Тензорезисторы

В статье рассматриваются конструктивные особенности и основные параметры такого дат­чика для измерения величины механической де­формации, как тензорезисторы.

Среди вариантов электронных датчиков раз­личных конструкций, функциональных особенно­стей и предназначения выделяются приборы, о которых сегодня знают далеко не все радиолю­бители. Специалисты радиоэлектронной отрасли применяют их в экспериментальных исследова­ниях напряженного состояния конструкций, в ка­честве преобразователей деформаций в различ­ных измерительных устройствах, преобразовате­лях механической энергии (деформации) в элек­трический ток. Соответственно в электрической цепи такие пассивные компоненты уже выполня­ют роль датчиков состояния.

Приборы эти называются тензорезисторы (от лат. tensus — напряженный и лат. resisto — сопро­тивляюсь); по сути, это резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от механи­ческой деформации его рабочей поверхности или при деформации других элементов, связан­ных с данным элементом. Тензорезистор являет­ся составной частью тензодатчиков, широко при­меняющихся для измерения силы, давления, ве­са, механических напряжений, перемещения, крутящих моментов, измерения давления в ма­нометрах и во многих других случаях. По сути, один такой элемент может заменить целое элек­тронное устройство со множеством дискретных элементов.

Полезные свойства тензорезисторов были востребованы после открытия эффекта измене­ния удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжа­тия (гидростатического давления) в 1856 г. лор­дом Кельвином, ив 1881 г. О.Д. Хвольсоном. Пи­онерами, в практических измерениях деформа­ций, являются Е.Е. Симмонс (Калифорнийский технологический институт) и Л.С. Руже (Массачу­сетский технологический институт), которые в 1938 г. изготовили и применили первые образцы приклеиваемого тензорезистора, который стал прототипом широко распространенных во всем мире тензорезисторов различного назначения.

Принцип работы тензорезистора

При механическом воздействии на прибор от­носительные изменения его сопротивления весьма малы, поэтому для их измерений и фик­сации требуются чувствительные прецизионные усилители или аналого-цифровые преобразователи напряжения (АЦП). Именно с помощью таких дополнительных преобразователей, содержащих в себе также и усилители сигнала, данные о механической дефор­мации, преобразуются в электри­ческий ток посредством измене­ния электрического сопротивле­ния проводников или полупро­водников.

Чувствительность тензорезистора характери­зуется безразмерным параметром — коэффици­ентом чувствительности К,. Тензорезисторы по своей конструкции и способу изготовления могут быть пленочные металлические или фольговые константановые. Для первых параметр К_f слабо зависит от деформации и немного превышает 2. Типичные значения коэффициента тензочувствительности для разных материалов приведены в таблице.

Материал	Коэффициент тензочувствительности
Металлическая фольга	2-5
Тонкая металлическая пленка (к примеру, константановая)	2
Монокристаллический кремний	от -125 до +200
Поликристаллический кремний	±30
Тонкопленочные резистивные материалы	100

Еще одной особенностью тензорезистора яв­ляется изменение сопротивления от воздейству­ющей температуры. Температурный коэффици­ент проявляется следующим образом. При изме­нении температуры окружающей среды сопро­тивление тензорезистора изменяется вне связи с механическим воздействием на его рабочую поверхность. Это «интересное» свойство являет­ся «побочным» эффектом, который необходимо учитывать разработчику электронной аппарату­ры. Через коэффициент тензочувствительности относительное изменение сопротивления выра­жается формулой:

ΔR/R = (К_f • е + а • Т)

где:
а — температурный коэффициент сопротивле­ния, К^-1;
Т — изменение температуры, К.

Типичное или классическое включение тензо­резисторов в электрическую цепь предусматри­вает его место в одном или сразу в двух плечах сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного напряжения (рис.1). С помощью переменного резистора в одном из плеч моста производят балансировку моста так, чтобы в отсутствии приложенной механической силы и при воздействии неизменной температу­ры напряжение в диагонали моста было практи­чески нулевым.

При этом к диагонали моста подключают чув­ствительный измерительный прибор, дифферен­циальный усилитель или АЦП. В настоящее время выпускаются специализированные микросхе­мы для работы с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала предусмотрены и источники питания дифференцирующего моста, и схемы термокомпенсации, и цифровые интер­фейсы для связи с внешними системами обра­ботки сигналов.

Как уже отмечалось выше, имеет значение по­грешность показаний тензорезистора, которая зависит от температуры, и для снижения этого влияния разработчики применяют метод стаби­лизации с помощью использования в тензодат­чиках специальных сплавов с низким темпера­турным коэффициентом сопротивления (ТКС). Это только один из вариантов. Есть и другие, к примеру, применение дифференциальной схемы или метод компенсаторного включения двух тен­зорезисторов.

Пленочные тензорезисторы наклеивают на разные участки поверхностей в местах возмож­ной или ожидаемой деформации, к примеру, с разных сторон изгибаемой металлической балки (рис.2). Таким образом, установка в одном месте (но с двух сторон — с взаимно перпендикулярной ориентацией) тензорезисторов является компен­саторным решением. При изменении температу­ры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления (вы­званного изменением температуры) равны, таким образом, температурный уход сопротивления тензодатчика при этом компенсируется.

Конструкция тензорезистора

Конструкция тензорезистора показана на рис.3, а. На тонкую бумагу или пленку 1 наклеи­вается тензочувствительная проволока диаметром около 0.025 мм. К концам проволоки присое­диняются выводные проводники 3. Сверху нано­сят слой лака 4. Такой тензорезистор, будучи прикрепленным к детали 5, воспринимает де­формации её поверхностного слоя. Фольговые тензорезисторы представляют собой травленую фольгу толщиной 0.005-0.025 мм с выводами 7 (рис.3, б). Применяются также пленочные и по­лупроводниковые тензорезисторы. При изготов­лении фольговых и пленочных тензорезисторов можно предусмотреть любой рисунок. Наилуч­шими эксплуатационными характеристиками об­ладают фольговые тензорезисторы, имеющие малую поперечную чувствительность и хорошую температурную стабильность. Полупроводнико­вые тензорезисторы при очень большой тензочувствительности (около 100) обладают нелинейной функцией преобразования и высокой темпе­ратурной чувствительностью.

Тензорезистор конструктивно состоит из под­ложки и гибкой рабочей поверхности, на которой нанесены тонкие проводящие дорожки. Благода­ря свойствам своей конструкции прибор получа­ется тонким и гибким, что расширяет спектр его применения. На подложку через фигурную маску в условиях вакуума напылена или сформирована методами фотолитографии тонкая пленка металла (толщиной в несколько микрон). Для тензорезисторов различного диапазона сопротивлений в качестве материала подложки используют ткань, бумагу, полимерную пленку, слюду и др. матери­алы. Для подключения электродов имеются кон­тактные площадки. Ориентационные метки об­легчают радиомонтаж элемента.

Нанесенная на подложку проводящая ток пленка показана на рис.4. Подложка также явля­ется и основным корпусом элемента. Как прави­ло, пленочные металлические тензорезисторы имеют площадь всего 2… 10 мм². Подложка рас­положена между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а поверх чувствительного элемента расположен защитный элемент, как правило, в виде лака.

Кроме пленочных распространены фольговые константановые тензорезисторы — прямоуголь­ного и розеточного типа. Они предназначены для измерения деформации деталей машин, метал­локонструкций при статических нагрузках, а так­же используются в качестве чувствительных эле­ментов силоизмерительных датчиков в условиях районов с умеренным и холодным климатом.

Их технические характеристики таковы:

• диапазон измеряемых деформаций ± 3000 млн.^—1;
• ток, не более 10 мА;
• диапазон рабочих температур от -50 до +70 °С.

Размеры тензорезисторов небольшие. К при­меру, тензорезистор 2ФКП-5х200 имеет вид пря­моугольника с размерами всего 10×5 мм. Его со­противление — это цифра в наименовании после символа «х», в данном случае для тензорезистора 2ФКП-5х200, номинальное сопротивление равно 200 ± 0.35% Ом.

Кроме сопротивления тензорезистора посто­янному току, учитывают метрологические харак­теристики прибора:

• сопротивление при нормальных условиях (R) и предельное относительное отклонение со­противления от номинального, в %;
• коэффициент преобразования;
• чувствительность при нормальных условиях (20°С);
• температурный коэффициент чувствительно­сти (среднее квадратическое отклонение (СКО)% • °С);
• сопротивление изоляции;
• сопротивление изоляции в рабочей области температур (R_изм), характеризуемое мини­мальным значением сопротивления изоляции в рабочей области температур, МОм;
• другие параметры.

В многофункциональных цифровых устройст­вах тензорезисторы используются вместе с мно­гоканальными измерительно-информационными системами. К примеру, они почти незаменимы в гидротехнике и смежных сферах, когда требуется контролировать микронное смещение несущих конструкций, грунтов, бетонных оснований. Без применения электронных метрологических при­боров с тензорезисторами не обходился ни один

научно-исследовательский институт. Инженер ВНИИГ (Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники им. Б. Веденеева) Кашкаров Петр Николаевич, мой отец, участвовавший в проектных испытаниях фундаментов Братской, Нижнекамской и др. ГЭС, уже имел с ними дело в конце 1950-х, середине 1960-х годов. В СССР тензорезисторы начали применять в конце 1940-х годов, и потому они практически замени­ли механические тензометры, открыли новые возможности в исследовании прочности различ­ных машиностроительных конструкций.

Сегодня актуальные для разработчиков задачи включают повышение надежности работы и упро­щения установки тензорезисторов. Развитие точ­ных динамометров и датчиков давления тензорезисторного типа обеспечило метрологическим устройствам погрешность измерения до сотых долей процента. Пример использования тензодатчиков на железной дороге показан на рис.5.

Разработка новых типов тензорезисторов и методов их применения требует:

• проведения экспериментальных исследова­ний по выбору материалов для конструктив­ных элементов (чувствительных элементов, связующих, подложек);
• создание конструкций с малыми разбросами характеристик;
• исследование влияний информативных и не­информативных величин на метрологические характеристики в условиях, имитирующих ус­ловия реального прочностного эксперимента.

Для получения расчетных зависимостей сле­дует учитывать две основные функции, выполня­емые тензорезистором:

• передачу деформации через связующие эле­менты к чувствительному элементу;
• преобразование переданной деформации в приращение электрического сопротивления чувствительного элемента.

В бытовых электронных устройствах, где не требуется сверхвысокая точность измерений, тензорезисторы встречаются в напольных весах, устройствах электронных сигнализаторов по­клевки для рыбалки и во многих других случаях. Широкое распространение тензорезисторов в современных электронных разработках объясня­ется следующим:

• они не инерционны;
• позволяют провести замер контролируемого параметра сразу во многих точках;
• способ крепления на контролируемую по­верхность может быть самым простым, в том числе приклеивание за подложку;
• их малые размеры оставляют возможность размещать их в малодоступных местах и ус­танавливать на различные детали уже в пери­од сборки конструкции.

Сегодня тензорезисторы также широко при­меняют и в радиолюбительских разработках.

Автор: Андрей Кашкаров, г. Санкт-Петербург
Источник: Радиоаматор №11-12, 2016