Тензорезистор

Тензорези́стор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации^[1]. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов^[2]. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Деформация тензорезистора из фольги. Изменение сопротивления преувеличено для наглядности.

Условное обозначение тензорезисторов на электрических принципиальных схемах.

Фольговые тензорезисторы в упаковке.

Принцип действия

При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — уменьшает.

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10⁻³) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры или прецизионные усилители или прецизионные усилители + АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

Полупроводниковый тензорезистор обладает гораздо большей чувствительностью из-за изменения свойств полупроводникового материала при деформации.^[3]

Электромеханические параметры

Чувствительность

Чувствительность тензорезистора характеризуется безразмерным параметром — коэффициентом тензочувствительности ${\displaystyle K_{f},}$ который определяется как:

${\displaystyle K_{f}={\frac {\Delta R/R_{0}}{\epsilon }},}$

где:

• ${\displaystyle \Delta R}$ — абсолютное изменение сопротивления, вызванное деформацией, Ом;
• ${\displaystyle R_{0}}$ — начальное сопротивление недеформированного тензорезистора, Ом;
• ${\displaystyle \epsilon }$ — относительная деформация.

Относительная деформация определяется как:

${\displaystyle \epsilon =\Delta L/L_{0},}$

где

• ${\displaystyle \Delta L}$ — абсолютное изменение длины, м;
• ${\displaystyle L_{0}}$ — длина недеформированного тензорезистора, м.

Для плёночных металлических тензорезисторов параметр ${\displaystyle K_{f}}$ слабо зависит от деформации и немного превышает 2^[4].

При включении тензорезистора в мост Уитстона, в котором остальные 3 резистора постоянны (не имеют возможности регулирования сопротивления), выходное напряжение диагонали этого моста выражается формулой:

${\displaystyle v={\frac {V_{b}\cdot K_{f}\cdot \epsilon }{4}},}$

где:

• ${\displaystyle V_{b}}$ — напряжение питания моста, В.

Типичные значения коэффициента тензочувствительности для разных материалов приведены в таблице.

Материал	Коэффициент тензочувствительности
Металлическая фольга	2-5
Тонкая металлическая плёнка (например, константановая)	2
Монокристаллический кремний	От −125 до +200
Поликристаллический кремний	±30
Тонкоплёночные резистивные материалы	100

Температурный коэффициент

При изменении температуры изменяется сопротивление тензорезистора, не связанное с деформацией. Это является вредным побочным эффектом. Через коэффициент тензочувствительности относительное изменение сопротивления выражается формулой:

${\displaystyle {\frac {\Delta R}{R}}=K_{f}\cdot \varepsilon +\alpha \cdot \theta ,}$

где:

• ${\displaystyle \alpha }$ — температурный коэффициент сопротивления, К⁻¹;
• ${\displaystyle \theta }$ — изменение температуры, К.

Электрическая схема подключения тензорезистора

Измерительный мост с вольтметром в диагонали. Тензорезистор обозначен ${\displaystyle R_{x}.}$

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного тока (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора ${\displaystyle R_{2}}$ производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствие приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

При выполнении соотношения ${\displaystyle {\frac {R_{1}}{R_{2}}}={\frac {R_{x}}{R_{3}}}}$ напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление ${\displaystyle R_{x}}$ (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов ${\displaystyle R_{x}}$ и ${\displaystyle R_{3}}$ (точки B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления ${\displaystyle R_{x}}$ может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения деформации. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора ${\displaystyle R_{3}}$ включают такой же тензорезистор, как и ${\displaystyle R_{x}}$, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления, вызванного изменением температуры, равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие полезные сервисные функции.

Конструкция

Плёночный тензорезистор. На подложку через фигурную маску в вакууме напылена или сформирована методами фотолитографии плёнка металла. Для подключения электродов выполнены контактные площадки (снизу). Метки облегчают ориентацию при монтаже.

Обычно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника, нанесённого на гибкую подложку. Тензорезистор приклеивается подложкой на поверхность исследуемого на деформации объекта. Проводники тензорезисторов обычно изготавливаются из тонкой металлической проволоки, фольги, или напыляются в вакууме для получения плёнки полупроводника или металла. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, полимерную плёнку, слюду и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь тензорезистор имеет выводные проволочные концы или контактные площадки.

Плёночные металлические тензорезисторы имеют площадь около 2‑10 мм².

Применение

Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей в тензометрах и тензостанциях при измерениях механических величин (деформации, силы, крутящего момента, перемещения, также, для измерения давления в манометрах и пр.)

См. также

• Тензометрия
• Тензодатчик

Примечания

1. Словарь по естественным наукам. Глоссарий.ру — «Тензорезистор» (недоступная ссылка) (недоступная ссылка с 14-06-2016 [3077 дней])
2. Лабораторная работа: «Применение тензорезисторов для измерения усилий» Архивировано 22 октября 2008 года.. Донецкий национальный технологический университет. 2002
3. Тензорезистивный эффект - Физическая энциклопедия  (неопр.). Дата обращения: 10 мая 2018. Архивировано 11 мая 2018 года.
4. Strain Gage: Sensitivity  (неопр.). Дата обращения: 5 ноября 2014. Архивировано 27 сентября 2011 года.

Ссылки

• Физическая энциклопедия, т. 5 — М.: Большая российская энциклопедия, стр. 70.
• Применение тензодатчиков.
• Конструкция тензорезисторного датчика.
• Тензоэффект в двухслойных плёнках.
• Подключение тензорезистора к Arduino