Česky
English
Tenzometrické snímače díl II.
Funkce elektrických odporových tenzometrů
Funkce tenzometru
Tenzometry kterými se budeme dále zabývat patří do skupiny elektrických odporových
snímačů. Jsou to pasivní čidla nalepená na povrchu součásti (páskové tenzometry) nebo pevně
spojená s měřeným tělesem (průmyslové tenzometry pro váhy, trvalé sledování mostních konstrukcí),
která mechanickou deformaci převádějí na změnu elektrického odporu. První elektrické tenzometry byly
použity kolem roku 1938 pro studium deformací lokomotivních součástek. Byly to tenzometry kovové
drátkové.
Vodič o délce l a průřezu S z materiálu s měrným elektrickým
odporem ρ má odpor:
R = ρ. (l/ S)
Je-li vodič tenzometru pevně spojený s povrchem měřeného namáhaného objektu, má stejné deformace jako objekt. Tedy při natahování se zvětšuje jeho délka, zmenšuje průřez a podle použitého materiálu se mění i jeho měrný elektrický odpor . U kovových odporových tenzometrů je měrný elektrický odpor jejich materiálu prakticky nezávislý na deformaci, tedy veličina ρ je konstantní. Na změny odporu kovového tenzometru mají pak vliv jen rozměry jeho vodiče. U polovodičových odporových tenzometrů, v nichž vodičem je například křemíkový pásek, se výrazněji projevuje závislost měrného odporu ρ na mechanické deformaci.
Kovové tenzometry
Kovové odporové tenzometry mají obvykle vodič z konstantanu (60%
Cu a 40% Ni) kvůli malé závislosti jeho odporu na změnách teploty. Pro splnění různých požadavků na vlastnosti
tenzometrů se ale používají i jiné kovové materiály.
Drátky tenzometru mívají průměr kolem 0,01 mm, jsou přilepeny na nevodivé podložce
(speciální papír) a jejich konce jsou s přívodními vodiči spojeny svařením.
Mezi kovové tenzometry patří kromě drátkových ještě tenzometry fóliové, u nichž je vodičem kovová fólie
(tloušťky kolem 0,001 mm) na nosné izolační podložce a vrstvové, jejichž aktivní
vrstva je naprášena nebo ve vakuu nanesena na nosnou destičku.
Tenzometr se přilepí na povrch měřeného objektu speciálním lepidlem. Spojení se nesmí utrhnout v celém
rozsahu měřených deformací. Pro zvýšení odporu tenzometru (na hodnotu vhodnou pro připojení k vyhodnocovacímu
přístroji) a zachování jeho přijatelné délky (pro bodové měření deformace) má tenzometr více rovnoběžných
úseků vodiče spojených příčnými úseky. Krátké příčné úseky s větším průřezem jsou málo citlivé na deformaci
kolmou na podélnou osu měření.
Je-li měřená deformace objektu vyjádřena poměrným prodloužením jeho povrchu ε (=∆l/l),
pak funkce tenzometru je charakterizována vztahem:
∆R/R0 = k. ε
R0 je odpor tenzometru při výchozím mechanickém zatížení
∆R je přírůstek odporu tenzometru při poměrném prodloužení ε
k je konstanta vyjadřující vlastnosti tenzometru (jeho citlivost)
U konstantanového tenzometru mívá k hodnotu kolem 2. Závislost změny odporu na deformaci je tedy u kovových tenzometrů lineární. Používají se pro měření deformací s ε rovným až 2000 μm/m, kdy je ještě zaručena stálost vlastností nalepeného tenzometru. Elektrický odpor kovových tenzometrů bývá 120 až 600 W.
Kovové tenzometry se uplatňují hlavně v aplikacích, kde je požadována velká přesnost. Jedná se zejména o měření povrchových deformací kriticky namáhaných součástí, dále měření zatížení, síly, tlaku a krouticího momentu. Např. v rozsahu teplot –10°C až 40°C je u nejlepších snímačů zatížení s kovovými tenzometry celková chyba vztažená ke jmenovité hodnotě zatížení menší než 10%. Současné elektronické zesilovače neovlivňují přesnost měřených signálů, která je v řádu 10-5 V.
Druhy kovových tenzometrů
Drátkový
Folioví
Vrstvový
Polovodičové tenzometry
Polovodičové tenzometry jsou tvořeny páskem vyříznutým z monokrystalu polovodiče (křemíku, germania aj.)
znečistěného difuzí jiného materiálu. Mechanické namáhání krystalické mřížky ovlivňuje výrazně pohyblivost
nosičů náboje a tím i měrný odpor materiálu tenzometru. Podle typu znečištění odpor materiálu s deformací
roste nebo klesá. Tento jev se nazývá piezorezistivní efekt. Polovodičové tenzometry jsou malé a citlivé,
ale silně teplotně závislé.
Polovodičové tenzometry jsou vyráběny nejprve mechanickým oddělováním (řezáním) z patřičně dotovaného
monokrystalu křemíku, dále mechanickým opracováním směřujícím k žádanému tvaru a rozměrům a nakonec
chemickým opracováním. Aktivní délka polovodičových pásků mezi zlatými vývody je 2 až 10 mm, šířka 0,2
až 0,4 mm a tloušťka 0,01 až 0,03 mm. Ohmický odpor je nejčastěji 120W nebo 350W. Nároky na tmel spojující
polovodičové tenzometry s měřeným objektem jsou vyšší než u kovových tenzometrů.
Funkční vztah pro polovodičový tenzometr má tvar:
∆R/R0 = k1 . ε + k2 . ε²
k1,k2 jsou konstanty vyjadřující vlastnosti tenzometru (jeho citlivost). Jejich velikost
a znaménko lze v širokém rozsahu měnit druhem a koncentrací znečišťujících příměsí. U polovodičových tenzometrů
je tedy závislost změny odporu na deformaci nelineární (kvadratická). Typické hodnoty konstant mohou být
k1 = +130, k2 = +2500 (při znečištění borem).
Předností polovodičových tenzometrů je vysoká citlivost (až 60x větší než u kovových
tenzometrů), která umožňuje konstruovat snímače velmi malých rozměrů s vysokou tuhostí jejich měrných
členů. Tím lze dosáhnout i širokého frekvenčního rozsahu měření od statických hodnot až do několika kilohertzů.
Sloučená chyba kolem 0,5% je pro praxi většinou vyhovující.
Difuzí nečistot lze vytvořit tenzometrickou strukturu přímo na deformačním tělese snímače (například na
křemíkové membráně snímače tlaku). Tyto metody pronikly i do mikromechaniky, kdy je nosník nesoucí setrvačnou
hmotu snímače zrychlení součástí čipu s vyhodnocovacími obvody.
Kromě monokrystalických existují i polykrystalické (naprašované) polovodičové
tenzometry. Lepidlo pro lepení tenzometrů musí zajišťovat spojení tenzometru s povrchem měřeného objektu
a elektricky izolovat tenzometr od objektu. Po vytvrzení vytváří lepidlo určité předpětí, takže při snímání
stlačení je tenzometr jen méně natahován.
Tři nejběžnější tvarová provedení polovodičových tenzometrů
Jednoduchý Tvar U Křížový
Tenzometrické růžice
Pro snímání deformace ve více směrech jsou vyráběny tenzometry s více vzájemně natočenými mřížkami na jedné podložce – tenzometrické růžice. K úplnému určení napjatosti v daném místě povrchu jsou zapotřebí tři mřížky; dva základní druhy růžic mají rozložení mřížek buď 0°–120°–240° nebo 0°–45°–90°. Jednotlivé mřížky jsou vzájemně galvanicky odděleny (izolovány).
Zdroje:
http://cs.wikipedia.org
http://www.aterm.cz/Tenzometry.htm
http://mechanika.fs.cvut.cz/content/files/Tenzometrie_ZIE.pdf