Тензорезисторные преобразователи (тензорезисторы)

Принцип работы тензорезистора основан на изменении сопротивления проводника при его деформировании. Это свойство называется тензочувствительностью. Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и удельному сопротивлению и обратно пропорционально площади поперечного сечения: R=lr/F.

Важнейшей характеристикой тензорезистора является коэффициент тензочувствительности, равный отношению относительного изменения сопротивления к его относительной деформации: К = (DR/R)/(Dl/l).

Идеальный проводник для тензорезистора должен обладать высокой тензочувствительностью, высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления. Обычно используют сплав меди с никелем (константан, эдванс, элинвар -elastos (гр.) -эластичный, упругий: invariabilis (лат.) - неизменный). Их тензочувствительность сравнительно невелика (к = 1,9...2,2); есть металлы и сплавы с К до 6,5, но они не обладают стабильностью электрических и механических свойств и малым температурным коэффициентом сопротивления (~2·10^-6 град^-1).

Наиболее широко используется тензорезистор из несколько близко расположенных петель константановой проволоки, намотанных в плоскости и приклеенных к плёночной или бумажной подложке. Диаметр тензопроволоки - 0,012... 0,03 мм. Это обеспечивает высокое сопротивление проволоки, а жёсткость её оказывается значительно ниже, чем клея, которым она приклеивается. Скрепляющее и поддерживающее проволоку действие клея обеспечивает совместное деформирование тензорезистора с материалом конструкции, при этом проволока сжимается прямолинейно, не выпучиваясь и не искривляясь.

Для удобства припайки к концам проволоки привариваются токовыводы из медной проволоки диаметром 0,1...0,2 мм и длиной 20...30 мм. Расстояние между петлями называется базой тензорезистора. Выпускаются тензорезисторы с l = 5...100 мм и сопротивлением 50...400 Ом.

В форме петлевого тензорезистора заложен конструктивный недостаток - участки проволоки, приходящиеся на петли, обуславливают поперечную чувствительность. Этот фактор приводит к снижению основной характеристики - осевой тензочувствительности. Это влияние растёт с увеличением числа петель и уменьшением базы.

Этого недостатка лишены тензорезисторы беспетлевого типа, в которых решётка образована пучком параллельных тензопроволок, замкнутых в определённых местах медными перемычками.

Продолжения пучка проволок за пределы базы обеспечивает дополнительную анкеровку решётки в клеевой плёнке и существенно улучшает распределение напряжений сдвига в клее в пределах активной базы (пики напряжения срезаются за её пределами).

Поперечная чувствительность отсутствует и в фольговых тензорезисторах, имеющих решётку из тонких полосок фольги толщиной 0,003 - 0,01 мм, которую наносят на плёнку из синтетической смолы или на бумагу, пропитанную клеем. Решетку таких тензорезисторов различной формы и размеров изготавливают фотолитографическим методом. Поперечная чувствительность практически отсутствует вследствие уширения сечения фольги в зоне петель. Плоское сечение, развитое в плоскости приклейки, рациональнее круглого сечения проволоки и увеличивает площадь контакта с объектом измерения.

Полупроводниковые тензорезисторы получают электрической резкой монокристаллов германия и кремния на пластинки толщиной 0,01...0,02 мм, шириной 0,5...1 мм и длинной 2...15 мм. Последующую корректировку сопротивления осуществляют шлифовкой. Для присоединения выводных контактов по концам пластинки вплавляют в вакууме слой золота или сплав олова с сурьмой. Такие тензорезисторы имеют в 60 раз большую, чем константановая тензорешётка, тензочувствительность, но в 60 раз больший и температурный коэффициент сопротивления. Кроме того К у них зависит от температуры и величины деформации; кремний и германий хрупки. Это позволяет использовать их лишь при динамических испытаниях, когда вследствие кратковременности изменением температуры можно пренебречь.

Тензометрические клеи должны обладать следующими свойствами: хорошей адгезией (прилипанием) к тензорешётке и материалу конструкции; высокой жёсткостью при сдвиге; высокими и стабильными диэлектрическими свойствами; достаточной термогидростойкостью; технологичностью применения.

Клеи и цементы в зависимости от характера процесса схватывания и твердения делятся на три группы:

высыхающие клеи, твердение которых происходит в результате испарения излишков растворителя в нормальных условиях;

полимеризующиеся клеи;

спекающиеся цементы, требующие высокотемпературной обработки.

Кремнийнитроглифталевый клей 192Т - это частично полимеризующийся клей холодного отверждения. Это раствор коллоксилина, глифталевой смолы и смеси растворителей. В условиях нормальной температуры и влажности отвердение происходит в течении 24 часов. Недостаток - значительный коэффициент гигроскопичности. Рабочий температурный диапазон ± 50 ⁰С.

Фенолформальдегидные клеи группы БФ - это спиртовой раствор фенольной смолы и поливинилбутироля. Требует термообработки (ступенчатого нагрева до 180⁰ ...200⁰С). При естественной сушке прочность на сдвиг уменьшается на 40...50 %. Рабочий температурный диапазон - +150 ⁰С.

Винифлексовые клеи (лаки) ВЛ-4 и ВЛ-6 - горячего отверждения. Это раствор винифлекса и фуриловой смолы. Полная полимеризация наступает после ступенчатого нагрева до 160 ⁰С. Допускается кратковременное тензометрирование при t⁰ до 100⁰С.

Фуриловый клей Ф7Т - горячего отверждения. Это спирто-ацетоновый раствор фурилово-фенольной смолы. Полная полимеризация наступает после нагрева по определённому режиму (что ограничивает его применение) до 250 ⁰С. Рабочий температурный диапазон ± 200 ⁰С.

Цемент В-58 - это спекаемое связующее, применяемое для тензометрирования при t⁰ до 600...700⁰С. Он изготавливается на основе кремнийорганических соединений и требует сравнительно низкой температуры обработки - 250...300⁰С. Он обладает высокой водостойкостью и может применяться в условиях совместного действия повышенных температур и 100 % -ной влажности. Недостатки - ограниченная деформативность и сложность технологии монтажа тензорезисторов.

Цианоакрилатный клей (циакрин) быстро твердеет - в течении 40...60 мин при комнатной температуре. Однако клей моментально схватывается, что затрудняет монтаж тензорезисторов. Кроме того, клей постоянно должен хранится при температуре (-2⁰)...(-4⁰) С.

Возможно применение клеев: целулоидного, полиметилакрилового, карбинольного и др.

Подложкой тензорезисторов служит высококачественная бумага или плёнка из полимеризующихся клеев. Бумага толщиной 0,02...0,05 мм применяется для тензорезисторов, предназначенных к использованию на изотропных материалах (металл, пластмассы), толщиной 0,1...0,15 мм - на анизотропных материалах (бетон).

Плёночная подложка толщиной 0,02 - 0,05 мм применяется в малобазных тензорезисторах при тензометрировании в пластической стадии деформирования, при измерении деформаций низкомодульных материалов и вообще, когда к тензометрированию предъявляются повышенные требования.

Технология приклейки тензорезисторов.

Места наклейки зачищают до полного удаления грязи, окалины, ржавчины, пыли. Используют наждачную бумагу средних номеров. Выявленные после очистки раковины и трещины на поверхности бетона заделывают безводным зубоврачебным цементом. Зачищенную поверхность для обезжиривания промывают ацетоном или спиртом. После этого наносится грунтовка - 2-3 слоя клея с сушкой каждого слоя в течении 30...40 мин. В это же время грунтуют и тензорезисторы.

Перед наклейкой на подготовленную поверхность и подложку тензорезистора снова наносят тонкий слой клея, который просушивается в течении 10...15 мин, затем подложка покрывается более толстым слоем клея, тензорезистор укладывают на требуемое место, ориентируют, укрывают целлофановой или полиэтиленовой плёнкой, и нажатием пальца из-под него удаляют излишки клея. В течении 1...2 мин. держат тензорезистор, прижав пальцами.

Время сушки клеев холодного твердения -1...2 суток (в зависимости от окружающей температуры). Время сушки перед термообработкой полимеризующихся клеев -10...12 час. Термообработка небольших образцов производится в термостатах, больших - с помощью рефлекторов, источников инфракрасного излучения и др.

Качество приклейки проверяется после подключения тензорезисторов к регистрирующей аппаратуре. Его покрывают плёнкой, с небольшим нажимом прокатывают по нему ролик. При отсутствии непроклееных мест стрелка прибора должна отклоняться не более, чем на 1-2 деления.

Изоляция тензорезисторов.

Влага воздуха (а тем более атмосферные осадки) изменяют объём клея и подложки, их механические и динамические свойства. Увеличиваясь в объёме, клей растягивает проволоку, ухудшает сцепление между решёткой и клеем, а, следовательно, и поверхность конструкции.

Средства изоляции: парафино-вазелиновая смесь (смешивается при t⁰ =70…80 ⁰C), воск и восковые смеси. Для тензорезисторов, наклееваемых на арматуру, закладные детали и т.п. с последующим бетонированием, применяют карбинольно-цементную смесь (карбинольный клей + 20...25 % тонкомолотого портландцемента) и эпоксидно-цементную смесь (100 в.ч. эпоксидной смолы + 50...60 в.ч. портландцемента).