Фольговые, пленочные, угольные и полупроводниковые тензодатчики

Фольговые тензодатчики изготовляют методом фотохи­мического травления. Решетка такого датчика выполняется из раз­ных сплавов (медь с никелем, серебро с золотом и др.), которые обеспечивают достаточную чувствительность и в то же время имеют надежное сцепление (адгезию) с изоляционной основой, на которой выполняется датчик. Пленочные тензодатчики изготовляют путем напыления слоя германия, теллура, висмута или сульфида свинца на эластичное изоляционное основание из слюды или кварца.

В отличие от проволочных фольговые и пленочные тензодатчики имеют решетку не круглого, а прямоугольного сечения с очень большим отношением ширины к высоте. По сравнению с проволоч­ными они имеют ряд преимуществ. Благодаря большой площади соприкосновения токопроводящих полосок датчика с деталью обес­печиваются хорошие условия теплоотдачи. Это позволяет в несколь-

a) б) в)

Рис. 5.4. Фольговые тензодатчики

ко раз повысить плотность тока фольговых датчиков и в десятки раз — плотность тока пленочных датчиков (до 10³ А/мм²). Благо­даря большому отношению периметра сечения плоской полосы к площади ее сечения улучшается восприимчивость к деформации и точность ее измерения. Чувствительность пленочных датчиков дости­гает 50. Благодаря увеличенному сечению концов фольговой и пле­ночной решетки увеличивается надежность пайки (или приваривания) выводов датчика.

Фольговые датчики имеют толщину проводящего покрытия 3— 15 мкм. Сопротивление фольговых датчиков находится в пределах от 30 до 300 Ом. Фотохимический способ позволяет выполнить лю­бой рисунок решетки, что также является достоинством фольговых датчиков. На рис. 5.4 показаны различные типы фольговых тензодатчиков: а — предназначен для измерения линейных перемещений; б — розетка из двух датчиков, позволяющая измерять деформации в двух взаимно перпендикулярных направлениях; в — датчик, пред­назначенный для наклеивания на мембрану и измерения давления.

Для измерения механических усилий и напряжений используют­ся и угольные датчики. Их работа основана на зависимости актив­ного сопротивления угольных (или графитовых) контактов от силы контактного сжатия. Устройство угольного датчика показано на рис. 5.5, а. Угольные диски 3 зажимаются между прижимным вин­том 6 и упором 5, воспринимающим измеряемое усилие F. Давле­ние на угольные диски 3 передается через металлические диски /, изоляционные прокладки 4 и медные прокладки 2, имеющие выводы для включения датчика в измерительную схему.

Активное сопротивление угольного столбика складывается из внутреннего сопротивления шайбы и переходного контактно­го сопротивления между шайбами :

(5.12)

Внутреннее сопротивление диска определяется электрическими свойствами материала дисков и не зависит от усилия F. Удельное сопротивление электродных углей составляет, например, 30— 150 Ом-мм²/м- Переходное контактное сопротивление зависит от усилия F следующим образом:

(5.13)

Рис. 5.5. Угольный датчик для изме- Рис. 5.6. Тензолитовый уголь-
рения усилия ный датчик

где k — коэффициент, зависящий от свойств материала шайб. Под­ставляя (5.12) в (5.13), получим

(5.14)

Зависимость сопротивления угольного датчика от усилия пока­зана на рис. 5.5, б. Характеристика имеет небольшую петлю гисте­резиса при прямом и обратном ходе из-за некоторого заливания угольных дисков. При небольших усилиях ( ) из-за слабого контакта между дисками статическая характеристика угольного датчика имеет зону неопределенности. Для устранения этой зоны неопределенности и служит прижимный винт в, обеспечивающий начальное усилие сжатия F₀.

Для измерения упругих деформаций используются угольные датчики тензолитового типа. Изготовляются они из угольного (графитового) порошка или сажи, смешанной с изолирующим ла­ком (бакелит или шеллак). Такая масса называется тензолитом.

Выполняются угольные тензометрические датчики (рис. 5.6) в виде стержней / диаметром около 1 мм с медными выводами. На контролируемую деталь наклеивают полоску изоляционной бумаги 2, а к бумаге приклеивают стержень. При деформации детали стержень также деформируется. Происходит изменение плотности контакта, между частицами угля, и, следовательно, сопротив­ление датчика изменяется: при сжатии — уменьшается, при растя­жении— увеличивается. Относительная чувствительность тензоли-тового датчика определяется, как и для проволочных тензодатчиков, по формуле •. Она не является постоянной величиной из-за нелинейной зависимости (см. рис. 5.5, б) и может достигать больших величин (до 20).

В полупроводниковых тензодатчиках используются кристалличе­ские полупроводниковые материалы. Принцип действия их такой же, как и у проволочных тензодатчиков: изменение активного сопротивления из-за механической деформации самого проводника и изменения удельного сопротивления. Но если в металлических про­водниках главным является изменение размеров [коэффициент m. в уравнении (5.11)], то в металлических полупроводниках главным является изменение удельного сопротивления [коэффициент т в -уравнении (5.11)].

Наиболее заметен тензоэффект в таких полупроводниках, как германий Ge, кремний Si, соединения индия In, галлия Ga. Для них можно на практике считать, что Чувствительность полупроводникового тензодатчика зависит от ориентировки действия сил (кристаллографического направления). Влияют на чувствитель­ность также наличие примесей и температура.

Наибольшее распространение получили германиевые и крем­ниевые тензодатчики, причем последние способны работать при высоких температурах (до 540°С) и больших механических на­грузках.