Тензорезисторы – что это?

Что такое тензометрия

Тензометрия (от лат. tensus — напряжённый) — это способ и методика измерения напряжённо-деформированного состояния измеряемого объекта или конструкции. Дело в том, что нельзя напрямую измерить механическое напряжение, поэтому задача состоит в измерении деформации объекта и вычислении напряжения при помощи специальных методик, учитывающих физические свойства материала.

В основе работы тензодатчиков лежит тензоэффект — это свойство твёрдых материалов изменять своё сопротивление при различных деформациях. Тензометрические датчики представляют собой устройства, которые измеряют упругую деформацию твердого тела и преобразуют её величину в электрический сигнал. Этот процесс происходит при изменении сопротивления проводника датчика при его растяжении и сжатии. Они являются основным элементом в приборах по измерению деформации твёрдых тел (например, деталей машин, конструкций, зданий).

Для чего это нужно

Тензорезистор (от латинского tensus — напряжённый и resisto — сопротивляюсь) служит для измерения уровня деформации – сжимания, растягивания, изгиба. Его задача – преобразовать величину деформации в пропорциональную ей электрическую величину. Такой метод измерения, в отличие от механического, имеет ряд преимуществ:

• Высокая точность измерения. Преобразование позволяет проводить измерения с точностью, в разы выше точности измерений механическими методами.
• Дистанционный контроль. Чтобы выяснить, к примеру, каково давление в магистрали, к механическому манометру нужно подойти. Электрический преобразователь передаст эти данные по обычным проводам или по радио на любое расстояние и в любое место.
• Автоматизация. При помощи электрических преобразователей легко автоматизировать процесс. Электроника при необходимости сама запустит компрессор, отключит нагреватель, изменит обороты двигателя, определит аварийный режим работы узла и пр.

Практически каждый из нас пользовался китайскими электронными весами. В них в качестве измерительного элемента как раз используются тензорезисторы. Они преобразуют вес в электрическую величину, которая выводится на дисплей в цифровой форме.

Классификация тензорезисторов

По материалу чувствительного элемента (ЧЭ) тензорезисторы делятся на следующие группы:

• фольговые – ЧЭ выполнен из тонкого слоя металла (фольги);
• проволочные – ЧЭ выполнен из тонкой проволоки;
• полупроводниковые – ЧЭ выполнен из пластины монокристалла полупроводника.

Чувствительный элемент фольговых и проволочных тензорезисторов называют чувствительной решеткой. В зависимости от количества чувствительных решеток и их положения различают следующие тензорезисторы:

• одноэлементный (одиночный) – тензорезистор, состоящий из одной решетки для измерения деформации направленной в одном направлении (растяжение/сжатие);
• многоэлементный (розетка, тензорозетка) – тензорезистор, состоящий из нескольких решеток для измерения деформации в двух или трех направлениях;
• полумост – тензорезистор, состоящий из двух решеток, соединенных друг с другом, так что образуют половину измерительного моста;
• полный мост – тензорезистор, состоящий из четырех решеток, соединенных друг с другом, так что образуют измерительный мост;
• мембранный – тензорезистор, состоящий из нескольких решеток для измерения радиальных и тангенциальных деформаций;
• цепочки тензорезисторов – тензорезистор, состоящий из нескольких решеток для измерения распределения деформаций по длине тензорезистора.

Условно графическое обозначение (УГО)

Внешний вид тензорезисторов определяется согласно ГОСТ 2.728-74 “ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы”. Размеры прямоугольника такие же как и у постоянного резистора.

Конструкция тензорезистора

Тензорезистор состоит из решетки, выполненной из тонкой проволоки или металлической фольги, уложенной на изоляционную подложку, и подсоединенных выводов тензорезистора.

Проволочные

В самом простом виде проволочный тензорезистор представляет собой отрезок проволоки, жестко закрепленный на деформируемой детали. Таким образом, проволока деформируется вместе с деталью. При этом изменяется ее длина и сечение, что приводит к изменению электрического сопротивления. Измеряя это сопротивление несложно определить величину деформации. Изменение сопротивление обычного кусочка проволоки очень мало, поэтому вместо обычного отрезка используют длинную проволоку, уложенную змейкой.

Для изготовления тензорезисторов используют материалы с высоким коэффициентом тензочувствительности и, что очень важно, с малым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Чаще всего для этих целей применяют тонкую (до 20-30 мкм) проволоку из константана. Эта проволока, уложенная змейкой, наклеивается на подложку из бумаги или пластиковой пленки и сверху закрывается еще одним листом бумаги или пленки. Сам прибор, как было уже отмечено, жестко крепится на деформируемом объекте.

Но такая конструкция имеет один существенный недостаток – она способна измерять деформации только в одной, продольной плоскости. При изгибе или растяжении в поперечной плоскости чувствительность датчика составляет всего 2% от продольной. То есть прибор практически перестает работать. Для измерения уровня деформации одновременно в разных плоскостях используют несколько датчиков, расположенных под разными углами, или проволоку укладывают спиралью.

Фольговые

Этот тип датчиков работает на том же принципе, что и проволочные, но вместо проволоки в них используется полоска тонкой (4-12 мкм) фольги. Чувствительность фольговых тензорезисторов примерно такая же, как у проволочных, но они ввиду относительно большой ширины дорожек и хорошего теплообмена с исследуемой деталью могут выдерживать больший ток (до 0.5 А против 30 мА у проволочных), что повышает чувствительность преобразователя и точность измерения.

Еще одним преимуществом фольговых преобразователей является возможность изготовления решеток самого разнообразного профиля, максимально удовлетворяющего условиям измерения.

Формы решеток фольговых тензорезисторовФормы решеток фольговых тензорезисторов

Так для измерения продольных деформаций наиболее подходят прямоугольные решетки (рис. а, б). Для измерения крутящего момента на круглых валах используются розеточные решетки (рис. в, г). А перемещение мембраны удобно контролировать мембранными решетками (рис. д, е).

Если необходима высокая точность измерения, то для изготовления тензодатчика используют материалы и технологии, придающие преобразователю такой же коэффициент температурного расширения, как и у материала, для которого они компенсированы. Такие преобразователи называются термокомпенсированными.

Полупроводниковые

Ну как же без них в век полупроводников. Такие тензорезисторы изготавливаются преимущественно из кремния и германия, имеющих сильно выраженный тензоэффект. Но иногда материалом служит арсенид галлия и антимонид индия. Такие датчики выдерживают нагрев до 500 градусов, химически инертны, могут изготавливаться любой формы. Как и все полупроводниковые приборы, такие тензорезисторы делятся на n- и p- типы. Первый при растяжении имеет отрицательный знак тензоэффекта, второй – положительный.

Полупроводниковые тензорезисторы серии КТЭ и КТД (а) и серии Ю-8 (б)Полупроводниковые тензорезисторы серии КТЭ и КТД (а) и серии Ю-8 (б)

Существенным преимуществом полупроводниковых тензорезисторов является их высокая чувствительность (в 50-60 раз выше проволочных и фольговых). Это упрощает обработку сигнала и избавляет от необходимости использования сложных чувствительных усилителей. Еще одно преимущество – большое (до 50%) изменение сопротивления при деформации. Ну и, наконец, при помощи тех или иных присадок можно изменять номинальное сопротивление тензорезистора в широких (от 100 Ом до 50 кОм) пределах без изменения размеров самого датчика. ТКС у полупроводниковых преобразователей обычно составляет 0,45% на градус.

Теперь о недостатках. Первый – малая механическая прочность и гибкость. Предельно допустимая деформация таких приборов составляет 0.3%. Второй – линейность измерений сохраняется при деформации не более 0.1%. Таким образом, полностью реализовать высокую чувствительность достаточно сложно – необходима коррекция нелинейности. Кроме того, на такие датчики влияет освещение и, как было замечено, температура. Ну и плюс существенный разброс характеристик от образца к образцу.

Полупроводниковые тензирезисоры получают вырезанием из монокристала полупроводника. Толщина полупроводника составляет 20-50 мкм.

Принцип работы тензорезистора

При деформации объекта измерения эта деформация передается резистивной проволоке или резистивной фольге тензорезистора через его основание (подложку). В результате сопротивление проволоки или фольги изменяется. Это изменение точно пропорционально деформации,что отражает следующее уравнение:

Если R=R1=R2=R3=R4, сопротивление тензорезистора, из-за деформации, меняется и становится равным R+ΔR. Таким образом, изменение выходного напряжения Δe из-за деформации задается следующим выражением:

При измерении деформации с помощью тензорезистора, он подключается к измерительному прибору, называемому тензометром. Тензометр содержит мост Уитстона и подает напряжение возбуждения. Измеренное значение деформации отображается на цифровом дисплее и/или выводится в виде аналоговых сигналов.

На нашем сайте Вы можете купить (заказать) качественные японские тензорезисторы от производителя, аксессуары и химию (клеи и защитные покрытия) для тензорезисторов с отличным соотношением цена-качество. Для этого отставьте заявку на обратный звонок и наши специалисты свяжутся с вами в ближайшее время или напишите нам сообщение. В комментарии можно указать, какие модели тензорезисторов вы бы хотели заказать.

Типоразмеры тензорезисторов

Стандартов на типоразмеры тензорезисторов не существует. На рисунке представлены наиболее распространенные типоразмеры тензорезисторов для измерения деформаций в различных направлениях.

Линейные тензорезисторы состоят из одной измерительной решетки, предназначены для измерения деформации действующей только в одном направлении.

Двойные тензорезисторы состоят из двух измерительных решеток, расположенных параллельно. Предназначены для измерения деформации действующей только в одном направлении.

Розетка тензорезисторов 0/90° и Т розетка состоят из двух измерительных решеток, расположенных под углом 90°. Предназначены для измерения деформаций, действующих в двух направлениях.

Тензорезисторы в розетка 0/45/90° предназначены для измерения изгибов по двум осям.

Мембранные розетки тензирезисторов предназначены для измерения радиальных и тангенциальных деформаций, применяются в датчиках давления.

Цепочки тензорезисторов состоят из нескольких решеток расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга на общей подложке. Предназначены для определения градиента деформации.

Применение тензорезисторов

Изменение сопротивления тензорезистора при деформации определяется следующим выражением:

, где
R – изменение сопротивления тензорезистора при деформации, Ом;
R – сопротивление тензорезистора при отсутствии воздействия, Ом;
K – коэффициент тензочувствительности тензорезистора;

– относительная деформация.

Относительная деформация определяется как:

, где
L – изменение размера тела под действием деформации, мм;
Lo – начальный размер тела, мм.

Формула для расчета изменения сопротивления тензорезистора прием вид:

Для металлов коэффициент тензочувствительности равен 0,8…5,5.

Изменение сопротивления тензорезистора при деформации очень мало. Например, изменение сопротивления тензорезистора при измерении деформации стального стержня поперечным диаметром 10 мм, длиной 100 мм при нагрузке 10 кН с номинальным сопротивлением 150 Ом будет равно 0,048 Ом.

Измерить такие маленькие значения сопротивления непосредственным измерением проблематично. Поэтому в схемах измерения деформация применяют специальный усилитель – мост Уитстона.

Мост Уитстона представляет состоит из четырех резисторов R1…4. В данном случае R1 представляет собой тензорезистор. Напряжение питания подводится к вершинам моста. На противоположных вершинах измеряют напряжение (резистор Rн).

Мост уравновешен, когда напряжение на выходе Uвых=0. Это достигается при выполнении условия:

R1/R2 = R4/R3

Путем подбора номинала резисторов можно добиться равновесия моста.

Если номинальное сопротивление резисторов одинаковы R1=R2=R3=R4, то изменение выходного напряжения будет пропорционально изменению деформации тензорезистора будет определяться формулой:

Если в плечи моста включить два тензорезистора то такой мост будет называться полумостом:

Формула для схемы включения в противоположные плечи (левая схема):

Формула для схемы включения в соседние плечи (правая схема):

Если в плечи моста включить тензорезисторы то такой мост будет называться полным мостом:

Формула для схемы включения тензорезисторов в полный мост:

Пример базовой схемы подключения тензорезисторов к АЦП AD7788 показан на рисунке:

Тензорезисторы широко применяются в весоизмерительной технике: бытовые весы, автомобильные, железнодорожные.

Тензорезисторы используются в датчиках контроля деформации зданий и сооружений.

В датчиках измерения давления также применяют тензорезисторы.

Чувствительным элементов датчика давления является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами. Пластина прочно соединена с чувствительной мембраной. Давление среды воздействует на мембранный разделитель. При деформации мембранного разделителя разделительная жидкость (кремнийорганическая) воздействует на чувствительный элемент.

Схемы подключения

На практике применяются различные способы подключения тензодатчика в общую цепь. Наиболее простой вариант –  схема четырехпроводного подключения, которая приведена на рисунке 6 ниже:

Рис. 6. Четырехпроводная схема подключения

В данном случае схема подключения подразумевает строгое соблюдение цветовой маркировки проводов: красного и белого для подачи напряжения питания, а черного и зеленого для съема получаемого сигнала. Пятый провод используется для заземления корпуса оборудования, в некоторых моделях используется экран для устранения помех. Такой вариант применяется для силовых датчиков, слаботочного оборудования, устанавливаемого непосредственно в месте измерения и фиксации результата. На практике может реализоваться следующим образом:

Рис. 7. Практическая реализация четырехпроводной схемы подключения

Когда весоизмерительный блок удален от контрольного блока, используется шестипроводная схема для исключения влияния омического сопротивления проводов питания на результат измерений.

Рис. 8. Шестипроводная схема с цепью обратной связи

Выводы + E и – E применяются для подачи напряжения питания на тензодатчик. С клемм + Sen и – Sen снимается падение напряжения на проводах, которое затем вычитается из результирующего сигнала.  Контакты + S и – S используются для съема показаний, функция вычитания реализуется следующим образом:

Рис. 9. Практическая реализация вычитания напряжения

Как выбрать тензодатчик?

При покупке тензодатчика следует учитывать следующие показатели:

• Наибольший предел измерения (НПИ) – следует учитывать, что предполагаемая номинальная нагрузка на тензодатчик не должна превышать НПИ. Хотя фактически датчик имеет дополнительный запас прочности, некоторые конструкции весов требовательны к наличию дополнительного запаса НПИ.
• Материал тензодатчика – как мы уже писали выше, наибольшее распространение получили тензометрические датчики из нержавеющей и легированной стали, а также алюминия. Как правило, только одноточечные тензодатчики изготавливаются из алюминия, все остальные выполнены из стали.
• Класс точности тензодатчика – на практике класс точности тензодатчика может лежать в диапазоне от D1 до С6, хотя, в соответствии с OIML R 60, класс точности тензометрического датчика может быть и в более широком диапазоне. Наиболее распространен класс точности C3. Необходимость применения более точных датчиков требует обоснования, поскольку с классом точности цена растет в геометрической прогрессии.
• Схема подключения тензодатчика – обычно для подключения тензодатчиков используется «четырехжильная» схема подключения. Однако в частных случаях, и в случаях, когда присутствует большая разница в сопротивлении кабелей смежных тензодатчиков, применяется «шестижильная» схема подключения.

Выбирая тип тензометрического датчика, также следует обратить внимание на следующие характеристики: рабочий диапазон температур, рабочий коэффициент передачи, класс защиты, диаметр и длину кабеля, входное и выходное сопротивление, рекомендуемое и максимальное напряжение питания.

Преимущества и недостатки тензодатчиков

Широкое применение тензодатчики получили благодаря своим свойствам:

• возможности монолитного соединения датчика деформации с исследуемой деталью;
• малой толщине измерительного элемента, что обеспечивает высокую точность измерения с погрешностью 1-3 %;
• удобстве крепления, как на плоских, так и на криволинейных поверхностях;
• возможности измерения динамических деформаций, меняющихся с частотой до 50000 Гц;
• возможности проведения измерений в сложных условиях окружающей среды в температурном интервале от -240 до +1100˚С;
• возможности измерений параметров одновременно во многих точках деталей;
• возможности измерения деформации объектов, расположенных на больших расстояниях от тензометрических систем;
• возможностью измерения деформаций в движущихся (крутящихся) деталях.

Из недостатков следует отметить:

• влияние метеоусловий (температуры и влажности) на чувствительность датчиков;
• незначительные изменения сопротивления измерительных элементов (около 1%) требует применение усилителей сигналов.
• при работе тензодатчиков в условиях высокотемпературной или агрессивной среды необходимы специальные меры их защиты.