Тензорезисторы: точное измерение механического напряжения

Когда тонкая проводящая металлическая полоска растягивается, она становится тоньше и длиннее, увеличивая свое полное электрическое сопротивление. И наоборот, сжатие полоски (без потери устойчивости) расширяет и сокращает ее, уменьшая сопротивление. Держа деформацию в пределах эластичного предела металла, изменение сопротивления полоски становится надежным индикатором приложенной механической силы.

Что такое тензорезистор?

Устройство, использующее этот принцип, называется тензорезистором. Широко применяемые в НИОКР механической инженерии, тензорезисторы позволяют количественно оценивать напряжения во всем — от промышленного оборудования до авиационных компонентов. Типичные датчики меньше почтовой марки и похожи на рисунок ниже:

Проводники тензорезисторов ультратонки: если изготовлены в виде круглого провода, их диаметр составляет примерно 1/1000 дюйма. Альтернативно, металлическая пленка может быть осаждена на непроводящем подложке — известном как носитель — для формирования клееного датчика. Клеение датчика к исследуемому образцу (конструкции под тестом) — квалифицированная процедура; точные, стабильные показания деформации зависят от тщательной подготовки поверхности, выбора клея и выравнивания.

Сопротивление тензорезистора

Ненапряженные датчики обычно демонстрируют сопротивления от 30 Ом до 3 кОм. Поскольку эластичные пределы как датчика, так и образца ограничивают максимально допустимую деформацию, соответствующее изменение сопротивления часто составляет лишь несколько десятых процента. Следовательно, обнаружение таких минимальных вариаций требует экстремально точной инструментальной техники; иначе любая чрезмерная сила навсегда деформирует датчик или образец, делая измерение недействительным.

Мостовая измерительная схема

Для улавливания этих тонких изменений сопротивления используется мостовая схема типа Вейтстоуна. В отличие от классического моста, ищущего нулевое условие, тензорезисторный мост сообщает о деформации через степень несбалансированности, измеряемую высокоточным вольтметром в центре моста:

В типичной четверть-мостовой конфигурации реостатическое плечо (R₂) предварительно настроено на сопротивление датчика в ненапряженном состоянии, в то время как два плеча отношения (R₁ и R₃) согласованы. Когда датчик испытывает натяжение или сжатие, его сопротивление смещается, раскачивая мост и производя измеримое напряжение.

Сопротивления проводов

Поскольку датчик и его выводы могут быть разделены значительным расстоянием, последовательное сопротивление проводов (R_{провод1} и R_{провод2}) может вводить ошибки, внося вклад в полное сопротивление нижнего реостатического плеча. Это паразитное сопротивление может быть ошибочно интерпретировано вольтметром как деформация.

Хотя полностью устранить этот эффект невозможно, его можно смягчить добавлением третьего вывода, соединяющего положительный вывод вольтметра прямо с верхним узлом датчика:

С третьим выводом, переносящим пренебрежимо малый ток, его сопротивление не влияет на деление напряжения. Эта компоновка эффективно обходит сопротивление верхнего вывода, оставляя только последовательное сопротивление нижнего вывода влиять на измерение — уменьшая потенциальную ошибку вдвое относительно двухпроводной схемы.

Температурная компенсация

Все проводники демонстрируют некоторую температурозависимую смену сопротивления, которая может маскировать истинные сигналы деформации. Надежное решение — использовать фиктивный датчик вместо реостатического плеча (R₂) так, чтобы оба плеча моста меняли сопротивление пропорционально температуре. Схема тогда становится иммунной к температурным флуктуациям, потому что любое общее изменение сопротивления компенсируется:

Здесь R₁ и R₃ остаются согласованными, а два датчика клеены на один образец. Только датчик, подвергаемый механической деформации (активный датчик), меняет сопротивление с приложенной силой; фиктивный датчик остается фиксированным, гарантируя, что несбалансированность моста отражает только деформацию.

Четверть-мостовые и полумостовые конфигурации

Хотя в установке с фиктивным датчиком только один датчик реагирует на деформацию, конфигурация все еще называется четверть-мостовой. Размещая второй активный датчик на противоположной стороне образца — так, что один датчик испытывает сжатие, а другой натяжение — оба датчика становятся чувствительными к деформации. Эта полумостовая компоновка удваивает чувствительность и дополнительно подавляет температурные эффекты, поскольку оба датчика все еще разделяют идентичные температурные коэффициенты.

Типичные схемы клеения для полумоста иллюстрированы ниже:

При приложении нисходящей нагрузки датчик #1 удлиняется, а датчик #2 сжимается, генерируя дифференциальное сопротивление, которое разгоняет несбалансированность моста.

Полномостовые схемы

Когда образец может вместить комплементарные пары датчиков на всех четырех плечах, используется полномостовая схема. Эта топология максимизирует чувствительность и линейность, поскольку каждое плечо активно отслеживает деформацию, обеспечивая то, что выходное напряжение прямо пропорционально приложенной силе:

Полномостовые схемы предпочтительны всегда, когда это выполнимо. Они предлагают превосходную точность и линейный отклик по сравнению с четверть- или полумостовыми схемами, которые дают только приближенную пропорциональность, если изменение сопротивления не остается бесконечно малым относительно номинального сопротивления датчика.

Тензорезисторные системы часто продаются как интегрированные весовые датчики (load cells) — герметичные корпуса, содержащие и датчики, и мостовые резисторы, защищенные от внешних факторов и готовые к механическому креплению к конструкции.

Поскольку тензорезисторная технология может стать сложной, посвященное ей трактат выходит за рамки этой статьи, но изложенные выше принципы составляют основу для надежного измерения механических напряжений.

Резюме

• Тензорезистор — тонкая металлическая полоска, меняющая сопротивление при эластичной деформации, позволяя измерять силу.
• Изменения сопротивления считываются мостовой схемой, обеспечивающей высокую точность и температурную компенсацию.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист: Мостовые схемы постоянного тока