2.2. Температурные погрешности тензорезистров

При изменении температуры изменяется начальное сопротивление тезорезистора и коэффициент тензочувствительности. Таким образом, для тензорезисторов характерна температурная погрешность нуля и температурная погрешность чувствительности. Изменение начального сопротивления наклеенного тензорезистора определяется двумя факторами: изменением удельного сопротивления материала  непосредственно под действием температуры и изменением  под действием дополнительного механического напряжения, появляющегося в тензорезисторе, если коэффициенты линейного расширения детали и тензорезистора не равны. Величина “кажущейся” деформации при воздействии температуры определяется зависимостью

где _ – температурный коэффициент сопротивления (ТКС); _д–и _т – коэффициенты линейного расширения (КЛР) материалов детали и тензорезистора;  – температура.

ТКС константана в зависимости от примесей в сплаве может иметь любое значение в пределах 3010^-6/К, причем в относительно небольшом интервале температур заданное ТКС обеспечивается с погрешность (0.5 – 1)10^-6/К. Это позволяет для многих материалов объектов исследования изготовлять конкретные термокомпенсированные тензорезисторы. Интервал температур лежит в диапазоне 20 – 100^оС, при выходе за пределы указанного диапазона ТКС начинает резко изменяться. При неверном выборе материала тензодатчика и материала объекта исследования, температурная погрешность тензодатчика имеет большую величину, ведущую к неверным результатам измерения деформации.

Подобная самокомпенсация кажущейся деформации невозможна для полупроводниковых тензорезисторов в виду их очень малого КЛР кремния.

Температурный коэффициент чувствительности ТКЧ для металлических тензочувствительных элементов достаточно мал и им обычно пренебрегают. Для полупроводниковых тензочувствительных элементов ТКЧ на 2 (и более) порядков больше, применение полупроводниковых тензорезисторов обычно ограничивается температурой в 100 120^оС.

Для тензорезисторов работающих в диапазоне температур до 180^оС в качестве тензочувствительного материала используется константан. Для диапазона температур до 400^оС используется нихром и желательно эту температуру не превышать. Для более высоких температур (200 – 1000)^оС применяются специальные сплавы.

В качестве основ металлических тензорезисторов используется тонкая бумага (до 180^оС), пропитанная бакелито-фенольным клеем, им же в основном производится и наклейка тензорезистора на объект исследования. В качестве основ также используется лаковая пленка. Для температур (до 400 ^оС) в качестве основ применяется тонкая стеклоткань, пропитанная высокотемператуным цементом, и его используют в качестве клея. Для температур (свыше 400^оС) в качестве крепления тензодатчика применяют неорганические фосфатные цементы и жаростойкие окислы алюминия, диапазон температур ограничивается ухудшением изоляционных свойств цемента или окиси алюминия.

2.3. Конструкция тензорезистора

У

Рис 8 Проволочный тензодатчик

стройство наиболее распространенного проволочного тензорезистора приведено на рис. На полосу бумаги или лаковой пленки наклеивается П-образно уложенная тонкая проволока диаметром 0.02  0.05 мм. К концам проволоки привариваются или припаиваются выводные медные проводники. Сверху преобразователь покрывается слоем лака и второй полосой бумаги, если преобразователь на бумажной основе, для фиксации решетки тензочувствительного элемента. Такой преобразователь, будучи приклеенным к испытуемой детали, воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Такой простейший тензодатчик обычно выполняется с базой h равной 5  20 мм и длиной l равной 8  35 мм, обладающим сопротивлением 30  500 Ом. Следует отметить, что сопротивления одинаковых по размерам датчиков, имеют значительный разброс, обычно находящийся в диапазоне 1  10 Ом. Этот разброс обусловлен свойствами используемой проволоки и способом укладки проволоки при изготовлении тензодатчика. Провод при создании тензодатчика в точках изгиба претерпевает значительные деформации выходящие за пределы упругости, что приводит к изменению его сечения и поэтому возникает такой значительный разброс. Расстояние между проводниками проволочного тензорезисторного преобразователя определяется способом изготовления витка, обычно это обматывание вокруг тонкой иглы, в следствии, этого эта величина не бывает меньше 0.2 мм и база тензодатчика получается не менее 5 мм при минимальном сопротивлении тензопреобразователя.

Фольговые тензорезисторные датчики отличаются от проволочных способом изготовления: они получаются путем создания на фольге толщиной 4 – 12 мкм, из тензочувствительного материала с подложкой, требуемого рисунка тензорезистра, фоторезистивной пастой, с последующией засветкой и травлением лишней фольги. В результате отсутствует деформация при изготовлении тензопроводника и они получаются с меньшим разбросом сопротивления тензодатчика, возможность создавать сколь угодно сложный рисунок проводника тензорезистора и возможность подгонки сопротивления тензорезистора. Типичный фольговый тензорезистор приведен на рис.9а, на рис.9б, приведен элемент, состоящий из двух тензорезисторов, хорошо работающий при определении деформаций валов при их скручивании.

Металлические пленочные тензорезисторы изготовляются путем вакуумной взгонки тензочувствительного материала с последующим осаждением его на основу (подложку). Форма тензорезистора задается маской, через которую производится напыление. Пленочные тензорезистры могут иметь толщину около 1 мкм, имеют большее сопротивление, по сравнению с проволочными и фольговыми. Типичный пленочный тензорезистор приведен на рис.9в, состоящий из трех тензорезисторов, применяется для измерения напряжений детали, находящийся в плосконапряженном состоянии, в том случае, когда направления действий напряжений неизвестны. По изменению сопротивлений трех тензорезистров определяются направления напряжений и их значения.

Рис. 9 Фольговые и пленочные тензорезисторы

Полупроводниковые тензорезистры дискретного типа представляют собой прямоугольные параллелепиды длиной 2 – 12 мм, шириной 0.15 – 0.5 мм и такой же толщины, вырезанные из полупроводника, в определенных направлениях кристаллографических осей, на торцах которых расположены контактные площадки. Такие тензодатчики применяются для очень малых динамических деформаций. Разновидностью полупроводниковых тензорезисторов являются интегральные, выращенные по планарной технологии непосредственно на упругом элементе из кремния или сапфира. Упругие элементы из кристаллических материалов обладают упругими свойствами близкими к идеальным, и с существенно меньшими погрешностями гистерезиса и л инейности по сравнению с металлическими. При этом тензорезистор “сцепляется” с материалом упругого элемента за счет внутримолекулярных сил, что исключает все погрешности, связанные с передачей деформации от упругого элемента тензорезистору. Планарная технология позволяет сразу выращивать два или четыре тензорезистора, образующих полумост или целый мост и т

Рис.10 Полупроводниковый тензорезистор

ермокомпенсирующие элементы. Благодаря этой технологии тензорезисторы получаются практически идентичные и обладают весьма малыми размерами, что способствует лучшей идентичности внешних условий и, таким образом снижаются погрешности нуля.