ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕНЗОМЕТРЫ
 |
 |
| тензометр без подкладки | тензометр с подкладкой |
ПРИНЦИП И ПРОИЗВОДСТВО
Суть полупроводникового тензометра заключается в значительном изменении его сопротивления с механической деформацией. Под воздействием механической нагрузки в определенной кристаллографической оси монокристалла полупроводника или в диффузионном слое полупроводника происходит изменение электропроводимости. Изменение сопротивления зависит от типа полупроводника и концентрации примесей.
Активная часть (полоска из полупроводника) приклеивается подходящим клеем к поверхности, поддающейся деформации. Подводящие провода металлические. Полупроводниковые тензометры проявляют нелинейную зависимость сопротивления от деформации. На точность измерения влияют паразитные воздействия (напр., температура, размер проходящего тока). Поэтому используется подключение к мосту с компенсационным элементом температуры.
Чаще всего используется подключение тензометров к полумостам или целому мосту Уитстона, потому что при статическом измерение это компенсирует воздействие температуры. Измерение электрического сопротивления одного тензометра можем использовать только там, где не нужно компенсировать воздействие температуры. Кроме всего прочего при использовании целого моста чувствительность увеличивается в четыре раза по сравнению с использованием одного тензометра.
 |
 |
| Полумост | Полный мост |
Полупроводниковые тензометры в настоящее время изготавливаются из кремния в форме палочек с подходящей кристаллографической ориентацией их продольной оси. Чаще всего они дотируются борем или алюминием, и имеют проводимость типа Р. Коэффициент деформации чувствительности этих типов бывает около C1 = 130. Менее пригодны для измерительных целей тензометры с дотацией фосфора или сурьмы с проводимостью типа N, коэффициент деформации чувствительности бывает около C1 = -110.
Активная длина палочек тензометров между золотыми концовками составляет 1-10мм, ширина 0,2-0,4мм, а толщина 0,01-0,03мм. Сопротивление полупроводникового тензометра может составлять 60-1000 Ом. Теоретически тензометр можно использовать в диапазоне температур от -70 до 300 ºC.
СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ
По сравнению с предыдущей генерацией проволочных и пленочных тензометров, полупроводниковые тензометры имеют:
- в 60 раз больше деформационную чувствительность позволяет производить измерения без усилителей с обычными омметрами, вольтметрами и осциллоскопами
- в 60 раз больше пороговую чувствительность позволяет измерять деформацию металлов от миллионной доли миллиметра на линейном метре
- высокую чувствительность позволяет измерять очень малую силу или ускорение в номинальном диапазоне
- широкий частотный диапазон измерения от статических значений до нескольких килогерцев
- небольшие размеры позволяют производить малые и легкие датчики
- результаты анализа напряженности частей, которые подвергаются управляемому нагреванию, абсолютно надежны
- кремний до 300 ºC деформируется без измеряемого гистерезиса
- тензометры из кремния и золота обладают отличной стойкостью к коррозии
- невыгодой является отклонение от линейной характеристики и значительная температурная зависимость, которая обычно компенсируется
Полупроводниковые тензометры почти всегда применяются в сенсорах механических величин, как в сложных испытательных устройствах, так и для управления и защиты машин. Благодаря этим датчикам все механизмы способны чутко реагировать на механические импульсы, обычно их можно приобрести очень дешево.
При установке прямо на части машины они могут служить для экспериментального анализа, который устанавливает размеры и характеристики эксплуатационных нагрузок на машинные и строительные конструкции, обнаруживает слабые места конструкции, благодаря чему позволяет исключить сбои и сэкономить материал.
Применение они находят, прежде всего, в датчиках тяги, давления, крутящих моментов, изгиба, ускорения, взвешивания и в многих других индивидуальных устройствах.
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ВЫГОДЫ
- благодаря прежней технологии мы достигаем высококлассного качества тензометров, сопоставимого с иностранной продукцией
- покупная цена одноцелевых датчиков с "полупроводниками" из VTS Злин сопоставима с универсальными датчиками с металлическими тензометрами
- при разработке и производстве датчиков мы применяем опыт, оправданный в авиационной промышленности
- тензометры устанавливаются на измерительные части и машинные детали с помощью специального тензометрического клея, по себестоимости
КАЛИБРОВКА И СРОК СЛУЖБЫ
Тензометры испытываются посредством методов, установленных соответствующей американской нормой NAS 942. Каждый произведенный тензометр приклеивается на испытательный несущий элемент и подвергается постепенной деформации в диапазоне ±2.5x10-3 [м/м], при этом измеряется электрическое сопротивление. Тензометры с нарушенной структурой активной части забракует деформация растяжения +2.5x10-3 [м/м]. Тензометры, неповрежденные при проведении эксперимента, будут сняты с испытательного несущего элемента и будет установлена температурная зависимость сопротивления. Из зависимости сопротивления деформации компьютер вычислит постоянные величины уравнения деформаций. Зависимость деформационной чувствительности от температуры определяется для каждого типа и статистически контролируется. Посредством измерения каждого тензометра и выбора достигается минимальная погрешность характеристик.
Срок службы кремниевых тензометров выше, нежели у предыдущей генерации металлических тензометров. Исследовательское и испытательное авиационное учреждение в Праге использовало наши кремниевые тензометры для проведения обширных испытаний усталостного срока службы лопастей авиационных турбин и компрессоров, производной которых является и указанная кривая.
Усталостная кривая кремниевых тензометров при нагрузке симметричной переменной деформацией.
Тензометры были приклеены к лопастям из мартенситной нержавеющей стали и никелированных сплавов типа Nimonic 95 с помощью клея PT-5, сушка 210°C/2 часа. Во время испытания лопасти колебались с собственной частотой от 1,5 кГц до 6 кГц, их деформация во время испытания была установлена и контролирована согласно сигналу тензометров. Испытания всегда были завершены повреждением лопасти. Тензометры повреждены не были.
КОНФИГУРАЦИЯ И РАЗМЕРЫ
Тензометр состоит из ленты монокристаллического кремния с подключенными золотыми концовками с диаметром 0,07 мм. Лента кремния является самонесущей, не требует несущей подкладки, необходимой у тензометров проволочных и пленочных, от измеряемого объекта ее электрически изолирует слой затвердевшего клея около 0,03 мм, созданный перед приклеиванием тензометра.
В таблице представлена форма конфигурации тензометров A.../SP, B.../SP, A.../BP, B.../BP:
| A… | B... | |
|---|---|---|
| …/BP |  |
 |
| …/SP |  |
 |
ОБОЗНАЧЕНИЕ ТЕНЗОМЕТРОВ
ПОГРЕШНОСТЬ ТЕНЗОМЕТРОВ
В настоящее время на складе обычно имеются тензометры типа P (позитивные) длиной 1,5 мм, 3 мм и 6 мм, с коэффициентом деформационной чувствительности C1 = 120-150 и с сопротивлениями 120, 350 и 1000 Ом. Мы также производим тензометры с параметрами согласно требованиям заказчика.
Мы поставляет полупроводниковые тензометры двух классов погрешности, определенных гарантией погрешности их характеристик. Для динамического измерения и установившейся температуры пригодны тензометры, обозначенные N-sort, для статического измерения, датчиков и колеблющейся температуры пригодны тензометры, обозначенные T-sort.
| Погрешность в комплекте (макс. 8 штук) | Погрешность типа | |||
|---|---|---|---|---|
| N-sort | T-sort | N-sort | T-sort | |
| R0 - Сопротивление свободного | ± 0.4% | ± 0.25% | ± 5% | ± 3% |
| RB - Сопротивление свободного тензометра | ± 1% | ± 0.50% | ± 10% | ± 5% |
| C1 - (K - фактор) | ± 2% | ± 2% | ± 5% | ± 5% |
| C2 | ± 8% | ± 8% | по договоренности | по договоренности |
| α - Коэффициент температуры | ------- | ± 0.02%/°C | ------- | по договоренности |
| Максимальная положительная деформация | 0.3% | 0.3% | 0.3% | 0.3% |