|
|
|
|
 |
 |
 |
|
Руководство по аппликации тензорезисторов. Глава 1 и 2 |
|
|
|
1.Предисловие
Механизмы и конструкции должны быть прочными, чтобы гарантировать безопасность в эксплуатации. Они должны также быть функциональны и легки в весе, с экономичным использованием материалов, чтобы достигалась высокая экономическая эффективность. Эти две технических цели, безопасность и экономия, противоречат друг другу. Поэтому, их оптимальное соотношение, должно быть исследовано с самой большой тщательностью. Это может быть сделано путем точных исследований напряженных состояний, с применением общепризнанного метода – тензометрических измерений. Тензорезисторы являются основой высокоточных измерений в этой области.
Тензорезисторы могут также измерить и преобразовать разнообразные физические величины в электрические сигналы. Это - то, из-за чего они нашли широкое применение в датчиках силы, давления, перемещения, ускорения или вращающего момента.
Тензорезисторы позволяют сделать все это с уникальными преимуществами следующим образом:
(1) Точное измерение напряжения, в определенном месте на поверхности измеряемого объекта.
(2) Быстрый отклик для скоростных измерений, благодаря компактной и легкой структуре.
(3) Превосходная линейность в пределах широкого диапазона напряжений.
(4) Измерения в широком диапазоне температур и в неблагоприятных окружающих средах.
(5) Возможность измерений на удалении для промышленного мониторинга.
Основой тензорезистора служит чувствительный элемент, металлический или полупроводниковый, сопротивление которого изменяется пропорционально напряжению на поверхности измеряемого объекта.
Упомянутый элемент выполнен в виде решетки из константанового сплава (как правило) и размещен на подложке из полиамида или другого материала. Сверху решетка покрывается защитной пленкой. См. рис.1. Это – классическое представление структура тензорезистора, готового к аппликации на поверхность измеряемого объекта. Для аппликации, как правило, применяется клей.
|
|
| Рис. 1.1 Структура тензорезистора |
 |
|
| Рис. 1.2 Мост Уитстона |
 |
|
Обозначим начальное сопротивление тензорезистора как R, а относительное изменение сопротивления тензорезистора, вызванное напряжением  , обозначим как дельта R. Тогда формула будет выглядеть следующим образом:
|
|
где Ks – К-фактор тензорезистора, то есть коэффициент чувствительности тензорезистора. Как правило, он приблизительно равен 2 для тензорезисторов общего применения.
Как видно из формулы, относительное изменение сопротивления датчика вызванное напряжением в материале очень мало. Например, при R = 120 Ом и = 1000x10 -6, дельта R будет равно всего 0.24 Ома. Это небольшое изменение сопротивления должно быть преобразовано в электрический сигнал. Чтобы сделать это эффективно, применяется мост Уитстона, который показан на рис. 1.2. Тогда мы усиливаем сигнал до уровня, достаточного для измерения и регистрации.
Небольшой выходной сигнал был главным неудобством при тензометрических измерениях. В настоящее время это больше не является проблемой в большинстве случаев, благодаря высокой стабильности и точности современных тензометрических усилителей.
Другая проблема применения тензорезисторов заключалась в необходимости их наклейки вручную, в то время как измерительное оборудование становится все более автоматизированным.
В настоящее время эта проблема является на сегодняшний день не актуальной, так как достижения химической промышленности значительно улучшили качество подложки и клея.
Для достоверного измерения деформаций, пользователи должны тщательно соблюдать технологию наклейки, которая приводится ниже. Это поможет избежать ошибок при измерениях.
Именно в свете самых новых технологий тензометрирования мы компилировали стандартные процедуры аппликации. Для этого, мы рассмотрели все современные методы аппликации, применяемые в настоящее время.
Однако следует обратить внимание на то, что инструкции, данные в этом руководстве являются только базовыми, и они могут не всегда подходить для конкретных измерительных задач. В некоторых случаях, пользователям, вероятно, придется изменить часть процедур в соответствии с реальной задачей, и все же эти инструкции являются основополагающими и кардинальное отступление от них может привести к неудачным измерениям.
Чтобы помочь пользователям избежать ошибочных отступлений, руководство ясно указывает, что и как сделать с каждым предметом. Здесь также представлены примеры и типовые методы, которые применимым к конкретным измерениям. Мы надеемся, что читатели найдут это руководство полезным в использовании большинства типов тензорезисторов.
|
|
2. Виды и факторы выбора тензорезисторов
Тензорезисторы выпускаются с большим разнообразием спецификаций для решения различных измерительных задач. Но неправильный выбранный тип тензорезисторов не принесет ожидаемого эффекта. Выбор надлежащих тензорезисторов - первый шаг к успешному измерениям деформаций. Чтобы выбрать надлежащий тензорезистор, каждый раз необходимо учитывать следующие факторы: материал, конфигурация и размер измеряемого объекта; условия окружающей среды таких, как температура и влажность; условия проведения работ и измерительные приборы, которые используются совместно с тензорезисторами.
|
|
2.1 Типы тензорезисторов
В таблице 2.1 приведена общая классификация тензорезисторов, их основные характеристики и факторы выбора.
(1) Тип чувствительного элемента
*Фольговые тензорезисторы
У фольговых тензорезисторов чувствительный элемент выполнен из фольги толщиной несколько микрометров. Материал - сплав Ni-Cu или Ni-Cr. Эти датчики имеют малые размеры и изготовлены методом фототравления, что обуславливает относительно низкую стоимость. Эти тензорезисторы универсальны в применении. Все это обуславливает их самое массовое применение в различных областях измерений.
*Проволочные тензорезисторы
В качестве чувствительного элемента в них применяется проволока из сплава Ni-Cu или Ni-Cr, толщиной 13-25 микрометров. Так выпускаются тензорезисторы на бумажной подложке, специальные тензорезисторы для бетона, тензорезисторы на большие деформации и специальные тензорезисторы для высоких температур.
*Полупроводниковые тензорезисторы
Их чувствительный элемент изготовлен из монокристалла кремния, К-фактор таких тензорезисторов - может достигать 90 - 200. Это делает их подходящими для измерения микро деформаций и для производства высокочувствительных датчиков. Возможна их работа без дополнительного усилителя. Однако эти тензорезисторы в значительной степени подвержены влиянию температуры, а также не обладают достаточной линейностью. Соответственно, область их применения ограничена.
2.1 Материал подложки
Характеристики материала подложки соответствуют характеристикам чувствительного элемента. Как правило, для подложки применяют полиамид или некоторые другие типы полимеров. Высокотемпературные тензорезисторы имеют керамическую или подобную подложку. Для привариваемых тензорезисторов в качестве материала подложки используется такие сплавы как Inconel 600.
|
|
| Классификация тензорезисторов |
|
| Материал чувствительного элемента |
Фольговые (Cu-Ni сплав, Ni-Cr сплав и т.п.)
Проволочные (Cu-Ni сплав, Ni-Cr сплав и т.п.)
Полупроводниковые (монокристалл кремния, и т.п.) |
| Материал подложки |
Бумага
Фенольно/эпоксидная основа
Полиамид
Другие |
| Длина чувствительного элемента |
0.14 - 120mm
|
| Конфигурация |
Одноэлементный (одинарный); Многоэлементные (розетки и т.д.);
Специального применения |
| Сопротивление |
60 – 1000 Ом или более (полупроводниковые - до 10 кОм) |
|
|
| Таблица 2.1 Типы тензорезисторов |
|
(3) Длина чувствительного элемента (базы, решетки)
*Для измерений на большинстве металлических материалов, наиболее подходят тензорезисторы с базой 1…6 мм. Такой выбор определяется большим разнообразием выпускаемых типономиналов и весьма привлекательной стоимостью.
*Для измерений средних по величине деформаций на бетоне или древесине, структура которых в значительной степени разнородна, применяются тензорезисторы с длинной решетки 30…120 мм
*Для стеклопластиков применяются тензорезисторы с базой 5…30 мм, в зависимости от толщины волокон и расстояния между ними. Если толщина волокон мала, применяют тензорезисторы с базой менее 5 мм.
*Если измерения производятся в точке концентрации напряжений, то следует применять малобазные тензорезисторы (до 1 мм). Если применять более длинную базу, измерения дадут усредненное значение деформации, а пиковые значения не будут измерены.
*При ограниченной зоне для аппликации также используются короткобазные тензорезисторы с соответственно короткой подложкой.
(4) Конфигурация тензорезисторов
Тензорезисторы выпускаются с различной конфигурацией. На рис. 2.1 показаны лишь некоторые из них.
*Одиночные
Это базовая конфигурация тензорезисторов, чувствительность которых направлена по продольной оси решетки. При известном направлении деформаций, одиночный тензорезистор наклеивается в соответствии с этим направлением и успешно решает задачу измерения.
*Двойные
В таком тензорезисторе решетки расположены по двум осями, расположенным под прямым углом, и используется для моноосевого измерения напряжения или в датчиках, работающих на простое сжатие. Также они используется для измерения деформаций сдвига и в датчиках крутящего момента.
*Тройные
В случае, кода направление деформации неизвестно, необходимо применять тройные тензорезисторы (розетки) и проводить анализ направлений деформации.
*Прочие конфигурации
Для проведения специализированных измерений применяются особые конфигурации тензорезисторов, включая тензорезисторы для измерения концентрации напряжений, в которых 5 решеток расположены на одной оси; и тензорезисторы устойчивые к воздействию переменных магнитных полей, 2-е решетки которых расположены точно одна над другой.
|
|
 |
|
(5) Сопротивление тензорезисторов
120 Ом является стандартным для тензорезисторов. Мы рекомендуем тензорезисторы с данным сопротивлением, если нет особых причин выбирать иное. Тензорезисторы с сопротивлением 120 Ом выпускаются с большим разнообразием конфигураций и опций, а также весьма привлекательны по цене.
Применение тензорезисторов с иным, чем 120 Ом сопротивлением возможно в следующих случаях:
|
| 60 Ом |
В случае использования двух тензорезисторов совместно, для коррекции погрешности от наклейки |
| 350 Ом, 500 Ом |
Датчики, как правило, требуют сравнительно большого напряжения питания мостов. Также, когда требуется уменьшить влияние температурного эффекта при наклейке на материалы с плохой теплопроводностью, такие как пластик. |
| 1 кОм и выше |
Требование датчиков к повышенному напряжению питания. Также, когда аппаратура для работы с тензорезисторами требует низкого энергопотребления. |
| 10 кОм (полупроводниковые) |
Высокоскоростные измерения такие, как удар без использования усилителя. |
|
|
(6) Коэффициент линейного расширения материалов, для которых KYOWA выпускает тензорезисторы с различной температурной самокомпенсацией (ТКС)
Сегодня фактически все тензорезисторы KYOWA обладают способностью температурной самокомпенсации. Когда ТКС тензорезистора близок к материалу, имеющему соответствующий коэффициент линейного расширения, влияние температурного расширения может быть значительно снижено до ±1.8 x 10-6 в диапазоне температурной компенсации. Таблица 2.2 показывает основные материалы и их коэффициенты линейного расширения, классифицируемого кодом ТКС. Если Вы не можете найти коэффициент линейного расширения вашего объекта измерения в таблице Вы можете выбрать близкий по значению ТКС тензорезистор. Для информации: некоторые тензорезисторы KYOWA имеют ТКС для определенных, широко распространенных материалов, с ТКС -1, 3, 6, 9 х 10-6.
|
| Код ТКС |
Материал |
| 1, 3 |
Композитные материалы (CFRP, GFRP) |
| 5 |
Дерево (5.0), вольфрам (4.3), молибден (5.2), цирконий (5.6) |
| 6 |
Композитные материалы (CFRP, GFRP) |
| 9 |
Композитные материалы (CFRP, GFRP)
Титан (8.5)
Стекло (9.2) |
| 11 |
Сталь, 17-7PH (10.3)
Сталь, 17-4PH (10.6)
Железо, серый чугун (10.8)
Сталь, 4340 (11.3)
Бериллий (11.5)
Инконел X (12.1) |
| 13 |
Корозионно- и жаропрочные сплавы (NCF) |
| 16 |
Сталь нержавеющая 316 (16.2)
Бериллиевая бронза 25 (16.7)
Медь (16.7)
Сталь нержавеющая 304 (17.3) |
| 23 |
Латунь(21.0)
Олово (23.0)
Алюминий, 2024-T4 (23.2) |
| 27 |
Магний (27.0) |
| 65 |
Акрил (65.0)
Поликарбонат (66.6) |
|
|
Таблица 2.2 Материалы и коды ТКС для них.
Числа (х 10-6) обозначают ТКС для материалов при комнатной температуре.
|
|
2.2 Другие факторы выбора
При выборе можно руководствоваться разделом «Тензорезисторы» KYOWA.
(1) Рабочий температурный диапазон
Рабочий температурный диапазон обозначает нижний и верхний предел температур для оптимальной работы наклеенного тензорезистора. Рекомендовано применять тензорезисторы с ТКС, максимально близким к ТКС материала.
(2) Другие характеристики
Если возможен переход деформации объекта измерений из упругой зоны в пластическую, то следует учитывать пределы деформации и температуру окружающей среды. Также, если предполагается цикличное нагружение, следует учитывать число циклов, при которых тензорезистор сохранит свою работоспособность; и другие факторы при выборе.
Следует учитывать, что возможно изменение характеристик по времени, в зависимости от вида испытаний и способа наклейки.
Если это - неблагоприятная окружающая среда, Вы должны использовать тензорезисторы соответствующего типа, обладающие определенными защитными опциями.
Следует учитывать такие важные факторы, как отклонения чувствительности и дрейф ноля.
(3) Способ аппликации
Существуют различные методы аппликации, но каждый тип тензорезистора требует определенного следования инструкциям.
Однако порой стандартный метод может не подойти, иногда только из-за специфических условий участка, материала и конфигурации измеряемого объекта. Когда Вы выбираете тензорезистор, Вы должны учесть все условия его установки. Например, что Вы выбрали привариваемый высокотемпературный тензорезистор типа KHC, но если ваш объект измерения - алюминиевый сплав, или измеряемая область имеет форму изогнутой поверхности большого искривления, Вы не сможете приварить тензорезистор к этому объекту.
Также, в общем случае измерений, используя быстро отверждаемый клей, Вы можете вполне просто выбрать тензорезистор с меньшими требованиями к аппликации, что экономит время и рабочую силу. Теперь, обратите внимание, что тензорезисторы ряда KFG требуют подготовки поверхности менее других типов, благодаря тонкой и гибкой подложки.
(4) Выводы тензорезисторов
Почти все тензорезисторы KYOWA общего назначения обеспечены стандартными выводами, чтобы экономить время и рабочую силу при установке. Чтобы выбрать Ваш тензорезистор из числа тех, которые имеют опциональные выводы, учитывайте следующие факторы:
|
| Тип выводов |
Обычно выбирают параллельный виниловый кабель.
Медный кабеля с полиэстровой изоляцией применяют, когда требуется снизить вес кабеля, в ограниченном пространстве для прокладки кабеля, либо должен применяться клей горячего отверждения (при 80°С и выше). |
| Длина выводов |
Следует определиться с оптимальной длиной выводов.
|
| 2 или 3 жилы |
Выбор 3-х проводного кабеля оправдан при работе с ? моста, когда требуется термокомпенсация выводов. |
|
|
|
|
| |
|
