Загальна теорія та конструкція тензометричних перетворювачів.

Принцип дії тензометричних перетворювачів грунтується на, так званому, тензоефекті - зміні активного опору провідника або напівпровідника за пружних деформацій (стиснення або розтягування). Самий поширений варіант використання тензоефекту - це розтягування дроту або стрічки з тензочутливого матеріалу. Такі провідникові перетворювачі, а вони роз розподіляються на дротяні та фольгові, використовують для вимірювання невеликих переміщень, деформацій, або інших механічних величин, що пов’язані з деформаціями, і перетворення останніх у зміну електричного опору. Для забезпечення передачі деформації на тензоперетворювач, його прикріплюють (приклеюють) до тих деталей, які деформуються.

Основною характеристикою тензоматеріалу є коефіцієнт відносної тензочутливості Ѕ, який дорівнює: Ѕ = (Δ R / R) / (ΔL /L), де (Δ R / R) – відносна зміна опорутензорезистора, а (ΔL /L) – відносна його деформація (зміна розміру).

Провідникові тензорезистори. В якостітензочутливого матеріалу в них най

частіше використовується константан (сплав 45% нікелю та 55% міді), а також сплави нікелю й хрому. Такі тензоперетворювачі використовуються при тем-пературах середовища до 180°С.

 

Рис 1. Провідникові фольговий а) та дротяний б) і напівпровідниковий в)

тензорезистори.

 

Досить розповсюджені провідникові дротяні тензорезистори (рис. 1б), які виготовля­ються із укладеного у вигляді грати та при­клеєного до основи 3 (з паперу або пластма­си) дроту 2 із константану діаметром 0,01...0,05 мм. До кінцях дроту розташовуються вивідні площинки 1, до яких припаюються вивідні дроти діаметром 0,5 мм. Замість дроту у фольгових тензоперетворювачів (рис.1а) вико­ристовується нанесена на тонку плівку 3 фольга з константану завтовшки 0,004...0,012 мм, із якої методом витравлюван­ня (аналогічно виготовляють друковані плати електонних пристроїв) одержують теж перетворювач 2 у вигляді грати. Зверху такий перетворювач покривається захисною водостійкою плівкою (лаком). Тензоперетворювач наклеюють на пружний елемент, що перебуває під дією вимірюваного зусилля, пропорційного тиску. Останнє приводить до деформації пружного елемента і одночасно до зміни розмірів тензорезистора (змінюється довжина дроту і його поперечний переріз) і, як наслідок, змінюється електричний опір R перетворювача за формулою:

R = n (), де ρ - питомий опір матеріалу; L – база перетворювача (довжина прямолінійних ділянок дротинки від 3 до 30 мм); S – площа перерізу дротинки; n – кількість лінійних ділянок розташованих у гратці. Початковий опір їх становить 50…400 Ом.

Основна приведена похибка провідникових тензорезисторів складає 0,2… 2% від діапазону вимірювання. Основний недолік – обмежений ресурс роботи із-за старіння клеїв та повзучість (зміна опору за незмінного значення деформації), що пов’язана з пружною недосконалістю основи та клею.

Зміна температури навколишнього середовища вливає на основні параметри тензористора. Так як відносна зміна опору тезнзорезистора від вимірюваної деформації складає не більше 1% від початкового опору, то температурні зміни можуть привести до суттєвої додаткової похибки, яку зменшують термокомпенсацією.

Напівпровідникові тензорезистори (їх ще називають п´езорезосторами)

застосовуються, поряд з металевими тен­зоперетворювачами дедалі ширше.

Вони відзначаються значно вищою чутливістю, меншими габаритами та масою, кращими метрологічними характеристиками.

В залежності від способу виготовлення їх поділяють на вирізані та дифузійні.

Вирізані тензорезистори являють собою вирізану із монокристалу кремнію 4 (рис.1, в) пластину, довжиною 5…10 мм та шириною до 1мм і яка має початковий опір 50…800 Ом. Пластину вирізають паралельно діагоналі кристалічного куба для кремнію «р -типу», або паралельна ребру куба для кремнію «n -типу». Таку пластинку теж приклеюють до підложки 3, її кінці з’єднують дротами 2,5 з вивідними площинками 1,6.

Найчастіше опір тензоперетворювачів вимірюється за до­помогою мостових схем. Для зменшення впливу зміни температури навколишнього середовища на точність вимірювань застосовуються спеціальні схеми термокомпенсації.

Температурної похибки немає у схемі, де використовується чотири однакових тензорезистори, які розміщуються на мембрані або консолі, до яких підводиться вимірюване зусилля або тиск. Під дією тиску чи зусилля Р (рис. 2) вигинається пружна консоль 1, деформація якої вимірюється за допомогою чотирьох приклеєних дротяних або фольгових тензорезисторів (згори R1,R3, а знизу R2,R4). Резистори ввімкнені у незрівноважену мостову схему. Напруга нерівноваги підсилюється або перетворюється в відповідний цифровий код, який опрацьовується і використовується далі в системі. Схема має підвищену чутливість до зусилля, що вимірюється, так як одночасно із зростанням зусилля Р змінюються від деформації всі чотири резистори, причому два R1, R3 в сторону розтягування, а R2, R4 – в сторону стискування, збільшуючи тим

самим напругу Ucd у вимірювальній діагоналі.

R1 С R2

R1, R3 1

 

R2, R4 Р

A D B

R4 R3

Uж

Рис. 2. Варіант використовування тензорезисторів на консолі.

Дифузійні п´єзорезистори отримують методом дифузії домішок (елементів 3-ої та 5-ої груп таблиці Менделєєва) у кремнієву підложку. Якщо додаються елементи 3-ої групи (Ga, In), то отримують провідність «р -типу», в іншому випадку додають P, Sb та отримують провідність «n -типу».

Такі тензорезистори теж виготовляються у вигляді одиночних вирізаних, що приклеюються (ПВП по аналогії з провідниковими), але найчастіше у вигляді інтегральних тензомодулів, в яких пружний елемент (сама мембрана), виготовлений із монокристалічного напівпровідника (кремнію), на якому методом дифузії відразу формують інтегральний (за мостовою схемою) тензомодуль. Основна перевага такого тензомодулю – відсутність між пружним елементом (мембраною) та п´єзорезиторами проміжних ланок (клею), що покращує його метрологічні характеристики.

На такому принципі працюють засоби вимірювання тиску типу «Сапфір» і їхні модифікації, а також прилади фірми «Siemens» типу Sitrans P серій DZ та Z, дифманометри типу DS.

Структурна схема первинного вимірювального перетворювача (ПВП) "Сапфір" для вимірювання надлиш­кового тиску показана на рис. 3.

В цьому випадку тензорезистори наносяться у вигляді монокристалічної плівки кремнію на сапфірову мембрану. А сам первинний вимірювальний перетворювач складається з тензомодуля і вмонтованого електронного підсилювача ЕП (рис. 3,а). Тензомодуль – це корпус 1, в якому розміщується двошарова мембрана – нижня 2 металева, та верхня 3 із сапфіру, що закріплюється на металевій мембрані 2. Сапфір – це мінерал (різновид корунду, підклас простих окислів алюмінію), який виготовляють синтетично і який являє собою кристал синього чи голубого кольору з домішками заліза та титану На сапфіровій мембрані розміщується чотири однотипних тенезорезистори, які вмикаються за мостовою схемою (рис.3,в). Окремі резистори з’єднані так, що за прогину мембрани опори резисторів R1 та R3 зростають, а R2 та R4 зменшуються (рис.3,б). Як наслідок досягається висока чутливість вимірювального мосту.

При виготовленні перетворювача міст урівноважується при нульовому значенні вимірюваного тиску. При зростанні тиску рівновага мосту порушується і виникає різниця напруги у вимірювальній діагоналі, яку сприймає перетворювач. Напруга у вимірювальній діагоналі мосту

дорівнює: U = U . (1)

 

ЕП БЖ ВП

1 3

P а) R1 R2 Uвих

2

R1 Uж

+

R4 R4 R3

- R2 -

 

R3 в)

+ б)

 

Рис. 3. Варіант виконання тензомодулю типу "Сапфір.

 

Максимальне значення напруги Uвих = 0,1 В, тому напругу підсилюють в ЕП, який розміщують в цьому ж корпусі. Сигнал вимірювальної інформації подається до блоку живлення БЖ, де перетворюється в уніфікований сигнал по струму, який подається на вторинний прилад.

Вимірюючи перетворювачі «Сапфір» забезпечують вимірювання тисків до 100 МПа, розрідження – до 10^-5 МПа, різниці тисків від 2,5Па до 16М. За класом точності бувають: 0,1; 0,25; 0,5. Переваги: надійність, так як використовуються незначні деформації чутливих елементів; стабільність, високий клас точності – 0,1, дистанційна передача інформації.

Відмінною особливістю манометрів фірми «Siemens» - є висока ступінь інтеграції електронних схем обробки сигналів ПВП, наявність вбудованого мікпропроцесорного пристрою цифрової обробки, пам’яті EEPROM, яка зберігає у цифровому коді константи заводського налаштування ППВ при його метрологічній атестації, та схема живлення і передачі інформації в два проводи.