Конструкция тензорезисторных преобразователей

Проводниковые тензорезисторы выполняют в виде решеток из тензочувствительной проволоки или фольги (чаще всего константановой) на бумажной, тканевой или лаковой (пленочной) основе. Их приклеивают непосредственно к контролируемому объекту или к упругому элементу, деформация которого является известной функцией контролируемого параметра.

Основные типы фольговых преобразователей показаны на рисунке 5.1.

 

 

а -  тензорезистор с одним деформируемым сопротивлением;

б -  тензорезистор, образующий тензомост из четырех элементов;

в - тензорезистор из трех сопротивлений;

г - тензорезистор из двух сопротивлений.

 

Рисунок 5.1- Виды тензодатчиков

 

Элемент на рисунке 5.1, б) используется для мембранных чувствительных элементов т.к. элементы расположенные в центре испытывают растяжение, а находящиеся на периферии сжатие. Розетка из трех тензорезисторов показанная на рисунке 5.1, в) применяется при измерении напряжений детали, находящейся в плосконапряженном состоянии, в том случае, когда направления действия напряжений неизвестны. По измерениям сопротивления трех тензорезисторов определяются направления главных напряжений и их значения.

Элемент, показанный на рисунке 5.1, г) состоит из двух тензорезисторов и используется при измерении деформации валов при их скручивании.

Перспективной разновидностью проводниковых тензорезисторов являются элементы с тонкопленочными чувствительными элементами из различных тензочувствительных сплавов, которые наносятся, например, методом резистивного испарения на металлические подложки, предварительно покрытые изоляционным сплавом. Достоинством таких тензорезисторов являются возможность создания миниатюрных датчиков, исключение клея, наличие атомарной связи изоляционных и чувствительных элементов, приводящее к высокой стабильности характеристик.

Наряду с наклеиваемыми и тонкопленочными существуют неприклеиваемые проводниковые тензорезисторы, у которых тензочувствительная проволока наклеивается на изоляторы, закрепленные на взаимно перемещающихся при деформации элементах конструкции.

Второй разновидностью тензорезисторов являются полупроводниковые элементы, чувствительность которых на 2 порядка превышает чувствительность проводниковых тензорезисторов.

Чувствительность полупроводниковых тензорезисторов в основном определяется изменением их удельного сопротивления под действием механического напряжения. Основным их недостатком является сильная зависимость от температуры, которой обладают все полупроводники.

В последние годы благодаря широкому развитию планарной технологии появилась возможность изготовления датчиков с полупроводниковыми тензорезисторами, выращивая последние непосредственно на упругом элементе, выполненном из кремния или сапфира. Упругие чувствительные элементы из кристаллических материалов обладают упругими свойствами близкими к идеальным и существенно меньшими погрешностями от гистерезиса. Тензорезистор как бы сцепляется с материалом упругого элемента за счет внутримолекулярных сил, что позволяет исключить большинство погрешностей, связанных с передачей деформации от упругого элемента к тензорезистору. На одном упругом элементе выращивается обычно не один тензорезистор, а структура в виде полумоста или даже целый мост. Благодаря применяемой технологии два тензорезистора входящие в полумост обладают значительно большей идентичностью, чем дискретные резисторы, кроме того, благодаря малым габаритам тензорезисторов обеспечивается большая идентичность внешних условий и таким образом снижается погрешность измерения. Интегральные тензорезисторы выполняют в виде структур кремний на кремнии (КНК) или кремний на сапфире (КНС). В КНК структурах электрическая изоляция осуществляется p-n переходом, несовершенство изоляционных свойств которого ограничивает надежность датчика. Датчик с КНС структурами обладает большей стабильностью характеристик.

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики динамических величин представляют собой преобразователи электрической энергии в механическую (и наоборот). Основу пьезоэлектрических ДДВ составляют один или несколько пьезоэлектрических ЧЭ - пьезоэлементов, электрически и механически связанных между собой в измерительную схему. Каждый пьезоэлемент выполнен в виде кварцевой или керамической пластины и является совмещенным ЧЭ генераторного типа, способным накапливать электрическую энергию. Поэтому при построении измерительных цепей широко применяют схемы последовательного и параллельного соединения пьезоэлементов. При последовательном соединении пьезоэлементов (рисунок 5.2, а) увеличивается напряжение в цепи, а суммарная емкость уменьшается пропорционально их числу; при параллельном соединении пьезоэлементов (рисунок 5.2, б) увеличиваются и накопленный заряд и емкость.

 

а, б – схемы последовательного и параллельного соединения ЧЭ;

в - простой пьезодатчик; г – пьезотрансформатор

 

Рисунок 5.2 – Пьезоэлектрические ДДВ

 

Такая схема подобна зарядовой батарее. Пьезоэлемент, как и конденсатор измеряет переменные внешние воздействия. В то же время, используя зарядовые усилители и другие специальные схемы, можно измерять и квазистатические нагрузки. Функция преобразования пьезоэлектрического ДДВ в общем случае имеет вид:

 

 

или в первом приближении: 

 

 

где I - ток, протекающий через пьезоэлемент;

Q заряд пьезоэлемента;

k – константа;

Kп - коэффициент преобразования;

F - внешняя сила.

Пьезоэффект имеет обратимый характер. Поэтому различают механоэлектрические ДДВ (прямой пьезоэффект), электромеханические (обратный пьезоэффект), а также преобразователи, принцип действия которых основан как на прямом, так и на обратном пьезоэффекте. Первые (рисунок 5.2, в) применяют в приборах для измерения силы, давления, ускорения; вторые - используют в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, в пьезоэлектрических реле, исполнительных элементах автоматических систем и др., третьи - в качестве пьезо - резонаторов и трансформаторов, а также узкополосных фильтров (рисунок 5.2, г).

Для датчиков силы, верхний предел измерений определяется площадью нагружаемой поверхности и для промышленных образцов составляет ±(2 …. 200) кН. Для датчиков силы, основанных на пьезоэффекте характерна высокая линейность (вследствие высокой жесткости конструкции) и малая зона нечувствительности.

 

Магнитоупругие датчики

Магнитоупругие ДДВ предназначены для измерения динамических факторов и основаны на обратимом преобразовании энергии магнитного поля и энергии механических колебаний. Магнитоупругие ДДВ используются в тех же задачах, что и пьезоэлектрические ДДВ, и также включаются в генераторные и параметрические измерительные схемы.

В основе работы магнитоупругого ДДВ лежит явление магнитоупругости (обнаружено в 1865 году итальянским ученым Эмилио Виллари), основанное на изменении намагниченности сердечника из ферро- и ферримагнетика при деформации. Обратный по отношению к магнитоупругости эффект - магнитострикция, заключающийся в изменении размеров и формы сердечника при намагничивании был открыт Дж. П. Джоулем в 1842 году.

Магнитоупругий эффект по своему проявлению во многом подобен пьезоэффекту. В то же время, использование магнитоупругого ДДВ позволяет получить существенно большую номинальную измерительную мощность (на несколько порядков). В отличии от пьезоэлектрических ДДВ, обладающих линейными электрическими свойствами, магнитоупругие материалы нелинейные. Поэтому, изменение электрических и магнитных свойств этих материалов при механическом воздействии наиболее просто описывается кривой гистерезиса (D и В - вектора поляризации и индукции, соответственно, рисунок 5.3). Действие механических напряжений s в ферромагнетике деформирует его кривую намагниченности (за счет изменения магнитной проницаемости m и взаимной или остаточной индукции ).

 

Рисунок 5.3 – Изменение кривой намагниченности магнитоупругого

ДДВ при деформации

 

В качестве материала для упруго-чувствительных элементов магнитоупругого ДДВ пригоден любой ферромагнитный материал, со значительной магнитострикцией насыщения. Чаще всего используются трансформаторные стали, отличающиеся низкой стоимостью, но и невысокой чувствительностью, пермаллои (термообработанные железо-никелевые сплавы), наоборот, обладающие высокой чувствительностью, но и высокой стоимостью.

Основой магнитоупругого ДДВ является совмещенный упруго-чувствительный элемент в виде катушки с сердечником.

По принципу преобразования различают магнитоупругие ДДВ двух типов: генераторные и параметрические.

Генераторный магнитоупругий ДДВ (рисунок 5.4, а) подобен пьезоэлектрическому ДДВ с сегнетоэле­ктриком.

 

 

а – генераторного; б – параметрического дроссельного;

в - параметрического трансформаторного.

 

Рисунок 5.4 - Схема магнитоупругого датчика

 

Под действием измеряемого механического напряжения (например, сжатия ) индукция , наведенная в сердечнике - постоянном магните, изменяется. Величина этого изменения   характеризует чувствительность материала и составляет  » 1,5 10^-9 (Вб м²)/(Н м²).

В свою очередь, вариации потока индукции наводят в выходной обмотке ЭДС, пропорциональную . Таким образом, функцию преобразования магнитоупругого ДДВ можно представить приближенным выражением:

где k – коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от числа витков катушки и площади ее сечения; 

k _г - коэффициент преобразования генераторного датчика.

Генераторные магнитоупругие датчики наиболее просты и миниатюрны, но работают только в динамическом режиме.

Принцип действия наиболее распространенного параметрического магнитоупругого ДДВ основан на измерении вариаций магнитной проницаемости m под действием механической нагрузки на сердечник. Параметрические датчики подразделяются на дроссельные (рисунок 5.4, б) и трансформаторные (рисунок 5.4, в). Относительное изменение магнитной проницаемости сердечника Dm/mвызывает соответствующее изменение импеданса датчика, а, следовательно, выходного напряжения. Функция преобразования такого датчика имеет вид:

где  - коэффициент преобразования параметрического магнитоупругого датчика.

Основной характеристикой параметрического датчика является магнитоупругая чувствительность :

.

Точность магнитоупругих ДДВ определяется тремя основными факторами: магнитоупругой чувствительностью , уровнем допустимых механических напряжений   и частотными характеристиками материала.

Основные достоинства магнитоупругих ДДВ: большая выходная мощность (отсутствие каскадов усиления), высокая механическая жесткость и надежность, позволяют использовать их в экстремальных условиях (при высокой влажности, давлении и т.п.).

К недостаткам этих датчиков можно отнести ограниченную полосу пропускания (вследствие токов Фуко) и невысокую точность измерения.