Тензорезистивные преобразователи силы неэлектрических величин

РЕФЕРАТ

 

 

 

В ходе курсовой работы был проведен обзор существующих ПИП по теме курсовой работы и их сравнительный анализ. В ходе работы был выполнен выбор типа ПИП и описаны его характеристики. Также были рассмотрены методические и инструментальные погрешности измерений с помощью данного ПИП.

Графическая часть  представлена рисунками функциональной схемы ПИП, чертежом общего вида ПИП, функциями преобразования и динамическими характеристиками ПИП.

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение
1 Обзор тензорезистивных ПИП силы и их сравнительный анализ
2 Выбор тензорезистивного ПИП силы и его обоснование
3 Описание принципа действия тензорезистивного ПИП силы
4 Вывод и анализ функции преобразования (статической характеристики) ПИП
5 Динамические  характеристики ПИП и (или) его элементов
6 Модель методических  и инструментальных погрешностей  ПИП
Заключение
Список использованной литературы

 

Введение

 

Обеспечение высокого и стабильного качества промышленной продукции является в настоящее  время одной из основных проблем, на решение которой направлены усилия коллективов ученых, конструкторов и технологов.

В рамках этой проблемы важное место занимают прочностные  испытания образцов техники. Для  измерения напряжений или величин  деформаций в деталях машин и  элементах конструкций используют резистивные, струнные и индуктивные первичные преобразователи в сочетании с измерительными схемами включения и преобразования информации.

Из названных  выше первичных преобразователей в  практике наиболее часто находят  применение тензорезисторы.

Простота конструкции, малые масса и габариты позволяют  использовать тензорезисторы для измерения  сил, давлений, вращающих моментов, ускорений и других величин, преобразуемых  в упругую деформацию в труднодоступных  местах различных машин и механизмов без изменения конструкций.

 

 

 

 

 

1 Обзор существующих ПИП и их сравнительный анализ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1 – общий вид прикрепленного к обьекту тензорезистора

1- проволочная решетка представляющая собой ряд петель укреплена (при помощи клея или лака специального состава) к подложке 3; к концам решетки припаяны (приварены) выводы 4 с помощью которых тезорезистор подключается в измерительную схему. Тензорезистор приклеивается к обьекту 2 и становится (благодаря своим малым размерам и ничтожной массе) как бы с ним целым, вследствие чего деформации обьекта воспринимаются проволочной решеткой, я вляющегося чувствительных элементом этого преобразователя. Деформация обьекта вызывает деформацию проволочной решетки тензорезистора в результате которой изменяются геометрические размеры и физические свойства решетки. Относительное изменение сопротивления тензорезистора определяется формулой

                                                                                                                  (1.1)

 

Где R- сопротивление тензорезистора, ом ; l – длина проволоки, м ; ρ- удельное сопротивление проволоки, Ом•м; μ- коэффициэнт пуассона для материала проволоки.

К специальным  тензорезисторам относят тензорезисторы работающие при высоких температурах:

До температур 230-250˚С часто применяются тензорезисторы из термообработанной костантовой микропроволоки , а в качестве основы исполозуются высокотемпературные клеи и лаки.

Для более высоких  температур (до 900˚С) применяются нихромовая проволока, проволока из платинового  сплава , а также проволока из железохром алюминиевых сплавов

Таблица 1 –  Температурные каэффициенты материалов

 

 

 

 

 

 

В технике измерения  неэлектрических величин тензорезисторы используются по двум направлениям.

Первое направление  – использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объёмного сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего его газа или жидкости. На этом принципе строятся манометры для измерения высоких и сверхвысоких давлений, преобразователи которых представляют собой катушку провода (обычно манганинового) или полупроводниковый элемент (чаще всего германиевый или кремниевый), помещённые в область измеряемого давления (жидкости или газа). Выходной величиной преобразователя является изменение его активного сопротивления.

Второе направление  – использование тензоэффекта растягиваемого или сжимаемого тензочувсвительного  материала. При этом тензорезисторы применяются в виде «свободных»  преобразователей и в виде наклеиваемых.

«Свободные» преобразователи выполняются в виде одной или ряда проволок, закреплённых по концам между подвижной и неподвижной деталями и, как правило, выполняющих одновременно роль упругого элемента. Естественной входной величиной таких преобразователей является весьма малое перемещение подвижной детали.

Устройство  наиболее распространённого типа наклеиваемого  проволочного тензорезистора изображено на рисунке 1.2.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.2 – наклеиваемый проволочный тензорезистор

На полоску  тонкой бумаги или лаковую плёнку 2 наклеивается так называемая решётка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 3 диаметром 0,02 – 0,05 мм.         К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники 4. Сверху преобразователь покрывается слоем лака 1. Такой преобразователь, будучи приклеенным к испытуемой детали, воспринимает деформации её поверхностного слоя. Таким образом, естественной входной величиной наклеиваемого тензопреобразователя является деформация поверхностного слоя детали, на которую он наклеен, а выходной – изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации.

Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используется преобразователи  с базами 5 – 20 мм, обладающие сопротивлением 30 – 500 Ом.

Кроме наиболее распространённой петлевой конструкции  проволочных тензорезисторов, существуют и другие. При необходимости уменьшения измерительной базы преобразователя (до 3 – 1 мм) его изготовляют двухслойным  так называемым витковым способом, который заключается в том, что на оправке круглого сечения на трубку из тонкой бумаги наматывается спираль из тензочувсвительной проволоки. Затем эта трубка проклеивается, снимается с оправки, расплющивается и к концам проволоки прикрепляются выводы.

Когда надо получить от цепи с тензорезистором ток большой величины, часто используют «мощные» проволочные тензорезисторы.

 

 

 

 

 

Рисунок 1.3- Тензорезистор большой мощности

Они состоят  из большого числа (до 30 – 50) параллельно  соединенных проволок, отличаются большими габаритами (длина базы 150 – 200 мм) и развивают мощность, достаточную для вибратора осциллографа без использования усилителей .

Фольговые преобразователи  представляют собой весьма тонкую ленту  из фольги толщиной 4 – 12 мкм, на которой  часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует показанную на рисунке 2 решётку с выводами.

В последние  годы появился ещё один способ массового  изготовления тензорезисторов, заключающийся  в вакуумной возгонке тензочувсвительного материала и последующей конденсации его на подложку. Такие тензорезисторы получили название плёночных.

Для изготовления плёночных тензорезисторов, помимо металлических материалов (например, титаноалюминиевый сплав 48Т-2, обеспечивающий измерение деформаций до 12% при коэффициенте тензочувствительности порядка 0,2), используется также целый ряд полупроводниковых материалов, например германий, кремний (k=100÷120) и др.

При изготовлении фольговых и плёночных преобразователей можно предусмотреть любой рисунок решётки, что является существенным их достоинством.

Полупроводниковые тензорезисторы могут быть изготовлены непосредственно вырезанием из полупроводникового материала. Однако возможны и другие пути. Можно выращивать монокристаллы в виде «усов» путём конденсации паров, но получающиеся при этом тензорезисторы имеют большой разброс по размерам и свойствам. Выращивание дендритных кристаллов позволяет получить более однородные тензорезисторы. Таким способом получают тензорезисторы, предназначеные для  наклеивания на упругий элемент. Клей или цемент в этом случае исполняет роль изолятора. Наклеиваемые тензорезисторы не получили широкого применения, потому что склейка не позволяет получить безгистерезисные соединения.

Для получения  наклеиваемых тензорезисторов используются диффузная или эпитаксиальная технология. В обоих случаях электрическая изоляция тензорезистора обеспечивается большим сопротивлением p-n перехода.

Тензорезисторы  образуются за счёт локальной диффузии примесей в подложку. При этом тип  электрической проводимости тензорезистивных плёнок должен быть противоположен типу электрической проводимости подложки. Обычно маской является оксидная плёнка, в которой методом фотолитографии вытравливаются окна соответствующих размеров.

Температура и  длительность процесса диффузии определяют толщину и сопротивление получаемых тензорезисторов.

 В качестве  подложек применяется сапфир  или шпинель. Подложка из монокристаллического  сапфира обладает исключительными  упругими свойствами. Сапфир весьма  прочен, имеет высокую стойкость к агрессивным средам. В вакууме сапфир хорошо спаивается с металлами твёрдыми припоями.

Принцип действия тензорезисторных датчиков основан  на изменении сопротивления материала  проводника при его деформации. Отметим, что рассматриваемые датчики  могут называться по-разному. Например, могут быть использованы термины: тензометрические датчики, тензочувствительные датчики, омические тензодатчики и просто «тензодатчики». В дальнейшем будем использовать последний из названных терминов («тензодатчик»). Принцип работы тензодатчиков поясняет рисунок 1.4.

Рисунок 1.4. Тензодатчик:

1 – проводник; R – сопротивление проводника;

«F–F» – усилие растяжение (или сжатия) проводника

Сопротивление проводника при неизменной температуре, как известно,

рассчитывается  по формуле

                                                                                                                                     (1.2)

где ρ – удельное сопротивление материала проводника;

l – длина проводника; S – площадь поперечного сечения проводника.

     При малом растяжении или сжатии проводника его удельное сопротивле-

ние остается примерно постоянным. Принимая, что ρ≈const, рассмотрим влия-

ние на R остальных членов выражения.

При растяжении длина проводника l растет, площадь поперечного сече-

ния S уменьшается и в соответствии с выражением (1.2) сопротивление про-

водника R возрастает.

При сжатии проводника эффект будет обратным: длина l уменьшается,

площадь поперечного  сечения S растет и сопротивление R снижается.

В случае значительных деформаций проводников удельное электрическое

сопротивление материала этих проводников изменяется (возрастает и при растяжении, и при сжатии), что необходимо учитывать.

Рисунок 1.5. Конструкция тензодатчиков проволочных (а), фольговых (б) и полупроводниковых (в): 1 – металлические проводники; 2 – подложка из бумаги или лаковая пленка; 3 – полупроводник; 4 – выводы

 

Номинальные сопротивления  тензодатчиков составляют от 50 до 800 Ом.

Фольговые и  проволочные тензодатчики обычно имеют  длину от 5 до 20 мм и ширину от 3 до 10 мм. Полупроводниковые тензодатчики представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия (чаще кремния) длиной 5–10 мм и шириной 0,2-0,8 мм. Известны «малобазовые» тензодатчики (металлические и полупроводниковые), имеющие длину от 1 до 3 мм. Основное назначение тензодатчиков – измерять деформацию деталей

машин и механизмов, а также элементов зданий и  сооружений (мостов, виадуков и т. д.). Кроме того, они могут использоваться в качестве чувствительного

элемента датчиков давления, силы, параметров вибрации. Например, при измерении давления жидкости или газа тензорезисторы наносят на мембрану датчика давления и располагают их так, что при работе два из них подвергаются деформации растяжения, а два других – деформации сжатия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Выбор ПИП  и его обоснование

 

Темой курсовой работы является датчик силы с тензорезистивным ПИП. Рассмотрим один из примеров тензорезистивного ПИП для измерения перемещений