Тензорези́стор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор , сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации . Тензорезисторы используются в тензометрии . С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов . Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков , применяющихся для косвенного измерения силы , давления , веса , механических напряжений , крутящих моментов и пр.

Принцип действия

При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — уменьшает.

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10 ⁻³ ) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры или прецизионные усилители или прецизионные усилители + АЦП . Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал , обычно сигнал напряжения.

Полупроводниковый тензорезистор обладает гораздо большей чувствительностью из-за изменения свойств полупроводникового материала при деформации.

Электромеханические параметры

Чувствительность

Чувствительность тензорезистора характеризуется безразмерным параметром — ${\displaystyle K_{f},}$ который определяется как:

${\displaystyle K_{f}={\frac {\Delta R/R_{0}}{\epsilon }},}$

где:

• ${\displaystyle \Delta R}$ — абсолютное изменение сопротивления, вызванное деформацией, Ом ;
• ${\displaystyle R_{0}}$ — начальное сопротивление недеформированного тензорезистора, Ом ;
• ${\displaystyle \epsilon }$ — относительная деформация.

Относительная деформация определяется как:

${\displaystyle \epsilon =\Delta L/L_{0},}$

где

• ${\displaystyle \Delta L}$ — абсолютное изменение длины, м ;
• ${\displaystyle L_{0}}$ — длина недеформированного тензорезистора, м .

Для плёночных металлических тензорезисторов параметр ${\displaystyle K_{f}}$ слабо зависит от деформации и немного превышает 2 .

При включении тензорезистора в мост Уитстона , в котором остальные 3 резистора постоянны (не имеют возможности регулирования сопротивления), выходное напряжение диагонали этого моста выражается формулой:

${\displaystyle v={\frac {V_{b}\cdot K_{f}\cdot \epsilon }{4}},}$

где:

• ${\displaystyle V_{b}}$ — напряжение питания моста, В .

Типичные значения коэффициента тензочувствительности для разных материалов приведены в таблице.

Материал	Коэффициент тензочувствительности
Металлическая фольга	2-5
Тонкая металлическая плёнка (например, константановая )	2
Монокристаллический кремний	От −125 до +200
Поликристаллический кремний	±30
Тонкоплёночные резистивные материалы	100

Температурный коэффициент

При изменении температуры изменяется сопротивление тензорезистора, не связанное с деформацией . Это является вредным побочным эффектом. Через коэффициент тензочувствительности относительное изменение сопротивления выражается формулой:

${\displaystyle {\frac {\Delta R}{R}}=K_{f}\cdot \varepsilon +\alpha \cdot \theta ,}$

где:

• ${\displaystyle \alpha }$ — температурный коэффициент сопротивления , К ⁻¹ ;
• ${\displaystyle \theta }$ — изменение температуры , К .

Электрическая схема подключения тензорезистора

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона , питаемого от источника постоянного тока (диагональ моста A—D ). С помощью переменного резистора ${\displaystyle R_{2}}$ производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствие приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор , дифференциальный усилитель или АЦП .

При выполнении соотношения ${\displaystyle {\frac {R_{1}}{R_{2}}}={\frac {R_{x}}{R_{3}}}}$ напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление ${\displaystyle R_{x}}$ (например, увеличивается при растяжении ), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов ${\displaystyle R_{x}}$ и ${\displaystyle R_{3}}$ (точки B ) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал .

Изменение сопротивления ${\displaystyle R_{x}}$ может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры , что вносит погрешность в результат измерения деформации. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС , объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора ${\displaystyle R_{3}}$ включают такой же тензорезистор, как и ${\displaystyle R_{x}}$ , но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления, вызванного изменением температуры, равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП , цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие полезные сервисные функции.

Конструкция

Обычно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника, нанесённого на гибкую подложку. Тензорезистор приклеивается подложкой на поверхность исследуемого на деформации объекта. Проводники тензорезисторов обычно изготавливаются из тонкой металлической проволоки, фольги , или напыляются в вакууме для получения плёнки полупроводника или металла . В качестве подложки обычно используют ткань , бумагу , полимерную плёнку , слюду и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь тензорезистор имеет выводные проволочные концы или контактные площадки.

Плёночные металлические тензорезисторы имеют площадь около 2‑10 м м ² .

Применение

Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей в тензометрах и тензостанциях при измерениях механических величин ( деформации , силы , крутящего момента , перемещения, также, для измерения давления в манометрах и пр.)

См. также

• Тензометрия
• Тензодатчик

Примечания

Ссылки