Тензорезистивного преобразователя давления

Исходя из условий задания на контрольную работу наиболее оптимальным с точки зрения сочетания цены, качества, надежности и погрешности измерения, является тензорезистивный метод преобразования давления.

В основе принципа действия тензорезистивного датчика давления лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.

Сопротивление R резистора, выполненного в виде проволоки длиной l, определяется известным выражением

(2.1)

где r – удельное сопротивление материала проволоки;

S – площадь поперечного сечения проволоки.

Дифференцируя выражение (2.1) и переходя к конечным приращениям, получим, что продольной упругой деформации проволоки соответствует относительное изменение ее сопротивления

(2.2)

где DR, Dr, DS –абсолютные приращения сопротивления, удельного сопротивления, длины и площади поперечного сопротивления проводника соответственно.

В твердом теле в зоне упругих деформаций величины поперечных и продольных деформаций связаны выражением

, (2.3)

где – значение относительной продольной деформации;

– значение относительной поперечной деформации;

m – коэффициент Пуассона.

С учетом выражений (2.2) и (2.3) величина относительного изменения проводника диаметром d и длиной l

(2.4)

Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензорезистора изображено на рис.2.1 а. На полоску тонкой бумаги или лаковой пленки 1 наклеивается так называемая решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 2 диаметром 0,02 - 0,05 мм. К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники 3. После высыхания слоя клея сверху преобразователь покрывается защитным слоем лака 4. Если такой преобразователь наклеить на поверхность испытуемой детали, то он будет воспринимать деформации ее поверхностного слоя. Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются проволочные преобразователи с базами 5-20 мм, обладающие сопротивлением 50-500 Ом.

Рис. 2.1 – Конструкции тензорезисторных преобразователей

Тензопреобразователи с решеткой из фольги (рис. 2.1 б) получаются путем химического травления фольги 2, толщиной 4 ~ 12 мкм, нанесенной сплошным слоем на поверхность подложки 1 из непроводящего материала. Фольговые преобразователи имеют меньшие габариты, чем обычные проволочные, и могут иметь базу L = 0,5-5 мм.

Металлические пленочные тензорезисторы изготовляются путем напыления в вакууме на поверхность тонкой подложки слоя тензо-чувствительного материала с последующим травлением слоя проводящего материала с целью формирования решетки тензорезистора. Пленочные тензорезисторы имеют толщину 1 мкм и менее, базу 0,1-0,5 мм и конфигурацию, аналогичную фольговым тензорезисторам (рис. 2.1 б).

Наиболее распространенной измерительной цепью для тензорезисторов является мостовая измерительная схема, работающая в неравновесном режиме.

На рис. 2.2, а приведена мостовая схема, в которой в качестве одного плеча включен тензорезистор R1, а остальные три плеча моста являются постоянными фиксированными резисторами R2, R3, R4. Схема питается от источника постоянного напряжения Е. С измерительной диагонали моста снимается напряжение U_M, которое может быть подано на измерительный прибор или регистратор. Приведенная схема неравновесного измерительного моста обладает значительной температурной погрешностью. Тензорезистор R1располагается непосредственно на объекте измерения, а резисторы R2, R3, R4 – в блоке вторичной аппаратуры, содержащем усилители, блоки питания, показывающие приборы, удаленном от объекта измерения и находящемся в других климатических условиях. При изменении температуры поверхности объекта измерения будет изменяться сопротивление тензорезистора R1, что приведет к изменению выходного напряжения U_Н мостовой схемы при отсутствии упругой деформации решетки тензорезистора.

Рис. 2.2 - Схемы включения тензорезисторов

При дифференциальном включении двух идентичных тензорезисторов R1 и R2 в два соседних плеча моста (рис. 2.2 б) удается понизить температурную погрешность нуля в 10-20 раз по сравнению с предыдущей схемой включения.

Пример физической реализации дифференциальной мостовой схемы измерения представлен на рис. 2.2 в. На поверхности консольно закрепленной упругой балки 1 наклеены тензорезисторы R1 и R2, которые включены в качестве плеч мостовой измерительной схемы и имеют равные сопротивления (R1=R2). При равенстве сопротивлений двух других плеч моста (R3 и R4) выходной сигнал с измерительной диагонали моста равен нулю (DU_M=0).

При воздействии на конец консольной балки измеряемого усилия Р¹0 балка прогнется (см. пунктирное изображение балки на рис. 2.2 в), что приведет к появлению упругих деформаций и напряжений растяжения на верхней поверхности балки и напряжений сжатия на нижней ее поверхности. Упругие деформации балки будут восприняты наклеенными тензорезисторами, и их сопротивления изменятся соответственно до значений R1+DR и R2-DR (см. рис. 2.2 б и 2.2 в). При этом на выходе мостовой схемы появится напряжение DU_M функционально связанное с измеряемым усилием Р. При идентичных параметрах тензорезисторов погрешность нуля, обусловленная изменением их активного сопротивления вследствие изменения температуры балки, будет близка к нулю, поскольку абсолютные значения приращений сопротивлений DR1 и DR2 будут равны и не вызовут разбаланса мостовой схемы, а следовательно, и дополнительного приращения выходного напряжения U_M.

С целью уменьшения влияния изменения температуры окружающей среды на чувствительность мостовой схемы довольно часто в качестве пассивных плеч мостовой схемы R3 и R4 также используются тензорезисторы, расположенные на объекте измерения или рядом с ним, но не воспринимающие измеряемых упругих деформаций.

В инженерной практике выходной сигнал с диагонали неравновесного моста подается на вход электронного усилителя, а затем на измерительный прибор или регистратор, в качестве которого может быть использован электромеханический светолучевой осциллограф.

Функциональная блок-схема тензорезистивного метода измерения давления представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.3 - Функциональная блок-схема тензорезистивного преобразователя давления

Деформация мембраны под воздействием внешнего давления Р приводит к локальным деформациям тензорезисторного моста и его разбалансу – изменению сопротивления, которое измеряется электронным блоком (рис. 2.3).