RAZDEL2 (729865), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Общий вид прикрепленного к объекту проволочного тензорезистора показан на рис.12. Проволочная решетка, представляющая собой ряд петель 1, укреплена (с помощью клея или лака специального состава) к подложке 3; к концам решетки припаяны (приварены) выводы 4, с помощью которых тензорезистор подключается в измерительную схему. Тензорезистор приклеивается к объекту 2 и становится (благодаря своим малым размерам и ничтожной массе) как бы одним целым, вследствие чего деформации объекта воспринимаются проволочной решеткой, являющейся чувствительным элементом этого преобразователя.

Деформация объекта вызывает деформацию проволочной решетки тензорезистора, в результате которой изменяются геометрические размеры и физические свойства решетки.

Относительное изменение сопротивления тензорезистора определяется формулой:

D R / R = D l / l (1 + 2m) + D r / r (15)

где R- сопротивление тензорезистора, Ом ;

l - длина проволоки, м ;

r- удельное сопротивление материала проволоки, Ом*м ;

m- коэффициент Пуассона для материала проволоки.

Основными характеристиками тензорезистора являются его активное сопротивление R_Д , его база L (см. рис.12) и коэффициент тензочувствительности К, в соответствии с формулой (7) равный:

К = (D R / R) / (D l / l) = (1 + 2m) + (D r / r) / (D l / l) (16)

Для приготовления проволочных решеток используются материалы, имеющие высокое значение коэффициента тензочувствительности и малое значение температурного коэффициента сопротивления.

Наиболее часто в качестве материала для проволочных тензорезисторов используется константан, элинвар, карм и изоэластик.

Наибольшее распространение в отечественной тензоизмерительной технике получили тензорезисторы из специальной константановой тензометрической проволоки диаметром 0,025 – 0,035 мм, разработанной Научно - исследовательским конструкторским институтом испытательных машин, приборов и средств измерения масс (НИКИМП), институтом “Гипроцветметобработка” и подольским заводом “Микропровод” .

За последние годы значительных успехов достигла техника получения различных полупроводниковых материалов, широко используемых в радиотехнической промышленности, что открыло широкие перспективы в решении проблемы разработки и изготовления полупроводниковых тензорезисторов.

Полупроводниковые тензорезисторы, сохраняя ряд преимуществ, присущих проволочным фольгированным тензорезисторам (ничтожная масса, малые размеры), имеют значительно большую тензочувствительность и высокий уровень выходного сигнала измерительных схем (в ряде случаев это позволяет упростить либо упразднить усилительную аппаратуру). Важнейшей особенностью полупроводниковых тензорезисторов является возможность изменения в широких пределах их механических и электрических свойств, что принципиально неосуществимо в проволочных и фольгированных тензорезисторах. Например, при одних и тех же геометрических размерах сопротивление полупроводникового тензорезистора может лежать в пределах от десятков ом до десятков кОм, а коэффициент тензочувствительности – от 100 до + 200 и выше.

Полупроводниковым тензорезисторам, технологии их изготовления, опыту эксплуатации, конструированию на их базе различного типа преобразователей, перспективам их использования и другим вопросам посвящена обширная периодичная и патентная литература.

Наибольшее распространение у нас в стране и за рубежом получили кремниевые и германиевые тензорезисторы p- и n- типов.

В Новосибирском электротехническом институте (НЭТИ) под руководство проф. А.Ф. Городецкого были разработаны кремниевые тензорезисторы типа “нэтистор” из кремния p- и n- типов с выводами из золота. На базе этих разработок освоены первые промышленные образцы полупроводниковых тензорезисторов.

В настоящее время тензорезисторы применяются не только для измерения линейных деформаций (напряжений), но и других величин: сил, ускорений, давлений, вибраций и др. В этом случае тензорезистор выполняет лишь роль первичного (чувствительного) элемента, а сами преобразователи физических или механических величин, как правило, дополняются упругими элементами. Преобразование измеряемой неэлектрической величины в электрический параметр при последовательном многоступенчатом преобразовании в общем виде описывается сложной функцией:

y = f₁ (e) = f₁ [f₂ (x)], (17)

где у - электрический параметр (сопротивление тензорезистора);

х - измеряемая неэлектрическая величина;

e - линейная деформация вспомогательного упругого элемента.

Законы преобразования линейной деформации в изменение сопротивления тензорезисторов [e = f₂ (х)] изучены . Менее изучены свойства и характеристики упругих элементов, осуществляющих первичное преобразование физических величин в линейную деформацию, воспринимаемую далее проволочными, фольговыми или полупроводниковыми тензорезисторами. Вид упругого элемента преобразователя: балка, мембрана, пружина различной жесткости и др. – определяет назначение преобразователя в целом, а деформируясь и частотные свойства упругого элемента – чувствительность преобразователя и применимость его для исследования динамических процессов.

При подборе или конструировании преобразователей для измерения физических или механических величин необходимо удовлетворять двум требованиям:

а) получать наибольшую, достаточную для работы тензометрической аппаратуры чувствительность;

б) обеспечить высокую собственную частоту упругих элементов, исключающую появление частотных погрешностей.

Эти требования выполняются противоречивыми конструктивными мерами, и увеличение чувствительности большинства упругих элементов пропорционально уменьшает их собственную частоту.

Обычно в зависимости от задач измерения выбирается преобразователь (разрешающая способность) которого вполне достаточна для измерения и регистрации исследуемого процесса с погрешностью, не превышающей заданной. Это условие, например, при использовании тензорезисторов записывается следующим образом :

e_ср. > e_{min доп,} (18)

где e_ср. – деформация, воспринимаемая размещенным на упругом элементе тензорезистором и средняя его длине (базе);

e_{min доп,} - минимальная деформация, достаточная для регистрации данным тензоизмерительным трактом с погрешностью не выше допустимой

Искомая деформация e_ср. для некоторых типовых упругих элементов – балок и мембран – может быть определена на основе зависимостей, проводимых в соответствующих курсах или справочниках.

Отсутствие частотных погрешностей определяется решением дифференциального уравнения вынужденных колебаний упругих элементов

Анализ уравнений движения, показывает, что коэффициент динамичности несущественно отличается от единицы (с ошибкой менее 1%) при выполнении следующего неравенства:

w₀ > (8 ¸ 10) w (19)

где w₀ – собственная частота упругой системы;

w -- частота исследуемого процесса (высшая учитываемая гармоническая составляющая).

Для упругих систем, отличающихся значительным затуханием (наличием трения, демпфирование, материал с большим внутренним трением), превышение собственной частоты над частотой исследуемого процесса может быть уменьшено до 3 – 4. В этом случае удается практически исключить инерционные погрешности и при собственной частоте упругого элемента расширить частотные пределы измерений.

Как отмечено было выше, широкое применение получили измерения разнообразных физических величин с помощью преобразователей, использующих тензорезисторы в качестве первичных (чувствительных) элементов. И если совсем недавно измерения с помощью тензорезисторов сопротивления считались достаточно грубыми, то с настоящее время электротензометрирование используется и при точных измерениях, вплоть до прецизионных. Так например, тензометрические преобразователи применяются при весо- и силоизмерениях.

При весоизмерениях используются как наклеиваемые тензорезисторы, так и тензорезисторы с проволокой на свободных подвесах.

В НИКИМП разработан ряд тензопреобразователей с нагрузками от 100 кгс до 1000 тс, использующих специальные типы наклеиваемых тензорезисторов, в Институте автоматики – силоизмерительные тензопреобразователи с номинальными усилиями от 1 до 250 тс, использующие бесклеевые тензорезисторы. За рубежом сило- и весоизмерительные тензопреобразователи выпускаются фирмами “Hotinger”, “Philips”, “Simens” и др.

Серийный выпуск электротензометрических весов, сило- и весоизмерительных тензопреобразователей налажен на Киевском заводе порционных автоматов им. Ф.Э. Дзержинского (силоизмерительные бесклеевые тензопреобразователи типов ДСТБ-С, ДСТВ-С и др.) на Одесском заводе им. Старостина (тензометрические весы: крановые, бункерные и т.п., разработанные в ОПИ под руководством А.С. Радчика) и на Краснодарском заводе тензометрических приборов (силоизмерительные тензопреобразователи типа ТДС с чувствительным элементом в виде наклеенных полупроводниковых тензорезисторов)

Фирма “Simens” выпускает тензометрические силоизмерители высокой точности с упругими элементами в виде двух параллельных балок, используемые в торговых весах (предельные нагрузки от 13 до 600 кгс).

В статье [5] приводится описание силоизмерительного тензопреобразователя из монокристалла кремния, в котором используется интегральная микросхема. Также рассмотрен силоизмерительный преобразователь с чувствительным элементом из стеклоткани, на которую наклеены проволочные тензорезисторы. Эти преобразователи применяются для измерения малых нагрузок.

Современные сило- и весоизмерительные тензопреобразователи позволяют выполнять измерения с погрешностью, не превышающие 0,5%. Имеются сведения о тензопреобразователях, позволяющих выполнять и более точные измерения (с погрешностью 0,1 – 0,2%).

Для измерения давлений широко используются тензопреобразователи с проволочными, фольговыми и полупроводниковыми тензорезисторами, причем благодаря высокому верхнему частотному пределу полупроводниковые тензорезисторы в последнее время стали все чаще применяться в преобразователях для измерения давлений (в первую очередь динамических давлений).

Для измерения давлений используются в основном два вида упругих преобразователей: мембраны и цилиндрические оболочки . Некоторое применение для измерения статических давлений находят преобразователи, построенные на базе обычного манометра с трубкой Бурдона.

Мембранные преобразователи давлений в качестве упругого элемента имеют мембрану – тонкую пластинку, нагруженную с одной стороны измеряемым давлением р . Упругая пластинка закрепляется по контуру, и на поверхности, противоположной той, на которую действует давление, располагается тензочувствительный элемент. Обычно применяются круглые пластинки, причем их жесткость и геометрические размеры выбираются такими, что влиянием цепных напряжений можно пренебречь.

Если из-за больших нагрузок или недостаточной жесткости мембрана получает большие прогибы, то на изгибные напряжения накладывают цепные напряжения и линейность зависимости между давлением р и относительной деформацией e_Д на поверхности нарушается.

Большое влияние на качество работы мембранного преобразователя давлений, линейность его функции преобразования и чувствительность оказывает степень заделки мембраны по контуру. Обычно следует стремиться к жесткой заделке, ибо при этом создаются оптимальные условия расположения на мембране тензочувствительного элемента и обеспечивается более высокая собственная частота самой мембраны.

Тензочувствительные элементы могут быть выполнены в виде проволочных, фольговых или полупроводниковых тензорезисторов.

Расчет чувствительности мембранного преобразователя давления производится в следующем порядке:

а) определяются изгибающие моменты в тангенциальном и радиальных сечениях;

б) находятся деформации по направлению радиуса по нормали к радиусу;

в) определяются средние интегральные деформации тензочувствительных элементов при действии расчетного давления.

Для жестко заделанной по контуру мембраны изгибающие моменты в радиальном и тангенциальном сечениях будут:

М_r = p/16 [R² (1+m) - r² (3+m)]; ü (20)

M_t = p/16 [R² (1+m) - r² (3+3m)]; þ

где р – распределенное давление на мембрану;

m --коэффициент Пуассона для материала мембраны;

R – радиус мембраны;

r – радиус точки мембраны, для которой вычисляются М_r и M_t.

Соответствующие напряжения s_r и s_t и деформации e_r и e_t на поверхности мембраны в точке с радиусом r находятся из зависимостей:

s_r = 6M_r / t² = 3p / 8t² [R² (1+m) - r² (3+m)]; ü (21)

s_r = 6M_r / t² = 3p / 8t² [R² (1+m) - r² (3+3m)]; þ

e_r = 1 / E (s_r - ms_t); (22)

e_t = 1 / E (s_n - ms_t), (23)

где Е – модуль нормальной упругости для материала мембраны;

t – толщина мембраны.

Подставляя в последние уравнения значения s_r и s_t , окончательно можно записать:

e_r = (3p / 8t²) (1 - m² / E) (R² - 3r²); ü (24)

e_t = (3p / 8t²) (1 - m² / E) (R² - r²). þ

Для мембраны, свободно опертой по контуру, деформации в точке с радиусом r можно найти по формулам:

Характеристики

Список файлов реферата