2. Тензорезисторные датчики

2.1. Основы тензорезистивного эффекта

В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Относительное изменение сопротивления при деформации резистора определяется как

Учитывая, что в твердом теле в зоне упругих деформаций величины поперечной и продольной деформаций связаны через коэффициент Пуассона , как _b = –_l (_l = l/l, _b = b/b), где b – поперечный размер проводника, выражение для _R можно представить в виде

Величина

называется коэффициентом тензочувствительности и для металлов определяется значением . Коэффициентом Пуассона для металлов имеет значение в пределах 0.24 – 0.4, следовательно значение К_Т для большинства металлов не должно выходить за пределы 1.48 – 1.8. На практике значение К_Т выходит за указанные пределы в обе стороны, так как механизм изменения  при деформации носит более сложный характер, связанный с изменением проводимости по кристаллической ориентации металла под действием электрического поля при измерении сопротивления проводника. Для наиболее применяемых тензорезисторных проводов из медно-никелевых славов, константана, магнанина и нихрома К_Т = 2.0; платиновольфрамовые сплавы К_Т =2.7 – 3.3; платиносеребряный сплав К_Т = 0.8 – 1.7.

Для тензорезисторов из полупроводниковых материалов используется кремний n и p-прововодимости. Кремний является анизотпропным материалом, и для него при одновременном воздействии электрического поля и механических напряжений растяжения–сжатия и сдвига изменение удельного сопротивления является функцией плотности токов, текущих во всех направлениях по его объему и по кристаллографической оси, по которой вырезан тензоэлемент и носит сложную зависимость. Значение удельного сопротивления зависят от концентрации примесей, образующих проводимость. Значения К_Т для полупроводниковых тензоэлементов находится от 50 –200 (и более).

Коэффициент тензочувствительности для полупроводниковых тензорезистров зависит от значений приложенных механических напряжений, что приводит погрешности линейной зависимости _R от _l. На практике линейный диапазон деформаций ограничивается значениями 0.1%.

Область применения тензорезистров. Для исследования физических свойств материалов, деформации и напряжений в деталях и конструкциях применяются проволочные, фольговые и пленочные. Для этих задач характерны значительное число точек тензометрирования, широкие диапазоны изменения окружающей среды, а также невозможность градуировки измерительных каналов. Основной причиной погрешности в этих случаях является разброс параметров тензорезисторов R и К_Т вокруг средних для данной партии значений, погрешность измерения составляет 2 – 10%.

Для измерения механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента, обычно применяются полупроводниковые тензорезисторы. В этом случае датчики тарируются по измеряемой величине и погрешности измерений лежат в диапазоне 0.5 – 0.05%.