Tensoresisztív ip - stadopedia
A törzs-rezisztens PI-k hatásának alapja a törzs effektusának a jelensége, amely a vezetők és a félvezetők elektromos ellenállásának megváltoztatásán alapul, amikor azok deformálódnak (azaz amikor a méretek megváltoznak).
A törzsanyag-mérő anyag ellenállásának r-ra gyakorolt hatását az el deformációra az alábbi képlet adja meg
ahol r0 az el = 0 ellenállás; a a rezisztencia deformációs együtthatója, amelyet:
Egy négyzet vagy kör keresztmetszetű minta lineáris deformációjával a keresztmetszeti dimenziója is változik, a hosszváltozás a keresztirányú dimenzió változása miatt következik be, és ezt a kapcsolatot a Poisson aránya m
ahol b a keresztirányú dimenzió; eb a relatív keresztirányú deformáció.
Az anyag rezisztenciájának változása és a minta dimenziójában az el deformáció alatt megváltozik az ellenállása, amely az
ahol R0 a kezdeti ellenállás.
A törzs-rezisztens PI egyik jellemzője a K érzékenység együtthatója, amely a törzs mérő DR / R0 rezisztenciájának relatív változásának aránya a Dl / l relatív törzs értékéhez viszonyítva. A (16) használatával megkapjuk
A fémek esetében a Poisson aránya m> 0,24 ¸ 0,5, az aP »0,2-0,6 [12] deformációs együttható és a törzsérzékenység K» 2 együtthatója.
Folyadékok esetén a = 0 (a térfogat nem változik a deformációs folyamat során), m = 0,5, ezért QBID = 2.
A vezetőképes törzs-rezisztens PI-k esetében, mivel (1 + 2m) lényegesen nagyobb, mint az aP. feltételezzük, hogy K = (1 + 2m) [10].
A félvezető anyagok mintái esetében >> m, és ezért K> a, és az érzékenység együtthatója 120 vagy több lesz, és a K jele lehet pozitív vagy negatív. A félvezetőtörzs-mérők feszültség-érzékenysége 50-100-szor nagyobb, mint a fémtörzs-mérőké.
A tenzoreszív PI anyagai és követelményei
A törzs-rezisztens PI (törzs-mérőeszközök) anyagait a következő tulajdonságokkal kell jellemezni: a törzs-érzékenység koefficiensének nagy értéke; nagy ellenállóképesség; a TCS alacsony értéke; a thermoEMF hiánya a kapcsolatokban; függvény linearitása R = f (el).
Az alkalmazott anyagok vezető és félvezető anyagok. A leggyakrabban használt szilárdtest-vezetékek és félvezető anyagok jellemzőit az 1. táblázatban adjuk meg.
Törzs-rezisztens PI-k osztályozása és tervezése
Az érzékelőelem anyagának fázisállapotától függően megkülönböztethetők a szilárd állapotú és a folyadék-rezisztens PI-ek.
Szilárd állapotú anyagok: huzal, fólia és film.
A huzal nem ragasztott és ragasztva lehet.
Nenakleivaemye (szabad) Vékony-SP készült formájában egy vagy több vezetékek 1, rögzített végeinél a mozgatható és a rögzített 2 és 3 rész szerepét betöltő a rugalmas elem (ábra. 4 a). Az 1. ábrán. A 4b. Ábrán egy ragasztott huzalhosszúságmérő eszköz látható. A szubsztrátum 1 (egy csík papír vagy film) ragasztva tömb cikcakk megállapított vékony drót 2 átmérőjű 0,02-0,05 mm, amelynek végei kapcsolódnak a réz terminálok átalakító fedelet 3. A tetején lakkréteg.
A vezetéktörzs-mérők hátránya, hogy a kerekítési területek érzékelik, hogy a deformáció gyengébb (merevebb), mint a lineáris szakaszok, így a CRP anyag mintájának törzsérzékenységének együtthatója "(0,7 ¸ 0,96) K. A kiterjesztett kerekítési területek jelenléte a keresztirányú érzékenység megjelenéséhez vezet. A vezetékes törzsek esetében a keresztirányú és a hosszanti érzékenység arányát a b / L arány határozza meg. A keresztirányú érzékenység a hosszanti érzékenység 0,25-1% -a.
A fóliatörzsek fotomechanikus módon készülnek. Egy 4 fólia munkadarabon ¸ 12 μm (állandó, arany-ezüst ötvözetek) egyik oldalán egy réteg lakkot alkalmaznak, másrészt egy fényérzékeny réteget, amelyen a törzsfej érzékeny elemének kialakítása várható. Ezután ez a mintázat megnyilvánul és rögzül (saválló lakkal borított). A maratás után a mintának megfelelő fóliarészek maradnak (4c. Ábra). A fóliavastagságmérők esetében a keresztirányú érzékenység sokkal kisebb a keresztirányú szakaszok kiterjedése miatt.
A film PI-t törzsérzékeny anyag vákuumdesztillációjával állítjuk elő, majd egy szubsztráton keresztül maszkra kondenzáljuk. A filmtörzsek esetében mindkét fém anyagot, például titán-alumíniumötvözeteket és félvezető anyagokat, például germániumot és szilíciumot használnak. A filmtörzsek vastagsága kisebb, mint 1 μm.
A fólia- és filmtörzs-mérőeszközök előnye, hogy egy maszk által definiált alakot kapnak.
A folyadéknyomásmérők 0,1-0,5 mm belső átmérőjű, higany vagy elektrolit töltött gumi kapillárisok.
A folyadéktörzs-mérők lehetővé teszik a nagy relatív deformációk 30-50% -os átalakítását.
Ezeknek a PI-knek a hátrányai alacsony kezdeti ellenállás, például a higany-átalakítók kezdeti ellenállása 1 Ohm és nagy TCR.
A félvezető törzs mérőcsöveket általában germániumból vagy szilíciumból állítják elő, amely ellenállásoknak felel meg (2 × 10 -4 ¸ 2 × 10 -3) Ohm × m vékony csíkok formájában, amelyek bizonyos kristályos tengelyek mentén vágódnak. Például p-típusú szilikon csíkokat vágnak az irányba. és az n típusú szilíciumból az irányba. A törzsek előállításához germánium p és n típusúak is használatosak. A félvezető törésmérők hossza 2-12 mm, szélessége pedig 0,15-0,5 mm.
A félvezető törésmutatók jellemzői: nagy érzékenység és nemlinearitás.
Jelenleg integrált félvezetőtörzs-mérõket állítanak elõ, amelyeket szilícium vagy zafírból készült rugalmas elemen közvetlenül termesztenek. Ezek az elasztikus elemek rugalmas tulajdonságai közel állnak az ideálishoz, és lényegesen kisebb a hiszterézis és a linearitás a fémesekkel összehasonlítva. Egy rugalmas elem általában több ellenállást termel, amelyek félhídhoz vagy hídhoz kapcsolódnak, és kompenzáló elemek. Ez a technológia lehetővé teszi a hibák számottevő csökkentését a törési gátak és a külső körülmények nem azonossága miatt. Az integrált törzs mérők CNC szerkezetek (szilícium szilícium) és CNS szerkezetek (szilícium, zafír) formájában készülnek.
A törzsek főbb jellemzői
A törzs-rezisztív átalakítók jellemzői közé tartozik: a törzsérzékenység koefficiense, a mérési bázis, a kezdeti ellenállás és a hibák. Az általános célú törzshöz tartozó paramétereket a GOST 21616-91 "Szűrőelemek általános előírások" szabályozzák.
Az L mérési bázis az átalakító által elfoglalt rész hossza (lásd a 4b. Ábrát).
A konverter alapjai 1.0-nál kisebbek ¸ 100 mm, és a kezdeti ellenállás 10-1000 Ohm. A leggyakrabban használt huzal átalakítók 5-20 mm-es bázisok és 30-500 ohm kezdeti ellenállása. Az alapcsökkentés speciális konstrukciókkal érhető el. Például kétrétegű törzsrétegben az alap 1,5-3 mm lehet.
A fóliátalakítók mérőállása 0,8 mm lehet.
A félvezető törésmérők hossza 2-12 mm, a kezdeti ellenállás pedig 50-10000 Ohm tartományban van.
A törzs-rezisztív PI pontossága
A törési ellenállás PI-k hibái: hőmérséklet-hiba; kalibrációs hiba; linearitási hiba; hiba a ragasztó csúszása miatt.
Hőmérséklet hiba történik megváltozása miatt a kezdeti nyúlásmérő ellenállás és Gage tényezője a hőmérséklet változása, t. E. Hőmérséklet GAGES rejlő hiba nulla és az érzékenység.
Ragasztott nyúlásmérő bélyegek nulla hiba keletkezik változások a rezisztencia miatt bekövetkező egyenlőtlen hőmérséklet jellemző hőtágulási tényezők a nyúlásmérő anyagot, és egyéb elemeket, amelyek egy nyúlásmérő kapcsolódik, és a jelenléte nem nulla TCR Gage.
Az érzékenységi hiba a hőmérséklet-érzékenység koefficiensének függvénye.
A nulla hõmérsékleti hibát a függõség jellemzi
ahol aR a törzstérfogat hőmérséklet-együtthatója; A bD és a bTP a rész anyagának lineáris kitágulási hõmérsékleti együtthatói és a törzsköteg.
A DelT = 0 hiba megszerzéséhez meg kell felelnie
Egyes anyagok nyúlásmérőkkel van értéke a hőmérsékleti együtthatója ellenállás amely abban rejlik széles tartományban, és a TKr megjelölés lehet pozitív vagy negatív (például, Constantan lehet belüli bármely érték ± 30 10 -6 K -1). Ez a tulajdonság teszi lehetővé termokompenzált törzsek gyártását számos anyaghoz (például acélhoz, alumíniumhoz stb.), Amelyek jelentősen csökkentik a hőmérsékleti hibát 0-tól 0,015% -ig. A félvezetők számára ilyen kompenzáció nem lehetséges, például egy acélhoz ragasztott szilícium átalakító esetében, amely 1,6% / K-ot ér el.
Hőmérséklet érzékenység hiba függ a nyúlásmérő anyagot és abban rejlik, hogy nagyon sokféle ezred százalékkal Kelvin vezetésénél nyúlásmérő bélyegek és néhány század - a félvezető.
A vezetéktörzs-mérők hőmérsékleti hibája elsősorban additív, és a differenciál mérési módszert széles körben alkalmazzák annak csökkentésére. Ehhez két vagy négy törésmérő áramkört használhatunk. Tekintsünk egy befogást két törzsmérővel. Az RT1 munkaterhelés ragasztva van a mért deformáció mentén. és a kompenzáló RT2 van rajta (5a. ábra). A törzselemek a híd szomszédos vállára vannak kötve (5b. Ábra) és RT1 = RT2.
Az RT1 és RT2 törésmutatók ellenállásának hőmérsékletváltozása azonos a jelben és az értékben (ugyanaz az anyag ugyanazokban a körülmények között van), ezért a híd kimeneti feszültsége
ahol Kl a longitudinális törzsérzékenység együtthatója; Kb a keresztirányú törzsérzékenység koefficiense; el - hosszanti deformáció; eb a keresztirányú deformáció.
Így a (18) egyenletből látható, hogy ideális esetben a hőmérséklet nem befolyásolja a mérési eredményt.
Alapvetően Gage átalakítók egyetlen mozdulattal, ahogy vannak ragasztva a rész és nem lehet eltávolítani károsodás nélkül. Ezért a gyakorlatban bizonyos számú törzsmutatót egy tételből kalibrálnak. Az R0 és a K átlagértékének számjegyeit a tétel összes átalakítójára vonatkozóan elfogadják. Ebben az esetben a kalibrációs hiba 1-5% lehet. A munkaátalakító egyéni kalibrálásával ez a hiba akár tized százalékra is csökkenthető.
a lineáris eltérés határozza meg a deformáció kapacitás és a függőség együtthatója félvezető nyúlásmérő bélyegek Gage alkalmazott mechanikai behatásoktól. A linearitási hiba elérheti a százalékos egységet.
Ragasztott törésmérők esetén a technológia megsértése jelentős hibákat okozhat. Jellemzői a megkeményedett ragasztó és az érzékelő bázisok okozhat hatások polzuchesti.Polzuchest - jelenség Gage megváltozik ellenállást, amikor El ¹ 0 = const időben. Magasabb hőmérsékleteken ez a hatás sokkal hangsúlyosabb [14]. A kúszás okozta hiba értéke 0,05-0,2%.
Üzemi hőmérséklet-tartomány határozza meg a törzs GAGES elsősorban kizárólagosan, a ragasztók, és a hőmérséklet a 350-600 0 C statikus deformációkat és 600-800 0 C (speciális módszerekkel való kapcsolódási 1000 0 C) alatti dinamikus deformáció.
A törzs-rezisztív PI rögzítése
Számos módszer alkalmazható a törzshálózat mérési objektumhoz való csatlakoztatására:
1. Ragasztás végezzük bakelitofenolnyh ragasztók, lakkok szerves alapú gyanták, és mások. (Normál és magas hőmérsékleten), magas hőmérsékleten speciális cementek, vagy vízüveg polisziloxánok különböző töltőanyagok és mások.
Használhatók továbbá az cementek Kotinskaja típusú ragasztó, amely lehetővé teszi újrafelhasználását piezorezisztív SP otkleyki történő melegítéssel példány. A Kotinsky ragasztója hőre lágyuló anyag lágyulása 140 ° C hőmérsékleten.
2. Csatlakoztatás félvezető technológián:
a) diffúz technológia - Gage diffúziójával képződött szennyeződések a kiválasztott vékony réteg a felület a rugalmas elem (gerenda membránok) készült Si egykristály magas R, vagy az ellentétes vezetési, hogy hozzon létre egy izolált p-n átmenet;
b) autoepitaxial technológia - Gage képződött lerakódást monokristályos félvezető réteget, ahol a kristályrácsban amely folytatása a kristályrács a rugalmas elem készült félvezető anyag ugyanolyan típusú, mint a nyújtható réteg. A törzsfolt izolálását a rugalmas elemből a pn csomópont végzi;
c) heteroepitaxiális technológia - Gage képződött lerakódást monokristályos félvezető réteg egyik felületén egy elasztikus tag készült dielektromos egykristály (zafír). Itt a törzs gage kristályrács a rugalmas elem kristályrácsának kiterjesztése, de egy másik kristályos rendszer.
3. ötvözéssel: a rugalmas elem kvarcból, szilícium nyúlásmérő platina fonalszerű pin ötvözött a felületet a rugalmas elem az alacsony hőmérsékletet (Tm = 300-350 0 C) ólom-üvegtesti. Méltóság - stabil és alacsony kúszás <0,5%.
A törzs-rezisztens PI-k alkalmazási területei
A rezisztív törésmérőket statikus és dinamikus deformációkat mérő készülékekben használják. A legtöbb vezetékes, fólia és fém fólia nyúlásmérő mérésére a relatív statikus deformációk El 0,005 - 1,5-2% Megjegyzendő, hogy a film GAGES néhány fémötvözetek, így például, a titanoalyuminievyh, mérését teszik lehetővé a statikus törzs 12%. A vezeték nélküli (ingyenes) törésmutatók lehetővé teszik a deformáció mérését is 5-10% -ig. Folyékony (rugalmas) törésmérők vezetése lehetővé teszi az anyagok nagy deformációinak mérését (akár 30-50%).
A félvezető törésmérők lehetővé teszik a statikus deformációk mérését 0,1-0,2% -ig.
A dinamikus deformáció mérésekor a frekvenciatartományt az 1 hullámhossz és a törzsháló L alapja közötti reláció határozza meg, így az L / l 0,1 értéknek teljesülnie kell. A vezetéktörzs-mérők maximális törzse általában nem haladhatja meg a 0,1% -ot, a félvezetőtörzs pedig 0,02%.
A törésmérőket a deformációval átalakított mennyiségek mérésére is használják (6. ábra): a) mechanikai erők; b) nyomások; c) gyorsulások.