|
| |
|
Слаботочка Книги 1. ЗАВИСИМОСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕНЗОРЕЗНСТОРОВ ОТ ВЛИЯЮЩИХ ВЕЛИЧИН Рассмотрим влияние на метрологические характеристики тензорезнсторов таких величин, как температура, время, влажность, цикличность деформации, цикличность перепадов температур и др. По ГОСТ 21616-76 нормируемыми параметрами характеристики чувствительности являются средние в партии значения чувствительности К и средние квадратические отклонения ее в партии 5к. Значения /С и 5к для различных типов тензорезнсторов в диапазоне рабочих температур от -200 до 600°С приведены на рис. 54. Тензорезисторы из константановой проволоки (1-П, СПК) имеют постоянную чувствительность /С в своем рабочем диапазоне температур. У тензорезнсторов из железохромалю-миниевых (BTXiO) и нихромовых (СПИ) проволок чувствительность снижается примерно на 0,035 и 0,015%/°С соответственно. В общем виде влияние температуры на чувствительность для больщинства тензорезнсторов можно выразить линейной функцией Ф.=о = 1-1-ВЛ (111) Средние квадратические отклонения чувствительности 5к для всех приведенных тензорезнсторов не зависят от температуры. Экспериментальный материал показывает, что такие влияющие величины, как длительное (примерно несколько месяцев и даже лет) время периодической эксплуатации при нормальной температуре для тензорезнсторов 1-П и ФК и длительное время эксплуатации при повыщенных температурах для специальных типов тензорезнсторов ЦНК, ЗСПК, ЗСПН, СКФ не влияют на средние значения К и разброс 5к. То же можно сказать о влиянии циклов деформации и многократ- I I i" ных перепадов температуры от 20°С до /max. ВлИЯНИС влаги на чувствительность всех тензорезнсторов детально не исследовалось. Известно только, что мосты из тензорезнсторов 1-П с влагозащитным покрытием из клея БФ-2 за 22 ч действия 90% влажности изменяли чувствительность в пределах ±0,2%. Однако высокая влажность сильно влияет на другие характе-
-200 Рис. 54. Зависимость от температуры средней чувствигельностн К (-) и среднего квадрагнческого отклонения S, (---) тензорезнсторов: i-4-ВТХЮ, 1-П, ЗСПК, ЗСПН соответствеиио 4 П,%
Рис. 55. Завнснмость от температуры средней часовой ползучести П (--) и ее среднего квадратнческого отклонения Sn (---) в партии тензорезнсторов: 7-5 -1-П, ФК, СКФ, ВТХЮ, СПК соответствеиио ристики тензорезнсторов и при измерении деформаций ее действие должно быть исключено. В нормативных документах на тензорезисторы нормируется средняя в партии часовая ползучесть и ее среднее квадратиче-ское отклонение в партии 5п. При повышении температуры среднее значение ползучести и разброс увеличиваются (рис. 55). Причем до определенной температуры, являющейся предельной для применения тензорезнсторов, ползучесть увеличивается линейно, поэтому в рабочем диапазоне температур можно принять П,=П(1-1-ВпО. где П - ползучесть при нормальной температуре. Среднее квадратическое отклонение ползучести в партии при повышении температуры также возрастает по линейному закону: 5п=5п(1 + В,пО. При повторных действиях деформации е в течение времени Те, а также многократных перепадах температур П и 5п уменьшаются, что, как показано ранее, связано с механической и тепловой тренировками, приводящими к структурным изменениям в связующем и ослаблению релаксационных процессов. Действие повышенной влажности увеличивает ползучесть. Гистерезис тензорезнстора определяется теми же релаксационными процессами и может быть выражен через константы Пе, ai, аз ползучести и поэтому зависимости гистерезиса от влияющих величин будут подобны зависимостям ползучести. Температурная характеристика представляемая в нормативных документах полиномом S,=Co-fCi/ + C,= + ... + CA может иметь любую форму и различные значения It. Однако 200 0
-.гоо -/00 Рис. 56. Зависимость от температуры среднего квадратического отклонения температурной характеристики сопротивления St в партии тензорезисторов: ; - 1-П; 2 - ВТХЮ; 3 ~ СКФ; 4 - 1-ВО средние квадратические отклонения St для всех тензорезисторов (рис. 56) линейно увеличиваются с ростом разности температур и могут характеризоваться коэффициентом Kst = St/ii-io)- (112) Для исследованных тензорезисторов как прецизионных, так и высокотемпературных /Cs(=0,4ч-1,0 млн-7°С. При длительном действии постоянных температур значение St остается практически постоянным. Длительное действие постоянных температур и деформаций, многих перепадов температур и циклов деформаций для ряда специальных тензорезисторов (СКФ, ЦНК и др.) не изменяет самой средней температурной характеристики сопротивления и ее среднего квадратического отклонения в партии. Повышенная влажность приводит к искажению температурной характеристики сопротивления. Сопротивление изоляции нормируется минимальным значением /?и в рабочей области температур и существенно зависит от двух влияющих величин: влажности и температуры. В тензорезисторах используются три типа связующих: органические, кремнийорганические и неорганические. Органические связующие обладают достаточно высокими изоляционными свойствами (i?h>200 МОм) в области рабочих температур и Ru, МОм; г,% 10000 1000 о 10 20 30 а) 40 t,7 0,01
10 15 б) Рис. 57. Зависимость сопротивления изоляции R« от времени действия 100%-ной влажности на тензорезисторы: а-1-П и 1-ВО; б -1-3 -ЦНК, ЭТК, ВТК соответствеиио; кривая г - отиосительиая влажность среды Рис. 58. Средний температурный дрейф Д, (-) и его средние квадратические отклонения 5д< (----): 2 -ЦНК при <-200°С и ВТХЮ при <-600°С соответственно -100 -800
to 80 120 ISO t,Y обеспечивают высокие значения Ru тензорезисторов и при действии 100%-ной влажности (рис. 57, а). У неорганических и кремнийорганических (органосиликатных) связующих при нагреве наблюдается более резкое, чем у органических полимеров снижение сопротивления изоляции, что и определяет предельные рабочие температуры применения некоторых типов тензорезисторов. Эти связующие не влагостойки, вследствие чего недопустимо резко падает сопротивление изоляции при действии 100%-ной влажности (рис. 57, б). Дрейф Д( выходного сигнала нормируется при максимальной температуре; он достаточно изучен и связан со структурными изменениями в чувствительном элементе и частично в связующем. Он изменяется во времени т по экспоненциальному закону: где Лд -условное предельное значение дрейфа; ад -постоянная времени дрейфа, что подтверждается экспериментальными данными (рис. 58). Среднее квадратическое отклонение дрейфа можно принять как линейно возрастающее во времени и характеризовать коэффициентом Дрейф JXta выходного сигнала при нормальной температуре после длительных в течение времени xtm прогревов и теплосмен N (рис. 59), которые зависят еще от ряда явлений, протекаю-
-100 Рис. 59. Дрейф выходного сигнала тензорезистора при нормальной температуре; а - после действия иа тензорезисторы СКФ многократных теплосмен N от 20 до 20ОС; 6 - после длительных прогревов тензорезисторов (/ - ЦНК при 200°С; 2 - СКФ при 175°С; 3-ЦНХЮ при 400°С) щих в чувствительном элементе и связующем (необратимые изменения структуры, усадка связующего и т. п.), не подчиняется такому закону, а имеет более сложную зависимость. То же можно сказать о дрейфе, связанном с циклическими деформациями и разрежением. При действии знакопеременных циклических деформаций в конструктивных элементах тензорезнстора (чувствительном элементе, выводных проводниках, связующем) могут образовываться микро- и макротрещины, а также происходить структурные изменения, что приводит к необратимым изменениям сопротивления тензорезнстора и соответственно к дрейфу Дц. Допустимым дрейфом по ГОСТ 21616-76 при знакопеременных деформациях с амплитудой един=1000 млн- является дрейф, не превышающий 100 К млн-i (где К-чувствительность тензорезнсторов). Исследования, проведенные с тензорезисторами, специально разработанными для измерения усталостных характеристик конструкций (СКФ, СКФН и др.), показывают, что при многоцикловых (до 10 млн циклов) испытаниях дрейф Дц не превышает 30 млн-. Такие же значения дрейфа Дц приведены для ряда зарубежных проволочных тензорезнсторов, предназначенных для измерения динамических деформаций и усталостных характеристик конструкций [25, 108]. Уменьшение окружающего давления (разрежение) также может привести к дрейфу начального сопротивления тензорезнстора Др. Однако исследования показали, что при качественной наклейке, особенно у тензорезнсторов, имеющих подложку с пористой структурой, этот дрейф имеет невысокое значение. Например, у тензорезнсторов ЗСПК при изменении давления окружающей среды от нормального до 133-10-* Па Др не превышает 20-30 млн-. Такие же значения Др наблюдаются у тензорезнсторов 1-П, имеющих плотную, не пористую пленочную подложку, при качественной их наклейке - отсутствие пузырьков в слое связующего и непроклеенных мест, особенно под подложкой. При наличии пузырьков и непроклеенных мест тензорезисторы 1-П уже при изменении давления от нормального до 1,3 кПа имеют Др, доходящее до -50 млн-. Высокая влажность не приводит к заметному изменению начального выходного сигнала Дв только у тензорезнсторов 1-П и 1-ВО, использующих такие относительно влагостойкие органические связующие, как ВЛ-6, ВЛ-9 и БФ-2 (рис. 60, кривая /). У этих тензорезнсторов происходит незначительное, в пределах 20-30 млн-, увеличение выходного сигнала за счет некоторого набухания связующего. Применение невлагостойких пористых кремнийорганических и неорганических связующих, пропускающих влагу, приводит при увеличении влажности к резкому снижению сопротивления изоляции и соответственно к уменьшению начального сопротивления (рис. 60, кривая 2). -400 4 t,4 Рис. 60. Зависимость средних изменений начального выходного сигнала от времени действия 1007о-ной влажности для тензорезнсторов: ;-1-П и 1-ВО; 2-ВТК Таким образом, в связи с недостаточной изученностью и многосвязанностью дрейфа и изменения начального выходного сигнала в большинстве случаев необходима регламентация условий и методики измерения деформаций или постановки специальных работ по изучению этих характеристик в конкретных условиях измерения. 2. РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ На основании рассмотрения действия влияющих величин на метрологические характеристики можно считать сопротивление изоляции и изменение начального выходного сигнала неинформативными составляющими выходного сигнала, влияние которых на результат измерения следует уменьшить нормированием допустимых значений или регламентацией методики измерения. Влияние повышенной влажности следует исключить путем использования влагозащитных покрытий или регламентацией условий измерения. Поперечная чувствительность большинства проволочных и фольговых тензорезнсторов составляет доли процента от чувствительности тензорезнсторов, и погрешности от нее учитываются [95, 102] только в случае измерения в сложном поле деформаций и то, когда деформация, параллельная главной оси тензорезнстора, намного меньше деформации в перпендикулярном к ней направлении. Таким образом, в общем случае значение измеряемой деформации с учетом поправок на ползучесть П, функцию влияния температуры на чувствительность Ф<, температурную характеристику сопротивления и температурный дрейф выходного сигнала JXt, а также с учетом применяемых методов измерения можно определить по номинальной функции преобразования, которая примет вид [43]: 1-0,01П (113) Здесь знак обозначает среднее для партии значение метрологической характеристики тензорезнсторов, а индексы 1 и 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 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||