способа взвешивания – статические и для взвешивания в движении;

- в зависимости от объекта взвешивания – автомобильные, вагонные, крановые, вагонеточные, конвейерные и др.

При взвешивании дискретных грузов – коробок, мешков, ящиков, вагонов, автомобилей и других подобных объектов – чаще всего используют платформенные весы. Самые маленькие платформенные весы – магазинные – имеют маленькую платформу (около 200×300 мм) и наибольший предел взвешивания (НПВ), равный 3; 6 или 15 кг. Самые большие платформенные весы – автомобильные и вагонные – с НПВ от 10 до 200 т и имеют платформу размером 3×20 м.

Платформенные весы с НПВ до 1 т чаще всего имеют один датчик, расположенный в центре платформы. Платформы больших весов обычно опираются на четыре датчика, закрепленных по углам. Самые тяжелые весы для удобства транспортирования изготавливают из нескольких модулей (платформ) – количество датчиков, соответственно, увеличивается.

Основным преимуществом электронных весов перед механическими являются не только более высокая точность, простота изготовления и монтажа, но и возможность передачи результатов взвешивания в локальную вычислительную сеть для последующей обработки и анализа.

Важное преимущество электронных тензометрических весов перед механическими – это возможность взвешивания транспортных средств в движении.

Автомобиль, автопоезд или железнодорожный состав медленно, со скоростью 10 км/ч, проезжает через платформу весов, фиксирующую вес каждой оси. Компьютер с помощью специальных программ распознает тип вагона (если это железнодорожный состав), вычисляет скорость движения, рассчитывает суммарную массу.

Погрешность измерения в движении выше чем у статических и изменяется от нескольких десятых долей процента до нескольких процентов.

Как правило, такие весы нельзя использовать для коммерческого взвешивания грузов. Чаще всего они используются для определения нагрузки на ось вагона или автомобиля в целях обеспечения безопасности движения.

2.4.4.6 По мере развития отечественного производства, особенно в перерабатывающей промышленности, и автоматизации технологических процессов специалистам все чаще приходиться решать задачи, связанные с взвешиванием не дискретных предметов, а

 

жидких и сыпучих продуктов, представляющие с точки зрения механики сплошные среды.

Например, нефтепродуктов, цемента и других строительных материалов.

Основным типом весов для таких задач являются бункерные весы. Грузоприемное устройство в них – бункер цилиндрической, пирамидальной или призматической формы, установленный или подвешенный на весоизмерительных датчиках.

Еще важный тип дозаторов – фасовочные. Они используются для дозирования и последующей фасовки в твердую или мягкую тару различных пищевых или химических продуктов. Размер дозы изменяется в очень широких пределах – от нескольких граммов до 1 т.

 

2.4.5 Измерение деформаций

2.4.5.1 Под относительной деформацией ε понимают отношение

где ∆L – разница между начальной длиной (базой) L₀ (расстоянием между двумя точками на измеряемом недеформированном участке) и его длиной L после приложения к нему силы, действующей в продольном направлении.

Положительное или отрицательное значение ε соответствуют растяжению или сжатию.

Измерение деформации (тензометрирование) предназначено в основном для определения нагрузок (напряжений) в элементах конструкций. Понятие «экспериментальный анализ напряжения» характеризует широкую область применения этих измерений.

Зависимость между напряжениями и вызываемыми ими деформациями на поверхности элемента конструкции определяются законом Гука, причем необходимо учитывать условия его применимости.

При испытании материалов тензометрирование используется для определения коэффициента упругости и исследования разнообразных нагрузок на материалы.

Наряду с этим можно измерять ряд других физических величин (силу, давление, крутящий момент, перемещение, ускорение и т.п.) и, таким образом, при построении датчиков различных величин широко использовать все преимущества, присущие методу тензометрии, основанному на изучении и измерении деформаций.

Большая значимость тензометрии, выходящей собственно из измерения деформаций, повлекла за собой создание ряда соответствующих приборов (особенно тензорезисторов).

Для измерения деформаций могут применяться два метода:

- непосредственное определение относительной деформации ε;

- измерение длины ∆L при заданной длине базы L₀.

В обоих случаях определяется среднее значение на длине L. Однако только для

 

 

однородного поля деформаций (для неоднородного поля деформаций – при очень короткой базе L₀) локальные значения деформации полностью соответствуют измеряемой величине.

В зависимости от цели измерения применяют измерительные приборы с большой или малой базой L₀.

Различные методы, применяемые для измерения ε или ∆L, представляют исследователю разнообразные возможности в отношении как соответствия граничным условиям, так и устранения искажающих побочных влияний, таких как температура, длительность измерения, доступность места измерения и т.п.

В таблице 12 приведен обзор основных методов тензометрии.

 

Таблица 12 - Основные методы тензометрии

Методы и преобразователи	Характерная особенность и область применения
1. Электрические методы измерения	Передача на расстояние, возможны усиление и обработка сигналов с целью управления и регулирования, простая регистрация
1.1 Тензорезисторы	Тензорезисторы измеряют относительную деформацию ε = ∆L/L0 (независимо от длины измеряемого элемента)
1.1.1 Тензорезисторы с металлической решеткой	Основной метод. Большая разносторонность, точность. Очень широкий диапазон температур и частоты. Почти полное отсутствие обратного воздействия на объект измерения. Технические решения хорошо развиты. Многообразие типов, пригодны для конструирования измерительных преобразователей других физических величин (например, силы, давления, вибраций, ускорений и т.п.)
1.1.2 Полупроводниковые тензорезисторы	Аналогичны 1.1.1, однако имеют более высокую чувствительность, меньшую разносторонность, более узкий диапазон температур. Пригодны для конструирования измерительных преобразователей других физических величин (см. 1.1.1).
1.1.3 Напыленные тензорезисторы	Аналогичны 1.1.1. Решетка изготовлена методом напыления металла или полупроводникового материала. Применение ограничено технологией изготовления, возможно только в специально изготовленных преобразователях
1.2 Электрические измерительные преобразователи удлинения (электрические тензометры)	Преобразователи длины измеряют изменение длины ∆L (абсолютную деформацию). Относительная деформация ε определяется математически делением на начальную длину L0 или путем соответствующей градуировки показывающих измерительных приборов.
1.2.1 С резистивной системой преобразования (резистивные тензометры)	Высокая точность. Широкий диапазон измерений. Средний диапазон температур. Измерение статических и динамических деформаций до частоты f ≤ 100 Гц.

 

Продолжение таблицы 12

Методы и преобразователи	Характерная особенность и область применения
1.2.2 С индуктивной системой преобразования (индуктивные тензометры)	Высокая точность. Широкий диапазон измерений. Средний диапазон температур. Измерение статических и динамических деформаций низкой частоты.
1.2.3 Струйные тензометры	Могут с успехом применяться для дистанционных измерений с передачей показаний на большие расстояния и для длительных измерений. Отсутствие проблемы электроизоляции. Большая механическая жесткость. Средний диапазон температур. Измерение статических и ограниченных динамических деформаций.
2. Механические методы измерения	Умеренная стоимость. Простота применения. Непрерывное присутствие наблюдателя на месте измерения.
2.1 Механические тензометры с рычажной передачей	Измерение только статических деформаций в хорошо доступных местах, не подвергающихся сотрясению местах.
2.2 Механические тензометры с торсионной лентой	Измерение только статических деформаций в хорошо доступных местах. Допустимы ограниченные сотрясения.

 

 

2.4.5.2 Электротензометрия. Тензорезисторы среди всех тензометров получили самое широкое распространение.

Принцип работы. Изменения формы детали, обусловленные воздействием внешних или внутренних сил, сопровождаются искажением (деформацией) ее поверхности. Закрепленный на этой поверхности тензорезистор воспринимает деформации объекта измерения и изменяет при этом свое электрическое сопротивление.

Изменение сопротивления является мерой возникшей деформации. Она может быть измерена подключенными к тензорезистору приборами, показана или зарегистрирована.

Тензорезистор – пассивный преобразователь, поэтому на него необходимо подавать питание от внешнего источника электрического напряжения, причем для этого можно использовать как постоянное, так и переменное напряжение.

Конструктивное исполнение. Чувствительный элемент тензорезистора представляет собой решетку, выполненную из тонкого электрического проводника (рисунок 49).

В обычных исполнениях решетка заделана в тонкопленочную полимерную основу, электрически изолирующую ее от объекта измерения, передающую ей деформацию и защищающую от повреждений. Для облегчения присоединения проводов используются

точки припайки, выводы в виде полос или тонкой проволоки.

 

1 – основа решетки; 2 – покрытие; 3 – решетка; 4 – выводы; 5 – разметка осей.

Рисунок 49 – Пример конструктивного исполнения тензорезистора

 

Тензорезисторы характеризуются малыми размерами, очень малой массой (приблизительно от 10 до 500 мг) и малой жесткостью. Поэтому динамическая и статическая характеристики даже небольших объектов измерения практически стабильны, что является особенным преимуществом тензорезистора по сравнению с другими тензометрами.

Область применения. Разнообразие форм, материалов и методов крепления на объекте измерения обеспечивает широкую область применения тензорезисторов, а также возможность их применения для специальных условий эксплуатации.

Характеристики внешних условий, которые выдерживают тензорезисторы, показаны в таблице 13.

Точность. Задание точности только для тензорезистора не имеет смысла. Более существенным является определение точности для всей системы измерительного устройства: сам объект измерения, тензорезистор, в том числе его крепление, схема соединений и покрытие, присоединенный измерительный прибор и условия окружающей среды.

О точности можно судить эмпирически с учетом возможных погрешностей, приведенных в таблице 14.

Следовательно, при использовании всех возможностей можно обеспечить высокую степень точности.

Свойства тензорезисторов описываются в виде технических характеристик.

 

 

 

Таблица 13 – Характеристики внешних воздействий, которые выдерживают тензорезисторы

Вид воздействия	Единица измерения	Значение величины воздействия
Максимальная деформируемость:   - обычные тензорезисторы - специальные тензорезисторы	м/м м/м	от ±2∙10-2 до ±4∙10-2 до ±15∙10-2
Вибропрочность (допустимое количество циклов нагружения N) при заданной максимальной амплитуде переменной деформации εw: 5∙10-4 м/м 1∙10-3 м/м 2∙10-3 м/м 3∙10-3 м/м	- - - -	109 и более 108 и более 107 и более 105 и более
Температура	К	от 4 до 1200
Давление окружающей среды	Па	до 1∙109
Магнитные поля (магнитная индукция)	Т	до 2

 

 

Таблица 14 – Эмпирическая точность с учетом возможных погрешностей при измерениях с использованием тензорезисторов

Назначение измерений	Класс точности (по приведенной погрешности), %
Экспериментальный анализ напряжений в диапазоне температур от 0 до 40 °С	от 1 до 5
Измерения напряжений в диапазоне высоких температур (более 300 °С)	от 10 до 20
Измерения на проверяемых объектах, например, на измерительных преобразователях собственного изготовления	от 0,5 до 2,0
Величины погрешностей обычных измерительных преобразователей с тензорезисторами	от 0,2 до 0,5
Величины погрешностей обычных прецизионных преобразователей с тензорезисторами	от 0,02 до 0,10

 

 

Тензорезисторы с металлической решеткой. Принцип работы. В большинстве тензорезисторов в качестве чувствительного элемента используется решетка из металлического сплава высокого сопротивления.

 

Если такой тензорезистор подвергнуть растяжению (или сжатию) вдоль решетки, то его электрическое сопротивление изменится в соответствии с уравнением связи

 

Относительное изменение сопротивления тензорезистора пропорционально деформации, причем коэффициент пропорциональности k, характеризующий чувствительность тензорезистора, представляет собой параметр, экспериментально определяемый изготовителем.

В тензорезисторах из константана его величина в зависимости от предварительной обработки постоянна в пределах удлинения от ±0,1 до ±0,3 см /м. При больших деформациях как в материале решетки, так и в схеме моста Уитстона, возникают систематические отклонения от линейности, направленные в противоположные стороны, так что в первом приближении они взаимно компенсируются.

При этом длина решетки не отказывает какого – либо влияния на чувствительность (в отличие от приборов, измеряющих изменение длины, т.е. абсолютные деформации). Измерение и дальнейшую обработку изменений сопротивления производят при помощи приборов, подключаемых к тензорезистору.

При помощи одного или небольшого количества типов тензорезисторов можно решать различные измерительные задачи.

Многочисленные модификации позволяют применять для тех или иных условий оптимально подходящий тензорезистор.

Тип решетки. Решетки тензорезисторов изготавливают либо методом фототравления из тонкой фольги (толщиной от 3 до 5 мкм), либо намоткой из проволоки (диаметром от 15 до 25 мкм).

Усовершенствованные способы изготовления позволили фольгированному тензорезистору в большинстве случаев вытеснить более старые проволочные тензорезисторы

Проволочные тензорезисторы могут применяться при высокотемпературных измерений, в остальных случаях фольговые тензорезисторы более предпочтительны.

Основным типом тензорезисторов являются тензорезисторы с прямолинейной решеткой, простирающейся в направлении измерения (рисунок 49). Они называются также линейными тензорезисторами.

В зависимости от поставленных задач и размещения применяют тензорезисторы, решетка которых имеет соответствующую длину и ширину, а также соответствующее расположение выводов.

База решетки L_w. Тензорезисторы выпускаются с решетками длиной от 1,4 до 150 мм. Для нормальных случаев измерения оптимальной считают решетку с базой 6 мм, для трудных случаев – около 10 мм (основание – соответственно с возможностью применения). Решетки с короткой базой (от 0,4 до 3,0 мм) применяются для обнаружения концентраций напряжений или при измерениях градиентов напряжения. Базы решеток большой длины следует применять для определения средних значений напряжений, например на чугуне, дереве, бетоне.

Электрическое сопротивление. Обычно применяют тензорезисторы с сопротивлением 120; 350 и 600 Ом. Наиболее распространенным и, как правило, оптимальным типом является тензорезистор с сопротивлениемт120 Ом, который выпускается для широкой области применения и в различных вариантах исполнения.

Вид нагрузки. Тензорезисторы применяются для измерения как статических, так и динамических нагрузок. Отклонения характеристики тензорезистора от линейной при коэффициенте тензочувствительности k = 2 остаются даже при больших деформациях в допустимых пределах.

Циклическое нагружение тензорезисторов допустимо, так как они могут быть многократно нагружены до близкой к предельной деформации. Число возможных циклов нагружения зависит от материалов, использованных в тензорезисторе, амплитуды деформации и характера приложенной нагрузки.

Тензорезисторы непригодны для измерений на резине и прочих мягких материалах, так как сила, необходимая для их фиксации на поверхности резины, значительно препятствовала бы деформации.

Температура. Термостойкость тензорезистора не может быть выражена каким - либо числом. Диапазон допустимых температур ограничивается не только уровнем температуры, но и длительностью ее воздействия, а также другими внешними факторами, действие которых зависит от температуры, например, окисление, коррозия и хрупкость.

Проблема измерений при высоких температурах (выше 300 °С) стала особенно острой в последнее время. При измерениях в этом диапазоне возникают трудности, связанные отчасти с очень ограниченным пока выбором материалов, пригодных для изготовления терморезисторов, и средств из закрепления. Сплавы тензорезисторов обладают высоким температурным коэффициентом электросопротивления, который вызывает температурный дрейф нуля.

Дрейф нуля усиливается с повышением температуры и увеличением продолжительности ее воздействия.

Под температурной характеристикой тензорезистора понимают изменение сопротивления тензорезистора, прикрепленного к объекту измерения, вызванное изменением температуры. Температурная погрешность может быть скомпенсирована, например, применением компенсационного тензорезистора. Для ограниченных температурных диапазонов можно соответствующим образом согласовать тензорезистор с коэффициентом теплового расширения объекта измерения и, таким образом, почти полностью исключить зависимость сопротивления тензорезистора от температуры. Тензорезисторы этого типа называются самокомпенсированными тензорезисторами. Они исключают необходимость применения компенсированного тензорезистора, что целесообразно в тех случаях, когда условия не допускают применение компенсационного тензорезистора. В этом случае вместо компенсационного тензорезистора применяют высокостабильный дополнительный резистор, вводимый в мостовую схему (рисунок 50).

Полупроводниковые тензорезисторырасширяют возможности применения металлических тензорезисторов. Они приблизительно в 50 раз более чувствительны, поэтому могут быть использованы для решения специальных задач и конструирования измерительных преобразователей, допускающих включение в простые электрические устройства.

Рисунок 50 – Тензорезисторы, включенные в схему моста Уинстона: а - полумостовая схема (R1 – активный тензорезистор; R2 – компенсационный тензорезистор; R3, R4 – добавочные резисторы); б – трехпроводная схема для устранения влияния температурной характеристики соединительного кабеля (R1 – активный тензорезистор; R2 - R4 – добавочные резисторы; r₁, r₂ – сопротивления проводов L₁ и L₂ компенсационной схемы)

 

Несмотря на это полупроводниковые тензорезисторы используются реже, что объясняется нелинейностью характеристики и трудностью компенсации различных тепловых эффектов.

Конструктивное исполнение полупроводниковых тензорезисторов (рисунок 51) в основном подобно конструкции металлических тензорезисторов. Однако чувствительный элемент представляет собой тонкую узкую полоску из полупроводникового материала шириной в несколько десятых долей миллиметра и толщиной в несколько сотых долей миллиметра. Полупроводниковые датчики можно наносить на подложку обычно применяемыми в полупроводниковой промышленности методами диффузионного легирования. Все остальное, что касается конструктивного исполнения металлических тензорезисторов, применимо к полупроводниковому тензорезистору.

Принцип работы. Работа полупроводникового тензорезистора основана на так называемом эффекте пьезосопротивления полупроводникового материала.

В зависимости от легирования монокристаллического полупроводникового материала (кремния) можно добиться, чтобы изменение сопротивления, например при положительной деформации (растяжении), было положительным или отрицательным. Степень легирования определяет чувствительность полупроводникового тензорезистора.

Полупроводниковые тензорезисторы, изготовленные по такой технологии , подчиняются зависимости

Рисунок 51 – Полупроводниковые тензорезисторы: а – линейный; б – сочетание резисторов из кремния с p - проводимостью и n – проводимостью; 1 - p – кремний; 2 - n – кремний

 

Чем больше полупроводник легирован, тем меньше его чувствительность, но тем выше линейность характеристики. Выразить чувствительность полупроводникового тензорезистора коэффициентом k, аналогично металлическому тензорезистору, невозможно из – за нелинейности характеристики. Вместо этого используется коэффициент k, характеризующий наклон касательной при деформации и относительной температуре Т₀ (рисунок 52).

Рисунок 52 – Характеристики полупроводниковых тензорезисторов: а – типа SP – 18 – 35 из кремния с p – проводимостью (0,02 Ом∙см); 1 - 2 - б – типа TNB3 – 18 – 35 из кремния с n – проводимостью (0,031 Ом∙см): 1 - 2 -

Для обычных тензорезисторов с дырочной проводимостью (p – типа) коэффициент k приближенно равен от 110 до 130, а с электронной проводимостью (n – типа) – от минус 80 до минус 100. Некоторые изготовители прилагают к своим полупроводниковым тензорезисторам индивидуально рассчитанные таблицы поправок, которые значительно облегчают потребителю оценку результатов измерения.

Применение. Полупроводниковые тензорезисторы применяют для конструирования измерительных преобразователей. Используя те или иные схемные решения, добиваются линейности показаний. При экспериментальном анализе напряжений полупроводниковые тензорезисторы находят применение преимущественно в случаях, когда высокая чувствительность очень важна (например, большое отношение сигнал – шум, измерение очень малых деформаций), и в случае, когда их температурная зависимость не мешает или когда она по условиям эксплуатации может быть учтена (измерения в лабораторных условиях).

Полупроводниковые тензорезисторы не выпускают в столь многочисленных вариантах, как металлические тензорезисторы. Решетки их имеют только прямоугольную форму. Выбор базы решеток очень ограничен и находится в пределах от 0,7 до 10 мм. Резисторы поставляются без основ (безосновные), так называемые тензорезисторы со свободной решеткой.

По электрическому сопротивлению полупроводниковые тензорезисторы подразделяются на две группы: низкоомные с сопротивлением от 60 до 500 Ом и высоомные с сопротивлением от 1000 до 10 000 Ом.

Высокоомные тензорезисторы допускают использование высокого напряжения питания и, соответственно, получение больших измерительных сигналов без опасения чрезмерного перегрева решетки.

Полупроводниковые тензорезисторы, как безосновные), так и снабженные соответствующими крепежными средствами, могут применяться до температуры не выше 370 °С.

Особые формы исполнения. Полупроводниковые тензорезисторы выпускают в ограниченных вариантах исполнения.

Представляет интерес конструкция на рисунке 52б. Тензорезисторы (p – типа и n – типа) расположены в пространстве взаимно параллельно и включены в полумостовую схему. Чувствительность их увеличивается почти вдвое, что обусловлено суммированием сигналов в мостовой схеме и частичной компенсацией искажающих влияний, особенно температурных.

Напыленные тензорезисторы. Решетка напыленных тензорезисторов может быть выполнена как из металла, так и из полупроводникового материала. Напыленные тензорезисторы равнозначны обычным тензорезисторам (металлическим и полупроводниковым).

Основное различие их – в технологии изготовления. Технология напыления позволяет получать высокоомные металлические решетки. В ряде случаев это может явиться значительным преимуществом, например в уменьшении измерительного тока.

Основные особенности напыленных тензорезисторов:

- малая толщина изолирующего слоя и решетки, которые требуют малой

 

поверхности для монтажа. Поэтому они могут использоваться совместно с небольшими и тонкими измерительными пружинами, не опасаясь обратного действия на последние;

- за один рабочий цикл можно одновременно напылять с высокой экономичностью большое