Тензорезисторні перетворювачі

Принцип дії тензорезистора заснований на явищі тензоеффекта, що полягає в зміні активного опору провідникових і напівпровідникових матеріалів при їх механічній деформації. У суднових системах контролю в основному застосовуються провідникові тензорезистори. Під впливом зовнішньої сили відбувається деформація провідника як у напрямі дії сили, так і в перпендикулярному напрямі. Деформація у напрямі дії сили у області пружних деформацій відбувається відповідно до закону Гука

де ε_l — відносна подовжня деформація; σ — механічна напруга в провіднику; Е — модуль пружності матеріалу провідника; l — довжина провідника; Δl — зміна довжини в результаті деформації.

Відносна поперечна деформація ε_П провідника прямо пропорційна відносній подовжній деформації, але має протилежний знак:

(4.4)

де μ — коефіцієнт Пуассона.

Активний опір провідника при незмінній його температурі визначається з виразу

де ρ — питомий опір матеріалу; S — площа поперечного перетину.

Зміна опору провідника під впливом зовнішньої сили обумовлена зміною довжини і поперечного перетину, а також питомого опору матеріалу провідника.

Зміна опору провідника під дією пружної деформації рівна

Відносна зміна опору

Площа поперечного перетину провідника пропорційна квадрату його поперечного розміру b (для круглого або квадратного перетину), тому

де Δb/b = ε_П — відносна поперечна деформація провідника.

При визначенні відносної зміни питомого опору Δρ/ρ використовується формула Бріджмена:

де с — константа Бріджмена; V— об'їм провідника; ΔV— приріст об'єму.

Оскільки V = Sl, то

з урахуванням (4.4) одержимо

тоді

Тензоеффект різних матеріалів характеризується коефіцієнтом тензочутливості, який рівний

Коефіцієнт Пуассона μ для різних металів має значення 0,24 — 0,4. Константа Бріджмена с ≈ 1, тому коефіцієнт тензочутливості для металів, вживаних в тензорезисторах, близький до 2.

Статична характеристика дротяних тензорезисторов визначається виразом

Для збільшення чутливості тензорезисторов вибирають матеріали з високим коефіцієнтом тензочутлвістю, великим питомим опором і малим поперечним перетином. Найбільше застосування в тензорезисторах знайшов константан. Він має незначний температурний коефіцієнт опору, що зменшує погрішність, викликану коливаннями температури. У тензорезисторах, виготовлених з константану, в широкому діапазоні зберігається лінійна залежність між відносною деформацією і зміною опору. Для роботи при підвищених температурах рекомендується виготовляти тензорезистори з ніхрому. Провідникові тензорезистори розділяються на дротяні і фольгові. Конструктивне виконання, як тих, так і інших різноманітно. У спільному випадку дротяний тензорезистор (мал. 4.11, а) є тонким тензочутливим дротом, який укладений зигзагоподібно між двома електроізоляційними підкладками. До кінців дроту приєднуються вивідні кінці. Для виготовлення тензорезисторов застосовують дріт діаметром 0,01—0,05 мм.

Рис. 4.11. Схеми тензорезисторів: а — дротяного; б — фольгового

Електроізоляційні підкладки виконують з цигаркового паперу, лакової плівки або цементу, що скріпляється між собою клеєм, лаком або цементом. Зигзагоподібну частину тензорезистора називають решіткою, а його подовжній розмір — базою.

Дротяні тензорезистори виконуються з опором 10 — 1000 Ом і мають розміри 2 — 100 мм.

Фольгові тензорезистори (рис. 4.11, б) аналогічні дротяним. Решітка виконується з фольги завтовшки 0,004—0,012 мм. Ця решітка закріплюється між плівками з лака. Фотохімічний спосіб виготовлення дозволяє створити будь-який малюнок решітки, що є істотною перевагою фольгових тензорезисторів. Максимальний струм через тензорезистор обмежується допустимою потужністю, яка залежить від охолоджуючої поверхні.

Фольгові тензорезистори мають велику площу поперечного перетину провідника при тих же розмірах резистора, тому вони можуть пропускати більший струм, ніж дротяні тензорезистори. Максимальна сила струму провідникових тензорезисторів досягає декількох десятків міліампер.

Для вимірювання деформації тензорезистор наклеюється на поверхню контрольованої частини механізму так, щоб його подовжня вісь співпадала з напрямом вимірюваної деформації. Тензорезистор, прикріплений до контрольованого об'єкту, є датчиком деформації. Властивості тензорезисторного датчика залежать не лише від самого тензорезистора, але і від якості його закріплення, здійснюваного звично приклеюванням за допомогою органічних речовин, які твердішають завдяки полімеризації. Приклеювання тензорезисторов призводить до того, що тензорезисторні датчики є датчиками разової дії, тобто можуть бути використані один раз і не підлягають демонтажу і вторинній установці. Градуювання неприклеєного тензорезистора практично неможлива. Тому звичайно градуюють тензорезистори з однієї партії, приклеюючи їх на спеціальну тарировочную балку, а іншим тензорезисторам тій же партії привласнюють усереднені характеристики, одержані на декількох зразках.

Для перетворення вихідного сигналу з тензорезисторних перетворювачів застосовуються дві вимірювальні схеми: потенціометрична і мостова (рис. 4.12). Схема потенціометрична живиться від мережі постійного струму і використовується при вимірюванні динамічних деформацій. За допомогою мостових схем вимірюють як динамічні, так і статичні деформації.

 

Мостові схеми працюють на постійному або змінному струмі.

Зміна опору тензорезисторів при коливанні температури зовнішнього середовища робить великий вплив на роботу перетворювача. Використовування двох або чотирьох активних (тобто підвладної дії механічних сил) тензорезисторів дозволяє підвищити чутливість датчика відповідно в два або чотири рази.

Крім того, при такому включенні відбувається компенсація температурної погрішності. Вихідна напруга провідникових тензорезисторних перетворювачів рівна декільком мілівольтам, тому до виходу потенціометричної або мостової схеми підключається підсилювач з великим коефіцієнтом посилення.

Окрім дротяних і фольгових тензорезисторів одержали розповсюдження плівкові тензорезистори, в яких тензочутливий матеріал наноситься на плівку шляхом вакуумної сублімації і подальшої конденсації на плівку.

В даний час широке застосування знаходять тензорезистори, виготовлені з напівпровідникових матеріалів. Напівпровідникові матеріали мають кристалічну структуру. В результаті додатку до напівпровідникового кристала напруги в певному напрямі відбувається зміна середньої рухливості зарядів, що обумовлює зміну питомого опору. У напівпровідникових тензорезисторах в зміні опору основну роль виконує зміна питомого опору, який залежить від механічної напруги а і коефіцієнта п’єзорезистивності π:

Тензоеффект в напівпровідниках залежить від кристалографічних напрямів і типу провідності. У напівпровідниках р-типу тензоеффект позитивний, а в напівпровідниках n-типу — негативний. Коефіцієнт тензочутливості у ПТ на два порядки вищий, ніж у провідникових тензорезисторов. Більшість випускаємих ПТ виконані з кремнію. При виготовленні ПТ вирізують пластинку з монокристала кремнію і шляхом обробки доводять її товщину до необхідних розмірів (0,03—0,05 мм). На рис. 4.13 показані криві зміни опору ПТ р- і n-типу при деформації в певних напрямах. З малюнка видно, що ПТ р-типа мають лінійнішу характеристику при розтягуванні, а ПТ n-типу — при стискуванні. Основними достоїнствами ПТ, що відрізняють їх від провідникових тензорезисторов, є вельми малі розміри, високий коефіцієнт тензочутливості, високий рівень вихідного сигналу датчиків. В порівнянні з провідниковими тензорезисторами характеристики ПТ відрізняються меншою лінійністю. Температура зовнішнього середовища робить значно більший вплив на опір ПТ і його коефіцієнт тензочутливості. Розкид параметрів ПТ в одній партії доходить до ±20%.

Разом з дискретними тензорезисторами знаходять застосування інтегральні напівпровідникові тензорезистори (ІПТ).

Для їх виготовлення використовується технологія мікроелектроніки. На підкладці вирощується декілька тензорезисторів, утворюючих мостову схему (рис. 4.12, б). За рахунок відповідного розміщення на підкладці тензорезистори R1 і R4 володіють одним знаком тензочутливості, а R2 і R3 — протилежним. Підкладка ІПТ виконується з кремнію або сапфіра. У датчику з ІПТ підкладка служить пружним елементом.

Пружні елементи з кристалічних матеріалів володіють кращою лінійністю і меншим гістерезісом в порівнянні з металевими.

Застосування методів інтегральної мікроелектроніки при виготовленні ІПТ привело до зростання їх надійності, чутливості, точності і стабільності при зміні температури навколишнього середовища. Інтегральні тензорезистори виконуються у вигляді КНК-структур (кремній на кремній) і КНС-структур (кремній на сапфір).

На рис. 4.14 показаний інтегральний напівпровідниковий тензорезистор КНК-структури. Як підкладка 1 використовується кремній n-типу. Ізоляція тензорезистора від підкладки здійснюється за допомогою р-n переходу 3.

Підкладки і тензорезистор покриваються захисним шаром двоокису кремнію (Si0₂). Крізь захисний шар проходять металеві виведення 2.

Рис. 4.14. Інтегральний, напівпровідниковий тензорезистор КНК-структури

 

Недосконалість ізоляційних властивостей р-n переходу зменшує надійність датчиків з КНК-структурами. Датчики з КНС-структурами володіють вищою стабільністю характеристик і застосовуються за тяжких умов роботи. Разом з тим ІПТ з КНК-структурами мають економічні переваги.

Тензорезисторні перетворювачі знайшли застосування в датчиках обертаючого моменту і тиску.

Термоперетворювачі опору

Принцип дії термоперетворювачів опору заснований на зміні електричного опору провідникових і напівпровідникових матеріалів при зміні їх температури. У термоперетворювачах опору використовуються матеріали, що володіють великим і стабільним температурним коефіцієнтом опору, лінійною залежністю опору від температури, хорошою відтворністю властивостей.

Прилади для вимірювання температури, в яких як чутливі елементи використовуються термоперетворювачі опору, називаються термометрами опору. У промислових термометрах опори знайшли застосування провідникові термоперетворювачі опору. Провідникові термоперетворювачі виготовляються з чистих металів: платини, міді, нікелю і заліза. Найбільш ширше застосовуються платина і мідь. Для металів залежність опору від температури має нелінійний характер:

де R₀ — опір провідника при початковій температурі; Θ — перегрівши провідника відносно початкової температури; α, β, γ — коефіцієнти, залежні від властивостей провідника.

Конкретний вираз для опору термоперетворювача опору залежить від заданого діапазону вимірювання температури. Для платинових термоперетворювачів, працюючих в діапазоні від 0 до 600 ºС, залежність опору від температури визначається виразом

де R₀ — опір при 0 ºС.

Для чистої платини α = 3,94 • 10-3 1/ºС, β = - 5,8 • 10-7 1/(°С)². У діапазоні від 0 до -200 ºС залежність опору платинового термоперетворювача від температури має інший вигляд:

де γ = -4 • 10-21/(°С)^3.

Залежність електричного опору мідного термоперетворювача, працюючого в діапазоні від -50 до 180 °З, від температури має лінійний характер і виражається рівнянням

де

Вибір матеріалу для термоперетворювачів опору визначається інертністю металу до вимірюваного середовища в заданому інтервалі температур. Мідні термоперетворювачі можна застосовувати до температури 200 ºС в атмосфері, що має низьку вологість і вільній від газів, що викликають корозію. При вищій температурі мідь окислюється.

Платинові термоперетворювачі використовуються при вимірюванні температури в діапазоні від -200 до 650 °С. Залізо і нікель як матеріал для термоперетворювачів застосовують рідко, у зв'язку з тим, що характеристики цих металів відрізняються нелінійністю і сильною залежністю від домішок. Вітчизняна промисловість випускає платинові і мідні термометри опору, чутливий елемент яких виконується з тонкого дроту — відповідно платинового (діаметром 0,07 мм) або мідного (діаметром 0,1 мм). Щоб виключити появу індуктивності, дріт чутливого елементу намотується біфілярно. Для захисту від дії вимірюваного середовища чутливі елементи поміщають в спеціальну трубку.

На рис. 4.15 показана одна з конструкцій термоперетворювача опору. Платиновий дріт 1 намотаний біфілярно на слюдяний каркас 2, на якому є дрібні зубці. Для ізоляції дріт закривається з обох боків слюдяними пластинами 3. Для покращання умов теплообміну чутливого елементу з середовищем застосовуються пластинки 4 С-образного перерізу з фольги. Пластинки 2, 3 і 4 скріпляються і щільно вставляються всередину кожуха 5. Виведення виконуються з срібної стрічки або дроту і виводяться в клемную коробку 7. За допомогою гайки 6 термометр опору кріпиться до корпусу.

По значенню опору при 0 ºС платинові термометри опору випускаються трьох типів: опором 10, 46 і 100 Ом.

Перший тип використовується при вимірюванні температури від 0 до 650 ºС, останні два — при вимірюванні температури від -200 до 500 °С. Мідні термометри опору випускаються з опором 53 і 100 Ом і використовуються для вимірювання температур від ~50 до 180 ºС.

Тонкоплівкові платинові термометри опору складаються з керамічної підкладки завтовшки 0,6 мм, на яку напилюють шар платини товщиною близько 2 мкм. За допомогою лазерного променя з шару платини випалюється малюнок у вигляді меандра. До одержаного тонкоплівкового провідника приварюють контактні виведення. Для захисту активного платинового провідника від пошкоджень його покривають керамічним ізоляційним шаром завтовшки 10 мкм. Монолітна конструкція тонкоплівкового термоперетворювача значно підвищує його надійність. Тонкоплівкового ПТС використовуються при вимірюванні температури від 0 до 400 ºС.

Через теплову інерцію температура чутливого елементу відрізняється від температури контрольованого середовища, яке міняється в часі. Теплова інерція залежить від умов теплообміну між середовищем і чутливим елементом. Термометр опору можна вважати аперіодичною ланкою першого порядку, постійна часу якого залежить від питомої теплоємності термометра, його маси і коефіцієнта теплопередачі.

Постійна часу термоперетворювача опору залежить від умов охолоджування і буде різною для одного і того ж перетворювача, що знаходиться в повітрі і в рідині. Залежно від конструкції постійна часу термометрів опору коливається від 10 с до 7 хвилин. Протікання струму через термоперетворювач опору може привести до зміни його температури. Тому при вимірюваннях струм повинен мати невелике значення.

Перспективними є перетворювачі опору, виготовлені з напівпровідникових матеріалів з великим негативним температурним коефіцієнтом або, як їх ще називають, термістори.

Зміна опору Rт напівпровідника при зміні температури характеризується залежністю

де А — постійна, залежна від фізичних властивостей напівпровідника, розмірів і форми термістора; В — постійна, залежна від фізичних властивостей напівпровідника; Т — температура термістора, К. Температурний коефіцієнт α напівпровідникового термістора негативний. Він досягає значень від -2,5 до 4% К^-1, що в 6 — 10 разів більше температурного коефіцієнта металів, і сильно залежить від температури:

Виражаючи опір термістора як функцію перегріву відносно початкової температури, можна виразити його і так:

 

 

де Θ — перегрів відносно початкової температури;

Rт — опір термістора при початковій температурі; Rт (Θ) — опір термістора зі зміненою температурою.

На рис. 4.16 показаний Устрій термісторів серії ММТ і КМТ. Термістори типів ММТ-1, КМТ-1 (рис. 4.16, а) є напівпровідниковий стержень 1, покритий емалевою фарбою, з контактними ковпачками 2 і виведеннями 3. Ці типи термісторов можуть бути використані лише в сухих приміщеннях. Термістори типів ММТ-4 і КМТ-4 (рис. 4.16, б) вмонтовані в металевий корпус 6 і герметизується. Вони можуть бути застосовані в умовах будь-якої вологості і будь-якого середовища, агресивного, що не є, по відношенню до корпусу термоопору. Герметизація здійснюється склом і оловом 9. Стержень 5 у термісторі типа ММТ-4 огорнутий металевою фольгою 4. Струмовід 7 виконаний з нікелевого дроту. Ці термістори випускаються на номінальні значення опору від 1 до 200 кОм (при 20 ºС) і можуть бути використані для роботи в діапазоні температур від -100 до 129 ºС.

Недоліками термісторів є нелінійність залежності їх опорів від температури і значне відхилення від зразка до зразка як номінального значення опору, нормованого звично при 20 ºС (більш ±30%), так і характеру залежності опору від температур (відхилення значень температурного коефіцієнта досягає ±5% і більш).

Лінеаризацію залежності опору від температури вдається одержати в коректованих термоелементах, тобто в пристроях, що є комбінацією термісторів з іншими резисторами.

Ширше застосування на судах знайшли позистори. Однією з основних відмінностей від термісторів є знак і значення температурного опору. На відміну від термісторів температурна залежність опору позистора має складний характер.

На рис. 4.17 показана температурна залежність позистора. Як видно з рисунка, температурна залежність позистора неоднозначна.

Із зростанням температури від -180 ºС опір позистора зменшується, досягаючи мінімального значення при 60—80 °С. Подальше підвищення температури викликає зростання опору, що досягає максимального значення при 190 – 200 ºС.

Із зростанням температури понад 190—200 ºС опір зменшується.

На характеристиці можна виділити три ділянки. На першій і третій ділянках позистор поводиться як термістор. На другій ділянці позистор має позитивний температурний коефіцієнт опору (ТКО). Звичайно використовується друга ділянка характеристики.

На судах позистори використовують для захисту асинхронних електродвигунів від перевантаження.