Главная страница Случайная лекция Мы поможем в написании ваших работ! Порталы: БиологияВойнаГеографияИнформатикаИскусствоИсторияКультураЛингвистикаМатематикаМедицинаОхрана трудаПолитикаПравоПсихологияРелигияТехникаФизикаФилософияЭкономика Мы поможем в написании ваших работ! |
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Лабораторная работа №3 «Тензорезисторные преобразователи. Электрические методы контроля давления»
Бийск 2006. Цель работы:
Изучить назначение, принцип действия и конструктивные особенности тензорезисторных преобразователей.
Ход работы:
Нагружая на винтовом прессе тензометрическую балку, измерять напряжение небаланса мостовой схемы. Шаг нагружения 0,1 мм. Деформацию балки контролировать часовым индикатором, напряжение небаланса – мультиметром. Для заданного преподавателем диапазона нагружений осуществить прямой и обратный ход. По полученным результатам расчитать вариацию измерительной мостовой схемы. Сделать выводы.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Предназначены для преобразования деформаций в электрический сигнал. Принцип действия: изменение электрического сопротивления проводящих элементов при их деформации. 1 Классификация тензорезисторов (по конструкции): 1. проволочные; 2. жидкопроводниковые; 3. фольговые; 4. пленочные; 5. полупроводниковые дискретного типа; 6. интегральные полупроводниковые.
1.1 Проволочные тензорезисторы
Проволочный тензорезистор –тензорезистор общего назначения с плоской петлевой решеткой из вытянутой проволоки. Диаметр проволоки 10 ... 30 мкм, R=30 ... 500 Ом, IБ =2 ...100 мм.
Кроме наиболее распространенной петлевой конструкции проволочных тензорезисторов, существуют и другие. При необходимости уменьшения измерительной базы преобразователя его изготавливают двухслойным, так называемым витковым способом. Диаметр проволоки у тензорезисторов с двухслойной петлевой решеткой – 10 ... 30 мкм, размер базы – 1.. 3 мм.
Тензорезистор с плоской беспетлевой многопроволочной решеткой имеет диаметр проволоки 10 ... 30 мкм, IБ = 3 ... 200м и более. Предназначен для традиционных измерений на металлических материалах и на участках со сложным распределением нагружений.
Беспетлевые однопроволочные из тянутой проволоки диаметром 10 ...20 мкм, IБ от 10 мм и выше, предназначены для измерений на металлических и неметаллических материалах. Тензорезисторы беспетлевые из жилы литого микропровода диаметром 2... 6 мкм, IБ = 1 ... 3 мм используются для измерения в зонах со значительными градиентами деформаций. В варианте, когда в одном месте необходимо измерить деформации в нескольких направлениях, применяют многоэлементные тензорезисторы (розетки), образованные из двух, трех или четырех линейных тензочувствительных элементов, объединенных общей основой.
Решетки проволочных тензорезисторов изготовляют из тензометрической константановой проволоки. В высокочувствительных тензорезисторах используют отожженную в вакууме мягкую константановую проволоку с относительным удлинением 10 ... 20%. Высокотемпературные тензорезисторы для измерений при температуре свыше 525К изготовляют из хромоникелевых, никель-молибденовых, а также легированных хромоникелевых сплавов. Тензорезисторы общего назначения обычно имеют бумажную и пленочную основу с ограниченной термо- и морозостойкостью и пригодны для измерений в диапазоне температур 225 ... 325 К. Диапазон измеряемых деформаций для них составляет +3 ... 10 тыс.еод.
1.2 Фольговые тензорезисторы
Фольговые тензорезисторы имеют решетку из тонколистового металла (фольги) толщиной 5 ... 10 мкм. Основой тензорезистора является пленка из синтетической смолы или бумага, пропитанная клеем. Толщина пленочного основания тензорезистора составляет 30 ... 40 мкм, бумажного – 80 ... 100 мкм. Выводы обычно изготовляют из медной проволоки 0,12 ... 0,15 мм. Фольговые тензорезисторы по сравнению с петлевыми проволочными имеют, как правило, лучшие технико-метрологические характеристики. Решетка может быть выполнена практически любой формы и размеров. Элементы решетки фольговых тензорезисторов имеют прямоугольное сечение с более выгодным отношением периметра к площади поперечного сечения, чем в тензорезисторах с круглым сечением элементов решетки. Благодаря этому рассеяние тепла фольговым тензорезистором происходит гораздо лучше, а допустимый рабочий ток и выходной сигнал могут быть значительно больше, чем у проволочного тензорезистора при тех же размерах. Фольговые по сравнению с проволочными имеют существенно более низкую чувствительность в поперечном направлении за счет увеличения ширины поперечных участков решетки. Технология изготовления фольговых тензорезисторов основана на использовании фотохимических процессов и обеспечивает получение решетки любой формы с базами от 0,3 мм и более. Технология удобна для массового производства.
Основные технологические этапы технологии изготовления фольговых тензорезисторов: 1. Проектирование тензорезистора и изготовление чертежа решетки. 2. Изготовление фотошаблона. Фотошаблон – изображение тензорезистора на фоточувствительной пленке или пластине в натуральную величину. На одном фотошаблоне обычно помещают от 60 до 200 изображений решеток тензорезисторов. 3. Нанесение рисунка решетки на фольгу. Эту операцию осуществляют путем контактного копирования с негатива на фольгу, предварительно покрытую светочувствительным кислотоупорным составом. 4. Травление. Участки фольги, не покрытые кислотоупорным составом, растворяются. 5. Присоединение выводных проводников. 6. Заделка в пленку.
1.3 Пленочные фоторезисторы
Тензорезисторы этого типа получают путем вакуумной возгонки (сублимации) тензочувствительного материала и последующей его конденсации на подложку.
1.4 Полупроводниковые тезорезисторы дискретного типа
Представляют собой тонкие полоски из кремния или германия. Толщина 20 ... 50 мкм, длина 2 ... 12 мм, ширина 0,15 ... 0,5 мм. Изменение сопротивления полупроводникового элемента при деформации в десять раз больше, чем проводникового. Существенно выше и величина выходного сигнала. Изготавливаются обычно путем резки монокристалла с последующим травлением. Травление необходимо для того, чтобы на поверхности тензочувствительного элемента не осталось микротрещин от механической обработки. Поликристаллические не используют из-за большого гистерезиса и временной нестабильности их характеристик.
1.5 Интегральные полупроводниковые тензорезисторы
Изготавливают по методу планарной технологии. Выращивают непосредственно на упругом элементе, выполненном из кремния или сапфира. Выращивают структуры в виде полумоста или моста и термокомпенсирующие элементы. КНК – кремний на кремнии. КНС – кремний на сапфире. Наибольшее распространение получили КНС. Недостатком КНК является невысокая надежность ввиду несовершенства электроизоляционных свойств р-n перехода.
2 Коэффициент тензочувствительности тензорезистора
Поперечное сечение проводника:
Площадь:
(1)
Коэффициент тензочувствительности:
, (2)
где - относительное изменение сопротивления проводника, - относительное изменение длины проводника
, (3)
где – абсолютное изменение, – сопротивление проводника
, (4)
где – изменение базы, – первоначальная длина Зависимость сопротивления от линейных размеров:
, (5)
где – сопротивление проводника длиной в недеформированном состоянии. Изменение сопротивления после малой деформации можно записать следующим образом:
(6)
(7)
, (8)
где – площадь поперечного сечения проводника
(9)
(10)
, (11) где – коэффициент Пуассона – величина, связывающая продольную и поперечную деформации ( , – поперечные деформации, – продольная деформация). При деформации помимо изменения геометрических размеров проводника, изменяются его свойства, в частности его величина удельного сопротивления , следовательно, изменяется и значение , поэтому для учета изменения электрических свойств вводится дополнительная величина , которая определяется следующим образом:
(12)
(13)
Для проводников (т.е. мало изменение электрических свойств), поэтому можно не учитывать. В пределе величина может принимать значение равное 0,5, следовательно, предельное значение . В этом случае справедлива формула . В случае применения полупроводниковых материалов , следовательно, .
3 Схемы включения тензорезисторов
В варианте использования транзистора для измерения механических величин он наклеивается на упругий элемент и вкупе с ним являет собой первичный преобразователь деформации (сил, давлений, ускорений, перемещений). Одна из распространенных форм упругого элемента – упругая балка. Последняя представляет собой пластину, один конец которой жестко крепится к корпусу прибора (имеет жесткую заделку), а ко второму прикладывается измеряемое усилие возможно через посредство ряда механических жестких (по сравнению с тензобалкой) элементов. Возможен вариант тензобалки с двумя опорами на концах. В этом случае усилие прикладывается в промежутке между опорами. Обязательным требованием является работа тензобалки в упругой области во всем диапазоне изменения измеряемой величины. Тензорезисторы приклеиваются на тензобалку в области максимальной чувствительности системы.
На рисунке 5 показана одноопорная балка, на которую наклеены четыре тензорезистора. К концу балки прикладывается усилие Р, при этом сопротивления и увеличиваются, а и - уменьшаются. Данную балку можно представить в виде схемы моста следующего вида:
Будем считать, что в недеформированном состоянии . Такое допущение оправдано, так как обычно на один упругий элемент наклеивают тензорезисторы из одной партии и из одной упаковки. В пределах одной партии характеристики тензорезисторов характеризуются небольшим разбросом. Напряжение на выходе моста можно представить как разность потенциалов точек 2 и 4 относительно одной из точек 1 или 3. В качестве опорной точки возьмем точку 1 и примем ее потенциал за нулевой, тогда:
(14)
(15)
(16)
Из схемы видно, что Тогда
, (17)
где - напряжение питания.
(18)
, (19)
где - коэффициент тензочувствительности (20)
Вариация измерительной схемы расчитывается по формуле:
, где DNmax – полученная экспериментально наибольшая разность показаний прибора при прямом и обратном ходе для одного и того же действительного значения измеряемой величины при одинаковых условиях измерения; Nmax и Nmin – максимальное и минимальное значения измеряемой величины.
Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 598; Нарушение авторских прав Мы поможем в написании ваших работ! |