8-3. Измерительные тензопреобразователи

Действие измерительных тензопреобразователей основано на изменении электрического сопротивления упругого тела при его деформации. Тензопреобразователи, выполняемые из металлической проволоки или фольги, широко применяются в научно-технической практике. Они используются в качестве передающих преобразователей в измерительных устройствах для измерения переменного во времени давления, преобразованного предварительно в деформацию. Металлические тензорезисторы широко применяются также и в качестве первичных преобразователей для измерения деформаций в деталях механизмов и машин при их исследовании.

Наряду с металлическими тензопреобразователями находят применение также и полупроводниковые тензорезисторные преобразователи. Для создания промышленных быстродействующих приборов давления, снабженных передающими преобразователями, обладающими малыми размерами и массой, наиболее

перспективными являются полупроводниковые тензопреобразователи. Они обладают более высокой тензочувствительностью по сравнению с металлическими тензорезисторами и позволяют с помощью усилителя получить унифицированный выходной сигнал постоянного тока 0-5 мА [41-43].

Рис. 8-3-1. Проволочный тензопреобразователь. 1 — проволока; 2 — выводные проводники; 3 — подложка из специальной бумаги или пластмассы; 4 — клей; 5 — фетр; 6 — предмет; L - база; h - ширина тензорезистора.

По устройству металлические тензопреобразователи подразделяют на наклеиваемые и ненаклеиваемые-.

Наклеиваемые тензорезисторные преобразователи, получившие широкое распространение, выполняются из уложенной зигзагообразно и приклеенной специальным клеем на полоску тонкой прочной бумаги (или пластмассы) проволоки диаметром (рис. 8-3-1). К концам проволоки тензорезистора припаяны или приварены выводные проводники диаметром 0,5 и длиною служащие для включения тензопреобразователя в измерительную цепь.

В качестве материала для проволоки используются обычно сплавы меди и никеля, никеля и хрома, никеля и железа и др. Основными требованиями к тензочувствительным материалам являются стабильность градуировочных характеристик, малый температурный коэффициент электрического сопротивления, по возможности большая тензочувствительность и т. п.

Рис. 8-3-2. Фольговый тензопреобразователь.

На рис. 8-3-2 показано схематично устройство фольгового тензопреобразователя. Эти тензопреобразователи выполняют из металлической (кон-стаптановой, хромоникелевой и др.) фольги толщиной вытравлением соответствующих частей, вследствие чего получается решетка требуемой формы. Такой способ дает возможность изготовлять тензорезисторы различных форм.

Полупроводниковые тензопреобразователи изготовляют с тензорезисторами из полупроводников круглого или плоского сечения.

Для измерения относительного удлинения во многих направлениях применяют тензопреобразователи, имеющие три или четыре проволочных тензорезистора, соответствующим образом ориентированные и наклеенные на одну общую подложку. Тензорезисторы могут быть наклеены рядом друг с другом или друг на друга [44].

Металлическим тензорезисторный передающий преобразователь механически соединяют, например, с манометрической пружиной или плоской мембраной, которая деформируется под действием измеряемого давления. При деформации меняются размеры и удельное электрическое сопротивление проволоки тензопреобразователя. Размер деформации определяет изменение электрического сопротивления тензорезистора, измеряемого обычно с помощью мостовой измерительной схемы.

Активное сопротивление проволочного проводника

где удельное электрическое сопротивление проволоки, длина проволоки, площадь поперечного сечения проволоки,

При деформации (изменения осевого напряжения) проволоки изменяются ее длина, сечение, удельное электрическое сопротивление и результирующее относительное изменение ее активного сопротивления равно

Выражая в этом уравнении относительное изменение площади поперечного сечения проволоки через продольное изменение с помощью коэффициента Пуассона

получаем:

Разделив уравнение (8-3-2) на получим уравнение, определяющее коэффициент деформации (тензочувствительность) прямой проволоки:

Для металлов, из которых изготовляют проволочные тензопреобразователи, коэффициент Пуассона в области упругих деформаций лежит в пределах от 0,25 до 0,5.

Проволочный тензопреобразователь обычно наклеивают на исследуемую деталь или упругий чувствительный элемент манометра таким образом, чтобы его ось совпадала с направлением наибольшего напряжения. При одноосном напряжении, кроме деформации в направлении напряжения, возникает поперечная деформация. Вследствие деформации частей, которые не Находятся в направлении напряжения, по изменению удельного электрического сопротивления и известной тензочувствительности проволоки точно

определить значение относительного удлинения нельзя. Нельзя также тензочувствительность тензопреобразователя приравнять тензочувствительности прямой проволоки. Влияющим фактором является также и неравномерность распределения напряжения при сдвиге, посредством которого передается деформация детали или упругого чувствительного элемента на проволоку тензопреобразователя.

Влияние поперечной деформации на тензочувствительность преобразователя уменьшается с уменьшением ширины тензопреобразователя и с увеличением сечения поперечных проводников между продольными проволоками (см. рис. 8-3-1).

Значение тензочувствительности проволочного тензопреобразователя при одинаковом числе витков зависит от размера его базы (если ). При тензочувствительность практически не меняется с увеличением базы.

Тензочувствительность тензопреобразователей обычно определяют при заданном значении тока путем их индивидуальной градуировки. В большинстве случаев значение сопротивления тензопреобразователя лежит в пределах 80—600 Ом при Изменение сопротивления тензопреобразователя в зависимости от удлинения обычно определяют с погрешностью 1—2%.

Относительное изменение сопротивления металлических тензопреобразователей не превышает даже при наибольших размерах удлинения проволок, и для уменьшения температурной погрешности необходимо, чтобы материал проволоки (фольги) тензопреобразователя имел возможно меньший температурный коэффициент электрического сопротивления. При минимальном значении температурного коэффициента сопротивления материала проволоки и осуществлении дополнительных мер температурную погрешность можно свести практически к нулю,