Тензорезисторы – конструкция, принцип действия

Функционирование электрического тензодатчика базируется на изменении внутреннего сопротивления при физической деформации чувствительного элемента (тензорезистора). Посредством измерения колебаний напряжения, приложенного к датчику, можно оценивать напряжения в материале (если датчик контактирует с деформируемой поверхностью). Подобная методика измерений, как и сами датчики, находит широкое применение в промышленности и научно-исследовательских работах.

Помимо этих областей, тензодатчики выступают как составная часть многих приборов (для контроля давления, ускорения, перемещения, биений, крутящего момента и пр.). Таким образом, тензодатчики могут являться составляющей (в т.ч. в качестве элементов обратной связи) сложной автоматизированной цепи.

Принцип работы тензорезистора

Почему при деформации чувствительного элемента датчика меняется его омическое сопротивление? Физический принцип довольно прост: тензоэлемент представляет собой тонкую металлическую проволочку или полоску фольги (из медно-никелевого или хромо-никелевого сплава), сложенную в спиральную «гармошку» и наклеенную на изолирующую подложку. При её деформации происходит удлинение материала относительно исходного размера. Следовательно, изменяется омическое сопротивление проводника (как известно, оно пропорционально длине проводящей части).

В процессе градуировки для каждого тензорезистора вычисляется коэффициент чувствительности (отношение базового электрического сопротивления к сопротивлению в деформированном состоянии). Для корректного функционирования элемента при его калибровке нужно тщательно соблюдать условия крепления на испытуемом материале (вплоть до применения специального, стандартизированного клея) и температурный диапазон.

В современной промышленности вместо металлической фольги чувствительные элементы тензодатчика могут представлять собой тонкие полупроводниковые плёнки, наносимые методом напыления. Их чувствительность к деформации намного выше.

Способ измерения деформаций

При деформации чувствительного элемента изменение сопротивления очень незначительно. Для его надёжного определения внешнее напряжение подключают к тензорезистору через мостовую схему.

При этом, тензодатчик (точнее его чувствительный элемент – тензорезистор) устанавливается вместо одного из плеча моста. Как известно, мостовая схема очень чувствительна и позволяет определять даже малейшие изменения проводимости каждого резистора. Выходной сигнал с мостовой схемы можно усилить: для непосредственной записи (аналоговой) или преобразования в цифровую форму с последующей индикацией.

Полупроводниковые тензорезисторы

Как было сказано выше, «аналоговые» тензорезисторы характеризуются изменением внутреннего сопротивления при их деформации. Подобный эффект также характерен для некоторых полупроводников (кремния, германия, а также соединений – арсенида галлия и др.). Изготовленные из этих веществ тензорезисторы иногда называют кремнисторами.

К существенным достоинством полупроводниковых чувствительных элементов относятся:

• меньшие размеры;
• значительно большая чувствительность (на один-два порядка!);
• меньшая подверженность температурным помехам;
• возможность эффективно работать без приклеивания к материалу (это позволяет использовать полупроводниковые тензодатчики как удобные мобильные элементы);
• стабильный, сильный выходной сигнал.

Кроме того, кремнисторы возможно изготавливать с заранее заданными свойствами, что невозможно достичь для проволочных тензорезисторов.

Как выбирать тензорезисторы?

Выбор того или иного типа тензорезистора должен осуществляться исходя из особенностей объекта и окружающих условий при проведении измерений. В общем случае, тензорезисторы можно разделить по следующим областям применения:

• для общего измерения напряжений;
• тензометры для композиционных материалов, пластика, каучука, а также печатных электронных плат;
• элементы для измерения ультра-малых деформаций (в основном применяются полупроводниковые кремнисторы);
• высокотемпературные/низкотемпературные тензометры (т.е. элементы для экстремальных условий);
• магниторезистивные (для работы в условиях сильных э/м помех).

Помимо типа тензорезистора на успех измерений во многом влияет кабельная аппаратура и преобразователи выходного сигнала. Следовательно, тип кабеля для подключения датчиков также должен соответствовать условиям измерений (к примеру, выдерживать высокие/низкие температуры или быть экранированным от электромагнитных помех).