Тензорезистор - резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Он является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.
Первые тензорезисторы появились в 1955-58 годах, они были самодельные проволочные; потом появились серийные (первые - в США в 1960 году) проволочные на бумажной подложке.
Решетка проволочного тензорезистора может состоять из параллельных петель, витков плоской катушки, параллельных нитей с перемычками из более толстого провода или фольги или одиночной проволоки. Диаметр провода решетки 0,015—0,05 мм, минимальная база датчика S = 2 мм, предел измеряемых деформаций 1%, номинальное сопротивление 50—1000 Ом.
Решетки проволочных тензодатчиков: а — петлевая; б — витковая; в — с перемычками (S — база датчика; 1 — решетка датчика; 2 — выводные проводники, 3 — перемычки)
Недостаток проволочных - поперечная чувствительность (из-за "петелек", где проволока меняет направление).
На замену им появились фольговые тензорезисторы, которые и поныне широко применяются при экспериментальных исследованиях напряженного состояния конструкций, а также в качестве преобразователей деформаций в различных измерительных устройствах. Они малоинерционны, позволяют дистанционно и во многих точках проводить измерения; способ установки их на исследуемую деталь не требует сложных приспособлений и не искажает поле деформаций исследуемой детали. Малые размеры и масса фольговых тензорезисторов позволяют размещать их в труднодоступных местах и устанавливать на детали в период сборки конструкции. Одиночные тензорезисторы между собой отличаются электрическим сопротивлением и размерами. |
Поперечное сечение приклеенного тензодатчика:
1 - проволока или фольга решетки; 2 - клей, крепящий решетку к основе; 3 - основа; 4 - клей, крепящий датчик к детали; 5 - деталь |
Решетки фольговых тензорезисторов изготавливаются травлением из фольги толщиной 0,004—0,02 мм, что позволяет создать тензосопротивления самой сложной конфигурации. Они имеют минимальную базу 0,4 мм, предел измеряемых деформаций до 2% и номинальное сопротивление 50—1000 Ом (обычно от 100 до 400 Ом). У самых ходовых база 5-20 мм, но бывает и полукустарная экзотика от 1 мм до 10 см (для бетона).
Предусматриваются формы решетки, удобные для решения спец. задач, например для измерения трех компонент деформации (розетки из трех датчиков под 120 или 90-45 градусов), деформации в мембранах и др.
а — для измерения одной компоненты деформации; б и в — для измерения трех компонент деформации (розетки); г - для измерения кольцевых деформаций (S - база датчика)
Для измерений при комнатных температуpax решетки изготавливаются из
константановой фольги толщиной 5...15 мк и выше.
Для измерении при повышенных температуpax применяются константан (до 250—300°С),
сплавы типа карма и эваном (до 350—400°С), сплавы на основе никеля и молибдена (до 450—500°С),
легированный нихром (до 700°С при измерении статических деформаций и до 900°С
при измерении динамических деформаций), а также железо-хром-алюминиевые сплавы (до 700°С).
Высококачественные фольговые датчики выполняют на основе золото-серебряных сплавов,
нержавеющих сплавов, плакированной платины и сплавов на ее основе
(до 1000°С при измерении динамических деформаций). Наилучшим материалом следует считать
фольгу из золото-серебряного сплава и медноникелевую фольгу толщиной до 12 мк.
Сопротивление датчиков, изготовленных из этих материалов, лежит в пределах от 55 до 250 Ом.
Решетка тензорезисторов предназначеных для измерений при комнатных температуpax,
имеет бумажную основу, корая при установке приклеивается к поверхности исследуемой детали.
Советские датчики первоначально клеили на ацетон-целлулоидный, кремнетоглифталевый,
эпоксидный и карбинольный клеи, затем на БФ2 с термообработкой (лучший вариант)
или на циакрин (недолговечно, для кратковременных измерений).
Для измерений при повышенных температурах тензорезисторы изготавливаются в пленке клея
или цемента без подложки или на временной основе из полимерных материалов.
Наибольшее распространение получили бакелитовый и бакелито-фенольный клеи (до 150—200°С),
кремнийорганические клеи (до 500—550°С), керамические цементы (до 700°С при статических измерениях
и до 1000°С при динамических измерениях).
Пример такого резистора - тензометр сопротивления для определения одновременно двух главных компонент деформации при плоском напряжённом состоянии:
Для повышенных температур применяют также привариваемые датчики, в которых тензочувствительная решетка из проволоки или фольги с помощью клея закреплена на подложке из стальной фольги толщиной 0,1—0,15 мм. Такие датчики полностью термообрабатываются, тарируются и сортируются по температурной характеристикеке при изготовлении, что значительно повышает точность измерений.
Зависимость сопротивления
тензорезисторов от температуры определяется температурными коэффициентами
удлинения материала детали и материала решетки датчика, а также температурным коэффициентом
сопротивления материала решетки датчика и его тензочувствительностью. |
Фольговый датчик с компенсационной петлей:
1 - решетка датчика; 2 - платиновая компенсационная петля; 3 - выводы; S - база датчика |
Из некоторых сплавов, например типа карма, путем спец. термообработки изготавливаются
самотермокомпенсированные тензорезисторы для измерений на различных материалах.
Температурная компенсация достигается в диапазоне температур до 350—400°С.
Для более узкого диапазона температур самотермокомпенсированные тензорезисторы
могут быть изготовлены из константана.
При измерении статических деформаций диапазон допустимых температур определяется
стабильностью температурной характеристики, сопротивления, коэффициентом
тензочувствительности. При измерении динамических деформаций основное значение имеет
стабильность коэффициента тензочувствительности.
Источники:
1. Б.А. Глаговский, И.Д. Пивен. Электротензометры сопротивления.
М.-Л. Издательство "Энергия", 1964 (Библиотека по автоматике, вып.115).
2. Автоматизация производства и промышленная электроника. В 4 тт. Главные редакторы А. И. Берг
и В. А. Трапезников, т. 4. М., "Советская энциклопедия", 1965. (Энциклопедия современной техники.
Энциклопедии. Словари. Справочники). т. 4. Телекомандование - Ячейки стандартные.
3. Пучкин Б.И. Приклеиваемые тензодатчики сопротивления.
М.-Л. Издательство "Энергия", 1966 (Библиотека по автоматике, вып.207).
4. Трухачев Б.С. и Удалов Н.П. Полупроводниковые тензопреобразователи.
М., "Энергия", 1968 (Библиотека по автоматике, вып.298).
