На что влияет база тензорезистора

Оценка влияния температурного воздействия на показания приклеиваемых тензорезисторов для испытаний при 300°с Текст научной статьи по специальности «Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Конурин Денис Владимирович, Пичков Сергей Николаевич, Шишулин Денис Николаевич

Представлены принцип действия и основные характеристики тензорезисторов . Дано описание экспериментальных исследований по подтверждению паспортной зависимости деформации тензорезистора ZFLA от температуры и работоспособности клея NP-50. Рассмотрен метод исключения фиктивной деформации тензорезистора от влияния температурного воздействия без применения компенсационного тензорезистора .

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Конурин Денис Владимирович, Пичков Сергей Николаевич, Шишулин Денис Николаевич

Математическое моделирование влияния нестационарных температур на МЭМС-структуры тонкопленочных тензорезисторных датчиков

Особенности применения полупроводниковых тензо- и барорезисторов на основе сульфида самария
Тарировка электротензометра
Анализ передачи деформации в высокотемпературном пленочном тензорезисторе
К методике экспериментальных исследований нагруженности элементов конструкций экскаваторов-мехлопат
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ASSESSMENT OF THE TEMPERATURE AT THE EFFECTS INDICATIONS GLUED STRAIN GAGES FOR TESTS AT 300 °C

Subject: The article presents the operating principle and main characteristics of the strain gauges. The description of experimental studies to validate the rating depending on the deformation of strain gage ZFLA of temperature and performance adhesive NP-50. Results: The method of exclusion dummy strain gage from the influence of temperature effects without compensating strain gage .

Текст научной работы на тему «Оценка влияния температурного воздействия на показания приклеиваемых тензорезисторов для испытаний при 300°с»

Д.В. Конурин, С.Н. Пичков, Д.Н. Шишулин

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОКАЗАНИЯ ПРИКЛЕИВАЕМЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ПРИ 300°С

ОКБМ им. И.И. Африкантова, Нижний Новгород

Представлены принцип действия и основные характеристики тензорезисторов. Дано описание экспериментальных исследований по подтверждению паспортной зависимости деформации тензорезистора от температуры и работоспособности клея №-50. Рассмотрен метод исключения фиктивной деформации тензорезистора от влияния температурного воздействия без применения компенсационного тензорезистора.

Ключевые слова: тензорезистор, провод, температурное воздействие, деформация, омическое сопротивление.

Тензометрические исследования являются одной из основных составных частей научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) на протяжении всей истории развития атомной энергетики, в частности, при отработке проектных решений реакторных установок (РУ). С помощью метода тензометрии решается задача определения напряженно-деформированного состояния объектов контроля с применением тензорезисторов и регистрирующей аппаратуры [1].

Принцип действия тензорезисторов основан на явлении тензоэффекта, заключающемся в изменении омического сопротивления Я проводников и полупроводников при их механической деформации.

Основной характеристикой тензорезистора является его коэффициент относительной тензочувствительности, определяемый как

т.е. отношение относительного изменения электросопротивления АИ/И тензорезистора к вызывающей это изменение деформации г = А1/1 исследуемого материала, где I — длина базы тензорезистора [2].

При испытаниях объектов контроля в большинстве случаев используют фольговые и полупроводниковые тензорезисторы.

Рис. 1. Типы тензорезисторов:

а — фольговый; б — полупроводниковый; 1 — тензо-чувствительные элементы; 2 — низкоомные перемычки; 3 — выводные контакты; 4 — подложка («основа») и наклеенный над тензорешеткой защитный слой тонкой бумаги; I — база тензорезистора

© Конурин Д.В., Пичков С.Н., Шишулин Д.Н., 2015.

В настоящее время большое распространение получили фольговые тензорезисторы (рис. 1, а) из металлической фольги толщиной не более 4. 6 мкм. Вследствие низкой поперечной чувствительности и плоского сечения элементов тензорешетки, они имеют при той же площади сечения более развитую поверхность приклейки, что улучшает условия их работы.

Полупроводниковые тензорезисторы (рис. 1, б), по сравнению с фольговыми, обладают значительно большей тензочувствительностью, меняющейся, однако, при деформации и при изменениях температуры. Несмотря на это, они эффективно применяются в упругих элементах различных измерительных приборов (например, динамометров), где большое значение имеет их высокая чувствительность, а отмеченные недостатки могут быть компенсированы.

Как правило, тензорезисторы монтируются на объект контроля двумя способами: аппликацией клеем и точечной сваркой. Диапазон измеряемых деформаций у современных тензорезисторов составляет от ±1000 до ±300 000 мкм/м. Существуют различные виды тен-зорезисторов по диапазону рабочих температур от — 269 до +800 °С.

На точность показаний тензорезисторов большое влияние оказывает температурное воздействие. При изменении температуры меняется начальное сопротивление тензорезисто-ра (температурная погрешность нуля) и коэффициент тензочувствительности (температурная погрешность чувствительности). Изменение начального сопротивления наклеенного тензоре-зистора определяется двумя факторами: изменением удельного сопротивления р материала как непосредственно под действием ДТ, так и под действием дополнительного механического напряжения, появляющегося в тензорезисторе, если коэффициенты линейного расширения (КЛР) объекта контроля и тензорезистора не равны. При этом полное относительное изменение сопротивления тензорезистора составит:

^ = аДГ + (рок — вТ)КДТ,

где а — температурный коэффициент сопротивления (ТКС); рок, вт — температурные коэффициенты линейного расширения (КЛР) материала объекта контроля и материала тензорези-стора соответственно; ДТ — изменение температуры. Д пт

Изменение — эквивалентно появлению некоторой фиктивной деформации, сигнал

от которой невозможно отличить от сигнала действительной, активной деформации. Для устранения этого эффекта существуют два метода. Первый состоит в применении специальных термокомпенсированных тензорезисторов. Например, медь и константан имеют ТКС разных знаков, поэтому, изготавливая решетку тензорезистора из двух материалов и подбирая сопротивление их частей соответствующим образом, можно получить нулевое прираще-Д Ят

ние —— в некотором диапазоне ДТ.

Второй метод устранения фиктивной деформации от температуры заключается в применении компенсационного тензорезистора, который устанавливается в непосредственной близости от рабочего тензорезистора, но не подвергается деформациям. В результате, из значений рабочего тензорезистора вычитаются значения компенсационного тензорезистора, тем самым, исключая влияние температуры на показания рабочего тензорезистора.

Авторами было проведено исследование влияния температурного воздействия на показания тензорезистора. Цель работы заключалась в подтверждении паспортной зависимости деформации тензорезистора от температуры, работоспособности клея, а также в поиске решения по исключению фиктивной деформации тензорезистора от влияния температуры.

Объектом исследований являлся тензорезистор типа 2БЬЛ. Основные технические характеристики тензорезистора представлены в табл. 1.

Основные технические характеристики тензорезистора ZFLA

Номинальное электрическое сопротивление R, Ом

Диапазон измерения деформации, млн-

Абсолютная погрешность измерения деформации, млн-1

Диапазон рабочих температур, °С

Интервал термокомпенсации, °С

Среднее значение чувствительности К

Датчики на основе тензорезисторов и принципы их применения в измерениях

В статье изложены принципы построения тензорезисторов, различные варианты схем включения, источники погрешностей измерений и методы их снижения.

Тензорезисторы [1–3] используются для измерения деформации в твёрдых телах. На их основе строят датчики веса, давления, силы, перемещения, момента, ускорения, вибрации, натяжения, крутящего момента, остаточных напряжений в механических конструкциях и деталях машин после их обработки и т.д. Принцип действия тензорезистора основан на изменении электрического сопротивления твёрдого тела при его деформации приложенной силой.

Сопротивление твёрдого тела длиной L с площадью поперечного сечения определяется формулой R = ρL/S , где ρ – удельное сопротивление. При приложении к телу растягивающей силы F (рис. 1) происходит деформация: увеличивается длина тела на ∆L и уменьшается площадь поперечного сечения на ∆S. У большинства тел изменяется также удельное сопротивление на величину ∆ρ. В случае когда эти приращения малы, путём логарифмирования и последующего дифференцирования обеих частей формулы для R получим:

Поскольку площадь поперечного сечения проводника пропорциональна его характерному поперечному размеру (в случае круглого сечения S = πd 2 /4, для прямоугольного сечения c×d площадь S = kd 2 , если c = kd), то при ∆d d в обоих случаях можно получить соотношение ∆S/S = 2∆d/d.

где ν = ∆d/d / ∆d/d – коэффициент Пуассона, для металлов равный ν = 0,25…0,4; ε = ∆L/L – относительное удлинение (относительная деформация) тела. Величина ε является безразмерной, но поскольку она измеряется тысячными и миллионными долями, для удобства оперирования числами используют безразмерные единицы измерения, такие как мм/м, мкм/м, а в зарубежной литературе чаще всего применяется единица микрострейн, равная 10 –6 .

У металлов удельное сопротивление меняется слабо, поэтому

то есть относительное изменение сопротивления линейно зависит от относительного изменения длины.

Чувствительность тензорезистора к изменению его длины характеризуется коэффициентом относительной тензочувствительности GF (Gauge Factor):

или, используя (2), получим:

Коэффициент тензочувствительности GF для большинства металлических тензодатчиков примерно равен 2, для платины GF = 6,1, для некоторых специальных сплавов он может доходить до 10.

Для измерения силы с помощью тензорезисторов используют закон Гука, согласно которому при упругой деформации механическое напряжение σ пропорционально относительной деформации ε:

где K – модуль упругости.

Напряжением σ называется физическая величина, численно равная упругой силе F, приходящейся на единицу площади поперечного сечения тела S (рис. 1): σ = F/S.

Используя приведённые соотношения, можно выразить величину силы через относительное изменение сопротивления тензорезистора в виде:

F = S • σ = S • K • ε. (6)

Подставляя вместо ε его значение из (4), получим:

Таким образом, измерение силы с помощью тензорезистора сводится к измерению его сопротивления или напряжения на выходе измерительного моста, которое зависит от сопротивления – см. (9).

Датчики на основе тензорезисторов

Конструктивно металлический датчик на основе тензорезистора (тензодатчик) состоит из очень тонкого провода или чаще из металлической фольги, сформированной в виде змейки (рис. 2) и нанесённой на подложку (носитель), которая непосредственно приклеивается к испытываемому телу. Типовая длина тензодатчиков колеблется от 0,2 мм до 10 см.

Змеевидная структура датчика обеспечивает большое относительное изменение длины фольги в направлении вдоль датчика и очень малое изменение при растяжении датчика в поперечном направлении. Поэтому коэффициент Пуассона в такой структуре минимален.

Серийные тензодатчики имеют сопротивление от 30 Ом до 3 кОм при типовых значениях 120 Ом, 350 Ом и 1 кОм. Материалами для них служат константан (45% Ni, 55% Cu), платина и её сплавы, нихром (80% Ni, 20% Cr), манганин (84% Cu, 12% Mn, 4% Ni), никель и др.

Для точной передачи растяжения образца через подложку на металлический проводник очень важно правильно прикрепить датчик к испытываемому образцу. Для этого лучше всего пользоваться информацией, предоставляемой изготовителем тензодатчика.

Длина чувствительного элемента тензодатчика и длина его подложки изменяются в зависимости от температуры. Поэтому несмотря на специальные меры, принимаемые при изготовлении тензодатчиков их производителями, существует проблема снижения температурной чувствительности. Температурная чувствительность определяется двумя физическими явлениями: зависимостью омического сопротивления материала тензорезистора от температуры и паразитным тензорезистивным эффектом, который возникает вследствие несогласованности температурных коэффициентов расширения тензорезистора и материала объекта, на который наклеен тензорезистор.

Измерения с помощью тензодатчиков

Измерения с помощью тензодатчиков требуют регистрации очень малых изменений сопротивления. Например, относительное изменение сопротивления, вызываемое относительным растяжением 0,0005 при тензорезистивном коэффициенте, равном 2, составит 0,1%, что для тензодатчика сопротивлением 120 Ом эквивалентно сопротивлению всего лишь 0,12 Ом. Чтобы измерять столь малое изменение сопротивления и скомпенсировать температурную погрешность, тензодатчики практически всегда используют в мостовой схеме (мост Уитстона, рис. 3), подключённой к источнику напряжения или тока (источнику питания моста).

Общепринятого стандарта для питания моста не существует. Типовыми являются напряжения 3 В и 10 В. Ток через тензодатчик обычно составляет от 2 до 30 мА для датчиков с сопротивлением от 1 кОм до 120 Ом. Напряжение питания моста должно быть по возможности большим, чтобы увеличить отношение сигнала к шуму, и в то же время достаточно малым, чтобы минимизировать погрешность, вызванную саморазогревом датчика. Особые требования предъявляются к точности и стабильности напряжения питания моста, если не используется шестипроводная схема подключения датчика (см. раздел «Влияние сопротивления соединительных проводов»).

Для проверки правильности калибровки измерительной схемы используют резистор с известным (калиброванным) значением сопротивления, которым шунтируют тензодатчик. Показания измерительной системы должны соответствовать расчётному значению для этого сопротивления.

В связи с малой величиной сигнала от тензодатчика во многих случаях целесообразно применять фильтр, ослабляющий помехи с частотой 50 Гц. Например, в модуле ввода сигналов тензодатчика NL-2SG фирмы НИЛ АП использован sinc-фильтр 3-го порядка, подавляющий помеху с частотой 50 Гц на 120 дБ.

Выходное напряжение измерительного моста (рис. 3) равно:

При условии баланса моста (R₁/R₂ = R_G/R₃) его выходное напряжение V₀ = 0. Малейшая разбалансировка вследствие изменения сопротивления тензодатчика приводит к появлению напряжения на выходе.

Обозначим абсолютное изменение сопротивления тензодатчика через ∆R. Тогда, как следует из (4),

∆R = R_G • GF • ε,

где R_G – сопротивление тензорезистора в ненапряженном состоянии.

Если сбалансировать мост таким образом, чтобы при отсутствии растяжения тензодатчика R ₁ = R₂ и R₃ = R_G, то из (8) получим:

Таким образом, зная напряжение на выходе моста, из формулы (9) мы можем найти относительное удлинение тензодатчика ε и из (6) – силу F.

Поскольку относительное удлинение зависит также от температуры, для компенсации температурной составляющей используют два тензочувствительных элемента, расположенных на общей подложке перпендикулярно друг другу (рис. 4).

При этом температурные удлинения обоих элементов одинаковы, а удлинения вследствие воздействия деформирующей силы будут разные. Используя эти элементы в разных плечах измерительного моста (рис. 5), можно частично скомпенсировать температурную погрешность.

Компенсация температурной погрешности, выполняемая изготовителем тензодатчиков, обычно не позволяет получить ошибку менее 10 микрострейн на градус. Однако, используя полиномиальную аппроксимацию температурной зависимости сопротивления для её программной компенсации, можно снизить температурную погрешность до 1 микрострейна на градус.

В полумостовой схеме (рис. 5) можно использовать два тензодатчика с нескомпенсированной температурной погрешностью, если один из них работает на растяжение, а второй – на сжатие, например в случае измерения механического напряжения изгибаемой балки. Таким образом можно повысить чувствительность схемы измерения в 2 раза и одновременно скомпенсировать температурную погрешность (рис. 6).

Дальнейшего повышения чувствительности схемы измерений можно достичь, если использовать четыре тензодатчика, два из которых работают на растяжение, а два других – на сжатие (рис. 7).

В схеме на рис. 6 относительное выходное напряжение моста равно:

а с учётом начального смещения напряжения вследствие дисбаланса моста V_см получим:

Если ввести обозначение

то для измерительной цепи, показанной на рис. 6, относительное растяжение тензодатчика в зависимости от относительного приращения напряжения на выходе моста V_r будет равно

Зная ε и пользуясь законом Гука в форме (6), можно найти искомую силу F.

Для других схем включения тензодатчиков, показанных на рис. 7–9, аналогичные формулы приведены в соответствующих подрисуночных подписях.

Начальная балансировка моста может быть выполнена как аппаратно (с помощью резисторов), так и программно. Эти методы имеют принципиальные различия.

Если мост не сбалансирован с помощью резисторов, то на его выходе присутствует напряжение дисбаланса V_см, которое складывается с полезным сигналом V_с, то есть V₀ = V_см + V_с. Если верхняя граница диапазона измерения напряжения (напряжение насыщения усилителя) равна V_max, то коэффициент усиления не может быть больше, чем V_max / (V_см + V_c), то есть максимально возможный коэффициент уси­ления сигнала K_с на выходе несбалансированного моста ограничивается напряжением дисбаланса: K_c ≤ V_max / V_см. Например, при типовом значении V_max = 2,5 В и V_см = 25 мВ коэффициент усиления сигнала не может быть больше 100. Однако практически необходимое усиление достигает 2000 (см. описание прибора SCXI-1121 фирмы National Instruments).

Таким образом, несмотря на возможность компенсации смещения программным способом, этот метод ограничивает возможность увеличения чувствительности измерительной системы. Им можно пользоваться для компенсации только небольших напряжений дисбаланса моста.

Влияние сопротивления соединительных проводов

В предыдущих измерительных цепях не были учтены сопротивления подводящих проводов. Однако при использовании низкоомных датчиков они могут достигать единиц и десятков ом, что вносит значительную погрешность в результат измерения.

Для решения этой проблемы весь измерительный мост обычно располагают рядом с датчиком, а сигналы с выхода моста измеряют модулями с высокоомным (потенциальным) входом. Для исключения погрешности, вызванной падением напряжения на проводах, передающих к мосту напряжение питания V_ex, используют шестипроводное подключение моста (рис. 10).

В этой цепи напряжение питания моста не задаётся, а измеряется. Поэтому падение напряжения на проводах питания не вносит погрешность в величину V_ex, которая используется в расчётных формулах.

Если сопротивления проводов невозможно сделать достаточно малыми, их измеряют и учитывают в дальнейших расчётах с целью исключения вносимой ими погрешности.

В подрисуночных подписях к рис. 11–13 приведены соответствующие формулы, которые могут быть реализованы программно в микропроцессоре модуля ввода сигналов тензодатчиков или в компьютере.

Составляющие погрешности измерения

При использовании тензорезисторов большинство источников погрешностей аналогичны тем, что возникают при использовании терморезисторов. Основными компонентами погрешностей являются следующие:

• случайная погрешность, вызванная технологическим разбросом сопротивлений тензорезисторов;
• систематическая погрешность, вызванная термоэлектрическим эффектом;
• тепловой и фликкер-шум измеряемого сопротивления;
• температурная погрешность, вызванная разогревом датчика протекающим током;
• погрешность, связанная с разностью температурных коэффициентов расширения тензорезистора и материала объекта, на который наклеен тензорезистор;
• погрешность метода (схемы измерения) сопротивления, зависящая от длины проводов и точности измерения их сопротивления;
• внешние наводки;
• сопротивление контактов;
• «ползучесть» сопротивления длительно нагруженного тензорезистора;
• погрешность измерительного модуля ввода.

Вследствие очень малой чувствительности тензорезисторов особую роль играют наведённые помехи. Для их уменьшения используют не витые пары, а четыре плетёных провода, в которых попарно параллельно соединяют провода, проходящие во взаимно перпендикулярных плоскостях. Это устраняет индуктивность обычной витой пары, которая представляет собой катушку индуктивности, если смотреть на витую пару с торца [4]. ●

Литература

1. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим про­цессом, экспериментом, оборудованием. – М. : Горячая линия – Телеком, 2009. – 608 с.
2. ГОСТ 20420-75. Тензорезисторы. Термины и определения.
3. ГОСТ 21616-91. Тензорезисторы. Общие технические условия.
4. Noise Control in Strain Gage Measurements. Tech. Note TN-501-2. – Vishay Micro-Measurements, 2007. – 8 p.

Статьи

Тензометрией называют методику измерения деформации какого-либо объекта или конструкции. Ее применение обусловлено тем, что нельзя напрямую измерить напряжение, поэтому с данной целью используют измерительные датчики или тензорезисторы.

По сути тензорезисторы являются тем чувствительным элементом, за счет перемены колебаний которого оценивается степень деформации. То есть напряжение, которое прикладывается к датчику, а значит появляется возможность оценивать степень напряжения и в материале. Не удивительно, что тензометрический датчик широко применяется в самых разных сферах деятельности промышленности, а также научно-исследовательских работах.

Конструкция и принцип работы тензорезисторов

Почему устройства реагируют на воздействия? Физический принцип их работы довольно прост и он заключается в их конструкции. Тензорезисторы бывают проволочными, фольговыми, пленочными. Это значит, что в качестве тензоэлемента выступает проволока или полоска фольги/пленки из хромо- или медно-никелевого сплава, которая приклеивается на изолирующую подложку. Соответственно, во время упругой деформации тензоэлемент удлиняется, омическое сопротивление меняется и формируется соответствующий сигнал.

Коэффициент чувствительности, а значит расчет на конкретное электрическое сопротивление, различен, то есть для каждого датчика он рассчитывается индивидуально. Чтобы данные были корректными, во время калибровки строго соблюдаются условия крепления на материале, например, тензорезисторы приклеиваются на определенный клей. Также специалисты внимательно следят за температурным диапазоном.

Виды тензорезисторов

Можно выделить несколько важных характеристик тензодатчиков, которые позволяют определить их вид, а значит удобство и сферу применения.

материал чувствительного элемента;

Нужно учитывать, что геометрия базы может быть различной — полу- или полномостовой, перпендикулярной, параллельной, радиально-мостовой, наклонной Простой вариант — линейная или четвертьмостовая. Материал решетки чаще всего — константановая фольга. Из других важных особенностей, определяющих вид тензодатчиков:

Номинальное сопротивление. Можно изготовить датчики с любой сопротивляемостью, этот показатель различен — от 50 до 1 000 Ом.

Температурный режим работы — от -50 до +80C.

Конструкции тензодатчиков

Тензодатчики имеют разные конструкции, что зависит от вида чувствительного элемента. Чтобы производился контроль за упругой деформацией, как мы уже отмечали выше, используются проволочные, пленочные или фольговые контактные материалы на тензорезисторах.

Фольговый элемент приклеивается на подложку. Аналогичными являются пленочные индикаторы, но в качестве реагирующего материала здесь используются специальные пленки с напылением, за счет чего увеличивается качество чувствительности системы. Проволочные датчики используются в электрической цепи устройств, которые предназначены для измерения нагрузки в широком диапазоне — от сотых грамм до тонны и более.

Чтобы достичь точного и заметного определения деформации элемента (изменения в сопротивлении незначительны), напряжение извне подключают к самому тензорезистору, а только потом внедряют в систему через мост. Он очень чувствителен, поэтому позволяет определить даже мельчайшие изменения в давлении на резистор. Соответственно, выходной электрический сигнал может быть аналоговым или цифровым.

Приведем несколько примеров тензорезисторов

Тензорезисторы фольговые константановые мембраны

Предназначены для исследования напряженных состояний различных материалов, которые вызваны приложенной силой. Возможно оценить механическую деформацию не только механизмов, но и подвижных объектов, например, электрического оборудования. Широко применяется в химической, медицинской промышленности.

Тензорезисторы мембранные константановые используются в качестве чувствительных элементов на силу, давление, перемещение, ускорение или крутящий момент. Поэтому могут использоваться не только в экспериментальных процессах, но и в качестве контроля. Подробнее об устройствах вы можете узнать в разделе нашего каталога — https://www.sibtenzo.com/products/tenzorezistory-folgovye-konstantanovye-membrany/.

Тензорезисторы фольговые константановые одиночные

Используются для оценки механических напряжений у разного вида механизмов, в том числе подвижных элементов. То есть применяются для измерения ускорения, силы, давления, оценки крутящего момента или перемещения. Поэтому приборы успешно внедряются с целью проведения экспериментов или организации контроля в промышленных условиях.

Тензорезисторы фольговые константановые одиночные представлены в этом разделе каталога — https://www.sibtenzo.com/products/tenzorezistory-folgovye-konstantanovye-odinochnye/.

Тензорезисторы фольговые константановые розетки

Помогают выявить даже незаметные деформации или удлинения, которые могут встречаться в разных видах конструкций. Таким образом тензорезисторы фольговые константановые розетки помогают обнаружить напряжение от нагрузки, которая была приложена к объекту. Также устройства помогают понять, насколько прочной и безопасной можно считать конструкцию. Они применимы к механизмам и статичным изделиям различных форм, изготовленных из разных материалов.

Преимущества тензорезистора

Применение тензодатчиков в электрических схемах получило весьма широкое распространение. Это объясняется неоспоримыми достоинствами таких элементов:

незначительная масса — не будет оказывать существенного влияния на конечный вес измерительных приборов;

Как выбрать тензодатчик?

Выбор тензорезистора должен осуществляется на основании особенностей объекта, куда его планируется внедрять. То есть учитываются тип и величина деформации, температура окружающей среды. Поэтому фольговые, как и другие виды тензодатчиков, разделяются по областям использования, отметим распространенные:

общее измерение напряжений;

На качество работы чувствительных элементов во многом влияют стабильность работы преобразователей выходного сигнала и кабельной аппаратуры. То есть, кабель должен соответствовать заявленным условиям измерений. Например, если предполагается работа при высоких/низких температурах, то и кабель должен выдерживать экстремальные окружающие условия.

В ООО УК «Сибтензоприбор» вы можете купить фольговые тензорезисторы разных типов, терминальные площадки, настроечные резисторы. Мы занимаемся разработкой и производством приборов и гарантируем их качество. Если у вас возникли сложности с выбором или есть вопросы, позвоните нам по телефону, размещенному на сайте.

Тензорезисторы

Тензорезистор — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Он является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Теоретические предпосылки возможности использования металлических проводников при измерении деформаций были получены во второй половине позапрошлого столетия (русским ученым О. Д. Хвольсоном в 1881 г. и др.), однако реализация этих положений была осуществлена значительно позднее. Первые попытки практического использования электрического провода при измерении деформации относятся к началу 30-х годов XX века, однако «официальной» датой рождения проволочного тензодатчика можно считать 1938 г., когда Симмонсом и Рюджем в США практически одновременно и независимо друг от друга были созданы первые работоспособные датчики.

У нас в стране изготовление и применение полукустарных проволочных тензодатчиков началось еще до Великой Отечественной войны, а после войны проволочная тензометрия получила самое широкое распространение в различных отраслях науки и техники.

Из советских организаций, имевших большой опыт разработки проволочных тензодатчиков, следует отметить в первую очередь Научно-исследовательский конструкторский институт испытательных машин, приборов и средств измерения масс (НИКИМП), Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ), Центральный котлотурбинный институт им. И.И. Ползунова (НПО ЦКТИ), Институт машиноведения (ИМАШ РАН) и др.
Тензометрическая микропроволока из константана диаметром 0,025-0,035 мм была разработана совместно НИКИМП, институтом «Гипроцветметобработка» и подольским заводом «Микропровод».
Промышленный выпуск резисторов был первоначально налажен на Томском заводе научно-лабораторных и тензометрических приборов (позднее Томский завод математических машин), в ЦНИИ железнодорожного транспорта (ныне ВНИИЖТ) и уже упомянутых ЦАГИ, ЦНИИТМАШ, НИКИМП; в дальнейшем к ним подключились серийные заводы «Тбилприбор» и Уралмашзавод, и ряд иных предприятий.

Решетка проволочного тензорезистора может состоять из параллельных петель, витков плоской катушки, параллельных нитей с перемычками из более толстого провода или фольги или одиночной проволоки.

Решетки проволочных тензодатчиков: а — петлевая; б — витковая; в — с перемычками (S — база датчика; 1 — решетка датчика; 2 — выводные проводники, 3 — перемычки)

Недостаток проволочных — поперечная чувствительность (из-за «петелек», где проволока меняет направление).

На замену им появились фольговые тензорезисторы, первые упоминания о которых относятся к 1954 г. Значительный объём работ по разработке фольговых резисторов был проведён в ЦАГИ и ЦНИИТМАШ. Выпуск первых отечественных серийных фольговых тензорезисторов, марки ФК, был налажен на Томском заводе математических машин.

Такие тензодатчики и поныне широко применяются при экспериментальных исследованиях напряженного состояния конструкций, а также в качестве преобразователей деформаций в различных измерительных устройствах. Они малоинерционны, позволяют дистанционно и во многих точках проводить измерения; способ установки их на исследуемую деталь не требует сложных приспособлений и не искажает поле деформаций исследуемой детали. Малые размеры и масса фольговых тензорезисторов позволяют размещать их в труднодоступных местах и устанавливать на детали в период сборки конструкции.

Решетки фольговых тензорезисторов изготавливаются травлением из фольги толщиной 0,004—0,02 мм, что позволяет создать тензосопротивления самой сложной конфигурации. Они имеют минимальную базу 0,4 мм, предел измеряемых деформаций до 2% и номинальное сопротивление 50—1000 Ом (обычно от 100 до 400 Ом). У самых ходовых база 5-20 мм, но бывает и полукустарная экзотика от 1 мм до 10 см (для бетона).

Предусматриваются формы решетки, удобные для решения спец. задач, например для измерения трех компонент деформации (розетки из трех датчиков под 120 или 90-45 градусов), деформации в мембранах и др.

а — для измерения одной компоненты деформации; б и в — для измерения трех компонент деформации (розетки); г — для измерения кольцевых деформаций (S — база датчика)

Для измерений при комнатных температуpax решетки изготавливаются из константановой фольги толщиной 5. 15 мк и выше. Для измерении при повышенных температуpax применяются константан (до 250—300°С), сплавы типа карма и эваном (до 350—400°С), сплавы на основе никеля и молибдена (до 450—500°С), легированный нихром (до 700°С при измерении статических деформаций и до 900°С при измерении динамических деформаций), а также железо-хром-алюминиевые сплавы (до 700°С).
Высококачественные фольговые датчики выполняют на основе золото-серебряных сплавов, нержавеющих сплавов, плакированной платины и сплавов на ее основе (до 1000°С при измерении динамических деформаций). Наилучшим материалом следует считать фольгу из золото-серебряного сплава и медноникелевую фольгу толщиной до 12 мк. Сопротивление датчиков, изготовленных из этих материалов, лежит в пределах от 55 до 250 Ом. Применяются также и иные материалы, см. таблицы.

Решетка тензорезисторов предназначеных для измерений при комнатных температуpax, имеет бумажную основу, которая при установке приклеивается к поверхности исследуемой детали. Советские датчики первоначально клеили на ацетон-целлулоидный, кремнетоглифталевый, эпоксидный и карбинольный клеи, затем на БФ2 с термообработкой (лучший вариант) или на циакрин (недолговечно, для кратковременных измерений). Вот отечественная инструкция по наклейке термодатчиков.
Для измерений при повышенных температурах тензорезисторы изготавливаются в пленке клея или цемента без подложки или на временной основе из полимерных материалов. Помимо термоустойчивости, плёночная основа увеличивает стабильность работы тензорезисторов, не подвержена действию влаги, а в ряде случаев и агрессивных жидкостей. Наибольшее распространение получили бакелитовый и бакелито-фенольный клеи (до 150—200°С), кремнийорганические клеи (до 500—550°С), керамические цементы (до 700°С при статических измерениях и до 1000°С при динамических измерениях).

Поперечное сечение приклеенного тензодатчика:

1 — проволока или фольга решетки; 2 — клей, крепящий решетку к основе; 3 — основа; 4 — клей, крепящий датчик к детали; 5 — деталь

Пример такого резистора — тензометр сопротивления для определения одновременно двух главных компонент деформации при плоском напряжённом состоянии:

Для повышенных температур применяют также привариваемые датчики, в которых тензочувствительная решетка из проволоки или фольги с помощью клея закреплена на подложке из стальной фольги толщиной 0,1—0,15 мм. Такие датчики полностью термообрабатываются, тарируются и сортируются по температурной характеристике при изготовлении, что значительно повышает точность измерений.

Зависимость сопротивления тензорезисторов от температуры определяется температурными коэффициентами удлинения материала детали и материала решетки датчика, а также температурным коэффициентом сопротивления материала решетки датчика и его тензочувствительностью.

При измерениях деформаций в условиях изменяющейся температуры должны вводиться поправки на температуру или применяться схемная компенсация.

Автоматическое введение поправок на температуру может быть получено при введении в конструкцию датчика дополнительных петель из проволоки, имеющей обратный (по знаку) температурный коэффициент, включаемых последовательно с тензорезистором, или петель из проволоки с высоким температурным коэффициентом, включаемых в смежное плечо моста.

Фольговый датчик с компенсационной петлей:

1 — решетка датчика; 2 — платиновая компенсационная петля; 3 — выводы; S — база датчика

Из некоторых сплавов, например типа карма, путем спец. термообработки изготавливаются самотермокомпенсированные тензорезисторы для измерений на различных материалах. Температурная компенсация достигается в диапазоне температур до 350—400°С. Для более узкого диапазона температур самотермокомпенсированные тензорезисторы могут быть изготовлены из константана.
При измерении статических деформаций диапазон допустимых температур определяется стабильностью температурной характеристики, сопротивления, коэффициентом тензочувствительности. При измерении динамических деформаций основное значение имеет стабильность коэффициента тензочувствительности.

Основные параметры

Чувствительность тензорезисторов зависит в первую очередь от тензочувствительного материала, но также и от свойств связующего, условий окружающей среды и других факторов.
Для тензорезисторов с петлевой проволочной решеткой наблюдается ярко выраженная зависимость тензочувствительности от измерительной базы из-за чувствительности петель к поперечным деформациям, а также вследствие того, что петли являются менее активными участками решетки при восприятии продольных деформаций и при уменьшении базы относительная протяженность петлевых участков увеличивается. Фольговые тензорезисторы в меньшей степени подвержены влиянию поперечных деформаций, а тензорезисторы с беспетлевой проволочной решеткой полностью свободны от этого недостатка.
Величина тензочувствительности зависит также от условий передачи деформации на тензорезисторы, т.е. от качества приклейки и расстояния от кромок основы до концов тензочувствительного элемента.

Ползучесть тензорезисторов проявляется, как правило, в виде асимптотически затухающего во времени процесса изменения сопротивления при постоянной деформации независимо от ее знака при фиксированных значениях влияющих величин.
Она связана с неидеальностью упругих характеристик материалов основы и связующего. Обычно ползучесть тензорезисторов не превышает 0,5—1% за час и 1—2% за 6 ч и в наибольшей степени проявляется при первом нагружении.

Механический гистерезис тензорезисторов также в основном связан с несовершенством упругих характеристик основы и связующего. Гистерезис имеет место при циклических нагружениях преимущественно в пределах первых циклов и проявляется в виде невоспроизводимости отсчетов (при равных деформациях) при нагружении и разгрузке.
Величина гистерезиса колеблется в пределах 0,5—5,0% от диапазона измерений и зависит от конструкции тензочувствительного элемента, величин измеряемых деформаций и числа предыдущих нагружений, материала основы и связующего, а также температуры и влажности окружающей среды.

Чувствительность к внешнему давлению для тензорезисторов с проводниковыми чувствительными элементами незначительна, за исключением тензорезисторов с решетками из манганина. Весьма высокую чувствительность к давлению в определенных кристаллографических направлениях имеют полупроводниковые материалы, что позволяет использовать их для преобразователей давления.

Температурные характеристики тензорезисторов связаны с особенностями их работы при высоких или низких температурах и соответствующими изменениями их сопротивления. Нормируемыми температурными характеристиками тензорезисторов являются: температурный коэффициент сопротивления (ТКС), температурный дрейф нуля и температурная ползучесть.

Температурный коэффициент сопротивления тензорезисторов изменяется в широких пределах и может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Путем подбора тензочувствительного материала с нужным значением ТКС температурные погрешности могут быть существенно уменьшены, что позволяет, в частности, обеспечить самотермокомпенсацию тензорезисторов.

Температурный дрейф тензорезисторов имеет место при постоянных повышенных и высоких температурах и вызывается нестационарными изменениями свойств материалов тензорезисторов при изменениях теплового баланса с внешней средой.

Температурная ползучесть тензорезисторов проявляется при повышенных и высоких температурах как результат изменений механических и реологических свойств основы и связующего. Как правило, температурная ползучесть в 2—5 раз превышает ползучесть при нормальной температуре.

Сопротивление изоляции решетки тензорезистора относительно объекта измерений. Существенное влияние на точность и надежность результатов измерений оказывают изоляционные свойства основы и связующего. Сопротивление изоляционного слоя между поверхностью объекта измерений и решеткой тензорезистора зависит от условий контакта последней со связующим, объемного удельного сопротивления материала основы и связующего, их толщины, а также температуры и влажности окружающей среды.
В зависимости от типа тензорезисторов и условий применения допустимый нижний предел сопротивления изоляции составляет 0,1—100 МОм. Дальнейшее понижение величины сопротивления изоляции может привести к появлению значительных погрешностей, не поддающихся контролю или учету.

Динамические характеристики тензорезисторов. При измерении динамических деформаций необходимо учитывать зависимость результатов измерений от соотношения между измерительной базой и длиной волны. Большинство тензорезисторов наклеиваемого типа позволяют осуществлять регистрацию динамических деформаций при частотах до 50 кГц. Существенное значение при этом имеет обеспечение динамической стойкости тензорезисторов, достигаемое специальными конструктивными приемами. Динамические погрешности определяются в этом случае расстройством адгезионных связей, а также усталостными нарушениями структуры материала тензочувствительного элемента, что приводит к изменению чувствительности.
Привариваемые тензорезисторы на комбинированной основе сохраняют чувствительность неизменной при частотах до 100—500 Гц.

Проволочные тензорезисторы

Проволочные тензорезисторы имеют в качестве чувствительного элемента решетку, выполненную из тонкой проволоки диаметром от 2 до 50 мкм, полученной методом волочения (при диаметрах 10—50 мкм) или методом микрометаллургии (литой микропровод в стеклянной изоляции с диаметром жилы от 2 до 6 мкм).

Минимальная база датчика для проволочных тензорезисторов S = 2 мм, предел измеряемых деформаций 1%, номинальное сопротивление 50—1000 Ом.

Первые конструкции проволочных датчиков отличались от современных тем, что ранее проволока располагалась между двумя слоями бумаги. Для этих датчиков применялась тонкая конденсаторная бумага толщиной 10—15 мкм. Проволоку обычно наклеивали на эту бумагу нитроцеллюлозным клеем. После припайки выводных концов сверх измерительной проволоки наклеивали еще такую же бумагу, но уже другим клеем, обычно карбинольным, или раствором канифоли в коллодиуме, не растворяющим первый клей, чтобы не нарушить намотку датчика.
Тонкая конденсаторная бумага не обеспечивала достаточной изоляции проволоки от металла детали, вследствие чего между датчиком и деталью наклеивали еще один слой бумаги, увеличивавший изоляцию датчика.
В современных конструкциях датчиков проволоку наклеивают на более плотную бумагу и оставляют открытой сверху. Бумагу выбирают белую, хорошего качества толщиной около 0,07 мм. Рыхлая бумага может расслаиваться, ввиду чего она менее пригодна. Бумага не должна пропускать или фильтровать клей; необходимо, чтобы клей проникал в бумагу, но не просачивался на другую сторону. Это обеспечивает сохранность намотки датчика при наклейке его тем же клеем и способствует повышению изоляции датчика.

Проводники, употребляемые для выводов, могут быть проволочные и ленточные. Припаивание к плоским лентам проще и надежнее, чем к круглой проволоке, кроме того, при этом не наблюдается замыкания датчика на корпус, как это иногда происходит при продавливании бумаги круглым проводником. Для выводных проводников применяется либо латунная лента толщиной около 0,04 мм, либо луженая медная или серебряная проволока диаметром 0,3—0,4 мм.

Проволочные тензорезисторы отличаются относительной простотой изготовления, не требуют сложного оборудования для производства и в равной степени пригодны при измерениях статических и динамических деформаций, а также для измерений как упругих деформаций. Это в основном обусловлено совершенством формы сечения и поверхности тянутой и литой проволоки, используемой для изготовления решетки, что определяет ее высокую деформативность и динамическую стойкость. Проволока легко поддается специальной термообработке, что позволяет успешно использовать ее для высоко- и низкотемпературной тензометрии.

Основным недостатком проволочных тензорезисторов является трудность образования сложных форм решеток, а также решеток с базами меньше 3мм. У тензорезисторов с петлевой решеткой при малых базах значительно возрастает поперечная чувствительность.

В зависимости от вида чувствительного элемента проволочные одноэлементные тензорезисторы подразделяют на пять групп:
— тензорезисторы общего назначения с плоской петлевой решеткой из натянутой проволоки диаметром 10—30 мкм с базами от 2 до 100 мм и более (см. рис. а);
— тензорезисторы с двухслойной петлевой решеткой из такой же проволоки, с базами 1—3 мм, используемые для измерений при значительных градиентах измеряемых деформаций (см. рис. б);
— тензорезисторы с плоской беспетлевой многопроволочной решеткой из тянутой проволоки диаметром 10—30 мкм с базами от 3 до 200 мм и более для прецизионных измерений на металлических материалах и на участках со сложным распределением напряжений (см. рис. в);
— тензорезисторы беспетлевые однопроволочные из тянутой проволоки диаметром 10—20 мкм с базами от 10 мм и выше для измерений на металлических и неметаллических материалах (см. рис. г);
— тензорезисторы беспетлевые однопроволочные из литого микропровода из сплава СЛМ, с которого удалена стеклянная оболочка. Диаметр металлической жилы составляет 2—6 мкм, с базами от 1 до 3 мм для измерения в зонах со значительными градиентами деформаций (см. рис. д);

В случаях, когда в одной точке необходимо измерить деформации в нескольких направлениях, применяют многоэлементные тензорезисторы (розетки), образованные из двух, трех или четырех линейных тензочувствительных элементов, объединенных общей основой:

Беспетлевые тензорезисторы имеют более высокие технико-метрологические характеристики благодаря оптимальной схеме решетки и лучшим условиям передачи измеряемой деформации на ее активную часть. Беспетлевые тензорезисторы свободны, в частности, от поперечной чувствительности, влиянию которой подвержены тензорезисторы с петлевой решеткой. Разброс значений чувствительности и ползучести, а также влияние поперечной обрезки основы беспетлевых тензорезисторов существенно меньше, чем петлевых. Зоны концентраций, являющиеся главной причиной ползучести и нестабильности чувствительности, у беспетлевых тензорезисторов расположены за пределами активной части решетки.

Размеры базы беспетлевых тензорезисторов не имеют ограничений по технологическим и метрологическим причинам. Минимальные размеры измерительной базы ограничиваются в этом случае трудностями изготовления тянутой проволоки диаметром менее 10 мкм, что не позволяет получить достаточно узкую решетку с сопротивлением выше 50 Ом. С появлением тензорезисторов из жил литого микропровода проволочные тензорезисторы стало возможным выполнять с базами от 1 мм.

Решетки проволочных тензорезисторов изготовляют из тензометрической константановой проволоки по ТУ 48-08-03-143—71 ГИПРОЦМО, а также из твердой константановой проволоки МНМц 40-1,5 по ГОСТ 5307—69.

В проволочных тензорезисторах, предназначенных для измерений деформаций свыше 10 тыс. еод (единиц относительной деформации, 1 еод = 0,0001%, равносильна англоязычной ppm), используют отожженную в вакууме мягкую константановую проволоку с относительным удлинением 10—20%. Высокотемпературные тензорезисторы для измерений при температурах свыше 525—575 К изготовляют из хромоникелевых, никель-молибденовых, а также легированных хромоникелевых сплавов типа эваном и карма.

Тензорезисторы общего назначения обычно имеют бумажную и пленочную основу с ограниченной термо- и морозостойкостью и пригодны для измерений в климатическом диапазоне температур 225—325 К. Диапазон измеряемых деформаций для таких тензорезисторов составляет ±3 тыс.—10 тыс. еод.

Наиболее распространённые типы:

— проволочные тензорезисторы общего назначения с одноэлементной петлевой решеткой на бумажной основе. Эти тензорезисторы имеют константановую решетку и основу из папиросной (ПКБ, 2ПКБ, К, Е), конденсаторной (ПКБК) и тетрадной (ПКБТ) бумаги. Рекомендуемые монтажные клеи — 192-Т, циакрин, карбинольный, целлулоидный; для ПКБГ, 2ПКБГ, ПКБК и ПКБТ — также БФ2 с нормальной термообработкой после наклейки. Предельная измеряемая деформация: ПКБ и 2ПКБ ±3тыс. еод; ППКБК и ППКБТ ±10тыс. еод; К и Е ±5тыс. еод. Ползучесть: ПКБ и 2ПКБ 0,5—2,5%; ППКБК и ППКБТ 0,5%; К и Е 2,0%.
— проволочные тензорезисторы общего назначения с одноэлементной петлевой решеткой на пленочной основе. Они имеют константановую решетку и основу из пленки БФ2 или ВЛ-4 и ВЛ-931. Рекомендуемые монтажные клеи — БФ2, БФ4, ВЛ-4, ВЛ-931, в зависимости от материала основы с нормальной термообработкой после наклейки, а также циакрин. Предельная измеряемая деформация: ПКП и 2ПКП ±3тыс. еод; ППКП с решеткой из твердого константана ±10тыс. еод; ППКП, с решеткой из мягкого константана и основой из пластифицированной пленки БФ2 до ±50тыс. еод. Ползучесть: ПКП 0,15—0,5%; 2ПКП 0,3%; ППКП 0,5%.
— проволочные тензорезисторы общего назначения с многоэлементной петлевой решеткой на бумажной и пленочной основе. Эти тензорезисторы (розетки) имеют константановую решетку и основу из конденсаторной (ППКБК) и тетрадной (ППКБТ) бумаги и пленки БФ2 (ППКП). Рекомендуемые монтажные клеи для ППКБК и ППКБТ — 192Т, циакрин, карбинольный, целлулоидный; для ППКП — БФ2 и БФ4. Предельная измеряемая деформация для всех типов многоэлементных тензорезисторов — 10 тыс. еод. Ползучесть — не больше 0,5%.
— проволочные тензорезисторы с одноэлементной беспетлевой решеткой на бумажной и пленочной основе. Тензорезисторы типов ПНКБК и ПНКБТ имеют многопроволочную константановую решетку и соответственно основу из конденсаторной и тетрадной бумаги. Микропроволочные тензорезисторы МПБ имеют тензочувствительный элемент из одиночной жилы литого микропровода. Рекомендуемые монтажные клеи: циакрин — для всех типов, 192Т, карбинольный и целлулоидный — для ПНКБК, ПНКБТ и МПБ, а также БФ2 — для ПНКБК, ПНКБТ и ПНКП. Предельная измеряемая деформация: ПНКБК, ПНКБТ и ПНКП ±10тыс. еод; МПБ ±3 тыс. еод. Ползучесть: ПНКБК, ПНКБТ и ПНКП До 0,5%; МПБ 2%.
— проволочные тензорезисторы с одноэлементной петлевой решеткой на бумажной основе для измерений при низких температурах и в климатическом диапазоне температур. Они имеют константановую решетку и основу из папиросной (К, КБ и Е) и конденсаторной бумаги (КБП). Рекомендуемые монтажные клеи — целлулоидный, циакрин (К), БФ2 (КБ и КБП) и ВС-10Т (Е428). Предельная измеряемая деформация: К при Т=295 К ±5тыс. еод; К при Т -5 1/К.
— проволочные тензорезисторы с одноэлементной петлевой решеткой из константана на бумажной, пленочной, стеклотканевой и временной основе для измерений при повышенных температурах. Тензорезисторы этой группы имеют константановую решетку и основу из папиросной бумаги (Е 001—018; ДКТ), пленки БФ2 (Е 019—040), стеклоткани (КСП) или временную основу (КВВ, КВЦ, ЛХ). Рекомендуемые монтажные связующие: клеи ВС-10Т (Е 001—018), БФ2 (Е 019—040), ВК-9 (ДКТ), полимерный клей холодного отверждения (КСП), лак ВЛ-9 (КВВ), цементы ВН-12 и ВН-15 (КВЦ) и ВН-76 (ЛХ). Предельная измеряемая деформация: Е ±5 тыс. еод; ДКТ ±3 тыс. еод; КСП ±1,5 тыс. еод; КВВ при Т=295 К ±5 тыс. еод; КВВ при Т>295 К ±1,5 тыс. еод; КВЦ при Т=295 ±5 тыс. еод; КВЦ при Т>295 К ±2 тыс. еод; ЛХ ±3—5 ±5 тыс. еод. Ползучесть при Т=295 К: Е До 1%; ДКТ 3%; КСП 1,5%; КВВ 0,3%; КВЦ 1%. Ползучесть при Т>295 К: ДКТ 3%; КСП 10%; КВВ 4%; ЛХ 0,5%. Температурный коэффициент сопротивления: Е — термокомпенсированы для стали ЗОХГСА, бронзы БРАЖД-4, дюралюминия Д16Т, ТКС = ±3×10 -5 1/К; ДКТ — термокомпенсированы для стали, дюралюминия и органического стекла; КСП ±0,6×10 -5 1/К; КВВ ±1×10 -5 1/К; КВЦ ±2×10 -5 1/К.
— проволочные тензорезисторы с одноэлементной петлевой решеткой из константана, нихрома и никель-молибдена на органосиликатной основе для измерений при повышенных и высоких температурах. Они имеют константановую (ППКПФ, ППКБФ и КФЦ), нихромовую (НФЦ) и никель-молибденовую (НМП) решетку, закрепленную на основе из стальной фольги 0,1—0,2 мм лаком Ф7Т (ППКПФ и ППКБФ) или кремнеорганическими цементами ВН-15 и ВН-12 (КФЦ, НФЦ и НМП). Закрепление тензорезисторов на исследуемую поверхность производят точечной сваркой. Предельная измеряемая деформация: ППКПФ и ППКБФ ±2 тыс. еод; КФЦ и НФЦ при Т=295 К 1,5. 3 тыс. еод; КФЦ и НФЦ при Т>295 К 1. 1,5 тыс. еод; НМП ±2 тыс. еод. Ползучесть при Т=295 К: ППКПФ и ППКБФ 0,5%; КФЦ и НФЦ 1%. Ползучесть при Т>295 К: ППКПФ и ППКБФ 5%; КФЦ и НФЦ 3—5%; НМП 2%. Температурный коэффициент сопротивления: ППКПФ и ППКБФ ±1×10 -5 1/К; КФЦ ±3×10 -5 1/К; НФЦ ±1×10 -5 1/К.

Фольговые тензорезисторы

Фольговые тензодатчики являются дальнейшим развитием проволочного тензодатчика. В отличие от проволочных, фольговые тензорезисторы имеют решетку не круглого, а прямоугольного сечения. Благодаря большой площади соприкасания полосок фольгового датчика с объектом измерения его теплоотдача значительно выше, чем у проволочного, что в свою очередь позволяет увеличить ток, проходящий через датчик, а, следовательно, повысить чувствительность тензометрической установки.

Фольговые тензорезисторы по сравнению с петлевыми проволочными имеют, как правило, лучшие, технико-метрологические характеристики и допускают образование решетки практически любой формы и размеров — технология изготовления фольговых тензорезисторов основана на использовании фотохимических процессов и обеспечивает получение решеток любой формы с базами от 0,3 мм и более.

Фольговые тензорезисторы имеют решетку из тонколистового металла (константановой фольги по ТУ ЦМО-03 № 96-67) толщиной 5—10 мкм. Основой тензорезистора является пленка из синтетической смолы (лака ВЛ-931) или бумага, пропитанная клеем БФ-2. Толщина пленочного основания тензорезистора составляет 30—40 мкм, бумажного — 80—100 мкм. Выводы тензорезисторов обычно изготовляют из медной проволоки диаметром 0,12—0,15 мм. Диапазон измеряемых деформаций ± 3 тыс. 10 тыс. еод.

Технология изготовления фольговых тензорезисторов удобна для массового производства; она состоит из следующих основных этапов:
— проектирование тензорезистора и изготовление чертежа решетки;
— изготовление фотошаблона, который представляет собой изображение тензорезистора на фотографической пленке или пластинке в натуральную величину; на одном фотошаблоне обычно помещают одновременно 60 — 200 изображений решеток тензорезисторов;
— нанесение рисунка решетки тензорезистора на фольгу;
— нанесение рисунка на фольгу осуществляется путем контактного копирования с негатива на фольгу, предварительно покрытую светочувствительным кислотоупорным составом;
— травление тензорезисторов; при травлении участки фольги, не покрытые кислотоупорным составом (изображением решеток тензорезисторов), растворяются;
— присоединение выводных проводников; контроль качества тензорезисторов.

Фольговые тензорезисторы выпускают нескольких типов:
— одноэлементные тензорезисторы 2ФКПА, 2ФКХЩ, 1ФКТК, 2ФКТК, ЗФКТК, ФК-ПА, ФК-ПБ, ФК-ПВ, состоящие из одной прямоугольной решетки;
— двухэлементные розетки 2ФКРВ, ФК-РА, состоящие из двух одинаковых решеток, расположенных под прямым углом;
— трехэлементные тензорезисторы, состоящие из трех одинаковых решеток, расположенных под углами 45° и 60°. Трехэлементные розетки выпускают двух модификаций: а) прямоугольные ФКРБ и дельта-розетки 2ФКРГ; б) мембранные тензорезисторы 2ФКМВ, 2ФКМГ.

Полупроводниковые тензорезисторы

Полупроводниковые тензорезисторы имеют в качестве чувствительного элемента монокристаллический полупроводник — как правило кремний или германий — толщиной 20—50 мкм, шириной до 0,5 мм и длиной 2—12 мм.

Наиболее распространенная технология изготовления таких элементов — резка монокристалла полупроводника с последующим травлением, с тем чтобы на поверхности тензочувствительного элемента не осталось микротрещин от механической обработки.
Также получила распространение так называемая дендритная технология изготовления тензорезисторов. При этом дендритную ленту получают вытягиванием из расплава полупроводника, а затем разламывают по заранее нанесенным рискам. По указанной технологии можно изготавливать тензорезисторы из германия, кремния, антимонидов галлия и индия, и других материалов; наибольшее распространение получили p-гедисторы.
В конце 60-х были разработаны тензорезисторы типа «кремнистор», образованные нитевидными кристаллами кремния.

При выборе полупроводниковых тензорезисторов в качестве первичных преобразователей или чувствительных элементов необходимо учитывать следующие их свойства:
— высокую чувствительность и возможность получения большого выходного сигнала;
— зависимость сопротивления и чувствительности от температуры;
— ограниченный диапазон деформирования;
— анизотропию метрологических характеристик.
Анизотропия свойств проявляется прежде всего в изменении продольной и поперечной тензочувствительности. По этой причине при конструировании чувствительных элементов необходимо обеспечить совпадение оси симметрии монокристалла с направлением измеряемой деформации.

Чувствительность приклеенного полупроводникового тензорезистора обычно существенно отличается от номинальной, что приходится учитывать исходя из соотношений коэффициентов Пуассона полупроводников и материала объекта наклейки, а также продольной и поперечной тензочувствительности монокристалла.

Основными преимуществами полупроводниковых тензорезисторов по сравнению с проволочными и фольговыми являются: высокий коэффициент тензочувствительности; высокий уровень выходного сигнала; отсутствие гистерезиса; химическая инертность; больший предел усталостной прочности; низкая поперечная тензочувствительность; способность сохранять механические характеристики при высоких температурах до 500°С); минимальная погрешность от включений, шумов, наличия линий связи.

Учитывая высокую стоимость полупроводниковых тензорезисторов, их применение необходимо аргументировать в каждом конкретном случае проведения измерений. Использование их целесообразно в первую очередь в тех случаях, когда необходимо проводить измерения без усилителей, при измерениях малых деформаций и на малых базах, для установки на миниатюрные чувствительные элементы преобразователей механических величин.

Разработкой п/п тензорезисторов у нас в стране занимались Новосибирский электротехнический институт (ныне НГТУ), Московский энергетический институт (МЭИ), Институт машиноведения, Львовский политехнический институт и некоторые другие организации.

2ПКБ

Одноэлементные тензорезисторы общего назначения, с прямоугольной решеткой из константановой проволоки. Материал подложки — папиросная бумага; в качестве связующего при монтаже рекомендованы клеи — 192-Т, циакрин, карбинольный или целлулоидный.

Резисторы выпускаются номиналами 50, 100, 200 и 400 Ом.

Производители — Топкинский механический завод, ныне Сибтензоприбор (г.Топки Кемеровской области) и — с 1970 по 1980 год — московский Завод опытных конструкций, изделий и оборудования (Экспериментальный механический завод ЦНИИ Строительных Конструкций).

2ПКП

Одноэлементные тензорезисторы общего назначения, с прямоугольной решеткой из константановой проволоки. Материал подложки — пленка клея БФ-2; в качестве связующего при монтаже рекомендован тот же клей либо циакрин ЭО.

Резисторы выпускаются номиналами 50, 100, 200 и 400 Ом.

Пример полного обозначения таких резисторов: «2ПКП-10-100В 99,10-99,39 Ом» (тип резистора, размер активной базы в мм, номинальное сопротивление, класс по метрологическим характеристикам, разброс сопротивления в данной партии).

Производитель — Топкинский механический завод, ныне Сибтензоприбор (г.Топки Кемеровской области). Заводской паспорт от этих резисторов.

2ФКМГ

2ФКМГ — мембранные тензорезисторные розетки, предназначены для измерения радиальных и тангенциальных деформаций мембран. Материал подложки — пленка лака ВЛ-931, в качестве связующего при монтаже рекомендован тот же лак.

Резисторы выпускаются номиналами 50, 100 и 200 Ом; рабочий ток 40-50 мА.

2ФКПА

Одноэлементные тензорезисторы с прямоугольной решеткой. Материал подложки — пленка лака ВЛ-931, в качестве связующего при монтаже рекомендован тот же лак либо циакрин.

Резисторы выпускаются номиналами 50, 100 и 200 Ом; на два номинала рабочего тока — 15 и 40-50 мА.

Производитель — томский Завод математических машин, позднее вошедший в состав ПО «Контур».

2ФКРВ

Двухэлементные розетки, состоящие из двух одинаковых решеток, расположенных под прямым углом; выпускались по ГОСТ 21616-76. Материал подложки — пленка лака ВЛ-931, в качестве связующего при монтаже рекомендован тот же лак. Резисторы выпускаются на два номинала — 50 и 100 Ом; рабочий ток 40-50 мА.

Производитель — Топкинский механический завод, ныне Сибтензоприбор (г.Топки Кемеровской области).

2ФКРГ

Трёхэлементные дельта-розетки, выпускаемые по ТУ 25-01-100-68. Материал подложки — пленка лака ВЛ-931, в качестве связующего при монтаже рекомендован тот же лак.

Резисторы выпускаются на два номинала — 50 и 100 Ом; рабочий ток 40-50 мА.

Пример полного обозначения таких резисторов: «2ФКРГ-10-100хВ 80-120 Ом ТУ 25-01-100-68».

3ФКТК

(фото с аукциона Мешок)

Простые одноэлементные фольговые тензорезисторы с прямоугольной решеткой. Третий их вариант; отличались между собой, как я понимаю, материалом подложки. 3ФКТК выполнены на бумаге, под клей ВК-9 в качестве связующего при монтаже.

Резисторы выпускались номиналами 100, 200 и 400 Ом; трёх типоразмеров 5х14, 10х19 и 15х24 мм. Рабочий диапазон температур 265. 475 °К (-10. +2000 °С).

Производитель — киевский Опытный завод порционных автоматов им. Ф.Э. Дзержинского (ныне компания «Веда»).

КФ5П1

КФ5П1 — одиночные приклеиваемые фольговые тензорезисторы, частично термокомпенсированные, предназначены для разовой наклейки. Чувствительный элемент изготовлен из тонкой константановой фольги, в качестве материала подложки используется термостойкая бумага фенилон, пропитанная клеем УВС-10Т.

Производитель — киевская компания «Веда». Историческая справка — «В 1976 г. компания ВЕДА закупила лицензию HBM (Германия) и впервые в СССР освоила производство тензодатчиков и фольговых тензорезисторов типов КФ4 и КФ5 с широким типоразмерным рядом».

Особенностью одиночных тензорезисторов является параллельное расположение нитей чувствительного элемента относительно продольной оси тензорезисторов и способность измерять деформации растяжения или сжатия при одноосном напряженном состоянии.

Приклейку тензорезисторов КФ5 рекомендуется производить клеями УВС-10Т, БФР-2К или циакрином ЭО.

Основные данные

Номинальное электрическое сопротивление — 100, 200 и 400 Ом

Номинальная база — 0,5, 1, 3, 5, 10, 15 и 20 мм

Максимальный ток питания — 20 мА для малобазных тензорезисторов, 30 мА для остальных типов

Диапазон измеряемых деформаций — ±3000 1/млн

Чувствительность при нормальных условиях — 1,9. 2,3

Часовая ползучесть при нормальных условиях — не более 0,3; 0,5; 0,7 % (в зависимости от группы)

Часовая ползучесть при максимальной температуре — не более 2,0; 3,0; 4,0 %

Диапазон рабочих температур -70. +200°С

Интервал термокомпенсации тензорезисторов — 0. +50 °С или +10. +120 °С

Часовой дрейф выходного сигнала при максимальной температуре — 75; 150; 250 мкОм/Ом

КФ5Р5

КФ5Р5 — приклеиваемые фольговые тензорезисторные розетки, предназначенные для определения величины и направления деформаций при сложно-напряженном состоянии объекта.

Три резистивных элемента расположены осесимметрично, под углами 90, 135 и 135 градусов. Приклейку тензорезисторов КФ5 рекомендуется производить клеями УВС-10Т, БФР-2К или циакрином ЭО.

Производитель — киевский Опытный завод порционных автоматов им. Ф.Э. Дзержинского (ныне компания «Веда»). Историческая справка, «В 1976 г. компания ВЕДА закупила лицензию HBM (Германия) и впервые в СССР освоила производство тензодатчиков и фольговых тензорезисторов типов КФ4 и КФ5 с широким типоразмерным рядом».

Основные данные

Номинальное электрическое сопротивление — 100 и 200 Ом

Номинальная база — 5, 10 и 15 мм

Максимальный ток питания — 30 мА

Остальные параметры совпадают с КФ5П1

КФ5Ц3

КФ5Ц3 — приклеиваемые фольговые цепочечные тензорезисторы, состоящие из девяти элементов. Такие цепочки предназначены для исследования распределения деформации в зоне концентрации напряжений.

Приклейку тензорезисторов КФ5 рекомендуется производить клеями УВС-10Т, БФР-2К или циакрином ЭО.

Производитель — киевский Опытный завод порционных автоматов им. Ф.Э. Дзержинского (ныне компания «Веда»). Историческая справка — «В 1976 г. компания ВЕДА закупила лицензию HBM (Германия) и впервые в СССР освоила производство тензодатчиков и фольговых тензорезисторов типов КФ4 и КФ5 с широким типоразмерным рядом».

Основные данные

Номинальное электрическое сопротивление — 100 Ом

Номинальная база — 1 и 3 мм

Максимальный ток питания — 20 мА

Остальные параметры совпадают с КФ5П1

НБ

Довольно ранний образец из 60-х годов. Никаких упоминаний о нём я пока не нашёл, внешне это одноэлементный тензорезистор с прямоугольной решеткой, на бумажной основе. Возможно, он стал предшественником 2ПКБ.

Производитель — томский Завод математических машин, позднее вошедший в состав ПО «Контур».

Кое-что можно почерпнуть с заводской упаковки:

НМП-430М

НМП-430М — проволочные тензорезисторы с одноэлементной петлевой решеткой для измерений при повышенных и высоких температурах; выпускаются по ТУ 25/06-353-68. Разработаны они были Институтом машиноведения.

Материал решетки — никель-молибденовая проволока НМ23ХЮ, материал основы — стальная фольга 0,1-0,2мм, крепление решетки на фольгу производится кремнеорганическим цементом марки ВН-15 или ВН-12. Закрепление тензорезисторов на исследуемую поверхность производят точечной сваркой.

Резисторы выпускаются номиналом 100 Ом (как видно по фотографиям, с некоторым отклонением); рабочий диапазон температур +22. +432°С. Предельная измеряемая деформация ±2 тыс. еод; ползучесть 2%. Время измерений при предельной температуре ограничено 10—15 мин.

Гедисторы

Название этой группы тензодатчиков расшифровывается как ГЕрманиевые Дендритные Тензорезисторы. Они были разработаны в Государственном научно-исследовательском институте машиноведения под руководством доктора техн. наук проф. Н. П. Раевского. Что любопытно, серийный — точнее, мелкосерийный — выпуск этих тензорезисторов был организован на опытно-экспериментальном школьном заводе Министерства просвещения РСФСР.

Благодаря высокой тензочувствительности гедисторы могут применяться как без усилителей, так и с обычной аппаратурой, применяемой для металлических тензорезисторов. Наиболее целесообразно применять гедисторы для исследования небольших деформаций в динамическом режиме.

Основные параметры

номинальный коэффициент тензочувствительности +50

сопротивление 100. 500 Ом

относительный температурный коэффициент сопротивления (3. 4)х10 -3 в диапазоне температур -40. +70°С

относительный температурный коэффициент тензочувствительности -5х10 -3 1/° в диапазоне температур 0. +45°С

разрушающая деформация +0,1%

рекомендуемый диапазон деформаций +0,05%

верхняя граница измерительного температурного диапазона +45°С

допустимое напряжение питания моста 2. 10 В, при разнице в сопротивлении гедисторов менее 1%

КТД2А

Кремниевые ТензоДатчики 2-го типа относятся к самым первым промышленным образцам отечественных кремниевых тензорезисторов дендритного типа.

Эти образцы были созданы на базе «нэтисторов» — кремниевых тензорезисторов из кремния n- и p-типов с выводами из золота, разработанных в НЭТИ под руководством проф. А.Ф. Городецкого.

Выпускал их Саранский завод полупроводников (ныне Саранский завод точных приборов). Точных данных на этот тип у меня нет, но скорее всего они таковы:

Основные параметры

номинальный коэффициент тензочувствительности 120+20

сопротивление 220 Ом

предельная мощность 50 мВт

предельная допустимая деформация — не более +0,4%

рабочий диапазон температур от -160 до +300° С

допустимое напряжение питания моста 2. 10 В, при разнице в сопротивлении тензорезисторов менее 1%

Для наклейки тензорезисторов на поверхность рекомендуются клеи ВЛ-931 (ВЛ-7), БФ-2 и БФ-1.

ЧЭД

Весьма любопытные изделия. Это некие Чувствительные Элементы Давления. Никаких упоминаний о таких я пока нигде не встречал, и, соответственно, какой-либо информации, кроме скупой этикетки, нет. Судя по ней, они состоят из четырех тензорезисторов с номиналами в диапазоне 900. 1000 Ом. Мостовая схема?

Это явно полупроводниковые тензорезисторы; и они, похоже, выполнены по классической технологии интегральных схем — фотолитографии. Если это действительно так, то это уже следующее поколение по сравнению с остальными типами, которые технологически застряли в середине прошлого века.

Производитель их неизвестен. Упакованы они были в баночку от ВИФС ВНИИКИ (Всесоюзный информационный фонд стандартов Всесоюзного научно-исследовательского института классификации, терминологии и информации по стандартизации и качеству), но я крайне сомневаюсь, что фонд имеет какое-либо отношение к этим элементам.

Но, к примеру, похожие интегральные преобразователи давления разрабатывали на кафедре дистанционных измерительных систем МИФИ.

1. Н.П. Раевский. Методы экспериментального исследования механических параметров машин. Издательство Академии наук СССР. Москва — 1952.
2. Б.А. Глаговский, И.Д. Пивен. Электротензометры сопротивления. М.-Л. Издательство «Энергия», 1964 (Библиотека по автоматике, вып.115).
3. Автоматизация производства и промышленная электроника. В 4 тт. Главные редакторы А. И. Берг и В. А. Трапезников, т. 4. М., «Советская энциклопедия», 1965. (Энциклопедия современной техники. Энциклопедии. Словари. Справочники). т. 4. Телекомандование — Ячейки стандартные.
4. Ильинская Л.С., А.Н. Подмарьков. Полупроводниковые тензодатчики, М. — Л., издательство „Энергия», 1966 (Библиотека по автоматике, вып. 189).
5. Пучкин Б.И. Приклеиваемые тензодатчики сопротивления. М.-Л. Издательство «Энергия», 1966 (Библиотека по автоматике, вып.207).
6. Трухачев Б.С. и Удалов Н.П. Полупроводниковые тензопреобразователи. М., «Энергия», 1968 (Библиотека по автоматике, вып.298).
7. И. Смысло, И.Кругликов. Гедисторы — новый тип тензодатчиков. — «Радио» №3, 1970.
8. Глаговский Б.А., Пивен И.Д. Электротензометры сопротивления. Изд. 2-е, перераб. Л., «Энергия», 1972 (Библиотека по автоматике, вып.477).
9. Прецизионные сплавы. Справочник. Под ред. Б.В. Молотилова. М., «Металлургия», 1974.
10. Тензометрия в машиностроении. Справочное пособие. Под ред. канд. техн. наук Р. А. Макарова. М., «Машиностроение», 1975.
11. Измерительные преобразователи. Е.С. Полищук.- Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1981.