Резистивные преобразователи

 

      Тензорезисторы типа КТД имеют проводимость р–типа, а КТЭ – n–типа. Коэффициент тензочувствительности указанных тензорезисторов равен 120±20; номинальный ток 15 мА; рабочий диапазон температур от –160 до +300 °С. Температурный коэффициент тензочувствительности в диапазоне температур от 0 до +80°С не превышает 0,4 %/°С для полупроводника n–типа и 0,25 %/°С – для полупроводника р–типа. Температурный коэффициент сопротивления составляет примерно 0,45%/°С. Линейность изменения сопротивления сохраняется при относительных деформациях до ±0,1%, а предельная деформация не превышает ±0,4%. Масса 6 мг. 

Рис. 1.6. Конструкции полупроводниковых тензорезисторов.

а – серии КТЭ и КТД; б – серии Ю–8. 

      Для измерения деформаций в условиях повышенной концентрации напряжении могут  быть использованы малогабаритные кремниевые тензорезисторы серий Ю–8 с базой, равной 2 мм (рис. 1.6,б), или Ю–12 гантельного типа. Основные электрические параметры их представлены в табл. 1.6.

      Коэффициент тензочувствительности малогабаритных кремниевых тензорезисторов составляет 100±10; номинальный рабочий ток 15 мА; максимальный рабочий ток (при наклейке на стальную балку) 100 мА; предельно допустимая деформация 0,3%. Тензорезисторы рассчитаны на работу в диапазоне температур от –60 до +115°С. Наклеивают полупроводниковые тензорезисторы на исследуемую поверхность с помощью лака ВЛ–931 (ГОСТ 10402–63).

      К недостаткам полупроводниковых  тензорезисторов следует отнести их малые механическую прочность и гибкость (в настоящее время ведутся работы по созданию гибких пленочных тензорезисторов). Большую тензочувствительность этих тензорезисторов реализовать оказывается довольно сложно из-за нелинейности характеристики, высокой чувствительности к воздействию внешних условий (температуры, освещения и т. д.) и существенного разброса характеристик от образца к образцу.

      Изменение сопротивления тензорезисторов, вызванное деформацией, весьма мало и колеблется от единиц миллиОм до нескольких десятых долей Ома. Для измерения сопротивлений используют в основном две схемы – потенциометрическую и мостовую (рис. 1.7). Потенциометрическая схема (рис. 1.7,а) состоит из источника питания и последовательно соединенных резисторов R₁ и R₂, из которых один (R₁) или оба могут быть тензорезисторами. В последнем случае R₁ устанавливается на упругий элемент так, чтобы его деформация имела знак, противоположный знаку тензорезистора R₂.

      Выходное  напряжение потенциометрической схемы без приложения нагрузки определяется выражением

              
 
 

Рис. 1.7. Схемы включения тензорезисторов:

      а – потенциометрическая; б – мостовая. 

      Существенным  недостатком рассмотренной потенциометрической  схемы является наличие на выходе схемы значительной постоянной составляющей V затрудняющей непосредственное измерение малого изменения напряжения DV. Измерение может быть произведено лишь при исключении постоянной составляющей с помощью разделительного конденсатора или с помощью компенсации ее соответствующим подбором напряжения смещения на управляющем электроде лампы (при непосредственной связи усилителя с потенциометрической схемой).

      Более совершенной схемой для измерения  малых изменений сопротивлений является хорошо известная мостовая схема (рис. 1.7,б).

      Для исключения начальной постоянной составляющей мост должен быть уравновешен. Условием равновесия является соотношение

      R₁R₄=R₂R₃  .

      При выполнении этого условия разность потенциалов на вершинах измерительной диагонали cd равняется нулю.

      В измерительной технике применяются  как уравновешенные, так и неуравновешенные мосты. В первых, разбаланс моста, вызванный изменением сопротивления тензорезистора, компенсируется калиброванным изменением сопротивления другого плеча. Преимуществом этого способа является высокая точность (ибо результат не зависит от случайного изменения чувствительности нуль–индикатора) и возможность применения при малых изменениях сопротивления тензорезистора; недостатком – пригодность практически только для статических или медленно изменяющихся процессов, когда за время балансировки процесс существенно не изменяется.

      Неуравновешенные  мосты, в которых изменение сопротивления  определяется по величине разбаланса более универсальны и применимы для измерения как статических, так и динамических процессов.

      Таблица 1.6

      Основные  параметры кремневых тензорезисторов

        
 
 
 
 
 
 

     Заключение 

     Современная концепция метрологического обеспечения производства предусматривает существенное расширение масштабов использования средств измерений и контроля в процессе изготовления изделий. Высокая степень автоматизации, возросшие требования к качеству привели к тому, что контрольно-измерительные операции, которые ранее рассматривались как необходимые, но вспомогательные работы, стали сегодня одними из основных. Они составляют более 40 % от трудоемкости работ по изготовлению изделий. Для оправдания столь больших затрат на измерения и контроль необходимо достижение высокой эффективности (высокого уровня) метрологического обеспечения производства, т. е. достижения значительных приращений в производительности, качестве и других показателях производства за счет совершенствования методов и средств измерений и контроля.

С этой целью  в современной концепции метрологического обеспечения иначе формулируется назначение измерений и контроля: если ранее они служили для обнаружения дефектных изделий, то сейчас они используются для предупреждения брака. Чтобы выполнить это предназначение, предусматривается измерять и контролировать параметры вероятных источников возникновения брака — технологического оборудования, оснастки, инструмента, энергоносителей, технологических сред и т.п. Поэтому в современном производстве применяется большое количество средств измерений, выполненных часто в форме первичных измерительных преобразователей или датчиков, встроенных в технологические линии.

Особенно большое  значение приобретают датчики в  гибких автоматизированных производствах, где они определяют в значительной мере и производительность труда, и уровень брака, и точность изготовления изделий.

В механообработке  линейно-угловые размеры деталей, выполняемых по 7—8 и более грубым квалитетам, могут быть обеспечены технологическими методами и средствами. Средства измерений используются при этом только в целях отладки производственного процесса и выборочного контроля при периодических проверках его точности. Более высокая точность изготовления достигается не только за счет прецизионного технологического оборудования, но и путем его периодической или непрерывной подналадки по результатам измерений и контроля, для чего используются многочисленные встроенные датчики.

Тем не менее масштабы использования датчиков в производственном процессе признаются недостаточными. К тому же при выборе датчиков, необходимых для автоматизации технологического процесса, часто допускаются ошибки, поскольку конструкторам и технологам недостает знаний о современных средствах измерений и контроля производственного назначения. По причине недостаточной надежности используемых датчиков, нехватки их в важнейших точках технологических линий последние используются лишь на 70 % от своей потенциально возможной производительности.

Для обеспечения  наблюдаемости технических и  технологических объектов, находящихся в эксплуатации, также требуется большое число датчиков в их составе. Встроенные датчики существенно улучшают характеристики автомобилей, бытового оборудования, уменьшают возможность возникновения аварий на крупных промышленных предприятиях. Иначе говори, сфера применения датчиков постоянно и быстро расширяется. Возрастают и объемы их производства: годовое производство датчиков во всем мире достигает 5—6 млрд. долларов, а ежегодный прирост объемов продаж составляет 15 % и более.

Таким образом, знания о датчиках необходимы сегодня широкому кругу инженерно-технических работников, связанных с созданием, испытаниями и эксплуатацией управляющих и контрольно-измерительных систем различного назначения.

 

     Литература:

1. Бриндли К. «Измерительные преобразователи» : Справочное пособие: Пер. с англ. –М.Энергоатомиздат, 1991.-144 с.