|
| |
|
Слаботочка Книги 2,25 2,20 2,15 2,10 п,% о -0,1 -0,2 -0,3
0,4 1,,мм Рис. 47. Расчетные зависимости чувствительности (а) и ползучести (б) фольговых тензорезнсторов с базой 2 мм от длины концевого участка / - с учетом влияния Iftm- 2 -при fc-o (#-ФКП1-2-200; X - ФК-2-100; Д - ФК-2,2-100) шения ширины нити уменьшается по абсолютной величине и, переходя через нуль, становится положительной. Для тензорезнсторов с базами 0,5-1,0 мм эта зависимость еще более резкая. Так, например, тензорезисторы ФКП1-1-100 при ширине нити 0,023 мм имеют экспериментально определенные средние в выборке /(=2,30 и П = 0,110%, а при ширине 0,028 мм -/(=2,26 и П = 0,050%. Поэтому для уменьшения рассеяния характеристик в партиях малобазных тензорезнсторов следует их изготовлять с малыми рассеяниями по ширине нити. Еще более резкое влияние на характеристики чувствительности и ползучести оказывает длина /i концевых участков. На рис. 47 приведены расчетные зависимости /(pac=/(/i) и Прас= -fih) для тензорезнсторов с базой 2 мм, а также экспериментальные значения для некоторых типов тензорезнсторов с теми же геометрическими размерами. Как видно, уменьшение li приводит к снижению чувствительности и к увеличению по абсолютной величине отрицательных значений ползучести. Причем, чем меньше k, тем больше производная кривых /(pac=/(/i) и Прас=/(/1)> ЧТО приводит также к большему рассеянию характеристик в партиях тензорезнсторов из-за различия значений li у отдельных тензорезнсторов в партии. Действительно, при одновременном исследовании выборок (по 10-14 шт.) тензорезнсторов с базой 3 мм получено, что тензорезисторы Топкинского механического завода 2ФКПА-3-100 с относительно длинными концевыми участками /i = 0,505 мм при среднем квадратическом рассеянии S;,=0,006 мм имеют более стабильные характеристики чувствительности и ползучести как по значению, так и по рассеянию их в выборке (/(=2,21, 8к= = 0,7%; П = -0,049%; Sn=0,031%), в то время, как выборки тензорезнсторов ПО «Веда» типа КФ5П1-3-400 концевыми участками /i = 0,098 мм с меньшим их разбросом (5г, ==0,003 мм) имели /(=2,17; S„=l,4%; П=-0,352%; Sn=0,081 %. Тензорезисторы последнего типа, но с базой 1 мм (КФ5П1-1-100) имели при /i = 0,lll мм и S;,=0,003 мм еще менее стабильные характеристики: /(=2,04;5„=2,3%; П = -0,968%; Sn=0,267%. Расчетные значения характеристики исследованных тензорезнсторов были близки к экспериментальным: /Срас=2,22; Прас=-0,052%-для тензорезнсторов 2ФКПА; /(рас=2,17; Прас = -0,331 %-для тензорезнсторов КФ5П1-3-400; /(рас = 2,08; Прас=-0,894%-для тензорезнсторов КФ5П1-1-100. Из анализа этих данных следует, что для получения более стабильных характеристик тензорезисторы типа КФ5П1 нужно изготовлять с более длинными концевыми участками. Толщина нити чувствительного элемента, ширина концевого и контактного участков и даже база тензорезнстора влияют иа чувствительность и ползучесть в меньшей степени. В основном их влияние проявляется при очень малых базах (0,5-1,0 мм). Таким образом, у одного и того же типа и даже типоразмера фольгового тензорезнстора, изменяя ширину иити его чувствительного элемента, длину концевого участка, можно получить отрицательные и положительные значения ползучести. Причем, как показали исследования тензорезнсторов, проведенные на установке с постоянным во времени значением прогиба балки, положительные значения ползучести сохраняются во всем диапазоне рабочих температур, линейно возрастая при повышении температуры. Так, на рис. 48 приведены средние для выборок тензорезнсторов значения часовой ползучести при различных температурах от 20 до 125°С. Как видно, часовая ползучесть тензорезнсторов со связующим из лака ВЛ-6 при температурах 20-80°С линейно (примерно на 0,020-0,030%/"С) возрастает, оставаясь положительной, а по достижении 110-120°С ползучесть резко меняет знак и, возрастая по абсолютной величине, доходит до -9- - 10%. Аналогичные результаты резкого увеличения (по абсолютной величине) ползучести при 90-100°С наблюдаются у тензорезнсторов ФК-1,5-100, -0,5 -1.0 Рис. 48. Часовая ползучесть при различных температурах фольговых тензорезнсторов: /-ФКП-1-100: г-ФКП2(33)-1-100; 3 -ФК-1,3-100 -1,5
50 100 имеющих при комнатной температуре отрицательную ползучесть около -0,100%. Эти увеличения связаны с изменением физико-механических свойств связующих при температурах, близких к температурам стеклования полимеров (см. rjj,, 3), входящих в состав лака ВЛ-6. В результате операции травления при изррдовлении геометрические размеры фольговых тензорезисторсф даже имеющих сопротивления, близкие к номинальному, отл»Ч5Ются от размеров, заданных в негативах, примерно иа 14-Г-18 мкм. Причем размеры а, и /[ уменьшаются, а размер а, увеличивается на это значение, что следует учитывать при задании размеров контурам негативов фольговых тензорезисторов по заданным расчетным значениям ползучести тензорезисторов. . - 3. КОМПЕНСАЦИЯ ВРЕМЕННЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С ПОМОЩЬЮ ФОЛЬГОВЫХ ТЕ1Д)?ЕЗИСТ0Р0В В прецизионных измерительных устройствах наиболее широко используются фольговые тензорезисторы прямоугольного типа ФКП1. Для получения заданных значений полэу?фт1 у таких тензорезисторов в одном типоразмере удобнее всегф воспользоваться изменением длины перемычки 1\, так как, во.-евых, изменение i\ не сказывается на сопротивлении тензорезистора, а во-вторых, как было показано ранее, /Спер.ч и соответственно ползучесть Наиболее резко зависят от 1\. Изменения 1\ на есятые доли миллиметра, практически не изменяющие габаритные размеры тензорезистора, приводят к заметным изменения ползучести. Так, на рис. 49 приведена расчетная кривая зависимости ползучести при различных значениях 1\ для фольговых те1{)езисторов с базой 3 мм. Здесь и далее в скобках указан1аЕДлнна концевого участка контура в негативе. При расчете геометрические размеры был приняты отличающимися от указанных в негативе на 16 мкм 0,034 мм, ai = = 0,067 мм, 02 = 1,184 мм), остальные параметрЛ приняты такими же, как в параграфе 2 гл. 4. •, Для компенсации необходимо также знать унругое последей- /7,% -Щ 100 0,1 0,2 0,3 0,4 0JS 0,6 0,7 1,мм Рис. 49. Редетная зависимость ползучести ЯРовых тензорезисторов с бзй 3 мм сопротивлением 400 ОЦ от длины концевого участка /[. " "Точки - эксперимен-тал1уе значения: Щ. Х-ФК?!»-.>"«>0 (0,2), партии 1 в 2; О, Д - 5ЙдаЬЗ-400 (0,3). партии 1 и 2; □, V. il Д - ФКП1-3-400 (0,4) (тив 1-4 ствие (ползучесть) материалов, из которых изготовляются упругие элементы измерительных устройств. Наиболее широко в практике создания тензорезисторных измерительных устройств применяются такие материалы, как сплав алюминия Д16Т, улучшенная сталь ЗОХГСА, высокопрочная сталь 30Х2ГСН2ВМ (ВЛ-1). Исследования упругого последействия, проведенные с использованием лазерного измерителя перемещений [63], а также методом голографической интерферометрии [80], показали, что ползучесть за счет упругого последействия за 1 ч для сплава алюминия Д16Т составила 0,050%; для стали ВЛ-1-0,075%; для стали ЗОХГСА - 0,05-0,06%. Имеются новые опытные сплавы для прецизионных измерительных устройств, такие, как 37НКВТЮ (ЭП920) и 36НХКБТЮ (ВУС-17), имеющие ползучесть, вызванную упругим последействием за 30 мин 0,005 и 0,050% соответственно [84]. Из ряда разработанных фольговых тензорезисторов прямоугольной формы типа ФКП1 наиболее широко для измерительных устройств используются тензорезисторы с базой 3 мм и сопротивлением 400 Ом. Из расчетной кривой (см. рис. 49) следует, что у тензорезисторов ФКП1-3-400 (0,4), имеющих /i»;0,382-f-0,386, ползучесть составляет примерно -0,026%. Исследования выборок из шести различных партий тензорезисторов ФКП1-3-400 (0,4) показали (табл. 14), что ползучесть этих тензорезисторов изменяется в пределах -0,020-=-0,037%. Такие значения ползучести могут привести только к частичной компенсации при установке тензорезисторов на упругие элементы из Д16Т и ВУС-17 (Пб = 0,050%) и стали ЗОХГСА (Пб = = 0,060%). Исследования элементарного динамометра (консольная балка из сплава Д16Т с тензорезисторами ФКП1-3-400), в котором ползучесть упругого элемента определялась с помощью лазерного измерителя перемещений «Консоль», а суммарная ползучесть выходного сигнала Пв.с (алгебраическая сумма ползучести упругого элемента и тензорезисторов) - с помощью цифрового интегрирующего вольтметра, показали, что при всех де(ормациях от 400 до 2000 млн- часовая ползучесть выходного сигнала динамометра составила 0,035% при ползучести упругого элемента 0,050%. Уменьшение h до 0,3 мм (в негативе) привело к тому, что исследуемые выборки двух партий тензорезисторов ФКП1-3-400 (0,3) имели ползучесть -0,049 и -0,070% (см. табл. 14), что близко к расчетным значениям. Такие тензорезисторы позволяют компенсировать влияние упругих несовершенств измерительных устройств из сталей ЗОХГСА и ВУС-17 (Пб = 0,050н-0,060%), а также их можно использовать для компенсации упругих несовершенств балок из стали ВЛ-1 (Пб = 0,075%).
Уменьшение /] до 0,2 мм (в негативе) приводит к ползучести тензорезнсторов, равной по расчету Ярас=-0,090%. Исследуемые две партии тензорезнсторов ФКП1-3-400 (0,2) с /i« 0,180 мм имели ползучесть П = -0,082--0,090% (см. табл. 14), что позволяет компенсировать упругие несовершенства некоторых алюминиевых сплавов. Для измерительных устройств, изготовляемых из опытной стали ЭП920, практически не имеющей ползучести (Пб=0,005% за 30 мин), длину концевых участков у тензорезнсторов ФКП1 с базой 3 мм следует увеличить до /i = 0,554-0,6 мм. Экспериментальные значения ползучести, полученные у разработанных тензорезнсторов, нанесены на рис. 48, откуда следует, что выбранные по кривой геометрические параметры тензорезнсторов приводят к значениям ползучести, близким к заданным при проектировании тензорезнсторов, тем самым подтверждается правильность расчетных формул и применимость их для разработанной методики уменьшения несовершенств упругих элементов прецизионных измерительных устройств с помощью фольговых тензорезнсторов. 4. ВЛИЯНИЕ НА КОМПЕНСАЦИЮ СВЯЗУЮЩИХ ТЕИЗОРЕЗИСТОРА Как было показано в гл. 3, ползучесть тензорезнстора в основном определяется вязкоупругими свойствами связующего. Од- нако, если геометрические размеры фольгового тензорезнстора выбраны таким образом, что потери в коэффициенте передачи малы, т. е. /Спер.ч близок к 1, то ползучесть тензорезнстора мало зависит от типа клеев и тепловой обработки, применяемых при установке тензорезнсторов. Если же у тензорезнсторов геометрические размеры таковы, что /Спер.ч заметно отличается от 1, то свойства клея и его тепловая обработка начинают заметно влиять на ползучесть тензорезнсторов. Так, на элементарный динамометр (консольную балку) из стали ЗОХГСА (Пб = 0,060%) были установлены тензорезисторы ФКП1-3-400 (0,4) (а=0,035 мм, /i = 0,385 мм), имеющие /Спер= = 0,0030, и тензорезисторы ПО «Веда» КФ5П1-3-400 (а= Таблица 15
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 [16] 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 |