• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Тензорезисторні засоби вимірювання тиску

Принцип роботи тензорезисторних ВПТ ґрунтується на зміні активного електричного опору провідників при їхній механічній деформації і дії зовнішнього тиску.

Електричними провідниками принципово можуть служити будь-які метали і сплави, а також напівпровідники. Проте для використання в манометрах опору найбільш відповідним матеріалом є манганін, оскільки він володіє малим температурним коефіцієнтом опору. Недолік манганіну полягає в малій зміні опору під дією тиску (малий п’єзокоефіцієнт).

Якщо позначити опір провідника, на який діє тиск, через R, зміна опору - через DR, а тиск - через р, та зміна опору відповідатиме лінійному закону:

, (2.70)

де к – п’єзокоефіцієнт, величина якого залежить від матеріалу провідника.

З цього співвідношення виходить, що

(2.71)

Основна характеристика тензоефекту – коефіцієнт відносної тензочутливості, який визначається як відношення зміни опору провідника до зміни його довжини

, (2.72)

де – відносна зміна опору;

– відносна зміна довжини.

Для твердих тіл відносна зміна опору залежить як від зміни геометричних розмірів, так і від зміни питомого опору

, (2.73)

де – коефіцієнт Пуассона (для металів ); – зміна питомого опору матеріалу, що пов’язана із зміною його фізичних властивостей.

Для металів , для напівпровідникових матеріалів і для них можна вважати, що .

Значення коефіцієнта не тільки різні для різних матеріалів, але непостійні навіть для одного і того ж матеріалу. Для манганіну k=(2¸2,5) • 10-6 см²/кгс.

Тензорезисторні чутливі елементи (ТРЧЕ) (у перекладній літературі їх іноді називають п’єзорезисторними, не треба плутати з п'єзоелектричними) являють собою металеву і/або діелектричну вимірювальну мембрану, на якій розміщаються тензорезистори (найчастіше у виді врівноваженого вимірювального моста) з контактними площадками для провідного підключення до внутрішньої або зовнішньої електровимірювальної схеми — електронному блокові обробки.

Деформація мембрани під впливом зовнішнього тиску Р приводить до локальних деформацій тензорезисторного моста і його розбалансу — зміні опору, що вимірюється електронним блоком (рис.2.32).

Рисунок 2.32 – Структурна схема первинного тензорезисторного ВПТ

Тензорезистори (ТР) виконуються як з металу (дротового, фольгового або плівкові), так і з напівпровідника (полікристалічні з порошкоподібного напівпровідника і монокристалеві з кристала кремнію). Оскільки чутливість напівпровідникових ТР у десятки разів вища, ніж у металевих і, крім того, інтегральна технологія дозволяє в одному кристалі кремнію формувати одночасно як тензорезистори, так і мікроелектронний блок обробки, то в останні роки одержали переважний розвиток інтегральні напівпровідникові ТРЧЕ. Такі елементи реалізуються або за технологією дифузійних резисторів з ізоляцією їх від провідної кремнієвої підкладки p-n переходами — технологія «кремній на кремнії», або по гетероепітаксіальній технології «кремній на діелектрику» на склокераміці, кварці або сапфірі. Для ТРЧЕ, особливо напівпровідникових, істотним є вплив температури на пружні й електричні характеристики ТР, що вимагає застосування спеціальних схем температурної компенсації похибок (зокрема, з цією метою в розширеній схемі тензомоста використовуються компенсаційні резистори і терморезистори). Особливо широке застосування у виготовленні ВПТ в силу своїх високих механічних, ізолюючих і теплотривких якостей одержала технологія КНС — «кремній на сапфірі». На рис.2.33 показано приклад реалізації тензорезисорного давача тиску "Метран-45", в якому використовується в якості чутливого елемента кристал сапфіра з кремнієвими плівковими тензорезисторами (структура КНС).

1 – фланець, 2 – корпус, 3 – вимірювальна мембрана, 4 – жорсткий центр, 5 – шток, 6 – "плюсова" камера, 7 – "мінусова" камера, 8 – тензоперетворювач

Рисунок 2.33 – Приклад реалізації тензорезисторного давача тиску

Також в якості матеріалу провідникового опору використовується манганін (сплав міді, марганцю і нікелю).

Рівняння вимірювання манганінового манометра має вигляд:

, (2.74)

де – опір провідника при відсутності тиску;

– зміна опору при тиску ;

і – коефіцієнти, що залежать від властивостей матеріалу провідника і, в меншій степені, від технології виготовлення [46].

Найчастіше для виготовлення точних манганінових манометрів застосовується сплав, який складається із 84 % міді, 12 % марганцю і 4 % нікелю. Питомий опір манганіну такого складу – Ом/м, що в 25 раз перевищує питомий опір міді. Це має важливе значення в техніці високих тисків, оскільки безпосередньо впливає на розміри котушки опору.

Значення коефіцієнтів у рівнянні (2.74) коливаються в межах: Па; Па. Складова частина другого члена рівняння, який визначає нелінійність, складає від 0,01 % при МПа до 0,8 % при ГПа (10000 кгс/см²) і різко зростає при подальшому збільшенні тиску. При точних вимірювання з похибкою менше 0,5-1 % необхідне індивідуальне градуювання манганінових манометрів.

1 – провідник; 2 – папір

Рисунок 2.34 – Схема тензометричного перетворювача

Для вимірювання опору може бути використаний будь-який прилад для вимірювання електричних опорів, наприклад, зрівноважений міст. П’єзокоефіцієнт для різних зразків манганіну непостійний, тому манганінові манометри опору після виготовлення необхідно калібрувати.

Окрім металевих чутливих елементів, в манометрах опору застосовуються напівпровідникові чутливі елементи.

Існують конструкції манометрів з вугільними стовпчиками, складеними з тонких дисків діаметром 5-10мм і товщиною 1,0мм, виготовлених з електродного вугілля. У такого стовпчика при стисненні зменшується опір, що пояснюється поліпшенням контактів між окремими дисками. П’єзокоефіцієнт вугільного стовпчика в тисячі разів більший, ніж манганіну; проте нелінійна залежність опору від тиску, великий гістерезис, непостійність градуювання і значний вплив температури обмежують застосування вугільних манометрів.

Всі напівпровідникові чутливі елементи придатні для вимірювання тиску не вище 5,88 - 7,84 МН/м² (60 - 80 кгс/см²).

На рис.2.34. показаний інший чутливий елемент манометра електричного опору. Принцип дії тензоперетворювача полягає в перетворенні зусилля або пропорційної йому деформації в зміну опору провідника, наклеєного на поверхню тіла, що деформується. Тензометричний перетворювач є тонким провідником ( з манганіну, діаметром 0,02-0,05мм), наклеєним на ізоляційну підставку (папір). До кінців провідника припаюються виводи. У такому вигляді чутливий елемент тензоперетворювача наклеюється на поверхню деталі, що піддається деформації.

У разі вимірювання тиску зміна опору визначається по формулі (2.71);

к – коефіцієнт тензочутливості. Опір чутливого елементу R складає звичайно 100 – 300 Ом.

До переваг тензометричних перетворювачів відносяться прямолінійність характеристики R=f(р), мала інерційність, можливість розміщення у важкодоступних місцях і достатньо мала похибка, яка не перевищує ±2%. Недоліки – мала чутливість і залежність від зміни температури.

Вимірювальними приладами служать, звичайно, мостові схеми, в одне плече яких включається вимірювальний тензоперетвоювач, а в суміжне плече – компенсаційний тензоперетворювач. Останній не піддається деформації і служить для компенсації температурних впливів середовища.

Переглядів: 1487