|
| |
|
Слаботочка Книги 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 LtinH- 200 100 0 2000 -2000 Рис. 80. Средние температурные характеристики сопротивления ( и их средние квадратические отклонения St при охлаждении до температуры -200°С у тензорезисторов из константановой проволоки: 1, 2 -if для константана, отожженного при 390°С и иеотожжеиисго; 3 - Sj для партий тензорезисторов из этих проволок Рис. 81. Изменения температур- ного коэффициента сопротивления а от температуры отжига проволоки никель-хромового сплава -6000 Х20Н75ЮМ -8000 -10000 -12000 -тоо -18000 о(;м/!н-Гс 40 20 -200 -150 -100 -50 О t,C 400 450 500 550 t°,C до 400-450 °С. К ним относятся модифицированные никель-хромовые сплавы, никель-молибденовые сплавы и палладий-серебряные сплавы. Модифицированные никель-хромовые сплавы, к которым можно отнести отечественный сплав Н80ХЮД, легированный алюминием и медью (ТУ 14-1-41-71); сплавы зарубежных марок Карма, званом и стабилой или их отечественные аналоги Х20Н75Ю (ТУ 1-2589-79), Х20Н75ЮМ, Х20Н73ЮМ (ТУ 14-1-2806-79) и другие, легированные алюминием, железом или медью, имеют большое удельное сопротивление (p=l,25-i-1,50 мкОм-м) и коэффициент преобразования, равный примерно 2 [61, 109]. Значение коэффициента преобразования не изменяется при переходе из упругой зоны в пластическую. Коэффициент преобразования при повышении температуры уменьшается на 0,015-0,030 %/°С. Модифицированные никель-хромовые сплавы имеют стабильные свойства при температурах до 350-400°С. Прогрев сплава при более высокой температуре приводит к резкому изменению сопротивления сплава, а высокотемпературный отжиг при 1000-1100 °С - закалка сплава - увеличивает его температурный коэффициент сопротивления в рабочей области температур 20-400°С. Однако последующими низкотемпературными (при 350-600°С) отжигами можно получить тензо-чувствительные материалы (проволоку, фольгу) с заданными значениями температурных коэффициентов сопротивления, что позволяет создавать термокомпенсированные тензорезисторы, устанавливаемые на различные материалы в диапазоне температур 20-350°С. Рассмотрим разработанный в ЦНИИЧМ модифицированный никель-хромовый сплав Х20Н75ЮМ, по составу близкий к сплаву Карма (исследовалась плавка 5158 в виде проволоки диаметром 0,03 мм). Тензочувствительная проволока этого сплава, по данным разработчика, при температурах отжига 400-600°С изменяет температурный коэффициент сопротивления, как показано на рис. 81, что позволяет создавать термокомпенсированные тензорезисторы при установке их на детали с различными температурными коэффициентами сопротивления. Проведенные исследования тензорезисторов с чувствительным элементом из проволок этого сплава, отожженных в вакууме при 480-600 °С с выдержками в течение 5 ч, показали, что воспроизводимость температурных характеристик сопротивления в условиях длительных (до 100 ч) испытаний при 300 °С и кратковременных (до 10 ч) при 350°С обеспечивает тензоре-зисторам проволока, отожженная при 600°С (рис. 82). Ее использование приводит к относительно малым значениям %t при наклейке тензорезисторов на балку из стали ЭИ437Б, а также к малому дрейфу, равному при 300°С за 100 ч примерно 80 млн-, т. е. 0,8 млн-/ч (рис. 83, кривая 4). Таким образом, проведенные исследования показали, что тензочувствительную проволоку сплава Х20Н75ЮМ, отожженную при 600°С в течение 5 ч, можно рекомендовать для тензорезисторов, предназначенных для длительных испытаний при температурах до 300- 350 °С. Дальнейшее увеличение рабочей температуры обеспечивает применение в тензорезисторах разработанных отечественной промышленностью никель-молибденовых сплавов НМ23ХЮ (ТУ 14-1-1355-75) и НМ23ЮФ (ТУ 14-1-1963-77), легированных хромом, алюминием и ванадием. Они имеют высокое удельное сопротивление (1,50-1,80 мкОм-м). Коэффициент преобразования деформаций этих сплавов 2,2, при нагреве он уменьшается на 0,012 %/°С. Сплав НМ23ХЮ используется в выпускаемых Краснодарским заводом тензометрических приборов тензорезисторах НМТ-450 (ТУ 25-06-402-76), предназна- -4000 -6000 -8000
0 mo 200 t°c 0 Рис. 82. Температурные характеристики сопротивления в диапазоне температур от 20 до 300°С (а) и от 20 до 350°С (б) для тензорезисторов ЗСПН из никель-хромовой проволоки Х20Н75ЮМ, отожженной в течение 5 ч при различных температурах, °С: / - 480 ; 2 - 500 ; 3 - 550 ; 4 - 600 (--до длительных испытаний;----после 100 ч выдержки при 300°С) ченных для длительных испытаний при температурах до 450°С. Для получения малых значений температурных характеристик сопротивления в диапазоне температур 20-430°С для никель-молибденовых сплавов применяется низкотемпературный отжиг при 450-550°С. Сплав предварительно проходит закалку при 1000-1100°С. Для установления оптимального режима отжига применяется методика выбора режима, при котором получается заданный процент увеличения начального сопротивления отрезка проволоки или фольги, функционально связанного с температурным коэффициентом сопротивления сплава [2]. Причем заданное значение AR/Rsa4 и соответственно а сплава задаются температурой отжига и временем ее воздействия. Например, для получения минимального значения температурного приращения проволоки сплава НМ23ХЮ в работе [2] приведены режимы: 525 °С в течение 10 ч или 475 °С в течение 7000 £000 5000 4000 3000 2000 WOO
Рис. 83. Температурный дрейф выходного сигнала при 300°С тензорезисторов ЗСП из проволок сплава Х20Н75ЮМ, отожженных в течение 5 ч при температурах, °С: / - 500; г- 550; 3- 480; 4-600 Рис. 84. Температурные характеристики сопротивления в области криогенных температур тензорезисторов из различных сплавов: / - ЗСПЭ из никель-хромового сплава эваном; 2 - ТТН из иикель-молибденового сплава НМ23ЮФ; 3 -ЗСПН из ннкель-хромового сплава Х20Н75ЮМ  2000 4000 О 25 L,M/iH-i 14 ч, при этом начальное сопротивление проволоки увеличивается примерно на 15%. Исследования показали, что применение отожженной никель-молибденовой проволоки обеспечивает тензорезисторам стабильные характеристики чувствительности и температурную характеристику сопротивления при многократных длительных повторных испытаниях до 400-430 °С. В палладий-серебряном сплаве ПДСр-40, содержащем 40% по массе серебра, сочетается достаточное удельное сопротивление (р=0,42 мкОм-м) с малым (практически нулевым) температурным коэффициентом сопротивления. Однако коэффициент преобразования этого сплава составляет примерно 0,6 [23] и при повышении температуры увеличивается в 2 раза. В работе [49] указано, что верхний рабочий температурный предел палладий-серебряного сплава с молибденом ПСрМ-36-4 примерно 420°С и связан с внутренним окислением сплава, проявляющимся в росте сопротивления проволоки при выдержках в условиях температур больших, чем 420°С. Исследования тензорезисторов с чувствительными элементами из сплавов группы 2 при криогенных температурах [34, 47] показали, что применение в тензорезисторах никель-молибденовых сплавов, особенно НМ23ЮФ [51], нихромовых сплавов Х20Н75ЮМ и модифицированного нихромового сплава типа эваном приводит к удовлетворительным температурным харак- 6-171 теристикам сопротивления тензорезисторов в области температур от 20 до -269 °С (рис. 84). Функция влияния температуры на чувствительность, исследованная у тензорезисторов с чувствительными элементами этой группы, имеет те же значения, что и в области положительных температур 5к=-0,015-f--0,03%/°C. Следует отметить, что сплавы этой группы обладают малым гальваномагнитным эффектом. Так, если обычная нихромовая проволока изменяет свое сопротивление на AJ?/J?=1,1% при действии 5 кЭ в условиях температур 5,5 К, то тензорезисторы из никель-молибденового сплава НМ23ХЮ изменяют в тех же условиях сопротивление в 1000 раз меньше, т. е. AJ?/J?= 0,001 %, а при 45 К изменение сопротивления составляет ARlR= = 00001% на 5 кЭ. Группа 3. Сплавы с повышенными значениями коэффициентов преобразования и значениями температурного коэффициента сопротивления до 400-600 млн-1°С. Это никель-хром-железные сплавы типа изоэластик, элинвар, диналой; нихромо-вые и платиноиридиевые сплавы. Сплавы в основном используются для измерения динамических деформаций при различных температурах. Так, сплав изоэластик широко используется за рубежом для измерения динамических деформаций при температурах до 200-300°С. Он имеет хорошие усталостные характеристики - при е=1500 млн- тензорезисторы с таким чувствительным элементом могут работать, не разрушаясь, неограниченное время. Нихром Н80Х20 в отечественных разработках [28] при исследовании динамических деформаций конструкций широко используется при температурах до 900- 1000°С. Группа 4. Сплавы с высокой жаростойкостью. Это платино-вольфрамовые сплавы: зарубежный марки 1200 (или 479) с 8% вольфрама и отечественный сплав с 9% вольфрама, а также семейство железохромалюминиевых сплавов различного состава. Жаростойкость этих сплавов очень высока - до 800- 1000°С. Платиновольфрамовый сплав марки 1200 или 479 в основном используется для высокотемпературных тензорезисторов (до 600°С при статических испытаниях и до 820°С при динамических испытаниях) [91], отечественный сплав с 9% вольфрама используется в тензорезисторах при рабочих температурах до 550°С. Платиновольфрамовый сплав имеет удельное сопротивление р = 0,62-ь0,66 мкОм.м и коэффициент преобразования деформаций 4,0, который уменьшается при нагреве примерно на 0,03 %/°С. Температурный коэффициент сопротивления платиноволь-фрамового сплава относительно высок (245-325 млн-/°С). Исследования, проведенные Бертодо [93], показали, что мень- шие значения температурного коэффициента сопротивления имеет проволока, отожженная в вакууме при 1200°С. Этот отжиг приводит также к линейности температурной характеристики сопротивления тензорезисторов при повторных непродолжительных нагревах до 800°С (рис. 85). Однако при длительных испытаниях рабочая температура ограничивается температурой 600 °С, при которой за 100 ч выдержки характеристики тензорезисторов остаются стабильными: сопротивление увеличивается примерно на 10 млн-, а температурный коэффициент сопротивления увеличивается не более чем на 2 млн-/°С. Более длительные выдержки при 600 °С, а также выдержки при более высоких температурах приводят к большему изменению электрических свойств, приближающихся по мере увеличения температуры и выдержки при ней на воздухе к р = = 0,66 мкОм-м и к температурному коэффициенту сопротивления 325 млн-/°С. Следует отметить, что платиновольфрамовый сплав обеспечивает тензорезисторам высокие усталостные характеристики. Так, например, проволочные тензорезисторы ДЬВ-РТ фирмы BLH (США) выдерживают 2,1 млн. циклов деформаций с амплитудой ец=2500 млн-, фольговые тензорезисторы МН1800 фирмы «Дентроникс» работают неограниченное время при динамических деформациях с амплитудой 1500 млн-. Железохромалюминиевые сплавы обладают наиболее высокой жаростойкостью из всех неблагородных сплавов высокого сопротивления. Железохромалюминиевые сплавы имеют удельное сопротивление 1,40-1,60 мкОм-м, коэффициенты преобразований 2,2-2,7 и относительно невысокий температурный коэффициент сопротивления, зависящий от соотношения Fe, Сг, A1, легирующих добавок и от термообработки. За рубежом для тензометрии разработан железохромалю-миниевый сплав АрморД (70% Fe, 20% Сг, 10% A1), применяемый в качестве чувствительного элемента в проволочных и фольговых тензорезисторах при температурах до 500-550"С. Рис. 85. Температурная характеристика сопротивления тензорезисторов нз платиновольфра-мового сплава, отожженного в вакууме при 1200°С: / - нагрев; 2 - охлаждение юоооо 50000
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 |