POLOVODIČOVÉ TENZOMETRY

tenzometr bez podložky tenzometr s podložkou
bez podložky s podložkou

PRINCIP A VÝROBA

Podstata polovodičového tenzometru spočívá ve výrazné změně jeho odporu s mechanickou deformací. Působením mechanického namáhání v určité krystalografické ose monokrystalu polovodiče nebo v difúzní vrstvě polovodiče dochází ke změně elektrické vodivosti. Změna odporu závisí na typu polovodiče i na koncentraci příměsí.

Aktivní část (proužek z polovodiče) se lepí vhodným lepidlem na plochu podléhající deformaci. Přívody jsou kovové. Polovodičové tenzometry vykazují nelineární závislost odporu na deformaci. Přesnost měření je ovlivněna parazitními vlivy (např. teplota, velikost procházejícího proudu). Proto se používá zapojení do můstku s kompenzačním členem teploty.

Nejpoužívanější zapojení tenzometrů je do půlmůstku nebo celého Wheatstoneova můstku, protože při statických měřeních kompenzuje vliv teploty. Měření elektrického odporu jednoho tenzometru můžeme použít jen tam, kde nepotřebujeme kompenzovat vliv teploty. Při použití plného můstku se navíc zvyšuje citlivost na čtyřnásobek ve srovnání s použitím jednoho tenzometru.


Půl můstek Plný můstek
Půl můstek Plný můstek

výroba Polovodičové tenzometry jsou v současné době vyráběny z křemíku ve tvaru tyčinek s vhodnou krystalografickou orientací jejich podélné osy. Nejčastěji jsou dotovány bórem nebo aluminiem a vykazují vodivost typu P. Součinitel deformační citlivosti těchto typů bývá kolem C1 = 130. Méně vhodné pro měřící účely jsou tenzometry s dotací fosforu či antimonu vykazující vodivost typu N a součinitel deformační citlivosti bývá kolem C1 = -110.

Aktivní délka tyčinek tenzometrů mezi zlatými vývody je 1-10mm, šířka 0.2-0.4mm a tloušťka 0.01-0.03mm. Ohmický odpor polovodičového tenzometru může být 60-1000 Ohmů. Teoreticky lze tenzometry využívat v intervalu teplot -70 až 300 ºC.

VLASTNOSTI A VYUŽITÍ

Oproti předchozím generacím tenzometrů drátových a fóliových mají polovodičové tenzometry:

Polovodičové tenzometry jsou téměř výhradně používány v senzorech mechanických veličin, jak v nejnáročnějších zkušebních zařízeních, tak k řízení a jištění strojů. Tato čidla dodají všem mechanismům schopnost citlivě reagovat na mechanické podněty a obvykle je pořídíme velmi levně.

Při instalaci přímo na části strojů mohou sloužit k experimentální analýze, která zjišťuje velikosti a průběhy provozních namáhání strojních a stavebních konstrukcí, odhaluje slabá i předimenzovaná místa konstrukcí, čímž umožňuje vyloučit poruchy a ušetřit materiál.

Uplatnění nacházejí především ve snímačích tahu, tlaku, kroutícího momentu, ohybu, zrychlení, vážení a v mnoha jiných individuálních zařízeních.

EKONOMICKÉ VÝHODY

KALIBRACE A ŽIVOTNOST

Tenzometry jsou zkoušeny postupy předepsanými přísnou americkou normou NAS 942. Každý vyrobený tenzometr se nalepí na zkušební nosník a podrobní postupné deformaci v rozmezí ±2.5x10-3 [m/m], při čemž se měří elektrický odpor. Tenzometry s narušenou strukturou aktivní části vyřadí tahová deformace +2.5x10-3 [m/m]. Tenzometry neporušené při pevnostní zkoušce se sejmou ze zkušebního nosníku a zjistí se jejich teplotní závislost odporu. Ze závislosti odporu na deformaci vyčíslí počítač konstanty deformační rovnice. Závislost deformační citlivosti na teplotě se určuje pro každý typ a statisticky kontroluje. Proměřením každého tenzometru a výběrem dosahujeme minimální toleranci charakteristik.

Životnost křemíkových tenzometrů je vyšší, než u předchozích generací tenzometrů kovových. Výzkumný a zkušební letecký ústav v Praze využil naše křemíkové tenzometry k rozsáhlým zkouškám únavové životnosti lopatek leteckých turbin a kompresorů, z nichž je odvozena i uvedená křivka.

krivka

Únavová křivka křemíkových tenzometrů při namáhaní souměrnou střídavou deformací
Tenzometry byly nalepeny na lopatkách z martenzitické nerezavějící oceli a niklové slitiny typu Nimonic 95 lepidlem PT-5, vytvrzeným 210°C/2 hodiny. Lopatky při zkoušce kmitaly vlastní frekvencí 1.5 kHz až 6 kHz, jejich deformace byla při zkoušce nastavena a kontrolována podle signálu tenzometrů. Zkoušku vždy ukončila porucha lopatky. Tenzometry zůstaly neporušeny.

USPOŘÁDÁNÍ A ROZMĚRY

Tenzometr je tvořen páskem monokrystalického křemíku s připojenými zlatými vývody o průměru 0.07 mm. Pásek křemíku je samonosný, nevyžaduje nosnou podložku, nezbytnou u tenzometrů drátkových i foliových a od měřeného objektu ho elektricky izolujeme vrstvou vytvrzeného lepidla kolem 0.03 mm, vytvořenou před nalepením tenzometru.

V tabulce je tvar uspořádání tenzometrů A.../SP, B.../SP, A.../BP, B.../BP:

  A… B...
…/BP
…/SP

ZNAČENÍ TENZOMETRŮ

Značení tenzometrů

TOLERANCE TENZOMETRŮ

V současnosti máme běžně skladem tenzometry typu P (pozitivní) v délkách 1.5 mm, 3 mm a 6 mm, se součinitelem deformační citlivosti C1 = 120-150 a s odpory 120 , 350 a 1000 Ohmů. Vyrábíme také tenzometry s parametry dle požadavků zákazníka.

Polovodičové tenzometry dodáváme ve dvou tolerančních třídách, určených zárukou tolerancí jejich charakteristik. Pro dynamické měření a ustálené teploty jsou vhodné tenzometry označené jako N-sort, pro statické měření, snímače a kolísající teploty jsou vhodnější tenzometry, označené jako T-sort.


  Tolerance v balíčku (max. 8 kusů) Tolerance typu
  N-sort T-sort N-sort T-sort
R0 - Odpor volného tenzometru ± 0.4% ± 0.25% ± 5% ± 3%
RB - Odpor volného tenzometru na podložce ± 1% ± 0.50% ± 10% ± 5%
C1 - (K - faktor) ± 2% ± 2% ± 5% ± 5%
C2 ± 8% ± 8% dohodou dohodou
α - Teplotní součinitel ------- ± 0.02%/°C ------- dohodou
Maximální kladná deformace 0.3% 0.3% 0.3% 0.3%