Тема 6. Разработка тензорезистивного измерителя усилий

Задание

1. Произвести расчет параметров упругого элемента заданного вида для заданного диапазона измерений и с учетом ограничений по относительной деформации

2. Выбрать стандартный тензорезистор (ТР) из предложенного перечня, пригодный для наклеивания на поверхность кольца упругого элемента

3. Задать напряжение питания измерительной цепи с учетом допустимого тока, протекающего через тензорезистор, и номинального сопротивления выбранного ТР.

4. Выбрать и обосновать схему компенсации температурной погрешности.

Исходные ограничения

Наибольшее измеряемое усилие, Н	Модуль упругости материала кольца (Е), Н/м2	Номинальный радиус кольца (ro), мм	Наибольшая относительная деформация (увеличение диаметра кольца) εd	Диапазон возможных значений ширины кольца (b), мм	Диапазон возможных значений толщины кольца (а), мм
0,5 1,0 2,0 5,0	2*1011	25	(12-15)*10-5	5 - 16	1 - 2

Форма тела упругого элемента – кольцо.

Рекомендуемое приращение сопротивления тензорезистора при максимальной нагрузке – ΔR_о ≤ (0,03 – 0,07) Ом

Перечень стандартных пленочных тензорезисторов

Тип	Номинальное сопротивление Ro, Ом	Коэффициент тензочувствительности Кт	Габариты подложки
			Ширина, мм	Длина, мм
2ПКП-10-100 2ПКБ- 10-100 2ПКБ -20-100 2ПКБ-20-200 ПКП-10-200	98 99,5 100 199 201	2,11 2,04 2,02 2,05 2,12	3 3 2 4 3	17 20 28 25 17

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_d зависимостью

ε_R = К_т ε_d

где К_т - коэффициент тензочувствительности.

При измерении различных механических величин (усилий, давлений, крутящих моментов и т.д.) тензорезистор (ТР) наклеивается через специальную подложку на упругий элемент (балку, кольцо, мембрану и т.д.), который играет роль предварительного преобразователя измеряемой механической величины в относительную деформацию.

Расчет тензорезистивных измерительных преобразователей состоит из выбора формы и расчета геометрических параметров упругого элемента, выбора тензорезистора (при необходимости производится выбор материала и конструкции нетипового ТР), определения электрических параметров ТР, оценки погрешностей.

На практике чаще используются проволочные ТР, так как они обеспечивают измерение деформаций в широких диапазонах с удовлетворительной точностью.

Для измерения деформаций при отрицательных температурах предпочтительнее пленочные ТР, а при высоких температурах – проволочные. Полупроводниковые ТР, благодаря высокой чувствительности, делают возможным измерение малых деформаций в малом температурном диапазоне.

Геометрические размеры ТР увязываются с конструкцией и размерами упругого элемента, а также значением протекающего в ТР электрического тока.

Обычно значение допустимого тока через проволочные ТР лежит в диапазоне от 20 до 30 мА (диаметр проволоки 0,02 – 0,05 мм). Допустимый ток через пленочные и фольговые ТР может быть значительно больше, так как их условия охлаждения лучше.

Для температурной компенсации в диапазоне изменения окружающей температуры обычно используют схемные методы. При этом наряду с рабочими используются нерабочие (компенсационные) ТР, помещаемые в одинаковые с рабочими температурные условия, но не воспринимающие механическую деформацию детали упругого элемента. Прии включении рабочих и компенсационных ТР в схему моста или делителя напряжения одинаковые температурные изменения сопротивлений обоих резисторов не дают дополнительного изменения выходного сигнала схемы.

Схематичный вид упругого элемента:

Относительное увеличение диаметра кольца при растяжении можно вычислить по формуле:

ε_d = 0,894*Р*r² /(E*b*a³).

При этом, толщину кольца а выбрать из заданного диапазона с условием, что расчетная ширина в кольца будет в заданном интервале по условию задачи.

Вычисление абсолютного приращения сопротивления тензорезистора произвести для относительной деформации (увеличения диаметра кольца) ε_d = 0,014% при номинальном значении сопротивления R_o . Результат сравнить с рекомендованным ΔR_о в условии задачи.