Диагностика строительных машин / Датчики средств диагностирования строительных машин / Глава 2.2
Тензорезисторные (тензометрические) датчики
В основе их работы лежит явление тензоэффекта, сущность которого состоит в изменении активного сопротивления проводников (тензорезисторов) при их механической деформации. Тензорезистор (от латинского слова tenso - растягиваю) характеризуется коэффициентом тензочувствительности.
В практике широко используют проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Проволочные тензорезисторы наиболее простые и представляют собой спираль (решетку), состоящую из нескольких витков проволоки, наклеенную на специальную бумажную или лаковую (пленочную) основу. Сверху спираль .закрывают такой же бумагой или пленкой. Материал проволоки - константан, манганин, нихром и другие металлы, которые имеют высокий коэффициент тензочувствительности К и малый температурный коэффициент сопротивления.
Тензорезисторы наклеивают на первичный или вторичный упругий чувствительный элемент датчика. Сжатие или растяжение чувствительного элемента в пределах упругих деформаций вызывает пропорциональное сжатие или растяжение проволоки тензорезистора, в результате чего меняется ее длина, поперечное сечение и удельное электрическое сопротивлние, т. е. в конечном счете меняется электрическое сопротивление тензорезистора Фольговые тензорезисторы имеют решетку из тонких полосок фольги прямоугольного сечения, которые наносят на лаковую основу.
Полупроводниковые тензорезисторы изготовляют из германия, кремния, арсенида галия и других материалов, имеющих сильно развитый тензоэффект. Они обладают весьма важным преимуществом перед проволочными и фольговыми тензорезисторами: коэффициент тензочувствительности К достигает 100-120, т. е. в 50- 60 раз выше. Их недостатком является малая механическая прочность и нелинейность характеристики.
Электрические схемы тензодатчиков обычно бывают двух видов: мостовая (полный мост и полумост) и потенциометрическая. Выходным сигналом датчика является изменение напряжения (&и), которое определяется напряжением источника питания и отношением сопротивлений тензорезисторов.
Например, при мостовой схеме постоянного тока AU=UARR - в случае включения тензорезисторов во все 4 плеча (схема полного моста);
Потенциометрические схемы имеют серьезный недостаток, так как на их выходе всегда есть постоянная составляющая, затрудняющая измерить малые АУ. Эти схемы питаются постоянным током. Мостовые схемы не имеют указанного недостатка, так как в них обеспечивается балансировка, т. е. достигается равенство-сопротивлений диагоналей моста. Балансировка мостов постоянного тока осуществляется по активному сопротивлению, а мостов переменного тока - по активной и реактивной составляющей.
Вид упругого элемента тензорезисторного датчика (балка, скоба, мембрана, пружина и др.) определяет его назначение (для измерения перемещения, давления, силы и др.), а деформируемость-и частотные свойства упругого элемента - чувствительность датчика и его применимость для измерения статических или динамических процессов.
При разработке конструкции тензорезисторных датчиков могут быть успешно решены вопросы компенсации температурной и временной нестабильности их метрологических характеристик путем схемных решений, улучшением технологии крепления тензорезисторов на упругом элементе, выбором оптимальной жесткости упругого элемента и др. Это обеспечивает широкое производственное внедрение тензорезисторного метода измерений при диагностировании машин.