Тензорезистор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Деформация тензорезистора из фольги. Изменение сопротивления преувеличено для наглядности.
Условное обозначение тензорезисторов на электрических принципиальных схемах
Фольговые тензорезисторы в упаковке

Тензорези́стор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации[1]. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов[2]. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Принцип действия[править | править вики-текст]

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности величина деформации тензорезистора утрированно увеличена и в реальности относительные изменения сопротивления весьма малы и для их измерений требуются чувствительные вольтметры, прецизионные усилители или АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее в электрический сигнал.

Электромеханические параматры[править | править вики-текст]

Чувствительность[править | править вики-текст]

Чувствительность тензорезистора характеризуется безразмерным параметром — коэффициентом тензочувствительностиK_f который определяется как:

K_f=\frac{\Delta R/R_0}{\epsilon}

где

\Delta R — абсолютное изменение сопротивления, вызванное деформацией,
R_0 — начальное сопротивление недеформированного тензорезистора,
\epsilon — относительная деформация.
\epsilon = \Delta L / L_0.

где

\Delta L — абсолютное изменение длины,
L_0 — длина недеформированного тензорезистора.

Для пленочных металлических тензорезисторов этот параметр слабо зависит от деформации и немного превышает 2[3].

При включении тензорезистора в мост Уитстона, в котором остальные 3 резистора постоянны, выходное напряжение диагонали этого моста выражается:

v=\frac{V_b \cdot K_f \cdot \epsilon}4

где

V_b — напряжение питания моста.

Типичные значения коэффициент тензочувствительности для разных материалов приведены в таблице.

Материал Коэффициент тензочувствительности
Металлическая фольга 2-5
Тонкая металлическая плёнка (напр. константановая) 2
Монокристаллический кремний -125 to + 200
Поликристаллический кремний ±30
Тонкопленочные резистивные материалы 100

Температурный коэффициент[править | править вики-текст]

При изменении температуры изменяется сопротивление тензорезистора, не связанное с деформацией. Это является вредным побочным эффектом. Через коэффициент тензочувствительности относительное изменение сопротивления выражается:

\frac{\Delta R}{R} = K_f \cdot \varepsilon + \alpha \cdot \theta

где

\alpha — температурный коэффициент сопротивления,
\theta — изменение температуры.

Электрическая схема подключения тензорезистора[править | править вики-текст]

Измерительный мост с вольтметром в диагонали. Тензорезистор обозначен Rx.

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного напряжения (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора R2 производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствии приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

При выполнении соотношения R1 / R2 = Rx / R3 напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление Rx (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов Rx и R3 (B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления Rx может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора R3 включают такой же тензорезистор, как и Rx, но при деформации детали этот резистор изменяет свое сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления (вызванного изменением температуры) равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие полезные сервисные функции.

Конструкция[править | править вики-текст]

Плёночный тензорезистор. На подложку через фигурную маску в вакууме напылена или сформирована методами фотолитографии плёнка металла. Для подключения электродов выполнены контактные площадки (снизу). Метки облегчают ориентацию при монтаже.

Обычно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника нанесенного на гибкую подложку. Тензорезистор приклеивается подложкой на поверхность исследуемого на деформации объекта. Проводники тензорезисторов обычно изготавливаются из тонкой металлической проволоки, фольги, или напыляются в вакууме для получения пленки полупроводника или металла. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, полимерную пленку, слюду и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь тензорезистор имеет выводные проволочные концы или контактные площадки.

Пленочные металлические тензорезисторы имеют площадь около 2—10 мм2.

Применение[править | править вики-текст]

Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей в тензометрах и тензостанциях при измерениях механических величин (деформации, силы, крутящего момента, перемещения, также, для измерения давления в манометрах и пр.).

Примечания[править | править вики-текст]

См. также[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]