Дослідження дротяних тензорезисторних датчиків
Лабораторна робота №5
Мета роботи:отримати навички в дослідженні, розрахунку та виборі дротяних тензометричних датчиків.
Прилади та обладнання:
1.Вимірювальна схема з гнучкою балкою та наклеєними тензометричними датчиками та блоком живлення напругою постійного струму 12В.
2.Мікроамперметр-50мкА.
3.Підсилювач постійного струму.
4.З”єднувальні провідники.
Основні теоретичні положення:
В основу роботи тензорезисторів покладена властивість деяких провід- никових та напівпровідникових матеріалів змінювати активний опір при деформації за рахунок зміни геометричних розмірів та питомого опору.
Провідникові матеріали підрозділяють на дротяні та фольгові. Дротяні тензорезистори представляють собою петлеподібний дріт 2 із константа діаметром 0,01…0,05 мм, укладений між двома електроізоляційними гнучкими прокладками 1 (Рис.1,а), до кінців дроту припаяні вивідні кінці 3. Фольгові тензорезистори (Рис.1,б) мають вид решітки зі стрічки товщиною 0,004…0,012 мм, яка закріплюється між плівками з лаку.
Напівпровідникові тензорезистори представляють собою тонку (до 0,01мм) пластинку з германію або кремнію, до кінців якої спеціальним методом прикріплюються вивідні провідники.
Чутливість тензорезисторів до деформації визначається за формулою
,
де: R, l – опір та довжина дротяного елементу тензорезистора; ΔR,Δ l – добутки опору та довжини; λ = ΔR/R – відносна зміна питомого опору дроту при його деформації; ε = Δ l / l – відносна деформації; μ – коефіцієнт Пуассона (для металів - 0,24…0,4); ρ, Δρ – питомий опір тензочутливого матеріалу та приріст питомого опору.
Характеристика тензодатчика ΔR/R = f(Δ l / l) близька до лінійної, тому чутливість тензодатчика майже постійна.
Тензорезистори наклеюють безпосередньо на об’єкт дослідження, який контролюється, або до пружного елементу, деформація якого є відомою
функцією контролюємого параметру. Вибір конструкції та матеріалу пружного елементу здійснюють за характером та діапазоном зміни контролюємої величини, конструктивними та експлуатаційними особливостями об’єкту контролю, допустимою похибкою.
Чутливість тензорезисторів практично постійна та залежить від властивостей матеріалу, технології виготовлення, якості основи та наклейки тензорезисторів (товщини та суцільності шари клею, його однорідності, значення адгезії, повзучості, вологостійкості та ін.).
Для підвищення чутливості тензорезисторів використовують спеціальні вимірювальні схеми, у яких зміна опору тензодатчиків перетворюється у зміну електричного струму, напруги, частоти або кодового сигналу. Одночасно вимірювальні схеми дозволяють додавати або віднімати відносні зміни опорів декількох тензодатчиків, виключати (послаблювати) вплив температури та деяких інших факторів на вихідний сигнал датчика.
Чутливість вимірювальних схем залежно від характеристики перетворень визначається одним з виразів:
; 
; 
,
де: ΔI,ΔU, Δf- відповідно зміна струму, напруги, частоти вихідного сигналу.
Найбільше розповсюдження отримали потенціометричні та мостові вимірювальні схеми з тензодатчиками.
На схемі рис.2,а наведена типова потенціометрична схема. Послідовно включені пасивний резистор R1 та тензорезистор R2 отримують живлення від джерела постійного струму з напругою Uст. При R2<< Rн напруга між точками А і Б
Максимальна чутливість схеми досягається при R1 = R2 = R. Вважаючи, що ΔR/R = ST· ε, отримуємо:
Більш досконалими є мостові вимірювальні схеми з тензодатчиками (рис.2,б). Працюють вони на постійному та змінному струмі (невисокої частоти – до кГц). Живлення моста здійснюється від джерела, що під”єднується до точок А і Б – однієї діагоналі моста. До іншої діагоналі моста (точки В і Г) під”єднується навантаження . Тензорезистори можуть включатися у одне, два суміжних, або в усі чотири плеча. Якщо всі тензорезистори, що включають у вимірювальний міст, є активними, то зміна опорів тензорезисторів в суміжних плечах повинна бути протилежною за знаком при позитивних та від’ємних деформаціях.
Рис.1.Схеми тензорезисторних перетворювачів: а) – дротяного; б) – фольгового.
Рис.2.Вимірювальні схеми тензорезисторних перетворювачів: а) – потенціометрична; б) – мостова.
Рис.3.Схеми врівноважування тензорезисторних мостів: а) – регульованим конденсатором; б) – регульованим резистором.
Використання двох або чотирьох активних тензорезисторів збільшує чутливість датчика у 2 або 4 рази відповідно. Також при цьому відбувається безпосередня (пряма) компенсація негативного впливу на точність вимірювання коливань температури та напруги живлення.
Для мостової вимірювальної схеми , живлення якої здійснюється напругою постійного струму, можна визначити :
1.Баланс моста - за умови: 
; різниця потенціалів вимірювальної діагоналі Uн = 0.
2.Розбаланс моста – за умови: 
; різниця потенціалів вимірювальної діагоналі: а) Uн < 0; б) Uн > 0.
Якщо живлення моста здійснюється змінним струмом, тоді активні опори у плечах моста слід замінити повними опорами – комплексними величинами Z=R+jx, де R-активний опір; x – реактивний опір. Реактивна складова з”являється як результат реактивної асиметрії елементів моста (впливу індуктивного та ємнісного опорів елементів , в тому числі впливу паразитних ємкостей та ємкостей асиметрії з’єднувальних ліній). Рівновага моста досягається при виконанні умови: 
Врівноважування активної та реактивної складових опорів моста здійснюють за допомогою регульованих резисторів та конденсаторів RБЛ, СБЛ (рис.3а,б).
Сигнал на виході вимірювальних схем з тензодатчиками невисокої потужності і тому для його підсилення застосовують підсилювачі, до яких вимогами є стабільність характеристик, точність, високий коефіцієнт підсилення. Таким вимогам відповідають сучасні диференційні підсилювачі постійного струму.
На рис.4,а представлена схема вмикання вимірювального моста з активним R1 та компенсаційним R2 тензорезисторами. Резистором R3 врівноважують міст при відсутності деформації. Живлення моста здійснюють від джерела стабілізованої напруги постійного струму. Допоміжним балансним опором мостової схеми є резистор R4. Сигнал з виходу моста подається на підсилювач постійного струму на базі операційного підсилювача на інтегральній мікросхемі (ІМС). Захист вхідного кола від можливого пробою при ушкодженні тензорезисторів здійснюють діодами VD1, VD2. Резистор R5 забезпечує регулювання коефіцієнта підсилення. Ємкість С створює додатковий зворотній зв’язок, що охоплює операційний підсилювач та може скоректувати нелінійність, що властива неврівноваженим мостам та нелінійність тензорезисторів. Транзистор VT1 призначений для збереження працездатності підсилювача при випадковому замиканні вихідної клеми.
Рис.4.Вимірювальні тензорезисторні схеми з підсилювачами: а) постійного струму;б) змінного струму
На рис.4,б представлена вимірювальна схема з підсилювачем змінного струму. Вхідний трансформатор Тр забезпечує узгодження малого опору тензорезисторів з великим вхідним опором підсилювача, що дозволяє збільшити відношення корисний сигнал/шум. Конденсатори С2, С3 зменшують послаблення сигналу на виході каскада через опори R7, R8.
Для підсилення сигналу, що отримують на виході тензометричного моста, використовують операційнї підсилювачі постійного струму у мікроінтегральному виконанні. Вимірювальна схема забезпечує вимірювання дуже малих струмів (10-6…10-9А).
Порядок виконання роботи :
1.Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами
по вивченню тензорезисторних датчиків, підготувати звіт до фіксації результатів
досліджень.
2.Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему дослідження.
3.Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.
4.Включити QF 1, за допомогою R 3 встановити стрілку приладу на " 0 " .
5.Поступово навантажуючи балку гирями (через кожні 2 кг ) знімати показники мікроамперметру. Отримані дані занести в таблицю (І1,мкА).
6.Поступово розвантажуючи балку, знімати показники мікроамперметру та занести їх в таблицю (I2 мкА). 7.За отриманими даними побудувати графічні характеристики тензометричної установки ( Рисунок 5 ) .
8.Закінчивши виконання роботи, вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування установки у вихідне положення .
Підготуйтеся до захисту звіту з лабораторної роботи. Дайте відповіді на контрольні питання.
Рис.5.Характеристика тензодатчика
Контрольні питання:
1. Поясніть принцип дії тензорезисторних датчиків.
2. Що є вхідною величиною тензорезисторного датчика?
3. Назвіть параметри тензорезисторних датчиків.
4. Поясніть характеристики тензорезисторних датчиків.
5. Яку напругу живлення використовують у схемах тензометричних установок?
6. Від чого залежить чуттєвість тензорезисторних датчиків?
7. Вимірювальні схеми тензорезисторних датчиків.Переваги мостових схем.
8. Використання підсилювачів у тензометричних установках.
9. Фізичний сенс балансу "0" вимірювальної схеми тензометричної установки?
10. Поясніть призначення елементів лабораторного стенду та порядок виконання роботи.
Література: [ 2 ] , с 97…105, [ 3 ] , с 63…87.