2.3. Области применения и типы датчиков

Тензодатчики используются для решения двух групп измерительных задач.

К первой группе относятся исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях. Для них характерны большое число точек тензометрирования, широкий диапазон изменения параметров окружающей среды, невозможность градуировки измерительных каналов. Погрешность измерений связана с разбросом параметров тензорезисторов (сопротивления и К_Т) около средних для данной партии, она составляет от 2 до 10 %.

Вторая область – применение тензорезисторов для измерения механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента. Датчики градуируются по измеряемой величине, погрешность измерений составляет от 0,05 до 0,5 %. Это измерения: сил и крутящих моментов; линейных и угловых ускорений; амплитуд колебаний и относительных перемещений ; пневматических и гидравлических давлений.

Технология микроэлектроники позволяет наносить тензочувствительные слои непосредственно на упругие элементы (например, мембраны) методами тонко – и толстопленочной технологии. По планарной технологии создаются кремниевые датчики давления. Для этого часть кремниевой пластины вытравливается до образования тонкой мембраны. методами диффузии или ионной имплантации создаются тензочувствительные резисторы, образующие мостовую схему.

При измерении динамических деформаций верхняя граница частотного диапазона определяется соотношением между длиной волны λ и базой L тензорезистора L/λ 0,1; при этом максимальная деформация проволочных тензорезисторов не должна превышать 0,1 %, а для полупроводниковых – 0,02 %.

Контрольные вопросы

1. Что называется коэффициентом тензочувствительности? Чем определяется его величина?

2. Почему максимальный тензоэффект в n-Ge наблюдается в [111], а в n-Si – в [100]?

3. Чем объясняется большая величина К_Т в Ge и Si p-типа проводимости?

4. В чем преимущества и недостатки полупроводниковых тензорезисторов?

5. Перечислите основные параметры тензорезисторов.

6. Какие физические явления лежат в основе работы тензодиодов и тензотранзисторов?

3. Датчики температуры

Из большого количества методов измерения температуры (оптических, механических, магнитных и др.) наиболее простыми и широко используемыми являются электрические методы, а в качестве датчиков температуры чаще всего используются терморезисторы и термопары.

3.1. Принцип действия

3.1.1. Термопары

Принцип работы термопары основан на эффекте Зеебека: если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой, и температуру Т₁ одного места соединения (спая) сделать отличной от температуры Т₂ другого, то в цепи потечет ток под действием эдс, называемой термоэлектродвижущей силой (термоэдс), зависящей от материалов проводников А и В и от разности температур Т₁ и Т₂. При небольшом перепаде температур между спаями термоэдс пропорциональна разности температур Е_АВ = S_АВ ΔТ.

Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если места этих соединений находятся при одной температуре, то не возникает паразитных термоэдс. Поэтому прибор для измерения термоэдс может быть включен как между свободными концами термопары, так и в разрыв одного из термоэлектродов.

Обычно температура одного спая постоянна и известна, она служит опорной (нулевой) точкой Т₁ = Т₀. Температура другого спая Т₂ является температурой Т_С, которую приобретает спай в исследуемой среде с температурой Т_Х. Температура Т_С зависит от Т_Х и тепловых потоков, которые устанавливаются между спаем и окружающей средой. Так как размеры спая могут быть очень малыми, измерение термопарой обеспечивает высокое быстродействие и возможность точечных измерений температуры. В этом преимущества термопар в сравнении с термометрами сопротивлений.

Другое достоинство термопары – вырабатываемый сигнал (эдс), для его измерения не нужно пропускать ток через датчик, поэтому нет саморазогрева, что важно в системах с малой тепловой инерцией или при низких температурах.

В широком диапазоне температур термоэдс является нелинейной функцией Т_С. Термопары в зависимости от их типа применимы от очень низких температур (–270 ºС для термопары медь – сплав серебра с кобальтом ) до очень высоких (2700 ºС для термопары вольфрам- рений 5 % – вольфрам-рений 26 %). Эти температуры на 1400 ºС выше максимальной рабочей температуры термометров сопротивления.

Чувствительность S_AB термопары к температуре при Т_С определяется соотношением S_AB(Т_С) = dE_AB/dT_C, зависит от температуры и выражается в микровольтах на градус Цельсия. Для термопары железо – константан S(0 ºС) = 52,9 мкВ/ºС, S(700 ºС) = 63,8 мкВ/ºС; для термопары платинородий - платина S (0 ºС) = 6,4 мкВ/ºС, S (1400 ºС) = 11,93 мкВ/ ºС . Сравнивая эти значения с чувствительностью измерительных установок с термометрами сопротивления, следует вывод, что термопары имеют низкую чувствительность.