Загальні відомості про тензорезисторами
Тензодатчики і тензорезистори. Давайте подивимося, що пов'язує тензодатчик і тензорезистор. Як відомо основним елементом тензодатчика є тензорезистор. Звичайно ці комплектуючі багатьох вагових і вимірювальних приладів найкращим чином відповідають критеріям вартість-ефективність.
Характеристиками перетворювачів є:- Температурна і тимчасова стабільність.
- Похибка вимірювання деформації, яка не повинна перевищувати δll = 1 мкм / м в діапазоні ± 5% (± 50000мкм / м).
- Довжина і ширина датчика повинні бути достатньо малі для адекватного вимірювання деформації в точці.
- Інерційність датчика повинна бути мала для реєстрації високих частот динамічних процесів.
- Лінійність відгуку датчика в межах всього діапазону.
- Економічність датчика і пов'язаних з ним пристроїв.
- Мінімальні вимоги до кваліфікації обслуговуючого персоналу для установки і проведення вимірювань.
На тензоеффект вперше звернув увагу Кельвін в 1856 році.
Дротові тензодатчики були витіснені фольгованних.
Напівпровідникові тензодатчики були отримані в результаті побічної дослідження. Вони набули поширення в 60-і роки.
Фольгові датчики характеризуються граничною деформацією ± 5%.
Матеріали, найбільш використовувані в тензодатчиках
Фізика зміни питомого опору при деформації матеріалу: деформація матеріалів пов'язана з деформацією решітки. При цьому змінюється положення рівня Фермі, що позначається на концентрації вільних електронів.
- може бути компенсувавши температурно в більш широкому діапазоні температур;
- нікелі-хромова основа сплаву забезпечує тензодатчиків вищі втомні характеристики;
- сплав проявляє вищу тимчасову стабільність, а, отже, кращий при вимірюванні статичних деформацій на протязі тривалого часу (від декількох місяців до декількох років);
Труднощі пайки вивідних провідників до контактних площадок датчика.
3) Ізоластік - має високу тензочувствітельності і найбільш високими втомним характеристиками, однак він виключно чутливий до температури, а, отже, його сфера застосування обмежена або динамічними вимірами, або статичними, при яких нестабільність, пов'язана з температурою, не має значення.
4) Ніхром V, платіновольфрам, армюр Д:
Застосовують в вузькоспеціальних додатках, пов'язаних з високими температурами, при яких набувають істотне значення стійкості до окислювальних процесів.
Тензодатчики, як правило, приклеюються, складаються з:- елемента чутливого до деформації;
- тонкої плівки, яка є ізолятором і несучої основою для чутливого елемента;
- контактних майданчиків для приєднання вивідних проводів.
- акрилові;
- поліамідні;
- фенольні;
- епоксидно-скляні;
- папір;
- епоксидні;
- епоксидно-поліамідна;
- епоксидно-фенольні;
- фенольно-скляні.
- лінійно-пружне поведінка матеріалу;
- відсутність гістерезису.
Полімери, армовані скловолокном, застосовуються в датчиках для робіт в циклічних деформаціях.
У датчиках, що працюють при підвищених температурах, використовуються основи з епоксидних і фенольних смол, армованих скловолокном.
Клеї, за допомогою яких приклеюють тензодатчики
Клей, за допомогою якого приклеюють тензодатчик на зразок, повинен мати міцність, лінійної пружністю і стабільністю протягом тривалого періоду часу.
Комбінація датчика: його несуча основа і клеї вимагають самого серйозного уваги. Необхідно застосовувати апробують клеї і дотримуватися процедури нанесення і сушіння.
В якості клею найбільш широко використовується метил-2-ціаноакріад, епоксидна смола, полімід і деякі види кераміки.
Ціаноакріад не вимагає ні нагріву, ні отвердителей для ініціювання полімеризації. Для прискорення полімеризації на одну з поверхонь може бути завдано каталізатор. Завдяки дуже швидкої полімеризації цей клей є ідеальним компонентом для тензодатчиков загального призначення. Хвилинного натискання великим пальцем і двох хвилинної паузи виявляється досить. Він може використовуватися в діапазоні температур від -32 до + 65 ° С. Він забезпечує правильне вимірювання деформації не вище 6%. Міцність клею знижується з часом через поглинання вологи, тому його необхідно захищати при тривалій експлуатації.
Епоксидний складається з смоли і затверджувача, який вступає в реакцію з смолою, забезпечуючи полімеризацію. У деяких випадках для в'язкості смоли в неї додають розчинник. Розбавлені смоли (епоксидно-фенольні) більш кращі, так як утворюють дуже тонкі високоміцні, однорідні плівки зі слабо вираженою ползучестью і гістерезисом. Для забезпечення тонкого однорідного шару до датчика повинен бути доданий тиск від 70 до 210 кПа. щоб гарантувати повну полімеризацію епоксидні клеї піддають підвищеній температурі протягом декількох годин. Мабуть, найкращими є епоксидно-фенольні клеї з робочим діапазоном температур від -269 до +260 ° С. Допустиме відносне питоме зміна знаходиться в межах 3-10%.
Поліамідні представляють собою однокомпонентний полімер, який може застосовуватися в діапазоні температур від -260 до + 399 ° С. Поліамід затверджується при тиску 275кПа при температурі 260 ° С.
Отже, для затвердіння потрібні порівняно високі тиску і температури (наприклад, 8 - 10 кгс / мм2, 170 ° С). Поверхня пружного елемента перед приклеюванням ретельно очищається механічними і хімічними засобами, а потім до неї приклеюють тензорезистори на шари відповідних клеять і ізолюючих речовин. Процес затвердіння ведуть за спеціальною температурно-часової програми. Після закінчення процесів "послеотвержденія", якщо такі мають місце, приклеєні тензорезістори захищаються від дії навколишнього середовища.
Після затвердіння клеїв тензодатчики повинні бути покриті герметиком (парафін, каучук, полімерітан).
Конструкція закріплення також має велике значення для роботи датчика (рис. 1). У класичній конструкції (а) застосовується "втоплений" тензорезистор (наприклад, в основі з фенольного клею), який наклеюється на пружний елемент за допомогою клею (наприклад, фенольного). У конструкції (б) голий тензорезистор (наприклад, напівпровідниковий) приклеюють через підкладку (наприклад, зі спеціального паперу), просочену клеєм. В обох випадках виникає щодо товстий прошарок товщиною d2, ( »20 - 50 мкм), яка утворюється по суті вузький середовищем і служить причиною явищ ослаблення напруги. Оскільки прошарок виконує одночасно функцію ізоляції, вона не може робитися як завгодно тонкої. Тому в більш нової конструкції завдання ізоляції і кріплення розділені. Тут можна втілити ізоляційний шар, (розплавлена емаль або кераміка), який має істотно кращими механічними властивостями, ніж клей. Тепер власне клейовий шар може виконуватися дуже тонким (<1 мкм) и должен только заполнить неровности поверхностей. В этой конструкции практически полностью пренебрежимо ослабление напряжений, вызванное клеем.
Малюнок 1 - Конструкції тензорезисторних чутливих елементів датчиків
а і б - звичайні конструкції з товстими клейовими шарами dz; в - сучасна конструкція з тонким клейовим шаром dz.
1 - пружний елемент; 2 - тензорезистор; 3 - основа тензорезистора; 4 - клейовий шар; 5 -підкладка, просочена клеєм; 6 - ізолюючий шар з хорошими механічними властивостями
Явища ослаблення напруги розглядалися досі завжди в зв'язку з процесами в клеї і конструкцією кріплення тензорезисторов. Це зрозуміло, тому що в період становлення техніки вимірювань, заснованої на тензорезисторами, на дослідження і зменшення повзучості клеїв було направлено основну увагу. Однак в даний час можна зменшити ці ефекти, принаймні до порядку значень ослаблення напруги, викликаної іншими причинами (наприклад, самим пружним елементом). Тому ослаблення клею слід розглядати тільки разом з іншими явищами, якщо ними взагалі не можна знехтувати. Різні причини похибок тензорезисторних датчиків зіставлені нижче:
Ослаблення в пружному елементі
В'язке ослаблення через клейових шарів завдяки сучасним способам приклеювання стає часто дуже незначним.
Температурний догляд нуля виникає через теплових хвиль, що поширюються по пружному елементу, при вирівнюванні теплового стану, якщо тензорезистори мають великі температурні коефіцієнти опору (напівпровідникові тензорезистори).
Термоелектричні ефекти виникають через процеси перерозподілу втрат потужності в мосту; також помітні тільки у напівпровідникових тензорезисторів.
Ослаблення клею - єдиний ефект, який за своєю природою протилежний дії сили. Тому він може в принципі компенсувати ефекти ослаблення, що збігаються за своїм характером з силою, проте через різні постійних часу цих ефектів лише в повному обсязі і з великою залежністю від температури.
Захист від впливу навколишнього середовища. Чутливі елементи після їх приклеювання повинні захищатися від впливів навколишнього середовища, щоб перешкоджати насамперед дії вологості. Для цього після затвердіння, по можливості ще в теплому стані, вони покриваються захисними лаками. Щоб перешкодити утворенню наскрізних пір, таку операцію повторюють, як правило, кілька разів.
Отримані таким чином тонкі шари не можуть повністю і на тривалий час виключити дифузію водяної пари. Це досягається тільки завдяки герметично щільним металевим корпусам, які часто заповнюються ще досить великим запасом гігроскопічного речовини або сухим інертним газом. Однак волога, що впровадили в чутливі елементи, незважаючи на всі ці заходи, викликає два ефекти:
1. Зменшення опору ізоляції між тензорезистором і пружним елементом. В ідеальному випадку це опір нескінченно велике. При кінцевому опорі ізоляції Ris виходять умови, відображені на рис. 2. добра нагода зображений на рис. 2, а, де Ris, рівномірно розподілено на чотири частини моста; разбаланса моста немає. Для несприятливих випадку розрахунок дає похибку нуля:
де eNcp - середня номінальна деформація і R0 - основний опір тензорезисторів. Ці співвідношення для тензорезисторів з великим коефіцієнтом тензочутливості (для напівпровідникових) не мають такого значення.
Малюнок 2 - Вплив зменшення опору ізоляції
Ris - дискретна еквівалентна схема. a - добра нагода: зменшення Ris розподілено рівномірно; б - несприятливий випадок: зменшення Ris діє на один тензорезистор.
2. Розбухання клейового шару викликає уявну деформацію, а цим самим - додаткову похибка нуля. Можна з упевненістю вважати, що цей ефект значно сильніше, ніж ефект від опору ізоляції. Але зменшення Ris може служити в якості запобіжного упровадився вологи і тому - загальною очікуваною похибки нуля. Можна прийняти, що розбухання також досить мало, якщо опір ізоляції більше 109 Ом.