ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕНЗОРЕЗИСТОРАХ

Назад в раздел "Статьи" >>

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕНЗОРЕЗИСТОРАХ

   Основным элементом тензодатчика является тензорезистор. Они наилучшим образом удовлетворяют критерию стоимость-эффективность.

Основными характеристиками этих преобразователей являются:

• Температурная и временная стабильность.
  
• Погрешность измерения деформации, которая не должна превышать Δll= 1 мкм/м в диапазоне ±5%(±50000мкм/м).
  
• Длина и ширина датчика должны быть достаточно малы для адекватного измерения деформации в точке.
  
• Инерционность датчика должна быть мала для регистрации высоких частот динамических процессов.
  
• Линейность отклика датчика в пределах всего диапазона.
  
• Экономичность датчика и сопряженных с ним устройств.
  
• Минимальные требования к квалификации обслуживающего персонала для установки и проведения измерений.
  

   Тензорезисторы широко используются в качестве чувствительного элемента, датчиков для измерения сил, давления.  На тензоэффект впервые обратил внимание Кельвин в 1856 году.

   Проволочные тензодатчики были вытеснены фольгованными.

   Полупроводниковые тензодатчики были получены в результате побочного исследования. Они получили распространение в 60-е годы.

   Фольговые датчики характеризуются предельной деформацией ±5%.

Материалы, наиболее используемые в тензодатчиках

   Физика изменения удельного сопротивления при деформации материала: деформация материалов связана с деформацией решётки. При этом изменяется положение уровня Ферми, что сказывается на концентрации свободных электронов.

Особенности материалов:

Константан – используется в большинстве тензодатчиков, благодаря неизменности тензочувствительности и отсутствию существенных изменений при переходе от упругих деформаций к пластическим. Он обладает высоким удельным сопротивлением  и температурной стабильностью.

Сплав карма – по сравнению с константаном обладает рядом преимуществ:

• может быть скомпенсирован температурно в более широком диапазоне температур;
• никеле-хромовая основа сплава обеспечивает тензодатчикам более высокие усталостные характеристики;
• сплав проявляет более высокую временную стабильность, а, следовательно, предпочтителен при измерении статических деформаций на протяжении длительного времени (от нескольких месяцев до нескольких лет);
  

Недостаток:

• Трудность пайки выводных проводников к контактным площадкам датчика.
  

3) Изоластик – обладает высокой тензочувствительностью и наиболее высокими усталостными характеристиками, однако он исключительно чувствителен к температуре, а, следовательно, его сфера применения ограничена или динамическими измерениями, или статическими, при которых нестабильность, связанная с температурой, не имеет значения.

4) Нихром V, платиновольфрам, армюр Д - применяют в узкоспециальных приложениях, связанных с высокими температурами, при которых приобретают существенное значение устойчивости к окислительным процессам.

 Клеи, с помощью которых приклеивают тензодатчики

   Клей, с помощью которого приклеивают тензодатчик на образец, должен обладать прочностью, линейной упругостью и стабильностью в течение длительного периода времени.

   Комбинация датчика: его несущая основа и клеи требуют самого серьезного внимания. Необходимо применять апробируемые клеи и соблюдать процедуры нанесения и сушки.

   В качестве клея наиболее широко используется метил-2-цианоакриад, эпоксидная смола, полимид и некоторые виды керамики.

   Цианоакриад не требует ни нагрева, ни отвердителей для инициирования полимеризации. Для ускорения полимеризации на одну из поверхностей может быть нанесён катализатор. Благодаря очень быстрой полимеризации этот клей является идеальным компонентом для тензодатчиков общего назначения. Минутного нажатия большим пальцем и двух минутной паузы оказывается достаточно. Он может использоваться в диапазоне температур от -32 до +65°С. Он обеспечивает правильное измерение деформации не выше 6%. Прочность клея снижается со временем из-за поглощения влаги, поэтому его необходимо защищать при длительной эксплуатации.

   Эпоксидный состоит из смолы и отвердителя, который вступает в реакцию со смолой, обеспечивая полимеризацию. В некоторых случаях для вязкости смолы в нее добавляют растворитель. Разбавленные смолы (эпоксидно-фенольные) более предпочтительны, так как образуют очень тонкие высокопрочные, однородные плёнки со слабо выраженной ползучестью и гистерезисом. Для обеспечения тонкого однородного слоя к датчику должно быть приложено давление от 70 до 210 кПа. чтобы гарантировать полную полимеризацию эпоксидные клеи подвергают повышенной температуре в течение нескольких часов. По-видимому, наилучшими являются эпоксидно-фенольные клеи с рабочим диапазоном температур от –269 до +260°С. Допустимое относительное удельное изменение находится в пределах 3-10%.

   Полиамидные представляют собой однокомпонентный полимер, который может применяться в диапазоне температур от –260 до +399°С. Полиамид утверждается при давлении 275кПа при температуре 260°С.

   Итак, для отверждения нужны сравнительно высокие давления и температуры (например, 8 — 10 кгс/мм2, 170° С). Поверхность упругого элемента перед приклеиванием тщательно очищается механическими и химическими средствами, а затем к ней приклеивают тензорезисторы на слои соответствующих клеящих и изолирующих веществ. Процесс отверждения ведут по специальной температурно-временной программе. После окончания процессов “послеотверждения”, если таковые имеют место, приклеенные тензорезисторы защищаются от действия окружающей среды.

   После отвердения клеев тензодатчики должны быть покрыты герметиком (парафин, каучук, полимеритан).

Рисунок 1 - Конструкции тензорезисторных чувствительных элементов датчиков

а и б - обычные конструкции с толстыми клеевыми слоями dz; в - современная конструкция с тонким клеевым слоем dz. 
1 - упругий элемент; 2 - тензорезистор; 3 - основа тензорезистора; 4 - клеевой слой; 5 -подложка, пропитанная клеем; 6 - изолирующий слой с хорошими механическими свойствами

Явления ослабления напряжения рассматривались до сих пор всегда в связи с процессами в клее и конструкцией крепления тензорезисторов. Это понятно, так как в период становления техники измерений, основанной на тензорезисторах, на исследование и уменьшение ползучести клеев было направлено основное внимание. Однако в настоящее время можно уменьшить эти эффекты, по крайней мере до порядка значений ослабления напряжений, вызванных другими причинами (например, самим упругим элементом). Поэтому ослабление клея следует рассматривать только вместе с другими явлениями, если ими вообще нельзя пренебречь. Различные причины погрешностей тензорезисторных датчиков сопоставлены ниже:

Ослабления в упругом элементе

Вязкое ослабление из-за клеевых слоев благодаря современным способам приклеивания становится часто пренебрежимо малым.

Температурный уход нуля возникает из-за тепловых волн, распространяющихся по упругому элементу, при выравнивании теплового состояния, если тензорезисторы имеют большие температурные коэффициенты сопротивления (полупроводниковые тензорезисторы).

Термоэлектрические эффекты возникают из-за процессов перераспределения потерь мощности в мосте; также заметны только у полупроводниковых тензорезисторов.

Ослабление клея — единственный эффект, который по своей природе противоположен действию силы. Поэтому он может в принципе компенсировать эффекты ослабления, совпадающие по своему характеру с силой, однако из-за различных постоянных времени этих эффектов лишь не полностью и с большой зависимостью от температуры.

Назад в раздел "Статьи" >>