Статическая балансировка роторов (стр. 6 из 9)
Общий вид прикрепленного к объекту проволочного тензорезистора показан на рис.12. Проволочная решетка, представляющая собой ряд петель 1, укреплена (с помощью клея или лака специального состава) к подложке 3; к концам решетки припаяны (приварены) выводы 4, с помощью которых тензорезистор подключается в измерительную схему. Тензорезистор приклеивается к объекту 2 и становится (благодаря своим малым размерам и ничтожной массе) как бы одним целым, вследствие чего деформации объекта воспринимаются проволочной решеткой, являющейся чувствительным элементом этого преобразователя.
Деформация объекта вызывает деформацию проволочной решетки тензорезистора, в результате которой изменяются геометрические размеры и физические свойства решетки.
Относительное изменение сопротивления тензорезистора определяется формулой:
DR / R = D l / l (1 + 2m) + Dr / r (15)
где R- сопротивление тензорезистора, Ом ;
l - длина проволоки, м ;
r- удельное сопротивление материала проволоки, Ом*м ;
m- коэффициент Пуассона для материала проволоки.
Основными характеристиками тензорезистора являются его активное сопротивление RД , его база L (см. рис.12) и коэффициент тензочувствительности К, в соответствии с формулой (7) равный:
К = (DR / R) / (D l / l) = (1 + 2m) + (Dr / r) / (D l / l) (16)
Для приготовления проволочных решеток используются материалы, имеющие высокое значение коэффициента тензочувствительности и малое значение температурного коэффициента сопротивления.
Наиболее часто в качестве материала для проволочных тензорезисторов используется константан, элинвар, карм и изоэластик.
Наибольшее распространение в отечественной тензоизмерительной технике получили тензорезисторы из специальной константановой тензометрической проволоки диаметром 0,025 – 0,035 мм, разработанной Научно - исследовательским конструкторским институтом испытательных машин, приборов и средств измерения масс (НИКИМП), институтом “Гипроцветметобработка” и подольским заводом “Микропровод” .
За последние годы значительных успехов достигла техника получения различных полупроводниковых материалов, широко используемых в радиотехнической промышленности, что открыло широкие перспективы в решении проблемы разработки и изготовления полупроводниковых тензорезисторов.
Полупроводниковые тензорезисторы, сохраняя ряд преимуществ, присущих проволочным фольгированным тензорезисторам (ничтожная масса, малые размеры), имеют значительно большую тензочувствительность и высокий уровень выходного сигнала измерительных схем (в ряде случаев это позволяет упростить либо упразднить усилительную аппаратуру). Важнейшей особенностью полупроводниковых тензорезисторов является возможность изменения в широких пределах их механических и электрических свойств, что принципиально неосуществимо в проволочных и фольгированных тензорезисторах. Например, при одних и тех же геометрических размерах сопротивление полупроводникового тензорезистора может лежать в пределах от десятков ом до десятков кОм, а коэффициент тензочувствительности – от 100 до + 200 и выше.
Полупроводниковым тензорезисторам, технологии их изготовления, опыту эксплуатации, конструированию на их базе различного типа преобразователей, перспективам их использования и другим вопросам посвящена обширная периодичная и патентная литература.
Наибольшее распространение у нас в стране и за рубежом получили кремниевые и германиевые тензорезисторы p-и n- типов.
В Новосибирском электротехническом институте (НЭТИ) под руководство проф. А.Ф. Городецкого были разработаны кремниевые тензорезисторы типа “нэтистор” из кремния p-и n- типов с выводами из золота. На базе этих разработок освоены первые промышленные образцы полупроводниковых тензорезисторов.
В настоящее время тензорезисторы применяются не только для измерения линейных деформаций (напряжений), но и других величин: сил, ускорений, давлений, вибраций и др. В этом случае тензорезистор выполняет лишь роль первичного (чувствительного) элемента, а сами преобразователи физических или механических величин, как правило, дополняются упругими элементами. Преобразование измеряемой неэлектрической величины в электрический параметр при последовательном многоступенчатом преобразовании в общем виде описывается сложной функцией:
y = f1 (e) = f1 [f2 (x)], (17)
где у - электрический параметр (сопротивление тензорезистора);
х - измеряемая неэлектрическая величина;
e - линейная деформация вспомогательного упругого элемента.
Законы преобразования линейной деформации в изменение сопротивления тензорезисторов [e = f2 (х)] изучены . Менее изучены свойства и характеристики упругих элементов, осуществляющих первичное преобразование физических величин в линейную деформацию, воспринимаемую далее проволочными, фольговыми или полупроводниковыми тензорезисторами. Вид упругого элемента преобразователя: балка, мембрана, пружина различной жесткости и др. – определяет назначение преобразователя в целом, а деформируясь и частотные свойства упругого элемента – чувствительность преобразователя и применимость его для исследования динамических процессов.
При подборе или конструировании преобразователей для измерения физических или механических величин необходимо удовлетворять двум требованиям:
а) получать наибольшую, достаточную для работы тензометрической аппаратуры чувствительность;
б) обеспечить высокую собственную частоту упругих элементов, исключающую появление частотных погрешностей.
Эти требования выполняются противоречивыми конструктивными мерами, и увеличение чувствительности большинства упругих элементов пропорционально уменьшает их собственную частоту.
Обычно в зависимости от задач измерения выбирается преобразователь (разрешающая способность) которого вполне достаточна для измерения и регистрации исследуемого процесса с погрешностью, не превышающей заданной. Это условие, например, при использовании тензорезисторов записывается следующим образом :
eср.> emin доп, (18)
где eср. – деформация, воспринимаемая размещенным на упругом элементе тензорезистором и средняя его длине (базе);
emin доп, - минимальная деформация, достаточная для регистрации данным тензоизмерительным трактом с погрешностью не выше допустимой
Искомая деформация eср. для некоторых типовых упругих элементов – балок и мембран – может быть определена на основе зависимостей, проводимых в соответствующих курсах или справочниках.
Отсутствие частотных погрешностей определяется решением дифференциального уравнения вынужденных колебаний упругих элементов
Анализ уравнений движения, показывает, что коэффициент динамичности несущественно отличается от единицы (с ошибкой менее 1%) при выполнении следующего неравенства:
w0> (8 ¸ 10) w (19)
где w0 – собственная частота упругой системы;
w -- частота исследуемого процесса (высшая учитываемая гармоническая составляющая).
Для упругих систем, отличающихся значительным затуханием (наличием трения, демпфирование, материал с большим внутренним трением), превышение собственной частоты над частотой исследуемого процесса может быть уменьшено до 3 – 4. В этом случае удается практически исключить инерционные погрешности и при собственной частоте упругого элемента расширить частотные пределы измерений.
Как отмечено было выше, широкое применение получили измерения разнообразных физических величин с помощью преобразователей, использующих тензорезисторы в качестве первичных (чувствительных) элементов. И если совсем недавно измерения с помощью тензорезисторов сопротивления считались достаточно грубыми, то с настоящее время электротензометрирование используется и при точных измерениях, вплоть до прецизионных. Так например, тензометрические преобразователи применяются при весо- и силоизмерениях.
При весоизмерениях используются как наклеиваемые тензорезисторы, так и тензорезисторы с проволокой на свободных подвесах.
В НИКИМП разработан ряд тензопреобразователей с нагрузками от 100 кгс до 1000 тс, использующих специальные типы наклеиваемых тензорезисторов, в Институте автоматики – силоизмерительные тензопреобразователи с номинальными усилиями от 1 до 250 тс, использующие бесклеевые тензорезисторы. За рубежом сило- и весоизмерительные тензопреобразователи выпускаются фирмами “Hotinger”, “Philips”, “Simens” и др.
Серийный выпуск электротензометрических весов, сило- и весоизмерительных тензопреобразователей налажен на Киевском заводе порционных автоматов им. Ф.Э. Дзержинского (силоизмерительные бесклеевые тензопреобразователи типов ДСТБ-С, ДСТВ-С и др.) на Одесском заводе им. Старостина (тензометрические весы: крановые, бункерные и т.п., разработанные в ОПИ под руководством А.С. Радчика) и на Краснодарском заводе тензометрических приборов (силоизмерительные тензопреобразователи типа ТДС с чувствительным элементом в виде наклеенных полупроводниковых тензорезисторов)
Фирма “Simens” выпускает тензометрические силоизмерители высокой точности с упругими элементами в виде двух параллельных балок, используемые в торговых весах (предельные нагрузки от 13 до 600 кгс).
В статье [5] приводится описание силоизмерительного тензопреобразователя из монокристалла кремния, в котором используется интегральная микросхема. Также рассмотрен силоизмерительный преобразователь с чувствительным элементом из стеклоткани, на которую наклеены проволочные тензорезисторы. Эти преобразователи применяются для измерения малых нагрузок.