Обеспечение высокого и стабильного качества промышленной продукции является в настоящее время одной из основных проблем, на решение которой направлены усилия коллективов ученых, конструкторов и технологов.
В рамках этой проблемы важное место занимают прочностные испытания образцов техники. Для измерения напряжений или величин деформаций в деталях машин и элементах конструкций используют резистивные, струнные и индуктивные первичные преобразователи в сочетании с измерительными схемами включения и преобразования информации.
Из названных выше первичных преобразователей в практике наиболее часто находят применение тензорезисторы.
Простота конструкции, малые масса и габариты позволяют использовать тензорезисторы для измерения сил, давлений, вращающих моментов, ускорений и других величин, преобразуемых в упругую деформацию в труднодоступных местах различных машин и механизмов без изменения конструкций.
1. Теоретическая часть
Тензорезисторами называют преобразователи, осуществляющие преобразование механических деформаций в изменение электрического сопротивления, т.е. преобразователи, основанные на тензоэффекте.
Как следует из определения, измерения деформаций с помощью тензорезисторов основано на тензоэффекте. Тензоэффектом называется свойство материалов изменять электропроводность (электрическое сопротивление) при изменении объема или напряженного состояния.
Основными материалами для изготовления полупроводниковых тензорезисторов в настоящее время являются константан, нихром, никель, висмут кремний и германий, причем кремний вследствие его меньшей чувствительности к температуре получил большее распространение. Применяются также полупроводниковые соединения, например арсенид галлия GaAs и др.
В зависимости от применяемых материалов полупроводниковые тензорезисторы можно разделить на две группы: монокристаллические и поликристаллические. К монокристаллическим тензорезисторам относятся тензорезисторы, полученные вырезанием из монокристалла; игольчатые кристаллы, полученные выращиванием из газовой фазы; эпитаксиальные пленки и дендриты. К поликристаллическим относятся тензолиты, представляющие собой искусственные смеси, например, угля (или сажи) и бакелитового лака.
Использование резистивного эффекта для измерения физических величин
... практическое применение диска Корбино сильно затруднено. 1.2 Тензорезистивный эффект Работа полупроводниковых датчиков давления основана, в основном, на использовании ... тензочувствительность металлов. Тензорезистивным эффектом, или тензосопротивлением, называется изменение электрического сопротивления полупроводника в результате действия нагрузки, создающей деформацию. Деформация тела может ...
Материалы для полупроводниковых тензорезисторов должны обладать возможно большим коэффициентом тензочувствительности (КТЧ) и наименьшим температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), а также обеспечивать стабильность параметров тензорезисторов.
Весьма ответственной операцией при изготовлении полупроводниковых тензорезисторов является создание контакта металл-полупроводник, который получается различными способами: пайкой, вплавлением, сваркой, напылением, электрохимическим или химическим нанесением покрытий.
Определенный интерес представляют полупроводниковые тензорезисторы из дендритной ленты германия, получившие широкое распространение вследствие простой и доступной технологии изготовления. Дендритами принято называть древовидные, игольчатые или пластинчатые кристаллы сложного двойникового строения, образующиеся при кристаллизации в переохлажденном расплаве или из пересыщенной газовой фазы.
Дендритные тензорезисторы из германия отличаются пониженной механической прочностью по сравнению с тензорезисторами, полученными из монокристаллического слитка. К достоинствам дендритных теизорезисторов следует отнести простоту изготовления и относительную дешевизну (по сравнению с другими полупроводниковыми тензорезисторами дендритный — самый дешевый).
Изготовление германиевого дендритного тензорезистора не требует специальной аппаратуры (например, станков для шлифовки и резки) и сводится к поперечной резке дендритной ленты корундовой иглой, отламыванию тензоэлемента и припаиванию к нему электрических выводов специальным припоем. Для изготовления тензорезисторов используется германиевая дендритная лента в основном с удельным сопротивлением с=1±0,2 ом * см. Параметры таких тензорезисторов сильно зависят от температуры.
Исследование тензорезистора из германиевой дендритной ленты позволяет выявить все особенности, связанные с применением полупроводниковых тензорезисторов в электрических цепях.
Рис.1 Конструкции полупроводниковых тензорезисторов.
а — тензорезистор из игольчатых кристаллов с подложкой; б — пленочный тензорезистор.
Тензорезисторы, полученные выращиванием из газовой фазы, представляют собой монокристаллические иглы диаметром 10 — 100 мкм. Конструкция такого тензорезистора с подложкой показана на рис 1 а. Конструкция пленочного тензорезистора показана на рис. б; тензорезисторы выполняются в виде одной проводящей полоски, которая покрывается слоем лака. тензорезистор электрический сопротивление
Характеристикой тензоэффекта материала служит коэффициент тензочувствительности Кт, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:
Кт = R/L = E(R/s),
где R = DR/R, L = Dl/l,
DR — изменение сопротивления;
- E — модуль упругости материала;
- s — механическое напряжение.
Тензорезисторы используются для измерения упругих деформаций материалов: давлений, изгибов, скручивания и т.д. Наиболее распространены тензорезисторы из металла. Они разделяются на проволочные и фольговые. Проволочные тензорезисторы выполняют из проволоки диаметром 0,002 — 0,05 мм, которую укладывают петлями на тонкую бумагу или лаковую пленку и приклеивают к ней. К концам проволоки припаивают или приваривают выводы.
Полупроводниковые резисторы
... сигнализации и др.). 3 Тензорезисторы Тензорезистор – это полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от механической деформации. Назначение – измерение давлений и деформаций. Принцип действия полупроводникового тензоризистора основан на тензорезистивном ...
Рис.2 Тензорезисторы
К достоинствам тензорезисторов можно отнести незначительную массу, малые размеры, простоту конструкции, возможность измерения статических и динамических процессов. К недостаткам — относительно невысокую чувствительность, возможность только разового использования, необходимость мостовой измерительной схемы и компенсации температурных воздействий.
2. Практическая часть
Конструктивно тензорезисторы выполняют из проволоки, фольги или прямоугольников полупроводникового материала (рис. 3) , наклеенных на тонкую бумагу или пленку лака. К концам тензоэлемента припаивают (приваривают) медные выводные проводники.
Рис.3 Устройство проволочного (а) , фольгового (б) и полупроводникового (в) тензорезисторов.
Основное применение полупроводниковые тензорезисторы находят в датчиках давления, усилий, напряжений. Весьма перспективно применение полупроводниковых тензорезисторов в акселерометрах.
Тензорезисторы могут использоваться в составе интеллектуальных тензодатчиков ZET 7010 Tensometer-485 (статические измерения), ZET 7110 Tensometer-CAN (статические измерения) и ZET 7111 Tensometer-CAN (динамические измерения).
Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей при измерениях механических величин (силы, крутящего момента, перемещения, давления и пр.).
Вывод
Тензорезистор используются главным образом в качестве чувствительного элемента измерительных преобразователей (тензодатчиков), применяемых для измерения механических напряжений, деформаций твёрдых тел, а также в преобразователях давления или механического напряжения в электрический сигнал, направленный в микрофонах и звукоснимателях.
