Тема 2. Исследование характеристик тензорезисторов

Задание

1. Используя оборудование лабораторного стенда №12, произвести уравновешивание измерительного моста, поочередно подключая в его цепь каждый из тензорезисторов, наклеенных в разных частях контрольной балки. Одновременно, экспериментально определять чувствительность мостовой схемы S_м = U_s R₂/∆R₂.

2. Произвести градуировку тензорезисторов, для чего определить зависимость показаний милливольтметра от нагрузки на балку и рассчитать зависимость относительного изменения сопротивления тензорезистора от относительной деформации для каждого значения нагрузки по формуле

ε_R = Uср/ S_м

Относительную деформацию тензорезистора ε_l , равную деформации поверхности балки в месте наклеивания тензорезистора, рассчитать по формуле

ε_l = 6Pl/(bh²E) ,

где Р – нагрузка, а остальные параметры балки указаны на стенде.

3. Вычислить коэффициенты тензочувствительности k = ε_R./ ε_l каждого тензорезистора при максимальной деформации.

Вычислить коэффициент тензочувствительности для максимального значения относительной деформации.

4. С помощью одого из отградуированных тензорезисторов определить нагрузку на балку, создаваемую предметом, заданным преподавателем

Методические указания

В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводника или полупроводника при его механической деформации.

Относительное изменение сопротивления проводника ε_R связано с относительной деформацией ε_l зависимостью

k = ε_R./ ε_l

где k – коэффициент тензочувствительности.

При измерении различных механических величин (усилий, давлений, крутящего момента и т.д.) используется тензорезистор, наклеиваемый (при современных технологиях вместо наклеивания используется, например, «выращивание» в кристалле) на поверхность упругого элемента (балку, мембрану, стержень), который играет роль первичного преобразователя измеряемой величины в относительную деформацию, тогда как тензорезистор является вторичным измерительным преобразователем деформации в электрический сигнал.

Однако, во многих случаях роль первичного преобразователя может выполнять и само контролируемое изделие или его деталь, испытывающие деформацию.

Оборудование, используемое в работе

Лабораторная установка №12 для исследования тензорезисторов содержит стальную

упругую балку, имеющую участок равного сопротивления длиной l₁ с наклеенными тензорезисторами ТР, один из которых по заданию преподавателя подлежит исследованию.

Рис. 1

Схема мостовой измерительной цепи приведена на рис.2 , где R₁ – исследуемый ТР ,

R₂ – магазин сопротивлений, R₃ – компенсационный тензорезистор, R₄ – резистор постоянного сопротивления, V – вольтметр, контролирующий питание моста, mV – милливольтметр, ИРНП – источник регулируемого напряжения питания.

Рис. 2

Дополнительный тензорезистор R₃ предназначен для компенсации влияния температуры окружающей среды на результат измерений. Этот тензорезистор наклеен на гибкую пластину из того же материала, что и тарировочная балка, и находится в одинаковых с ней условиях. Сопротивление R₃ можно изменять, изгибая пластину с помощью винта.

Питание моста осуществляется от регулируемого источника ИРНП.

Ориентировочно U_пит=8 В.

Методика выполнения эксперимента

1. Уравновешивание моста (при отсутствии нагрузки, но с подвешенной на конце балки грузовой люлькой) производится подбором сопротивления (R2) на магазине до обнуления показаний милливольтметра после включения питания сначала при малой чувствительности милливольтметра, которую затем постепенно увеличивают, изменяя величину шунта.

После уравновешивания моста определяют его чувствительность S_м .

Для этого сопротивление магазина изменяют на ∆R₂=0,2…0,3 Ом и регистрируют показание милливольтметра U_s . Чувствительность моста определяется как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его относительному изменению сопротивления плеча моста :

S_м = U_s R₂/∆R₂

2. В процессе градуировки тензорезистора определяется его статическая характеристика преобразования – зависимость относительного изменения сопротивления ε_R тензорезистора от его относительной деформации ε_l .

Для этого дополнительно уравновешивается мост (при подвешенной на свободном конце балки специальной люльке), а затем балку последовательно нагружают гирями. При каждом зафиксированном значении нагрузки регистрируют показания милливольтметра. Эксперимент проводят для возрастающей и убывающей нагрузок.

Результаты записать в таблицу вида :

Нагрузка Р, Н	Показания милливольтметра			Относительное изменение сопротивления εR	Относительная деформация εl
	При возрастании нагрузки UВ , дел	При убывании нагрузки Uу , дел	Среднее Uср , дел

Относительное изменение сопротивления ε_R тензорезистора для каждого значения нагрузки определяется по формуле

ε_R = Uср/ S_м

Относительная деформация тензорезистора ε_l , равная деформации поверхности балки в месте наклеивания тензорезистора рассчитывается по формуле

ε_l = 6Pl/(bh²E) ,

где Р – нагрузка, а остальные параметры балки указаны на стенде.

Коэффициент тензочувствительности k = ε_R./ ε_l рассчитывается для максимальной деформации.

3. Определение нагрузки, создаваемой специальным предметом

Поместить в грузоприёмную люльку названный преподавателем предмет и зафиксировать показание милливольтметра U_нагр .

Величина нагрузки определяется по формуле

Р_нагр = U_нагр(bh²E)/ 6S_м kl