Тензоэффект Тензоэффектом называется свойство проводниковых и полупроводниковых материалов изменять

Тензоэффект
Тензоэффектом называется свойство проводниковых и полупроводниковых материалов изменять
электропроводность (электрическое сопротивление) при изменении объёма или напряжённого
состояния.
У полупроводников материалов тензоэффект связан со значительным изменением удельного
сопротивления; знак тензоэффекта зависит от типа проводимости полупроводникового
материала, а величина – от кристаллографического направления. Наиболее сильно
тензорезистивный эффект выражен в полупроводниковых кристаллах германия и кремния. Для
создания полупроводниковых тензорезистивных элементов применяются преимущественно
кремний, поскольку он, по сравнению с германием, имеет более высокую тензочувствительность,
большую механическую прочность и выдерживает более высокие температуры.
Тензометрические свойства кремния анизотропны и зависят от кристаллографических
направлений. Наибольшей тензочувствительностью обладают тензорезисторы, у которых
направление деформации совпадает с кристаллографическим направлением.
Современные металлические тензорезисторы изготавливают на основе тонкопленочной
микроэлектронной технологии. Тонкопленочная технология позволяет сформировать
диэлектрический, тензорезистивный и токопроводящий слой на специальной подложке при
изготовлении датчиков деформации или непосредственно на металлической мембране, или
балке при изготовлении датчиков давления и силы. За счет этого повышается стабильность
характеристик, расширяется температурный диапазон, уменьшается база металлопленочных
датчиков. Недостатком металлических тензорезисторов является их низкая чувствительность k=2.
Тензодатчики
Простейший тензодатчик представляет собой проволочку сопротивлением, по всей длине которой
приложено механическое напряжение. Металлические тензорезисторы изготавливают из
константана, поскольку он характеризуется высоким удельным сопротивлением и низким
температурным коэффициентом сопротивления ТКС. Так же тензодатчики могут быть изготовлены
из других материалов: из нихрома, различных сплавов на основе Ni,Mo,Pt. Проволоку или фольгу
наносят на подложку (рис. 2), которая затем наклеивается на контролируемую деталь для
измерения деформации.
Рис. 2. Конструкция тензорезистора
Такая конструкция тензодатчика определяется необходимостью иметь сопротивление датчика в
десятки и сотни Ом, поэтому длину проволочки необходимо увеличивать. Длина чувствительной
зоны датчика l называется базой. У большинства современных металлических тензодатчиков база
l составляет от 7 до 10 мм. В настоящее время разработаны малобазовые датчики l = 1…3 мм,
позволяющие измерять деформацию на малой площади.
Тензодатчик состоит из:



тензочувствительного элемента (тонкая проволока, фольга, полупроводниковая пленка,
полученная напылением в вакууме, пластинка монокристалла и др.),
связующего (клея или цемента), который прикрепляет этот элемент к поверхности детали
и служит для передачи деформации от поверхности детали к тензочувствительному
элементу,
выводных проводников, предназначенных для соединения тензодатчиков в
измерительную схему.
В большинстве случаев тензодатчики для удобства изготовления, хранения и наклейки
изготавливаются с несущей основой, в качестве которой используются полоски из бумаги, лаковой
пленки, ткани, стеклоткани и других гибких материалов. Связующее и основа служат также в
качестве электрической изоляции чувствительного элемента от исследуемой конструкции.
Ползучесть тензодатчика
Ползучесть тензодатчика связана с явлением последействия (релаксации напряжений),
протекающим во времени в связующем тензодатчика при его деформации. Если быстро изменить
деформацию балки, на которую наклеен тензодатчик, то можно заметить, что приращение
сопротивления тензодатчика, установившееся сразу после изменения деформации, будет
уменьшаться во времени. Это уменьшение приращения сопротивления наклеенного тензодатчика
по сравнению с приращением сопротивления, установившимся сразу после изменения
деформации балки, принято считать характеристикой ползучести тензодатчика; ее обозначают в
относительных единицах сопротивления (∆R/R)п или просто П .
ползучесть зависит от многих факторов:



от упруго-вязких свойств связующего и основы;
от геометрических и механических параметров чувствительного элемента тензодачика и
балки, на которую тензодатчик наклеен;
от предварительной термообработки тензодатчиков после наклейки;

от температуры окружающей среды, с ростом которой ползучесть увеличивается и др.
Гистерезис
Гистерезисом принято считать разницу в относительных изменениях сопротивления,
наблюдаемых при одном и том же уровне деформации при нагрузке и разгрузке наклеенного
тензодатчика.
Температурным приращением сопротивления тензодатчика называется относительное
изменение сопротивления наклеенного тензодатчика при изменении его температуры.
Температурное приращение сопротивления тензодатчика (∆R/R)t можно записать в виде:
Где:
 - текущее значение температурного коэффициента сопротивления чувствительного элемента
t
тензодатчика;
 - текущее значение температурного коэффициента расширения материала пластины;
мt

nt
– текущее значение температурного коэффициента расширения материала чувствительного
элемента тензодатчика;
S – тензочувствительность чувствительного элемента;
n
t – начальная температура;
0
t – конечная температура.
В случае небольшого диапазона температур, когда можно считать, что величины  ,  и 
t
постоянны, можно пользоваться более простой формулой.
мt
nt
Типы датчиков
Тензорезисторные датчики типа «Т» представляют собой стальную пластинчатую балку изгиба.
Датчики этого типа выпускаются на нагрузки от 0 до 30 Н (3 кг) и характеризуются высокой
чувствительностью и линейностью характеристики.
Чувствительность датчиков этого типа сильно зависит от точки приложения действующей силы,
что может быть использовано при разработке приборов, регистрирующих смещение объектов.
Может использоваться в любых типах взвешивающих устройств и регистрирующей аппаратуры.
Тензорезисторные датчики типа «Б» представляют собой алюминиевую консольную балку сдвига.
Датчики этого типа выпускаются на нагрузки от 0 до 2 кН (200 кг) и характеризуются
нечувствительностью к смещению линии действия силы. Имеет малые размеры профиля (так
называемый «низкопрофильный» датчик), что позволяет с успехом использовать его в
платформенных весах.
Тензорезисторные датчики типа «В» представляет собой стальной мембранный датчик. Датчики
этого типа могут изготовляться на сжатие, растяжение и для регистрации знакопеременной
нагрузки. При этом датчики, изготовленные для работы на сжатие, могут иметь очень низкий
профиль. Датчики этого типа характеризуются высокой линейностью, и при прецизионном
изготовлении могут использоваться в качестве эталонных (некоторые экземпляры позволяют
достичь класса точности 0,01%).