Деформація тензорезистора. Значення опору показані умовно
Тензорези́стор (від лат.tensus — напружений і від лат.resisto — чинити опір) — резистор, електричний опір якого змінюється залежно від його деформації. В основі принципу роботи тензорезисторів лежить явище п'єзорезистивного ефекту. За допомогою тензорезисторів можна вимірювати деформації механічно пов'язаних з ними елементів. Тензорезистор є основною складовою частиною тензодатчиків, що застосовуються для непрямого вимірювання сили, тиску, ваги, механічних напружень тощо.
Будова
Основою тензорезистора служить чутливий елемент, металевий чи напівпровідниковий, електричний опір якого змінюється пропорційно до механічного напруження на поверхні об'єкта дослідження.
Цей елемент виконується у вигляді решітки зазвичай з константанового сплаву і розташовується на підкладці з поліаміду або іншого матеріалу. Ззовні решітка покривається захисною плівкою. Для кріплення до поверхні об'єкта вимірювання переважно застосовується клей а при високих температурах — точкове приварювання підкладки, яка у цьому випадку є металевою.
Принцип роботи
Принцип дії добре проілюстрований на картинці за одним невеликим зауваженням — в реальності зміни опору вельми малі і вимагають прецизійних підсилювачів або АЦП. Він полягає в зміні електричного опору провідників і напівпровідників при їх механічній деформації.
За типом чутливого елемента тензорезистори поділяються на фольгові, дротові й напівпровідникові.
У фольгових тензорезисторів чутливий елемент виготовляється з фольги товщиною декілька мікрон. Матеріал — сплав Ni-Cu або Ni-Cr. Ці датчики мають малі розміри і виготовлені методом фототравлення, що робить їх відносно недорогими. Ці тензорезистори є універсальними у використанні. Все це обумовлює їх масове застосування в різних областях вимірювань.
У дротових тензорезисторах як чутливий елемент в них використовується дріт зі сплаву Ni-Cu або Ni-Cr, товщиною 13-25 мікрометрів. Так виготовляються тензорезистори на паперовій підкладці, спеціальні тензорезистори для бетону, тензорезистори на великі деформації і спеціальні тензорезистори для високих температур.
У напівпровідникових резисторах чутливий елемент виготовлений з монокристалу кремнію, коефіцієнт чутливості таких тензорезисторів — може досягати 90…200. Це робить їх придатними для вимірювання мікроскопічних деформацій і виробництва високочутливих датчиків. Можуть навіть працювати без додаткового підсилювача електричного сигналу. Однак цей тип тензорезисторів у значній мірі чутливий до температури, а також недостатню лінійність, що обмежує область їхнього застосування.
За матеріалом підкладки
Характеристики матеріалу підкладки повинні відповідати характеристикам чутливого елемента. Зазвичай, для підкладки використовують поліамід, папір, фенол-формальдегідні матеріали та інші типи полімерів. Високотемпературні тензорезистори мають керамічну підкладку. Для тензорезисторів, що приварюються як матеріал підкладки використовуються такі хромо-нікелеві сплави як Inconel 600 (ХН60ВТ).
За величиною бази вимірювання
За величиною бази вимірювання (довжиною чутливого елемента) тензорезистори бувають:
для вимірювань на більшості металевих матеріалів, найбільше придатні тензорезистори з базою 1…6 мм;
для вимірювань середніх за величиною деформацій на бетоні чи деревині, структура яких у значній мірі є різнорідною, застосовуються тензорезистори з довжиною решітки 30…120 мм;
для склопластиків використовуються тензорезистори з базою 5…30 мм, у залежності від товщини волокон та відстані між ними. Якщо товщина волокон є малою, використовують тензорезистори з базою меншою від 5 мм;
якщо вимірювання проводяться в обмеженій зоні чи в точці концентрації напружень, то слід застосовувати малобазні тензорезистори (до 1 мм). Якщо ж використовувати довшу базу, вимірювання дадуть усереднене значення деформації, а пікові значення не будуть виміряні.
За числом чутливих елементів та їх геометричною конфігурацією
Тензорезистори випускаються з різною геометричною конфігурацією чутливих елементів:
одиничний — базова конфігурація тензорезисторів, чутливість яких спрямована уздовж поздовжньої осі решітки. При відомому напрямі деформацій, одиничний тензорезистор наклеюється відповідно до цього напряму;
у подвійних тензорезисторах решітки зорієнтовані уздовж двох осей, розташованих під прямим кутом, і використовується для багато осьового вимірювання деформацій (напружень) або у датчиках, що працюють на просте стискання. Також вони використовуються для вимірювання деформацій зсуву і в датчиках крутного моменту.
Лінійний тензорезистор з фрагментом траси з'є́днувальних дротівпотрійні тензорезистори (розетки) використовуються у випадку, коли напрям деформації є невідомим і є потреба проведення аналізу напряму деформації;
Підключений розеточний тензорезистор на фрагменті вертолітної лопатідля проведення спеціалізованих вимірювань використовують особливі конфігурації тензорезисторів, включно з тензорезисторами для вимірювання концентрації напружень, у яких 5 решіток розташовані на одній осі й тензорезистори, стійкі до впливу змінних магнітних полів, дві решітки яких розташовані точно одна над одною або мембранні тензорезисторні розетки.
За величиною електричного опору
120 Ом є стандартним для тензорезисторів, які випускаються у найбільшому асортименті при мінімальній ціні.
Використання тензорезисторів з відмінним від 120 Ом опором, може бути доцільним у наступних випадках:
60 Ом — для випадку сумісного використання двох тензорезисторів з метою корекції похибки наклеювання;
350…500 Ом — датчики, зазвичай, потребують порівняно великої напруги живлення мостів. Також, коли потрібно зменшити вплив температурного ефекту при наклейці на матеріали з низькою теплопровідністю, наприклад, пластик;
1 кОм і вище — за вимогою датчиків до підвищеного напруги живлення. Також, коли апаратура для роботи з тензорезисторами вимагає низького енергоспоживання;
10 кОм (напівпровідникові) — для високошвидкісних вимірювань, таких як удар без використання підсилювача електричного сигналу.
