Каталог
Ваш город: Москва другой город
+7 (495) 730-20-20, +7 (800) 1000-818 пн - пт, с 8:45 до 17:30 info@jumas.ru
Выберите город:

Россия

Москва Волгоград Екатеринбург Иркутск Йошкар-Ола Казань Краснодар

 

Красноярск Кемерово Кострома Нижний Новгород Пенза Самара Саратов

 

Саранск Тюмень Хабаровск Чебоксары Ярославль

Казахстан

Актау Алматы

Беларусь

Минск

Украина

Киев
Наши издания
«Механические приборы измерения и контроля давления» «Манометры»
Автор: Юрий Владимирович Мулёв, генеральный директор НПО «ЮМАС», доктор технических наук, профессор.

5.1.1. Тензопреобразователи

    Относительное изменение электрического сопротивления проводника под воздействием прилагаемого к нему деформирующего усилия положено в основу принципа работы тензорезисторного метода. Выражение, характеризующее действие этого принципа, может быть представлено как

                  dR= kRkdd,                                    (5.3)  

где dR – относительное изменение электрического сопротивления рабочего элемента тензопреобразователя; kR – коэффициент тензочувствительности; kd – коэффициент задействованности деформации; d – относительная деформация рабочей части упругого элемента.

    Из (5.3) следует, что определяющими в тензометрическом методе измерения являются чувствительность преобразователя и деформационная способность его упругой основы.

     Коэффициент тензочувствительности является функцией удельного сопротивления и геометрических размеров тензорезистора (при воздействии на него деформации) и определяется известной зависимостью

 

 kR = (1+2m) + DR.                               (5.4) 

Здесь m – коэффициент Пуассона; DR – относительное изменение удельного электрического сопротивления под воздействием относительной деформации.

   Тензопреобразователи могут выполняться в виде проволоки или фольги. Проволока закрепляется между электроизолированными опорами или фиксируется (наклеивается) на поверхности упругого элемента. Для повышения чувствительности преобразователя проволоку, константановую или выполненную из сплава НМ23ХЮ, размещают в виде серпантинно расположенной решетки, концы которой соединяют с измерителем электрического сопротивления. Тонкая фольга (4…12 мкм), закрепляемая лаком на поверхности упругого элемента, может также служить чувствительным элементом тензопреобразователя. Однако у таких конструкций может наблюдаться эффект ползучести, когда при долговременных деформациях металлическая фольга или проволока медленно возвращается к первоначальному ненапряженному состоянию (релаксация напряжений). При повышенных температурах этот эффект усиливается. Кроме того, лак, клей, основа преобразователя могут вызывать появление гистерезиса, как и металлическая фольга, проволока после снятия напряжения не сразу возвращаются к своей первоначальной геометрии.

    Наибольший тензоэффект (максимальная чувствительность) достигается травлением фольги и изготовлением чувствительного элемента в виде решетки (рис. 5.2). На базе 1 плотно фиксируется решетка 2, служащая основной рабочей частью преобразователя.

рис 5.2.jpg

Рис. 5.2.   Схема тензопреобразователя:1 – база; 2 – решетка; 3 – выходы

    Под воздействием давления база, а с ней и решетка деформируются, и изменяется электрическое сопротивление последней, о чем можно судить по показаниям измерителя сопротивления, подсоединяемого к выходам 3.

      Наиболее часто в последние годы применяются тензорезисторы в виде пленки с нанесенным путем вакуумной возгонки и последующей конденсации на ее поверхности тензочувствительным материалом.

       Подобным образом изготовляются полупроводниковые тензорезисторы на основе кремния и германия. На основе кремния могут функционировать две структуры: КНК (кремний на кремнии) и КНС (кремний на сапфире). КНК-структура сложна в реализации из-за несовершенства изоляционных свойств. Наиболее широкое применение, особенно в измерительных преобразователях теплотехнических параметров типа «Сапфир», «Метран», получили КНС-структуры.

     Одним из основных недостатков тензорезисторных методов измерения является температурная зависимость, т. е. нестабильность показаний, обусловленных влиянием температуры. снижения такого влияния можно добиться в измерительных схемах, работающих в комплексе с первичным измерительным преобразователем.

     Измерительные схемы, наиболее часто применяемые для работы с тензопреобразователем, выполняются в виде моста или делителя напряжения. Мостовая схема предпочтительнее, так как она позволяет, как это показано ниже, скомпенсировать различные побочные влияния. Однако в условиях ограниченной площади для установки тензопреобразователя, подверженного влиянию только деформационной составляющей, в качестве измерительной схемы применяют делитель напряжения.

      Элементами измерительной мостовой схемы также могут быть несколько тензопреобразователей и различные вспомогательные элементы. В зависимости от конструкции несколько тензорезисторов могут включаться последовательно, параллельно или последовательно-парал-лельно.

     В измерительную цепь часто включается дополнительный резистор, изменяющий свое сопротивление под влиянием «паразитного» фактора таким образом, чтобы сохранялся начальный разбаланс измерительной схемы. Так, с помощью включения в измерительную цепь терморезистора, сопротивление которого зависит только от температуры окружающей среды, в схеме учитывается и компенсируется мультипликативная температурная погрешность и на выходе генерируется электрический параметр, являющийся функцией только деформационной составляющей тензопреобразователя.

     Коэффициент задействованности деформации и относительная деформация рабочей части упругого элемента тензопреобразователя из выражения (5.1) зависят от конструкции упругого элемента – основы, на которой крепится непосредственно база преобразователя.

    В качестве упругих элементов при тензорезисторном методе измерения могут использоваться стержневые, кольцевые, мембранные, балочные конструкции. Однако наиболее часто в практическом приложении манометрии применяются мембраны. Толщина, размер гофров, диаметр – параметры, определяющие эффективность использования мембраны в качестве первичного преобразователя. Более детально варианты применения мембран в качестве чувствительных элементов манометрических приборов рассмотрены в п.2.3.

    В теплотехнических приборах наиболее часто применяются тензорезисторы в виде кремниевой пленки, нанесенной на сапфировую монокристаллическую основу (КНС-структура). В традиционном исполнении тензочувствительный элемент для измерительного преобразователя давления с рычажной деформацией конструктивно монтируется в цилиндре диаметром около 16 мм и длиной до 35 мм. К сожалению, процессы деформации чувствительного элемента в таких системах достаточно сложны, и рабочие характеристики их во многом зависят от уровня технологии изготовления.


Наверх