Методические указания к лабораторной работе измерение усилий и деформаций с использованием тензорезисторных преобразователей (стр. 1 из 5)

Министерство высшего и среднего специального образования РФ МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННИКИ И МАТЕМАТИКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе

измерение усилий и деформаций с использованием

тензорезисторных преобразователей

Факультет электронной техники

Кафедра метрологии радиоэлектронной

техники

Москва – 2004

Методические указания к лабораторной работе "ИЗМЕРЕНИЕ УСИЛИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ" по дисциплинам "Измерительные преобразователи" и "Информационно-измерительная техника", изучаемый студентами П и У курсов специальностей 0642 и 0567 соответственно.

Лабораторная работа выполняется в объеме 4-х часов. Основным содержанием рабом является изучение принципа действия и конструкции тензорезисторов и овладение практическими навыками работы с современными тензометрическими установками при измерении сил и деформаций в элементах конструкций.

Редактор С.Л.Клышинская

Техн.редактор О.Г.Завьялова

Подписано в печать 14.01.88 Формат 60x84 1/16

Объем 1,36 печ.л. Уч.-изд.л. 1,32 Тираж 50 экз.

Изд. № 229 Заказ - 73 Бесплатно

МИЭМ, 109028, Москва, Б.Вузовский пер., 3/12

Ротапринт МИЭМа, 113054, Москва, М.Пионерская, 12

© Московский институт электроники и математики, 1988.

1. Цель работы, ее краткое содержание

1.1. Целью настоящей работа является изучение принципа действия тензорезисторных преобразователей и приобретение практических навыков работы с тензометрической установкой, предназначенной для измерения механических сил и деформаций.

1.2. В процессе выполнения работы студенты собирают электрическую схему тензометрической установки, определяют ее градуировочную характеристику, а затем определяют неизвестные веса и массы деталей.

2. Основные сведения о тензорезисторах

В основе принципа действия тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.

Сопротивление R резистора, выполненного в виде проволоки длиной l, определяется известным выражением.

(1)

где r - удельное сопротивление материала проволоки;

S - площадь поперечного сечения проволоки. Дифференцируя выражение (1) и переходя к конечным приращениям, получим, что продольной упругой деформации проволоки соответствует относительное изменение ее сопротивления

(2)

где DR, Dr, DS - абсолютные приращения сопротивления, удельного сопротивления, длины и площади поперечного сопротивления проводника соответственно.

В твердом теле в зоне упругих деформаций величины поперечных и продольных деформаций связаны выражением

(4)

где

- значение относительной продольной деформации;

- значение относительной поперечной деформации;

в - поперечный размер проводника; m - коэффициент Пуассона.

С учетом выражений (2) и (4) величина относительного изменения проводника диаметром d и длиной l.

(5)

Качество тензорезистора определяется его коэффициентом тензочувствительности K и величиной температурного коэффициента сопротивления /ТКС/

. Коэффициент тензочувствительности K определяется отношением

(6)

Чем выше коэффициент тензочувствительности К и меньше температурный коэффициент сопротивления (ТКС) материала, из которого изготовлен тензорезистор, тем выше его качество.

Чаще всего проволочные тензорезисторы изготавливаются из сплавов константан и манганин, у которых К»2 и ТКС=±30*10^-6K^-1 и ±10*10^-6K^-1 соответственно.

Если положить в (5), что

, то

.

Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензорезистора изображено на рис.1,а. На полоску тонкой бумаги или лаковой пленки 1 наклеивается так называемая решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 2 диаметром 0,02 - 0,05 мм. К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники 3. После высыхания слоя клея сверху преобразователь покрывается защитным слоем лака 4. Если такой преобразователь наклеить на поверхность испытуемой детали, то он будет воспринимать деформации ее поверхностного слоя. Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются проволочные преобразователи с базами 5-20 мм, обладающие сопротивлением 50-500 Ом.

Рис.1. Конструкции тензорезисторных преобразователей

Тензопреобразователи с решеткой из фольги (рис.1,б) получаются путем химического травления фольги 2 толщиной 4~ 12 мкм, нанесенной сплошным слоем на поверхность подложки 1из непроводящего материала. Фольговые преобразователи имеют меньшие габариты, чем обычные проволочные и могут иметь базу L 0,5-5 мм.

Металлические пленочные тензорезисторы изготовляются путем напыления в вакууме на поверхность тонкой подложки слоя тензо-чувствительного материала с последующим травлением слоя проводящего материала с целью формирования решетки тензорезистора. Пленочные тензорезисторы имеют толщину 1 мкм и менее, базу 0,1-0,5 мм и конфигурацию, аналогичную фольговым тензорезисторам (рис. 1,б).

В настоящее время в практику измерений все шире стали внедряться интегральные полупроводниковые тензорезисторы имеющие коэффициент тензочувствительности К»50-200. Непосредственно па упругом элементе, выполненном из кремния или салфира, с использованием планарной технологии микроэлектроники формируется тензорезистор из монокристаллического кремнии. Такие тензорезисторы обеспечивают большую точность преобразования, чем пленочные или фольговые, поскольку между поверхностью упругого элемента и решеткой тензорезистора отсутствует слой клея, являющиеся источником погрешностей при передаче деформаций от упругого элемента к тензорезистору.

Наиболее распространенной измерительной целью для тензорезисторов является мостовая измерительная схема, работающая в неравновесном режиме.

На рис.2,а приведена мостовая схема, в которой в качестве одного плеча включен тензорезистор R1, а остальные три плеча моста являются постоянными фиксированными резисторами R2, R3, R4. Схема питается от источника постоянного напряжения Е. С измерительной диагонали моста снимается напряжение U_M, которое может быть подано на измерительный прибор или регистратор. Приведенная схема неравновесного измерительного моста обладает значительной температурной погрешностью. Тензорезистор R1 располагается непосредственно на объекте измерения, а резисторы R2, R3, R4 - в блоке вторичной аппаратуры, содержащей усилители, блоки питания, показывающие приборы, удаленном от объекта измерения и находящимся в других климатических условиях. При изменении температуры поверхности объекта измерения будет изменяться сопротивление тензорезистора R1, что. приведет к изменению выходного напряжения U_Н мостовой схемы при отсутствии упругой деформации решетки тензорезистора.

Рис.2. Схемы включения тензорезисторов

При дифференциальном включении двух идентичных тензорезисторов R1 и R2 в два соседних плеча моста (рис. 2,б) удается понизить температурную погрешность нуля в 10-20 раз по сравнению с предыдущей схемой включения.

Пример физической реализации дифференциальной мостовой схемы измерения представлен на рис.2,в. На поверхности консольно закрепленной упругой, балки 1 наклеены тензорезисторы R1 и R2, которые включены в качестве плеч мостовой измерительной схемы и имеет равные сопротивления (R1=R2). При равенства сопротивлений двух других плеч моста (R3 и R4) выходной сигнал с измерительной диагонали моста равен нулю (DU_M=0).

При воздействии на конец консольной балки измеряемого усилия Р¹0 балка прогнется (см. пунктирное изображение балки на рис.2,в), что приведет к появлении упругих деформаций и напряжений растяжения на верхней поверхности балки и напряжений сжатия на нижней ее поверхности. Упругие деформации балки будут восприняты наклеенными тензорезисторами и их сопротивления изменятся соответственно до значений R1+DR и R2-DR (рис.2,б и 2,в). При этом на выходе мостовой схемы появится напряжение DU_M функционально связанное с измеряемым усилием Р. При идентичных параметрах тензорезисторов погрешность нуля, обусловленная изменением их активного сопротивления вследствие изменения температуры балки, будет близко к нулю, поскольку абсолютные значения приращений сопротивлений DR1 и DR2 будут равны и не вызовут разбаланса мостовой схемы, а, следовательно, и дополнительного приращения выходного напряжения U_M.