Тензорези́стор (від лат.tensus — напружений і від лат.resisto — чинити опір) — резистор, електричний опір якого змінюється залежно від його деформації. В основі принципу роботи тензорезисторів лежить явище п'єзорезистивного ефекту. За допомогою тензорезисторів можна вимірювати деформації механічно пов'язаних з ними елементів. Тензорезистор є основною складовою частиною тензодатчиків, що застосовуються для непрямого вимірювання сили, тиску, ваги, механічних напружень тощо.
Деформація тензорезистора. Значення опору показані умовно
Будова
Основою тензорезистора служить чутливий елемент, металевий чи напівпровідниковий, електричний опір якого змінюється пропорційно до механічного напруження на поверхні об'єкта дослідження.
Цей елемент виконується у вигляді решітки зазвичай з константанового сплаву і розташовується на підкладці з поліаміду або іншого матеріалу. Ззовні решітка покривається захисною плівкою. Для кріплення до поверхні об'єкта вимірювання переважно застосовується клей а при високих температурах — точкове приварювання підкладки, яка у цьому випадку є металевою.
Принцип роботи
Принцип дії добре проілюстрований на картинці за одним невеликим зауваженням — в реальності зміни опору вельми малі і вимагають прецизійних підсилювачів або АЦП. Він полягає в зміні електричного опору провідників і напівпровідників при їх механічній деформації.
За типом чутливого елемента тензорезистори поділяються на фольгові, дротові й напівпровідникові.
У фольгових тензорезисторів чутливий елемент виготовляється з фольги товщиною декілька мікрон. Матеріал — сплав Ni-Cu або Ni-Cr. Ці датчики мають малі розміри і виготовлені методом фототравлення, що робить їх відносно недорогими. Ці тензорезистори є універсальними у використанні. Все це обумовлює їх масове застосування в різних областях вимірювань.
У дротових тензорезисторах як чутливий елемент в них використовується дріт зі сплаву Ni-Cu або Ni-Cr, товщиною 13-25 мікрометрів. Так виготовляються тензорезистори на паперовій підкладці, спеціальні тензорезистори для бетону, тензорезистори на великі деформації і спеціальні тензорезистори для високих температур.
У напівпровідникових резисторах чутливий елемент виготовлений з монокристалу кремнію, коефіцієнт чутливості таких тензорезисторів — може досягати 90…200. Це робить їх придатними для вимірювання мікроскопічних деформацій і виробництва високочутливих датчиків. Можуть навіть працювати без додаткового підсилювача електричного сигналу. Однак цей тип тензорезисторів у значній мірі чутливий до температури, а також недостатню лінійність, що обмежує область їхнього застосування.
За матеріалом підкладки
Характеристики матеріалу підкладки повинні відповідати характеристикам чутливого елемента. Зазвичай, для підкладки використовують поліамід, папір, фенол-формальдегідні матеріали та інші типи полімерів. Високотемпературні тензорезистори мають керамічну підкладку. Для тензорезисторів, що приварюються як матеріал підкладки використовуються такі хромо-нікелеві сплави як Inconel 600 (ХН60ВТ).
За величиною бази вимірювання
За величиною бази вимірювання (довжиною чутливого елемента) тензорезистори бувають:
для вимірювань на більшості металевих матеріалів, найбільше придатні тензорезистори з базою 1…6 мм;
для вимірювань середніх за величиною деформацій на бетоні чи деревині, структура яких у значній мірі є різнорідною, застосовуються тензорезистори з довжиною решітки 30…120 мм;
для склопластиків використовуються тензорезистори з базою 5…30 мм, у залежності від товщини волокон та відстані між ними. Якщо товщина волокон є малою, використовують тензорезистори з базою меншою від 5 мм;
якщо вимірювання проводяться в обмеженій зоні чи в точці концентрації напружень, то слід застосовувати малобазні тензорезистори (до 1 мм). Якщо ж використовувати довшу базу, вимірювання дадуть усереднене значення деформації, а пікові значення не будуть виміряні.
За числом чутливих елементів та їх геометричною конфігурацією
Тензорезистори випускаються з різною геометричною конфігурацією чутливих елементів:
одиничний — базова конфігурація тензорезисторів, чутливість яких спрямована уздовж поздовжньої осі решітки. При відомому напрямі деформацій, одиничний тензорезистор наклеюється відповідно до цього напряму;
у подвійних тензорезисторах решітки зорієнтовані уздовж двох осей, розташованих під прямим кутом, і використовується для багато осьового вимірювання деформацій (напружень) або у датчиках, що працюють на просте стискання. Також вони використовуються для вимірювання деформацій зсуву і в датчиках крутного моменту.
Лінійний тензорезистор з фрагментом траси з'є́днувальних дротівпотрійні тензорезистори (розетки) використовуються у випадку, коли напрям деформації є невідомим і є потреба проведення аналізу напряму деформації;
Підключений розеточний тензорезистор на фрагменті вертолітної лопатідля проведення спеціалізованих вимірювань використовують особливі конфігурації тензорезисторів, включно з тензорезисторами для вимірювання концентрації напружень, у яких 5 решіток розташовані на одній осі й тензорезистори, стійкі до впливу змінних магнітних полів, дві решітки яких розташовані точно одна над одною або мембранні тензорезисторні розетки.
За величиною електричного опору
120 Ом є стандартним для тензорезисторів, які випускаються у найбільшому асортименті при мінімальній ціні.
Використання тензорезисторів з відмінним від 120 Ом опором, може бути доцільним у наступних випадках:
60 Ом — для випадку сумісного використання двох тензорезисторів з метою корекції похибки наклеювання;
350…500 Ом — датчики, зазвичай, потребують порівняно великої напруги живлення мостів. Також, коли потрібно зменшити вплив температурного ефекту при наклейці на матеріали з низькою теплопровідністю, наприклад, пластик;
1 кОм і вище — за вимогою датчиків до підвищеного напруги живлення. Також, коли апаратура для роботи з тензорезисторами вимагає низького енергоспоживання;
10 кОм (напівпровідникові) — для високошвидкісних вимірювань, таких як удар без використання підсилювача електричного сигналу.
Tenzorezi stor vid lat tensus napruzhenij i vid lat resisto chiniti opir rezistor elektrichnij opir yakogo zminyuyetsya zalezhno vid jogo deformaciyi V osnovi principu roboti tenzorezistoriv lezhit yavishe p yezorezistivnogo efektu Za dopomogoyu tenzorezistoriv mozhna vimiryuvati deformaciyi mehanichno pov yazanih z nimi elementiv Tenzorezistor ye osnovnoyu skladovoyu chastinoyu tenzodatchikiv sho zastosovuyutsya dlya nepryamogo vimiryuvannya sili tisku vagi mehanichnih napruzhen tosho Deformaciya tenzorezistora Znachennya oporu pokazani umovnoBudovaOsnovoyu tenzorezistora sluzhit chutlivij element metalevij chi napivprovidnikovij elektrichnij opir yakogo zminyuyetsya proporcijno do mehanichnogo napruzhennya na poverhni ob yekta doslidzhennya Cej element vikonuyetsya u viglyadi reshitki zazvichaj z konstantanovogo splavu i roztashovuyetsya na pidkladci z poliamidu abo inshogo materialu Zzovni reshitka pokrivayetsya zahisnoyu plivkoyu Dlya kriplennya do poverhni ob yekta vimiryuvannya perevazhno zastosovuyetsya klej a pri visokih temperaturah tochkove privaryuvannya pidkladki yaka u comu vipadku ye metalevoyu Princip robotiPrincip diyi dobre proilyustrovanij na kartinci za odnim nevelikim zauvazhennyam v realnosti zmini oporu velmi mali i vimagayut precizijnih pidsilyuvachiv abo ACP Vin polyagaye v zmini elektrichnogo oporu providnikiv i napivprovidnikiv pri yih mehanichnij deformaciyi Klasifikaciya tenzorezistorivOdinichnij drotovij tenzorezistor Potrijnij folgovij tenzorezistor Tenzorezistorna rozetka Membranna tenzorezistorna rozetka Za tipom chutlivogo elementa Za tipom chutlivogo elementa tenzorezistori podilyayutsya na folgovi drotovi j napivprovidnikovi U folgovih tenzorezistoriv chutlivij element vigotovlyayetsya z folgi tovshinoyu dekilka mikron Material splav Ni Cu abo Ni Cr Ci datchiki mayut mali rozmiri i vigotovleni metodom fototravlennya sho robit yih vidnosno nedorogimi Ci tenzorezistori ye universalnimi u vikoristanni Vse ce obumovlyuye yih masove zastosuvannya v riznih oblastyah vimiryuvan U drotovih tenzorezistorah yak chutlivij element v nih vikoristovuyetsya drit zi splavu Ni Cu abo Ni Cr tovshinoyu 13 25 mikrometriv Tak vigotovlyayutsya tenzorezistori na paperovij pidkladci specialni tenzorezistori dlya betonu tenzorezistori na veliki deformaciyi i specialni tenzorezistori dlya visokih temperatur U napivprovidnikovih rezistorah chutlivij element vigotovlenij z monokristalu kremniyu koeficiyent chutlivosti takih tenzorezistoriv mozhe dosyagati 90 200 Ce robit yih pridatnimi dlya vimiryuvannya mikroskopichnih deformacij i virobnictva visokochutlivih datchikiv Mozhut navit pracyuvati bez dodatkovogo pidsilyuvacha elektrichnogo signalu Odnak cej tip tenzorezistoriv u znachnij miri chutlivij do temperaturi a takozh nedostatnyu linijnist sho obmezhuye oblast yihnogo zastosuvannya Za materialom pidkladki Harakteristiki materialu pidkladki povinni vidpovidati harakteristikam chutlivogo elementa Zazvichaj dlya pidkladki vikoristovuyut poliamid papir fenol formaldegidni materiali ta inshi tipi polimeriv Visokotemperaturni tenzorezistori mayut keramichnu pidkladku Dlya tenzorezistoriv sho privaryuyutsya yak material pidkladki vikoristovuyutsya taki hromo nikelevi splavi yak Inconel 600 HN60VT Za velichinoyu bazi vimiryuvannya Za velichinoyu bazi vimiryuvannya dovzhinoyu chutlivogo elementa tenzorezistori buvayut dlya vimiryuvan na bilshosti metalevih materialiv najbilshe pridatni tenzorezistori z bazoyu 1 6 mm dlya vimiryuvan serednih za velichinoyu deformacij na betoni chi derevini struktura yakih u znachnij miri ye riznoridnoyu zastosovuyutsya tenzorezistori z dovzhinoyu reshitki 30 120 mm dlya skloplastikiv vikoristovuyutsya tenzorezistori z bazoyu 5 30 mm u zalezhnosti vid tovshini volokon ta vidstani mizh nimi Yaksho tovshina volokon ye maloyu vikoristovuyut tenzorezistori z bazoyu menshoyu vid 5 mm yaksho vimiryuvannya provodyatsya v obmezhenij zoni chi v tochci koncentraciyi napruzhen to slid zastosovuvati malobazni tenzorezistori do 1 mm Yaksho zh vikoristovuvati dovshu bazu vimiryuvannya dadut userednene znachennya deformaciyi a pikovi znachennya ne budut vimiryani Za chislom chutlivih elementiv ta yih geometrichnoyu konfiguraciyeyu Tenzorezistori vipuskayutsya z riznoyu geometrichnoyu konfiguraciyeyu chutlivih elementiv odinichnij bazova konfiguraciya tenzorezistoriv chutlivist yakih spryamovana uzdovzh pozdovzhnoyi osi reshitki Pri vidomomu napryami deformacij odinichnij tenzorezistor nakleyuyetsya vidpovidno do cogo napryamu u podvijnih tenzorezistorah reshitki zoriyentovani uzdovzh dvoh osej roztashovanih pid pryamim kutom i vikoristovuyetsya dlya bagato osovogo vimiryuvannya deformacij napruzhen abo u datchikah sho pracyuyut na proste stiskannya Takozh voni vikoristovuyutsya dlya vimiryuvannya deformacij zsuvu i v datchikah krutnogo momentu Linijnij tenzorezistor z fragmentom trasi z ye dnuvalnih drotivpotrijni tenzorezistori rozetki vikoristovuyutsya u vipadku koli napryam deformaciyi ye nevidomim i ye potreba provedennya analizu napryamu deformaciyi Pidklyuchenij rozetochnij tenzorezistor na fragmenti vertolitnoyi lopatidlya provedennya specializovanih vimiryuvan vikoristovuyut osoblivi konfiguraciyi tenzorezistoriv vklyuchno z tenzorezistorami dlya vimiryuvannya koncentraciyi napruzhen u yakih 5 reshitok roztashovani na odnij osi j tenzorezistori stijki do vplivu zminnih magnitnih poliv dvi reshitki yakih roztashovani tochno odna nad odnoyu abo membranni tenzorezistorni rozetki Za velichinoyu elektrichnogo oporu 120 Om ye standartnim dlya tenzorezistoriv yaki vipuskayutsya u najbilshomu asortimenti pri minimalnij cini Vikoristannya tenzorezistoriv z vidminnim vid 120 Om oporom mozhe buti docilnim u nastupnih vipadkah 60 Om dlya vipadku sumisnogo vikoristannya dvoh tenzorezistoriv z metoyu korekciyi pohibki nakleyuvannya 350 500 Om datchiki zazvichaj potrebuyut porivnyano velikoyi naprugi zhivlennya mostiv Takozh koli potribno zmenshiti vpliv temperaturnogo efektu pri naklejci na materiali z nizkoyu teploprovidnistyu napriklad plastik 1 kOm i vishe za vimogoyu datchikiv do pidvishenogo naprugi zhivlennya Takozh koli aparatura dlya roboti z tenzorezistorami vimagaye nizkogo energospozhivannya 10 kOm napivprovidnikovi dlya visokoshvidkisnih vimiryuvan takih yak udar bez vikoristannya pidsilyuvacha elektrichnogo signalu Priklad zastosuvannyaDiv takozhTenzometriya P yezorezistivnij efektDzherelaGOST 21616 91 Tenzorezistory Obshie tehnicheskie usloviya Makarov R A Renskij A B i dr Tenzometriya v mashinostroenii spravochnoe posobie pod red R A Makarova M Mashinostroenie 1975 288 s Levshina E S Novickij P V Elektricheskie izmereniya fizicheskih velichin L Energoatomizdat 1983 320 s Klokova N P Tenzorezistory Teoriya metodiki rascheta razrabotki M Mashinostroenie 1990 224 s ISBN 5 217 00990 X PosilannyaTenzorezistory Princip raboty Ce nezavershena stattya pro elektroniku Vi mozhete dopomogti proyektu vipravivshi abo dopisavshi yiyi
Azərbaycanca
Беларускі
Dansk
Deutsch
Española
Français
Indonesia
Italiana
日本語
Қазақ
Lietuvos
Nederlands
Português
Русский
සිංහල
แบบไทย
Türkçe
Українська
中國人
United State
Afrikaans
