ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ТЕНЗОРЕЗИСТОРИ

Назад в розділ "Статті" >>

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ТЕНЗОРЕЗИСТОРИ

   Основним елементом тензодатчика є тензорезистор. Вони найкращим чином задовольняють критерію вартість-ефективність.

Основними характеристиками цих перетворювачів є:

• Температурна і тимчасова стабільність.
  
• Похибка вимірювання деформації, яка не повинна перевищувати Δll = 1 мкм / м в діапазоні ± 5% (± 50000мкм / м).
  
• Довжина і ширина датчика повинні бути достатньо малі для адекватного вимірювання деформації в точці.
  
• Інерційність датчика повинна бути мала для реєстрації високих частот динамічних процесів.
  
• Лінійність відгуку датчика в межах усього діапазону.
  
• Економічність датчика і зв'язаних з ним пристроїв.
  
• Мінімальні вимоги до кваліфікації обслуговуючого персоналу для установки і проведення вимірювань.
  

   Тензорезистори широко використовуються в якості чутливого елемента, датчиків для вимірювання сил, тиску. На тензоеффект вперше звернув увагу Кельвін в 1856 році.

   Дротяні тензодатчики були витіснені фольгованними.

   Напівпровідникові тензодатчики були отримані в результаті побічного дослідження. Вони набули поширення в 60-і роки.

   Фольгові датчики характеризуються граничною деформацією ± 5%.

Матеріали, найбільш використовувані в тензодатчиках

   Фізика зміни питомого опору при деформації матеріалу: деформація матеріалів пов'язана з деформацією грат. При цьому змінюється положення рівня Фермі, що позначається на концентрації вільних електронів.

Особливості матеріалів:

Константан - використовується в більшості тензодатчиків, завдяки незмінності тензочутливості і відсутності істотних змін при переході від пружних деформацій до пластичних. Він володіє високим питомим опором і температурною стабільністю.

Сплав карма - в порівнянні з константаном володіє рядом переваг:

• може бути скомпенсовано температурно в більш широкому діапазоні температур;
• нікелі-хромова основа сплаву забезпечує тензодатчиків більш високі втомні характеристики;
• сплав проявляє більш високу тимчасову стабільність, а, отже, кращий при вимірюванні статичних деформацій на протязі тривалого часу (від декількох місяців до декількох років);
  

Недолік:

• Трудність пайки вивідних провідників до контактних площадок датчика.
  

3) Ізоластік - володіє високою тензочутливістю і найбільш високими втомними характеристиками, однак він виключно чутливий до температури, а, отже, його сфера застосування обмежена або динамічними вимірами, або статичними, при яких нестабільність, пов'язана з температурою, не має значення.

4) Ніхром V, платіновольфрам, армюр Д - пріміняют в вузькоспеціальних додатках, пов'язаних з високими температурами, при яких набувають істотне значення стійкості до окислювальних процесів.

 Клеї, за допомогою яких приклеюють тензодатчики

   Клей, за допомогою якого приклеюють тензодатчик на зразок, повинен мати міцність, лінійну пружність і стабільність протягом тривалого періоду часу.

   Комбінація датчика: його несуча основа і клеї вимагають самої серйозної уваги. Необхідно застосовувати апробіруємі клеї і дотримувати процедури нанесення і сушіння.

   В якості клею найбільш широко використовується метил-2-ціаноакріад, епоксидна смола, полімід і деякі види кераміки.

   Ціаноакріад не вимагає ні нагрівання, ні затверджувачів для ініціювання полімеризації. Для прискорення полімеризації на одну з поверхонь може бути нанесений каталізатор. Завдяки дуже швидкої полімеризації цей клей є ідеальним компонентом для тензодатчиків загального призначення. Хвилинного натискання великим пальцем і двох хвилинної паузи виявляється достатньо. Він може використовуватися в діапазоні температур від -32 до +65 ° С. Він забезпечує правильний вимір деформації не вище 6%. Міцність клею знижується з часом через поглинання вологи, тому його необхідно захищати при тривалій експлуатації.

   Епоксидний складається з смоли і затверджувача, який вступає в реакцію зі смолою, забезпечуючи полімеризацію. У деяких випадках для в'язкості смоли в неї додають розчинник. Розбавлені смоли (епоксидно-фенольні) більш кращі, так як утворюють дуже тонкі високоміцні, однорідні плівки зі слабо вираженою повзучістю і гістерезисом. Для забезпечення тонкого однорідного шару до датчика повинен бути доданий тиск від 70 до 210 кПа. щоб гарантувати повну полімеризацію епоксидні клеї піддають підвищеній температурі протягом декількох годин. По-видимому, найкращими є епоксидно-фенольні клеї з робочим діапазоном температур від -269 до +260 ° С. Допустима відносно питома зміна знаходиться в межах 3-10%.

   Поліамідні являють собою однокомпонентний полімер, який може застосовуватися в діапазоні температур від -260 до +399 ° С. Поліамід затверджується при тиску 275кПа при температурі 260 ° С.

   Отже, для затвердіння потрібні порівняно високі тиск і температури (наприклад, 8 - 10 кгс/мм2, 170 ° С). Поверхня пружного елемента перед приклеюванням ретельно очищається механічними і хімічними засобами, а потім до неї приклеюють тензорезистори на шари відповідно клеять і ізолюючих речовин. Процес затвердіння ведуть за спеціальною температурно-часовою програмою. Після закінчення процесів "послеотверждения", якщо такі мають місце, приклеєні тензорезистори захищаються від дії навколишнього середовища.

   Після затвердіння клеїв тензодатчики повинні бути покриті герметиком (парафін, каучук, полімерітан).

Рисунок 1 - Конструкції тензорезисторних чутливих елементів датчиків

а і б - звичайні конструкції з товстими клейовими шарами dz; в - сучасна конструкція з тонким клейовим шаром dz.  
1 - пружний елемент; 2 - тензорезистор; 3 - основа тензорезистора; 4 - клейовий шар; 5-підкладка, просочена клеєм; 6 - ізолюючий шар з гарними механічними властивостями

Явища ослаблення напруги розглядалися досі завжди в зв'язку з процесами в клеї та конструкцією кріплення тензорезисторів. Це зрозуміло, тому що в період становлення техніки вимірювань, заснованої на тензорезисторах, на дослідження і зменшення повзучості клеїв було направлено основну увагу. Проте в даний час можна зменшити ці ефекти, принаймні до порядку значень ослаблення напружень, викликаних іншими причинами (наприклад, самим пружним елементом).Тому ослаблення клею слід розглядати тільки разом із іншими явищами, якщо ними взагалі не можна знехтувати. Різні причини похибок тензорезисторних датчиків зіставлені нижче:

Ослаблення в пружному елементі

В'язке ослаблення  через клейові шари завдяки сучасним засобам приклеювання стає часто пренебрежимо малим.

Температурний догляд нуля  виникає через теплові хвилі, що поширюються по пружному елементу, при вирівнюванні теплового стану, якщо тензорезистори мають великі температурні коефіцієнти опору (напівпровідникові тензорезистори).

Термоелектричні ефекти  виникають через процеси перерозподілу втрат потужності в мосту; також помітні тільки біля напівпровідникових тензорезисторів.

Ослаблення клею - єдиний ефект, який за своєю природою протилежний дії сили. Тому він може в принципі компенсувати ефекти ослаблення, що збігаються за своїм характером з силою, однак через різних постійних часу цих ефектів лише не повністю і з великою залежністю від температури.

Назад в розділ "Статті" >>