Тензорезисторные преобразователи и их характеристики

Тензорезисторные преобразователи являются наиболее распространенными элементами.

В основе работы тензорезисторов лежит свойство некоторых проводниковых (металлических) и полупроводниковых материалов менять активное сопротивление при деформации за счет изменения геометрических размеров и удельного сопротивления.

К примеру, сопротивление R резистора, выполненного в виде проволоки длиной l, определяется выражением:

где ρ - удельное сопротивление материала проволоки;

S - площадь поперечного сечения проволоки.

Коэффициент относительной тензочувствительности характеризует отношение относительного изменения сопротивления тензорезистора к его деформации:

где R – сопротивление токопроводящего элемента;

 l – длина токопроводящего элемента;

 и  – приращение сопротивления и длины под внешним воздействием;

- относительное изменение сопротивления;

– относительная деформация;

– коэффициент Пуассона, удельное сопротивление и приращение удельного сопротивления.

Коэффициент Пуассона для большинства металлов лежит в пределах от 0,2 до 0,4. Для части металлов деформация мало сказывается на величине удельного сопротивления. Именно такие металлы используются для построения тензорезисторов. Коэффициент относительной тензочувствительности у них близок 2.

Наряду с чувствительностью важными характеристиками тензорезисторов являются их статическая характеристика, механический гистерезис, ползучесть, функция влияния температуры на чувствительность, дрейф выходного сигнала. Характеристики преобразования тензорезистора в общем случае являются нелинейной функцией:

где R – сопротивление тензорезистора под действием деформации;

– исходное сопротивление тензорезистора.

Если сечение резистора S постоянно по его длине, то

Механический гистерезис, как и ползучесть, обусловлен упругим несовершенством основы и клея и численно определяется как приведенная к входу разность значений выходного сопротивления для одного и того же значения деформации при условии, что данное значение деформации достигается при плавном ее возрастании и плавном уменьшении. Для различных типов тензорезисторов механический гистерезис лежит в пределах 0,5-5%.

Ползучесть проявляется в виде изменения выходного сигнала при заданном и неизмененном значении деформации и определяется обычно как:

 

,

 

где  - приведенное к входу изменение выходного сигнала при заданной относительной деформации

Причиной ползучести является упругое несовершенство основы и клея. В пределах упругого диапазона деформаций ползучесть большинства тензорезисторов не превышает 1-1,5% за 6 ч.

Температурная нестабильность, или влияние температуры окружающей среды на основные параметры тензорезисторов, заключается, с одной стороны, в изменении сопротивления тензорезистора за счет его ТКС, а с другой – в появлении дополнительных механических напряжений вследствие различия в температурных коэффициентах линейного расширения материала тензорезистора и исследуемой детали.

Основной динамической характеристикойтензорезисторов является их собственная частота, значение которой для наклеенных тензорезисторов лежит в пределах 100-300 кГц. Собственная частота тензорезистора определяет предельную частоту исследуемого процесса, при которой частотными погрешностями можно пренебречь. Для исследований переменных деформаций обычно выбирают тензорезистивный преобразователь, собственная частота которого хотя бы в 5-10 раз превышала частоту деформаций.