3.2. Тензодатчики

В основе работы тензодатчиков лежит тензоэффект, заключающийся в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.

Если на стержень наклеить тензодатчик и подвергнуть его растяжению силой Р, то вместе с деформацией нагруженного стержня будет деформироваться и тензодатчик.

Его сопротивление будет изменяться по формуле

,

где ρ – удельное сопротивление материала тензодатчика, l – длина провода тензодатчика, S – сечение провода тензодатчика.

Запишем полную производную изменения сопротивления тензодатчика dR

. (3.1)

Тогда относительное изменение сечения провода тензодатчика

. (3.2)

Подставив (3.2) в (3.1), получим

Чувствительность проводника к деформации

Введем обозначения: , а .

Получим уравнение чувствительности S = m + 1 + 2m, где коэффициент Пуассона m для металлов изменяется в пределах 0,24 ¸ 0,4. Значение m для металлов мало по сравнению с выражением (1+2m). Поэтому в инженерных расчетах применяют уравнение чувствительности

S = 1 + 2m .

Материалом проволочных тензодатчиков чаще служит константан. В табл. 3.1. приведены другие тензоматериалы и их характеристики.

Таблица 3.1

Материал	Тензо- чувствительность S	Температурный коэффициент сопротивления, ТКС, 1·10-6	Удельное сопротивление,
Константан 60%Cu+40%Ni	1,9 ¸2,1	± 30	0,46 ¸ 0,5
Манганин	0,47 ¸ 0,5	± 10	0,4 ¸ 0,45
Хромель 65%Ni+25%Fe +10%Cr	2,5	100 ¸ 500	0,7 ¸ 1,1
Платино-иридий 95%Pt+5%Ir	5,8	± 3,9	0,24
Инвар	3,6	-	1,4
Стеклоуглерод	60 ¸ 150	-	-
Платино-вольфра- мовый сплав	2,7 ¸ 3,3	4,7	-
Кремний	100 ¸ 170	-	-
Германий	55 ¸ 100	-	-

На рис. 3.9 приведена структура тензодатчиков.

Рис. 3.9. Структура тензодатчиков

П роволочные тензодатчики (рис. 3.10) представляют собой два слоя лаковых пленок, между которыми укладывается голая константановая проволока в виде параллельных нитей, а к концам проволки приваривают медные выводы.

Рис. 3.10. Конструкция проволочного преобразователя

Преобразователи характеризуются базой А = (2¸100) мм, сопротивлением R₀ = (10¸1000) Ом.

Пример обозначения проволочного тензодатчика: ПКБ8-50 – проволочный константановый на бумажной основе, база 8 мм, сопротивление 50 Ом.

До наклейки датчика на объект необходимо знать направление основного напряжения s_пр. Для крепления тензодатчика к объекту применяются различные клеящие составы в зависимости от условий работы (температура, влажность, характер среды). При нормальных и повышенных температурах используются ацетоно-целлулоидные, бакелито-фенольные (БФ) клеи, лаки на основе органических смол (бакелит), кремний-нитроглифталевые и другие клеящие составы. При высоких температурах (700-800 ^оС) используются кремний-органические цементы на основе жидкого стекла. При наклейке необходимо соблюдать технологию наклейки и сушки, записанную в паспорте клея. Нарушение технологии может привести к весьма существенным погрешностям, называемым «ползучестью» клея.

Фольговые тензодатчики представляют собой тонко раскатанную ленту (фольга) из высокоомного материала толщиной 8-12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует, показанную на рис. 3.11, решетку с выводами.

П ри изготовлении фольговых тензодатчиков можно предусмотреть любой рисунок решетки, что является существенным их достоинством. У фольгового тензодатчика поперечная чувствительность равна нулю.

Рис. 3.11. Конструкции фольговых тензодатчиков

Благодаря широкому развитию планарной технологии появилась возможность изготовлять полупроводниковые пленочные тензодатчики, выращивая их на подложке, выполненной из сапфира или кремния. Тензорезистор сцепляется с материалом упругого элемента за счет внутримолекулярных сил, что исключает погрешности, связанные с передачей деформации от упругого элемента к тензорезистору. На одном упругом элементе выращивается обычно структура в виде полумоста или даже целый мост, включая термокомпенсирующие элементы. Выращенные тензорезисторы обладают большей идентичностью, чем дискретные.