Русская Википедия:Тензорезистор
Тензорези́стор (от Шаблон:Lang-lat — напряжённый и Шаблон:Lang-la — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации[1]. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов[2]. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.
Принцип действия
При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — уменьшает.
Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10−3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры или прецизионные усилители или прецизионные усилители + АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.
Полупроводниковый тензорезистор обладает гораздо большей чувствительностью из-за изменения свойств полупроводникового материала при деформации.[3]
Электромеханические параметры
Чувствительность
Чувствительность тензорезистора характеризуется безразмерным параметром — коэффициентом тензочувствительности <math>K_f,</math> который определяется как:
- <math>K_f = \frac{ \Delta R / R_0 }{ \epsilon } , </math>
где:
- <math>\Delta R</math> — абсолютное изменение сопротивления, вызванное деформацией, Ом;
- <math>R_0</math> — начальное сопротивление недеформированного тензорезистора, Ом;
- <math>\epsilon</math> — относительная деформация.
Относительная деформация определяется как:
- <math> \epsilon = \Delta L / L_0, </math>
где
- <math>\Delta L</math> — абсолютное изменение длины, м;
- <math>L_0</math> — длина недеформированного тензорезистора, м.
Для плёночных металлических тензорезисторов параметр <math>K_f</math> слабо зависит от деформации и немного превышает 2[4].
При включении тензорезистора в мост Уитстона, в котором остальные 3 резистора постоянны (не имеют возможности регулирования сопротивления), выходное напряжение диагонали этого моста выражается формулой:
- <math> v = \frac{ V_b \cdot K_f \cdot \epsilon } 4 , </math>
где:
- <math>V_b</math> — напряжение питания моста, В.
Типичные значения коэффициента тензочувствительности для разных материалов приведены в таблице.
| Материал | Коэффициент тензочувствительности |
|---|---|
| Металлическая фольга | 2-5 |
| Тонкая металлическая плёнка (например, константановая) | 2 |
| Монокристаллический кремний | От −125 до +200 |
| Поликристаллический кремний | ±30 |
| Тонкоплёночные резистивные материалы | 100 |
Температурный коэффициент
При изменении температуры изменяется сопротивление тензорезистора, не связанное с деформацией. Это является вредным побочным эффектом. Через коэффициент тензочувствительности относительное изменение сопротивления выражается формулой:
- <math> \frac{ \Delta R }{ R } = K_f \cdot \varepsilon + \alpha \cdot \theta , </math>
где:
- <math>\alpha</math> — температурный коэффициент сопротивления, К−1;
- <math>\theta</math> — изменение температуры, К.
Электрическая схема подключения тензорезистора
Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного тока (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора <math>R_2</math> производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствие приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.
При выполнении соотношения <math>\frac{R_1}{R_2} = \frac{R_x}{R_3}</math> напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление <math>R_x</math> (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов <math>R_x</math> и <math>R_3</math> (точки B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.
Изменение сопротивления <math>R_x</math> может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения деформации. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.
Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора <math>R_3</math> включают такой же тензорезистор, как и <math>R_x</math>, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления, вызванного изменением температуры, равны, и температурный уход при этом компенсируется.
Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие полезные сервисные функции.
Конструкция
Обычно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника, нанесённого на гибкую подложку. Тензорезистор приклеивается подложкой на поверхность исследуемого на деформации объекта. Проводники тензорезисторов обычно изготавливаются из тонкой металлической проволоки, фольги, или напыляются в вакууме для получения плёнки полупроводника или металла. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, полимерную плёнку, слюду и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь тензорезистор имеет выводные проволочные концы или контактные площадки.
Плёночные металлические тензорезисторы имеют площадь около 2‑10 мм2.
Применение
Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей в тензометрах и тензостанциях при измерениях механических величин (деформации, силы, крутящего момента, перемещения, также, для измерения давления в манометрах и пр.)
См. также
Примечания
Ссылки
- Физическая энциклопедия, т. 5 — М.: Большая российская энциклопедия, стр. 70.
- Применение тензодатчиков.
- Конструкция тензорезисторного датчика.
- Тензоэффект в двухслойных плёнках.
- Подключение тензорезистора к Arduino
- ↑ Словарь по естественным наукам. Глоссарий.ру — «Тензорезистор»Шаблон:Недоступная ссылкаШаблон:Мёртвая ссылка
- ↑ Лабораторная работа: «Применение тензорезисторов для измерения усилий» Шаблон:Webarchive. Донецкий национальный технологический университет. 2002
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
