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. 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.