Тензорезистор

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Деформація тензорезистора. Значення опору показані умовно

Тензорези́стор (від лат. tensus — напружений і від лат. resisto — чинити опір) — резистор, електричний опір якого змінюється залежно від його деформації. В основі принципу роботи тензорезисторів лежить явище п'єзорезистивного ефекту. За допомогою тензорезисторів можна вимірювати деформації механічно пов'язаних з ними елементів. Тензорезистор є основною складовою частиною тензодатчиків, що застосовуються для непрямого вимірювання сили, тиску, ваги, механічних напружень тощо.

Будова[ред.ред. код]

Основою тензорезистора служить чутливий елемент, металевий чи напівпровідниковий, електричний опір якого змінюється пропорційно до механічного напруження на поверхні об'єкта дослідження.

Цей елемент виконується у вигляді решітки зазвичай з константанового сплаву і розташовується на підкладці з поліаміду або іншого матеріалу. Ззовні решітка покривається захисною плівкою. Для кріплення до поверхні об'єкта вимірювання переважно застосовується клей а при високих температурах — точкове приварювання підкладки, яка у цьому випадку є металевою.

Принцип роботи[ред.ред. код]

Принцип дії добре проілюстрований на картинці за одним невеликим зауваженням — в реальності зміни опору вельми малі і вимагають прецизійних підсилювачів або АЦП. Він полягає в зміні електричного опору провідників і напівпровідників при їх механічній деформації.

Класифікація тензорезисторів[ред.ред. код]

Одиничний дротовий тензорезистор
Потрійний фольговий тензорезистор
Тензорезисторна розетка
Мембранна тензорезисторна розетка

За типом чутливого елемента[ред.ред. код]

За типом чутливого елемента тензорезистори поділяються на фольгові, дротові й напівпровідникові.

У фольгових тензорезисторів чутливий елемент виготовляється з фольги товщиною декілька мікрон. Матеріал — сплав Ni-Cu або Ni-Cr. Ці датчики мають малі розміри і виготовлені методом фототравлення, що робить їх відносно недорогими. Ці тензорезистори є універсальними у використанні. Все це обумовлює їх масове застосування в різних областях вимірювань.

У дротових тензорезисторах як чутливий елемент в них використовується дріт зі сплаву Ni-Cu або Ni-Cr, товщиною 13-25 мікрометрів. Так виготовляються тензорезистори на паперовій підкладці, спеціальні тензорезистори для бетону, тензорезистори на великі деформації і спеціальні тензорезистори для високих температур.

У напівпровідникових резисторах чутливий елемент виготовлений з монокристалу кремнію, коефіцієнт чутливості таких тензорезисторів — може досягати 90…200. Це робить їх придатними для вимірювання мікроскопічних деформацій і виробництва високочутливих датчиків. Можуть навіть працювати без додаткового підсилювача електричного сигналу. Однак цей тип тензорезисторів у значній мірі чутливий до температури, а також недостатню лінійність, що обмежує область їхнього застосування.

За матеріалом підкладки[ред.ред. код]

Характеристики матеріалу підкладки повинні відповідати характеристикам чутливого елемента. Зазвичай, для підкладки використовують поліамід, папір, фенол-формальдегідні матеріали та інші типи полімерів. Високотемпературні тензорезистори мають керамічну підкладку. Для тензорезисторів, що приварюються як матеріал підкладки використовуються такі хромо-нікелеві сплави як Inconel 600 (ХН60ВТ).

За величиною бази вимірювання[ред.ред. код]

За величиною бази вимірювання (довжиною чутливого елемента) тензорезистори бувають:

  • для вимірювань на більшості металевих матеріалів, найбільше придатні тензорезистори з базою 1…6 мм;
  • для вимірювань середніх за величиною деформацій на бетоні чи деревині, структура яких у значній мірі є різнорідною, застосовуються тензорезистори з довжиною решітки 30…120 мм;
  • для склопластиків використовуються тензорезистори з базою 5…30 мм, у залежності від товщини волокон та відстані між ними. Якщо товщина волокон є малою, використовують тензорезистори з базою меншою від 5 мм;
  • якщо вимірювання проводяться в обмеженій зоні чи в точці концентрації напружень, то слід застосовувати малобазні тензорезистори (до 1 мм). Якщо ж використовувати довшу базу, вимірювання дадуть усереднене значення деформації, а пікові значення не будуть виміряні.

За числом чутливих елементів та їх геометричною конфігурацією[ред.ред. код]

Тензорезистори випускаються з різною геометричною конфігурацією чутливих елементів:

  • одиничний — базова конфігурація тензорезисторів, чутливість яких спрямована уздовж поздовжньої осі решітки. При відомому напрямі деформацій, одиничний тензорезистор наклеюється відповідно до цього напряму;
  • у подвійних тензорезисторах решітки зорієнтовані уздовж двох осей, розташованих під прямим кутом, і використовується для багато осьового вимірювання деформацій (напружень) або у датчиках, що працюють на просте стискання. Також вони використовуються для вимірювання деформацій зсуву і в датчиках крутного моменту.
  • потрійні тензорезистори (розетки) використовуються у випадку, коли напрям деформації є невідомим і є потреба проведення аналізу напряму деформації;
  • для проведення спеціалізованих вимірювань використовують особливі конфігурації тензорезисторів, включно з тензорезисторами для вимірювання концентрації напружень, у яких 5 решіток розташовані на одній осі й тензорезистори, стійкі до впливу змінних магнітних полів, дві решітки яких розташовані точно одна над одною або мембранні тензорезисторні розетки.

За величиною електричного опору[ред.ред. код]

120 Ом є стандартним для тензорезисторів, які випускаються у найбільшому асортименті при мінімальній ціні.

Використання тензорезисторів з відмінним від 120 Ом опором, може бути доцільним у наступних випадках:

  • 60 Ом — для випадку сумісного використання двох тензорезисторів з метою корекції похибки наклеювання;
  • 350…500 Ом — датчики, зазвичай, потребують порівняно великої напруги живлення мостів. Також, коли потрібно зменшити вплив температурного ефекту при наклейці на матеріали з низькою теплопровідністю, наприклад, пластик;
  • 1 кОм і вище — за вимогою датчиків до підвищеного напруги живлення. Також, коли апаратура для роботи з тензорезисторами вимагає низького енергоспоживання;
  • 10 кОм (напівпровідникові) — для високошвидкісних вимірювань, таких як удар без використання підсилювача електричного сигналу.

Приклад застосування[ред.ред. код]

Див. також[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

  • ГОСТ 21616-91 Тензорезисторы. Общие технические условия.
  • Макаров Р. А., Ренский А. Б. и др. . Тензометрия в машиностроении: Справочное пособие / Под ред. Р. А. Макарова. — М : Машиностроение, 1975. — 288 с.
  • Левшина Е. С., Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин. — Л.: Энергоатомиздат, 1983. — 320 с.
  • Клокова Н. П. Тензорезисторы: Теория, методики расчета, разработки. — М.: Машиностроение, 1990. — 224 с. — ISBN 5-217-00990-X