Входные преобразователи. Обработка сигнала, страница 3

Измерительные приборы в электрических измерениях

Получаем:

S^R_L= 2μ + 1 + c

Если при растяжении объем остается неизменным, то в соответствии с предпоследним выражением μ =0,5. Для многих материалов  Удельное сопротивление большинства металлов не зависит от растяжения; константа с очень мала. Следовательно, для большинства металлов эта чувствительность приблизительно равна 2, например, у нихрома 2,1 — 2,3, у константана 2,0 — 2,1, у хромеля 2,5; правда, у манганина 0,5, а у никеля -12.

Для большинства металлов можно предположить, что объем проводника и удельное сопротивление не изменяются при наличии растягивающих или сжимающих усилий (отсутствует пьезорезистивный эффект). Поэтому для металлических тензодатчиков получаем:

где k=S^R_L— коэффициент чувствительности тензодатчика. Полупроводниковые материалы обычно имеют значение величины k много больше 2. Это связано с тем фактом, что больше не выполняется условие др/dl ~ 0 . В этих материалах доминирует пьезорезистивный эффект.

Для полупроводника с примесями р = 1/nqμ , где п — концентрация примеси, q- заряд, а μ — подвижность носителей заряда. Так как μ= =qτ/m , находим, что р = m/nq²τ  , где т — эффективная масса, а τ — среднее время жизни носителей заряда. Эффективная масса определяется из взаимодействия между носителями заряда и кристаллической решеткой. Когда материал подвергается механическому воздействию, взаимодействие, а поэтому и эффективная масса, изменяются. Кремниевый тензодатчик при благоприятной ориентации кристалла может иметь настолько сильный пьезорезистивный эффект, что коэффициент чувствительности может превосходить 200.

Хотя полупроводниковые тензодатчики обладают очень высокой чувствительностью, они кроме того характеризуются сильной нелинейностью и значительным температурным коэффициентом. Возьмем, к примеру, тензодатчик из металлической фольги: материал — константан; коэффициент чувствительности k = 2,00 ± 1%; сопротивление 120 Ом ± 1%, диапазон измерения 10^-6  10^-2; нелинейность 10^-3 при ΔL/L < 10^-3; температурный коэффициент 2x10^-5 К^-1; коэффициент теплового расширения 1,4х10^-5К^-1; термоэлектрический потенциал контакта константана с медью 43 мкВ / К.. Сравним этот тензодатчик с полупроводниковым, имеющим следующие параметры: k50—200; нелинейность 10^-2 для  диапазона  измерения  ΔL/L 10^-3;   температурный

3.2 Входные преобразователи

коэффициент k приблизительно равен 10^-3 K^-1.

Как показано на рис. 3.4(Ь), в тензодатчике полоски металлической фольги, выполненные в виде меандра, сделаны значительно шире в местах поворота для того, чтобы уменьшить чувствительность этого датчика к деформации, направленной перпендикулярно к рабочей оси. Если кроме величины деформации мы хотим также измерить направление деформации, то применяется комбинация тензодатчиков, образующих определенную геометрическую структуру, например, три тензодатчика, ориентированные под углом 120° один по отношению к другому. Эта конструкция известна под названием розеточный тензодатчик.

Для измерения линейной деформации в механической конструкции тензодатчик приклеивают к этой конструкции в направлении ожидаемого воздействия. Характеристики отвердевшего клея и основы датчика вызывают эффекты ползучести. Если деформация долговременна, то металлическая фольга или проволока будут медленно возвращаться к первоначальному ненапряженному состоянию (релаксация напряжений). При более высоких температурах этот эффект выражен особенно сильно. Кроме того, клей и основа датчика могут привести к появлению гистерезиса. После снятия воздействия металлическая фольга или проволока не сразу возвращаются к своему первоначальному состоянию, и будет казаться, будто все еще имеется небольшое остаточное воздействие. Для того, чтобы ослабить эффекты ползучести и гистерезиса, клей и основа датчика должны быть тонкими, твердыми и иметь большие модули Юнга.