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, I_Б =2 ...100 мм.

а)	б)
Рисунок 1 – Проволочные тензорезисторы: а) с плоской петлевой решеткой б) с двухслойной петлевой решеткой 1 – основа (подложка); 2 – проволочная рамка; 3 – выводы; IБ – размер базы

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.

Рисунок 16 – Тензорезистор с плоской беспетлевой многопроволочной Решеткой

Тензорезистор с плоской беспетлевой многопроволочной решеткой имеет диаметр проволоки 10 ... 30 мкм, I_Б = 3 ... 200м и более. Предназначен для традиционных измерений на металлических материалах и на участках со сложным распределением нагружений.

Рисунок 2 Многоэлементный тензорезистор (розетка)

Беспетлевые однопроволочные из тянутой проволоки диаметром 10 ...20 мкм, I_Б от 10 мм и выше, предназначены для измерений на металлических и неметаллических материалах.

Тензорезисторы беспетлевые из жилы литого микропровода диаметром 2... 6 мкм, I_Б = 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.

Рисунок 3 – Фольговый тензорезистор

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:

Рисунок 4

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.

	Вид А
а)	б)
1 – упругий элемент; 2 – корпус прибора Рисунок 5 – Одноопорная балка: а) вид сбоку б) вид сверху

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:

Рисунок 6

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!