|
| |
|
Слаботочка Книги /ооо -woo wo 200 -200  IB х,ч Рис. 93. Температурные характеристики сопротивления тензорезисторов ЦНХЮ из железохромалюминиевой проволоки Х21Ю5ФМ, отожженной по режиму XXIП: о - до длительных испытаний; Д - после 20 ч прогрева при 400°С Рис. 94. Температурный дрейф при 400°С тензорезисторов ЦНХЮ из проволоки Х21Ю5ФМ, отожженной по режиму ХХ1П лизирующий отжиг, заключающийся в прогревах при 600 °С в течение 2 ч и при 400°С в течение 100 ч - режим XXIII. Применение в качестве чувствительного элемента проволоки плавки 285, обработанной по такому режиму, обеспечивает получение воспроизводимых значений температурной характеристики сопротивления et в диапазоне 20-400°С после длительных прогревов при 400 °С (рис. 93), а также малый дрейф сопротивления тензорезисторов при длительных изотермических выдержках (рис. 94) при г=400°С. Следует отметить, что коэффициент преобразования железохромалюминиевых проволок сплава Х21Ю5ФМ после отжига не изменяется и составляет так же, как и у неотожженных проволок, /Спр=2,6-2,7. В развитие работ по созданию высокотемпературных тензочувствительных проволок в Институте прецизионных сплавов ЦНИИЧМ созданы еще более жаростойкие железохромалюминиевые сплавы Х21Ю9, Х21Ю10 и Х13Ю10А. Первые два
 Рис. 95. Чувствительность тензорезисторов ВК15ХЮ с элементами из железохромалюминиевых сплавов: а -Х21Ю9; б -Х13Ю10А (плавка 3); в -Х21Ю5ФМ (плавка 284) сплава близки по составу к зарубежному сплаву АрморД. Свойства исследуемых проволок Х21Ю9 и Х13Ю10А, по данным разработчиков сплавов, приведены в табл. 27. Проволоки диаметром 0,03 мм из сплавов Х13Ю10А (плавка 3) и Х21Ю9 исследовались в тензорезисторах ВК15ХЮ, предназначенных для измерения статических деформаций при рабочих температурах до 700 °С. Проволока Х21Ю9 для снятия структурных и фазовых изменений в сплаве отжигалась на воздухе при 600°С в течение 2 ч, а проволока сплава Х13Ю10А исследовалась в состоянии поставки, так как отжиг на воздухе приводил к окислению ее поверхности. Чувствительности тензорезисторов ВК15ХЮ с чувствительными элементами из проволок при температурах до 700°С приведены на рис. 95, там же для сравнения приведены значения чувствительности тензорезисторов ВК15ХЮ с элементом из сплава Х21Ю5ФМ. Исследуемые тензорезисторы типа ВК15ХЮ из всех перечисленных проволок после установки подвергались тепловой обработке при 600°С в течение 2 ч. Как видно, сплав Х13Ю10А имеет относительно низкий (1,7-1,8) коэффициент преобразования, который при повышении температуры увеличивается примерно на 0,015 %/°С. Коэффициент преобразования сплава Х21Ю9 постоянен в диапазоне 20-600°С и равен 2,0. При 700°С он снижается на 5%. Чувствительный элемент из сплава Х13Ю10А придает тензорезистору (рис. 96, кривая 1) характерную для всех железохромалюминиевых сплавов S-образную форму температурной характеристики. Значения It для тензорезисторов с чувствительным элементом из этого сплава близки к таковым для тензорезисторов из сплава Х21Ю5ФМ (кривая 2). Значения It тензорезисторов с чувствительным элементом из сплава Х21Ю9 (кривая 3) очень велики (7оо°с = -37ООО млн"). Однако партия тензорезисторов с чувствительным элементом из этой проволоки имеет относительно небольшие (/Cs<=0,6 млн-/°С) рассеяния характеристик в партии и удовлетворительную воспроизводимость It при повторных нагревах. Такая стабильность температурных характеристик сопротивления позволяет реко- -1000 -2000 -3000  600 tfc Рис. 96. Температурные характеристики сопротивления тензорезисторов ВК15ХЮ с чувствительным элементом из различных железохромалюминиевых сплавов: / -Х13Ю10А; г -Х21Ю5ФМ; 3 -Х21Ю9 мендовать проволоку Х21Ю9 в качестве тензочувствительного материала для жаростойких тензорезисторов при использовании способов компенсации или уменьшения температурных приращений сопротивления тензорезисторов. Воспроизводимость температурных характеристик сопротивления тензорезисторов с чувствительным элементом из проволоки Х13Ю10А в состоянии поставки наступает только после двухкратного нагрева до 700°С, и чтобы рекомендовать этот сплав в качестве тензочувствительного материала для жаростойких тензорезисторов, следует разработать стабилизирующие режимы отжига. Таким образом, исследования показали, что железохромалюминиевые сплавы можно рекомендовать для рабочих температур до 700 °С. Исследования железохромалюминиевого сплава Х21Ю5ФМ при криогенных температурах до -196"С показали, что так же, как и в области положительных температур, функцию влияния температуры на чувствительность можно характеризовать линейной зависимостью с 5„=-O.OaSo/orC (см. рис, 56 для 172 Рис. 97. Температурные характеристики 4,,м/7н- сопротивления тензорезисторов ВТХЮ из железохромалюминиевой проволоки Х21Ю5ФМ, отожженной по различным режимам: /-режим И; 2 - Ш; 3 - IV; -VII; 5~ VIII; fi-IX; 7 -режим XI ВТХЮ). Температурные характеристики сопротивления тензорезисторов с чувствительным элементом из проволоки Х21Ю5ФМ зависят от режима отжига проволоки. Наименьшие значения It в диапазоне температур от 20 до - 196С наблюдаются у тензорезисторов с чувствительным элементом из проволоки Х21Ю5ФМ, отожженной по режиму VIII (450°С в течение 95 ч) (рис. 97, кривая 5). Охлаждение тензорезисторов из этой проволоки до -269°С не приводит к заметному изменению сопротивления тензорезисторов {It от 20 до -269°С составляет -400 млн-). Таким образом, режим отжига VIII можно рекомендовать для широкого диапазона температур-от -269 до 450°С. Гальваномагнитный эффект железохромалюминиевого сплава Х21Ю5ФМ исследован при соединении тензорезисторов из проволоки этого сплава в полумост, т. е. при схемной компенсации изменений сопротивления от действия магнитного поля. В условиях температуры 4 К и действия 5 кЭ выходной сигнал полумоста из тензорезисторов ПКСХЮ практически не изменялся. Группа 5. Сплавы благородных металлов. Сплавы золота в качестве чувствительных элементов тензорезисторов подробно исследованы в работе (106]. В ряде патентов США предлагается использовать в качестве тензочувствительных материалов тройные платиновые сплавы следующего состава, % (по массе): 20-80 Pt, 10-55 Pd и 10-70 Rh; 45-90 Pt, 10-45 Rh и 0,1-10 Os; 15-80 Pt, 15-;; 80 Pd и 2-15 Mo. Тройной сплав последнего типа, состоящий из 45% Pt, 45% Pd и 10% Мо детально исследован в работе  [92]. Рабочая температура применения всех перечисленных сплавов не превышает 400 °С. Таким образом, основываясь на проведенных выше исследованиях и анализе существующих тензочувствительных проводниковых материалов, можно сделать вывод, что их рабочая температура использования в тензорезисторах, предназначенных для измерения статических деформаций, ограничена 600- 700°С. При измерении динамических деформаций, когда не требуется стабильность температурной характеристики сопротивления, рабочая температура применения проводниковых чувствительных материалов может быть повышена до 1000°С. Ряд сплавов может использоваться и при криогенных температурах до -269°С. 3. СВЯЗУЮЩИЕ ДЛЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ По ГОСТ 20420-75 связующее теизорезистора - это материал, используемый для закрепления чувствительного элемента и выводных проводников на подложке и теизорезистора на исследуемом объекте. Связующее, в качестве которого для приклеиваемых тензорезисторов используются различные клеи, является конструктивным элементом теизорезистора, передающим деформацию от поверхности исследуемого объекта к чувствительному элементу и осуществляющим электрическую изоляцию последнего от объекта. Требования к связующим. Для осуществления передачи деформации с малыми потерями в коэффициенте передачи модуль сдвига клея при рабочих температурах должен быть достаточно большим - до (10-15)108 Па. Причем, чем меньше база тензорезнстора, тем более высокие требования предъявляются к значению модуля сдвига. Это наглядно иллюстрируется рассчитанными по формулам (25), (29) и (35) значениями iCnep для различных G проволочных тензорезисторов с базами 20, 10 и 5 мм (рис. 98, а, кривые 1, 2 vl 3 соответственно). При одних и тех же геометрических параметрах тензорезнстора применение клеев с большим G приведет к повышению значений максимальных напряжений Sm в слое связующего [см. формулу (32)]. Если при этом значения Sm (рис. 98, б) превысят значения предела прочности при сдвиге клея 5сд, то произойдет отслаивание тензорезнстора от исследуемого объекта. Таким образом, при выборе клея для заданного значения предельной деформации е необходимо, чтобы 5т<5сд. Это требование приводит к тому, что использование высокомодульных 174 96 32
 о 10 20 30 6-Ю,МПа а! О 10 20 30 0-10Г,МПа. Рис. 98. Расчетные зависимости от мгновенного модуля сдвига клеев: а - коэффициента передачи /(„р для тензорезисторов; б -напряжения S„ в слое клея прн передаче деформаций (/ - база 20 мм; 2 - 10 мм; 3 - 5 мм; # - е=» =2000 мли-1; 5 -е»=5000 млн-»; 5 - 8=10 000 мли-i) клеев (типа цементов) резко снижает предельные деформации тензорезнстора. Для создания тензорезисторов с малыми значениями ползучести и гистерезиса необходимо, чтобы при всех рабочих температурах вязкоупругие и пластические свойства связующего были слабо выражены и его модуль сдвига G при всех рабочих температурах должен мало отличаться от мгновенного модуля сдвига Gj. Одним из основных требований к связующему является требование высоких электроизоляционных свойств. Известно, что все органические и неорганические диэлектрики в большей или меньшей степени снижают электрическое сопротивление при повышении температуры и действии влаги. Изменение изоляционных свойств связующего может привести к изменению сопротивления установленного тензорезнстора, так как под термином «сопротивление тензорезнстора» понимается значение электрического сопротивления, измеренное между выводными проводниками тензорезнстора. Подробный расчет влияния снижения сопротивления изоляции приведен в работе [24] при рассмотрении схемы теизорезистора в виде электрической цепи из последовательно соединенных элементов длиной dl с сопротивлением radl и проводимостью godl (рис. 99, а). Рассмотрев зависимости силы тока и напряжения в такой цепи от параметров линии конечной длины с распределенными параметрами, получили формулу зависимости выходного сигнала „ тензорезнстора сопротивлением ?д от изменения сопротивления изоляции от начального Rwq до конечного i?h. Анализ формулы показал, что с достаточной точностью (в пределах н=5 млн-) можно пользоваться упрощен- 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 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||