Тензодатчик

Измерительный преобразователь деформации твёрдого тела, вызываемой механическими напряжениями, в сигнал (обычно электрический), предназначенный для последующей передачи, преобразования и регистрации. Наибольшее распространение получили Т. сопротивления, выполненные на базе тензорезисторов (ТР), действие которых основано на их свойстве изменять под влиянием деформации (растяжения или сжатия) своё электрическое сопротивление (см. Тензорезистивный эффект). Конструктивно ТР представляет собой либо решётку (рис. 1), изготовленную из проволоки или фольги (из константана, нихрома, различных сплавов на основе Ni, Mo, Pt), либо пластинку из полупроводника, например, Si. ТР механически жестко соединяют (например, приклеивают, приваривают) с упругим элементом Т. (рис. 2) либо крепят непосредственно на исследуемой детали. Упругий элемент воспринимает изменения исследуемого параметра х (давления, деформации узла машины, ускорения и т. п.) и преобразует их в деформацию решётки (пластинки) ε(x), что приводит к изменению сопротивления ТР на величину ΔR(ε)= ± k․R₀․ε, где R₀— начальное сопротивление ТР, k — коэффициент тензочувствительности (для проволочных Т. k ≤2—2,5, для полупроводниковых k Тензодатчик 200). Т. сопротивления обычно работают в области упругих деформаций — при ε ≤ 10^-3.

Величина ΔR зависит не только от ε, но и от температуры упругого элемента: ΔR(θ) = α ․Δθ ․ R₀, где Δθ — изменение температуры упругого элемента, α — температурный коэффициент относительного изменения сопротивления ТР: для проволочных и фольговых ТР α = (2—7)․10^-3 K^-1. Для уменьшения погрешности требуется автоматическое введение поправок на температуру либо термокомпенсация. Наиболее распространён метод «схемной» термокомпенсации с использованием мостовых цепей (См. Мостовая цепь). На рис. 3показан пример включения в мостовую цепь двух идентичных ТР, воспринимающих деформацию упругого элемента; при этом ΔR₁(ε) и ΔR₂(ε) имеют разные знаки, тогда как ΔR₁(θ) и ΔR₂(θ) — один и тот же знак. Ток в диагонали моста (выходной сигнал Т.) при условии i_аб = М(R₁․ R₄– R₂․ R₄), где М — коэффициент пропорциональности, R’₁ и R'₂— сопротивления тензорезисторов, равные соответственно R₁ + ΔR₁(ε) + ΔR₁(θ) и R₂ – ΔR₂(ε) + ΔR₂(θ). Мостовая цепь с двумя ТР позволяет повысить чувствительность Т. в 2 раза, а с четырьмя — в 4 раза по сравнению с мостовой цепью с одним ТР и обеспечивает полную термокомпенсацию.

Лит.: Туричин А. М., Электрические измерения неэлектрических величин, 4 изд., М.—Л., 1966; Глаговский Б. А., Пивен И. Д., Электротензометры сопротивления, 2 изд., Л., 1972.

А. В. Кочеров.

Рис. 1. Рещетки тензодатчиков: проволочные — петлевая (а), витковая (б) и с перемычками (в); фольговые — для изменения одной компоненты деформации (г), трех компонент (д) и кольцевых деформаций (е); 1 — проволока; 2 — выводы решетки; 3 — перемычки; S — база датчика.

Рис. 2. Схема тензорезисторного датчика: 1 — решётки; 2 — упругий элемент; R1,..., R4 — тензорезисторы; х — измеряемый параметр.

Рис. 3. Схема включения двух тензорезисторов в мостовую цепь: R₁ + ΔR₁(ε) + ΔR₁(θ) и R₂ - ΔR₂(ε) + ΔR₂(θ) — сопротивления тензорезисторов [ΔR(ε) и ΔR(θ) — изменения сопротивлений тензорезисторов в зависимости от изменения деформации ε и от температуры θ]; R₃, R₄ — сопротивления обычных резисторов; i_aб — ток в диагонали моста; U — источник питания (постоянного тока); У — усилитель; Р — устройство, регистрирующее результат измерения.

strain gauge

strain gage, strain(gage) indicator, strain sensor

ТЕНЗОДАТЧИК

(от лат. tensus - напряжённый и датчик)-механоэлектрич. прибор, преобразующий деформацию твёрдого тела, вызванную приложенным к нему меха-нич. напряжением, в электрич. сигнал; представляет собой чувствительный элемент т е н з о м е т р а-прибора, используемого для измерения величины и распределения деформации в твёрдых телах. Принцип работы Т. основан на использовании зависимости физ. свойств твёрдого тела от деформации, напр. тензорезистивного эффекта, связанного с изменением электрич. сопротивления металлов или полупроводников в поле внеш. деформации. Высоким значением тензочувствительности где s-уд. электропроводность, Ds-изменение уд. электропроводности первичного преобразователя в поле деформации, e - относительная деформация), при высокой её анизотропии, обладают полупроводники, что определяется преобразованием энергетич. спектра носителей заряда при направленной деформации. В зависимости от уровня легирования кристалла, рабочей темп-ры, типа проводимости, ориентации чувствит. элемента, величины деформации тензочувствительность К полупроводниковых резисторов может изменяться от неск. десятков до неск. сотен. В металлах (сплавах металлов) К мало и достигает неск. единиц, однако существенным преимуществом металлич. Т. является более высокая температурная стабильность их параметров. Полупроводниковые Т. характеризуются более сильной температурной зависимостью как уд. сопротивления, так и тензочувствительности резисторов, поэтому применяют высокую степень легирования тензорези-сторов чувствительного элемента (вырожденный полупроводник), схемные методы термокомпенсации или стабилизацию темп-ры. Тензорезисторы на основе металлич. сплавов изготавливают из константана, никель-молибденовой фольги, сплавов Fe - Сr- Al, Ni - Сr - Аl и др. Разработаны методы изготовления тензорезисторов с помощью тонкоплёночной технологии. Тензорезисторы наносятся на изолирующую подложку, напыляемую непосредственно на исследуемую поверхность. Малая толщина таких тензорезисторов (15-30 мкм) - существенное преимущество при измерениях деформации в динамич. режиме в области высоких темп-р, где измерения деформации представляют собой спец. область исследований. Помимо Т. с тензорезистивными чувствит. элементами в области более высоких темп-р (500-600 °С) используются ёмкостные и индукционные Т., с помощью к-рых измеряют деформации (перемещения) до неск. десятков мм. Как правило, проводят индивидуальную калибровку каждого датчика деформации. Эл.-оптич. тензометры регистрируют с помощью оптич. средств относительные перемещения базовых точек или полос, нанесённых на исследуемый образец. Такие тензометры (на базе лазерной оптики) используются для измерения деформаций при очень высоких темп-pax (более 2500 °С). В случае применения Т. в измерит. системах с использованием вычислит. средств температурная зависимость параметров Т. может быть зачтена в процессе машинной обработки данных измерений, что позволяет проводить измерения деформаций в соответствующем диапазоне темп-р (при контроле темп-ры с необходимой точностью) без снижения точности эксперимента. Таким же образом может быть учтена и кажущаяся деформация, к-рая определяется различием значений коэффициентов теплового расширения чувствит. элемента Т. и материала исследуемой конструкции. Принимая во внимание разл. временную стабильность параметров разных типов Т., периодически проводят повторную калибровку чувствит. элементов механоэлектрич. преобразователей.

В. В. Коломоец.

ТЕНЗОДАТЧИК, прибор для измерения механической ДЕФОРМАЦИИ, например, вызванной движением моста или ледника. Электрические тензодатчики используют явление (впервые замеченное лордом КЕЛЬВИНОМ в 1856 г.), заключающееся в следующем: если трос растягивается, то меняется его электрическое сопротивление. Электрический тензодатчик обычно состоит из сетки, сделанной из проволочной нити, оттиснутой на металлической фольге. Прибор приклеивается на поверхность конструкции, деформацию которой необходимо измерить. Когда конструкция деформируется, тензодатчик также испытывает деформацию, при этом изменяя свое электрическое сопротивление, которое можно измерить.

(от лат. tensus - напряженный, еатянутый и датчик) измерит. преобразователь деформации твёрдых тел в электрич. сигнал, выполненный в виде электрич. тензометра. Работа Т. сопротивления (тензорезистора) осн. насв-ве металлич. проволоки (или фольги) при деформации (растяжении или сжатии) изменять своё электрич. сопротивление. Конструктивно Т. сопротивления представляет собой решётку из проволоки (константан, сплавы на основе никеля и молибдена, легир. вихром и др.) или фольги (иногда ПП), к-рая приклеивается к поверхности исследуемой детали (при повыш. темп-pax - приваривается). Изготовляются ненаклеиваемые Т., преимущество к-рых заключается в отсутствии поперечной тензочувствительности я малом гистерезисе.

ТЕНЗОДАТЧИК — измерительный преобразователь в виде резистора (см.), сопротивление которого изменяется под влиянием деформации (см.) тела, на котором он укреплён.