|
| |
|
Слаботочка Книги  1 3 I 3 и 13151713 2 В 8 Ю 12 М 16 18 20 1 I 7 3 и 13151713 ~2 6~8 10 12 К 161820 Номера пар тензорезистороВ 1 3 7 9 U13 151713 2 6в 101214161820 Рнс. 63. Экспериментальные значения погрешности измерения деформаций тензорезисторами ВТК при переменных температурах от 20 до 400°С и использовании схемной компенсации: а -время прогрева при 400°С - 40 мин, время нагружения 2 мин; б -время прогрева при 400°С - 80 мин, время иагружеиия 35 мин; в - время прогрева прн 400 С - 170 мни, время иагружеиия 60 мин Экспериментальные значения погрешности измерения деформаций, определенные у группы из десяти тензорезисторов ВТК при изменении температуры от 20 до 400°С, приведены при кратковременных прогревах (10-15 мин) и нагружениях (3 мин) на рис. 64, откуда следует, что ни в одном случае из 20 реализаций погрешность измерения Де не превышала расчетных значений. Таким образом, проведенное сравнение экспериментально определенных и расчетных значений погрешности измерения деформаций показало их удовлетворительное совпадение.  J 4 е 7 2 4 6 7 в 3 10 11 12 13 Ч 9 10 11 12 13 14 Номера тензорезисторов а) Ю Рис. 64. Экспериментальные значения погрешности измерения деформаций тензорезисторами ВТК при переменной температуре от 20 до 400°С и методе внесении поправки иа температурную характеристику сопротивления (время нагружения 3 мии): а, б-время прогрева при 400°С соответственно 10 и 15 мин Глава 6 СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ, КОМПЕНСАЦИИ И УЧЕТА ТЕМПЕРАТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ Температурная характеристика сопротивления тензорезистора есть зависимость выходного сигнала тензорезистора, установленного на свободно расширяющийся образец с заданным коэффициентом линейного расширения, от температуры. Она определяется экспериментально в соответствии с ГОСТ 21616- 76 и представляется в виде полинома где Со, Ci,...,Cr-коэффициенты. Однако такое представление температурной характеристики не отражает физической сущности температурного приращения сопротивления наклеенного тензорезистора, которое зависит от температурных коэффициентов сопротивления чувствительного элемента и от разности температурных коэффициентов расширения материала чувствительного элемента тензорезистора и образца, на который он установлен. Таким образом, темпера турную характеристику сопротивления следует записать в виде где at - текущее значение температурного коэффициента сопротивления чувствительного элемента тензорезистора; p„t, Рч( - текущие значения температурного коэффициента расширения материалов образца и чувствительного элемента тензорезистора; /Спр - коэффициент преобразования деформации чувствительным элементом; to, .f-начальная и конечная температуры. В случае небольшого диапазона температур, когда считаем, что величины at, Рм( и р,; постоянны, можно пользоваться более простой формулой: (-) = «(-о) + (?м~?ч)/Г„р(-о). (119) где а, рм, Рч -осредненные значения температурных коэффици-5-171 129 eiiTOB сопротивления и расширения в заданном диапазоне температур. Температурные характеристики сопротивления тензорезисторов в некоторых случаях столь значительны, что в несколько раз превышают изменения сопротивления от деформации и являются основным источником погрешности измерения деформации тензорезисторами, особенно при измерении в условиях переменных температур. Вопросы уменьшения влияния температуры на сопротивления тензорезисторов в литературе освещены достаточно широко )[24, 70, 71, 76, 88 и др.]. Применяется ряд способов: отжиг тензочувствительного материала чувствительного элемента, схемная компенсация температурной характеристики сопротивления, комбинированные тензорезисторы, тензорезисторы с компенсационной петлей, внесение поправки на температурное приращение сопротивления и др. Рассмотрим наиболее радикальные способы. 1. ОТЖИГ ТЕНЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Тензорезистор не будет менять свое сопротивление при изменении температуры, т. е. будет полностью скомпенсирован, когда to t, или если для упрощения брать средние значения коэффициентов: а = -(Рм-Рц)Дпр. (120) Обычно тензорезисторы с одним и тем же чувствительным элементом применяются на различных деталях, материалы которых имеют резко отличающиеся значения Рм, и для получения термокомпенсации установленных на эти материалы тензорезисторов значения а для чувствительного элемента должны изменяться в широких пределах (табл. 21). Приведенные зна- Таблица 21
чения а подсчитаны по формуле (120) для термокомпенсиро-ванных тензорезисторов из константановой проволоки с Рч = = 15 млн- и /Спр=2. Таким образом, для получения термокомпенсированных тензорезисторов необходимо в широких пределах менять значения коэффициента температурного приращения сопротивления а материала чувствительного элемента. Температурный коэффициент сопротивления тензочувстви-тельных материалов может изменяться за счет изменения состава и за счет фазовых и структурных изменений, протекающих в материале при его отжиге. Так, если константановую проволоку или фольгу подвергнуть отжигу, то ее температурный коэффициент может изменяться от -45 млн-/°С до 12 млн-7°С (рис. 65). Закономерного изменения а различных тензочувствительных материалов можно добиться, вырьируя также длительность выдержки при заданной температуре. Следует отметить, что отжигом не удается в широком интервале температур * достичь термокомпенсации. Поэтому для широкого интервала рабочих температур этот метод обеспечивает только уменьшение температурного приращения сопротивления. Например, в диапазоне температур от 20 до 250-300°С для тензорезисторов из константановой проволоки удается * По ГОСТ 21616-76 в интервале термокомпенсации значение ( ие должно выходить за пределы ±100 К млн-, где К-чувствительность тензорезнстора. О то200 300 итж°с о то200зооUm°c 0-\-20   о1,мг1Н-/°С б) О 100 200 300 и°С  а, тн о1,мт-</°С в) W 0.6 О 20 40 60 60 t;c Рис. 65. Зависимость от температуры отжига температурного коэффициента сопротивления константана: а -проволока фирмы «Драйвер Харрис» различного диаметра, мм; б -проволока фирмы «Иза-белленхьютте» (изотаи) диаметром 0,03 мм; в - фольга толщиной 6 мкм U-3 - номера рулонов) Рис. 66. Изменение сопротивления с температурой кремния до (-) и после (---) облучения частицами высоких энергий (электронами и протонами): ; -р-1,0 Ом-см; 2 -р = 0,1 ОмХ Хсм; 3 -р-0,045 Ом-см уменьшить It max ДО 250-500 млн-, а отжиг проволоки из сплава 0Х21Ю5ФМ позволяет получить аналогичное снижение в диапазоне температур 20-Ш°С и даже от 20 до -269С. Для полупроводниковых кремниевых тензорезисторов в работах [101, 107] описан способ уменьшения температурной характеристики сопротивления путем облучения тензорезисторов частицами высоких энергий (электронами или протонами). В облученном кремнии снижается концентрация электронов - носителей тока и уменьшается их подвижность, что приводит к уменьшению влияния температуры на сопротивление тензорезисторов. На рис. 66 приведены значения Rt/Ro при различных температурах для облученного и необлученного кремния различного удельного сопротивления, откуда следует, что наименьшая зависимость сопротивления от температуры после облучения получена у кремния с р=0,045 Ом-см. Температурный коэффициент сопротивления становится после облучения равным 75 млн-7°С вместо 300 мли-/С до облучения. 2. КОМБИНИРОВАННЫЕ ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ Одним из способов уменьшения температурного приращения сопротивления тензорезистора является способ изготовления комбинированного тензорезистора из двух проволок, имеющих в наклеенном состоянии одна отрицательное, другая положительное температурное приращение сопротивления [83, 88 и др.]. Г. Е. Рудашевский [70, 71] разработал метод расчета и изготовления термокомпенсированных в диапазоне температур 10-50°С тензорезисторов из константановой и медной проволок. При расчете комбинированных тензорезисторов он пользовался значениями температурных коэффициентов сопротивления и температурных коэффициентов расширения проволок и детали, считая их постоянными в относительно небольшом диапазоне температур. В широком же диапазоне температур температурные коэффициенты сопротивления нельзя считать постоянными. Рассмотрим методику расчета и изготовления комбинированных тензорезисторов для широкого диапазона рабочих температур. Допустим, что тензорезистор состоит из двух проволок, сопротивления которых будут /?д1 и /?д2 (рис. 67). Сопротивление такого тензорезистора R=Ri+Rn2- При изменении температуры от to до t сопротивление такого тензорезистора будет меняться: Д/?=Д/?д14-Д/?д2, где Д?д1, Д/?д2 - приращения сопротивления частей Rfi и Д/?д2 тензорезистора. Рис. 67. Схема решетки комбинированного тензорезистора, изготовленного из двух проволок: А - узел сварки проволок Относительное же изменение сопротивления . (121) R Jki Rai+Ra2 Rfii+RA2 Чтобы тензорезистор не изменял своего сопротивления в зависимости от температуры, требуется условие (Д/? ?)к,=0. Исходя из этого, преобразуем выраже- [-ние (121) и получим: другими словами, чтобы комбинированный тензорезистор не изменял своего сопротивления при изменении температуры, сопротивления составляющих его отрезков проволоки должны быть обратно пропорциональны значениям их температурных характеристик при изменении температуры в одном и том же интервале от to до t, а сами значения должны иметь разные знаки. Поэтому необходимо заранее знать температурные характеристики сопротивления составляющих тензорезистор отрезков проволок, отдельно наклеенных на тот же самый материал, что и комбинированный тензорезистор. Подбирая указанным способом различные тензочувствительные материалы, составляющие чувствительный элемент комбинированного тензорезистора, можно получить тензорезисторы с малыми значениями температурной характеристики сопротивления. Если тензочувствительные материалы, из которых изготовляется комбинированный тензорезистор, имеют нелинейные зависимости (д1 и (д2, то подбирая соотношения при одной температуре t. получим при остальных температурах значения lt, не равные нулю, которые будут определяться из преобразованного уравнения с ?<д1/?д1 -Ь£и2д2 (122) RkI + Ra2 В качестве примера на рис. 68 приведены характеристики комбинированного тензорезистора для объектов (из алюминиевого сплава), изготовленного из двух константановых проволок, отожженных по различным режимам: первая при 340"С в течение 3 ч и вторая при 330°С в течение 3 ч. Сопоставляя (д1 и (д2 и задаваясь тем, что к4 при 200°С равно нулю, принимаем отношение /?д1/7?д2=1. 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 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||