Тензорезисторы

Тензорезистор - резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Он является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Общие сведения
Основные параметры
Проволочные тензорезисторы
Фольговые тензорезисторы
Полупроводниковые тензорезисторы
2ПКБ
2ПКП
2ФКМГ
2ФКПА
2ФКРВ
2ФКРГ
3ФКТК
КФ5П1
КФ5Р5
КФ5Ц3
НБ
НМП-430М
НМТ-450
Гедисторы (ГДТ)
КТД2А
1ЧЭД

Теоретические предпосылки возможности использования металлических проводников при измерении деформаций были получены во второй половине позапрошлого столетия (русским ученым О. Д. Хвольсоном в 1881 г. и др.), однако реализация этих положений была осуществлена значительно позднее. Первые попытки практического использования электрического провода при измерении деформации относятся к началу 30-х годов XX века, однако «официальной» датой рождения проволочного тензодатчика можно считать 1938 г., когда Симмонсом и Рюджем в США практически одновременно и независимо друг от друга были созданы первые работоспособные датчики.

У нас в стране изготовление и применение полукустарных проволочных тензодатчиков началось еще до Великой Отечественной войны, а после войны проволочная тензометрия получила самое широкое распространение в различных отраслях науки и техники.

Из советских организаций, имевших большой опыт разработки проволочных тензодатчиков, следует отметить в первую очередь Научно-исследовательский конструкторский институт испытательных машин, приборов и средств измерения масс (НИКИМП), Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ), Центральный котлотурбинный институт им. И.И. Ползунова (НПО ЦКТИ), Институт машиноведения (ИМАШ РАН) и др.
Тензометрическая микропроволока из константана диаметром 0,025-0,035 мм была разработана совместно НИКИМП, институтом "Гипроцветметобработка" и подольским заводом "Микропровод".
Промышленный выпуск резисторов был первоначально налажен на Томском заводе научно-лабораторных и тензометрических приборов (позднее Томский завод математических машин), в ЦНИИ железнодорожного транспорта (ныне ВНИИЖТ) и уже упомянутых ЦАГИ, ЦНИИТМАШ, НИКИМП; в дальнейшем к ним подключились серийные заводы "Тбилприбор" и Уралмашзавод, и ряд иных предприятий.

Решетка проволочного тензорезистора может состоять из параллельных петель, витков плоской катушки, параллельных нитей с перемычками из более толстого провода или фольги или одиночной проволоки.

Решетки проволочных тензодатчиков: а — петлевая; б — витковая; в — с перемычками (S — база датчика; 1 — решетка датчика; 2 — выводные проводники, 3 — перемычки)

Недостаток проволочных - поперечная чувствительность (из-за "петелек", где проволока меняет направление).

   На замену им появились фольговые тензорезисторы, первые упоминания о которых относятся к 1954 г. Значительный объём работ по разработке фольговых резисторов был проведён в ЦАГИ и ЦНИИТМАШ. Выпуск первых отечественных серийных фольговых тензорезисторов, марки ФК, был налажен на Томском заводе математических машин.

Такие тензодатчики и поныне широко применяются при экспериментальных исследованиях напряженного состояния конструкций, а также в качестве преобразователей деформаций в различных измерительных устройствах. Они малоинерционны, позволяют дистанционно и во многих точках проводить измерения; способ установки их на исследуемую деталь не требует сложных приспособлений и не искажает поле деформаций исследуемой детали. Малые размеры и масса фольговых тензорезисторов позволяют размещать их в труднодоступных местах и устанавливать на детали в период сборки конструкции.

Решетки фольговых тензорезисторов изготавливаются травлением из фольги толщиной 0,004—0,02 мм, что позволяет создать тензосопротивления самой сложной конфигурации. Они имеют минимальную базу 0,4 мм, предел измеряемых деформаций до 2% и номинальное сопротивление 50—1000 Ом (обычно от 100 до 400 Ом). У самых ходовых база 5-20 мм, но бывает и полукустарная экзотика от 1 мм до 10 см (для бетона).

Предусматриваются формы решетки, удобные для решения спец. задач, например для измерения трех компонент деформации (розетки из трех датчиков под 120 или 90-45 градусов), деформации в мембранах и др.

а — для измерения одной компоненты деформации; б и в — для измерения трех компонент деформации (розетки); г - для измерения кольцевых деформаций (S - база датчика)

Для измерений при комнатных температуpax решетки изготавливаются из константановой фольги толщиной 5...15 мк и выше. Для измерении при повышенных температуpax применяются константан (до 250—300°С), сплавы типа карма и эваном (до 350—400°С), сплавы на основе никеля и молибдена (до 450—500°С), легированный нихром (до 700°С при измерении статических деформаций и до 900°С при измерении динамических деформаций), а также железо-хром-алюминиевые сплавы (до 700°С).
Высококачественные фольговые датчики выполняют на основе золото-серебряных сплавов, нержавеющих сплавов, плакированной платины и сплавов на ее основе (до 1000°С при измерении динамических деформаций). Наилучшим материалом следует считать фольгу из золото-серебряного сплава и медноникелевую фольгу толщиной до 12 мк. Сопротивление датчиков, изготовленных из этих материалов, лежит в пределах от 55 до 250 Ом. Применяются также и иные материалы, см. таблицы.

Пример такого резистора - тензометр сопротивления для определения одновременно двух главных компонент деформации при плоском напряжённом состоянии:

Для повышенных температур применяют также привариваемые датчики, в которых тензочувствительная решетка из проволоки или фольги с помощью клея закреплена на подложке из стальной фольги толщиной 0,1—0,15 мм. Такие датчики полностью термообрабатываются, тарируются и сортируются по температурной характеристике при изготовлении, что значительно повышает точность измерений.

Из некоторых сплавов, например типа карма, путем спец. термообработки изготавливаются самотермокомпенсированные тензорезисторы для измерений на различных материалах. Температурная компенсация достигается в диапазоне температур до 350—400°С. Для более узкого диапазона температур самотермокомпенсированные тензорезисторы могут быть изготовлены из константана.
При измерении статических деформаций диапазон допустимых температур определяется стабильностью температурной характеристики, сопротивления, коэффициентом тензочувствительности. При измерении динамических деформаций основное значение имеет стабильность коэффициента тензочувствительности.

Основные параметры

   Чувствительность тензорезисторов зависит в первую очередь от тензочувствительного материала, но также и от свойств связующего, условий окружающей среды и других факторов.
   Для тензорезисторов с петлевой проволочной решеткой наблюдается ярко выраженная зависимость тензочувствительности от измерительной базы из-за чувствительности петель к поперечным деформациям, а также вследствие того, что петли являются менее активными участками решетки при восприятии продольных деформаций и при уменьшении базы относительная протяженность петлевых участков увеличивается. Фольговые тензорезисторы в меньшей степени подвержены влиянию поперечных деформаций, а тензорезисторы с беспетлевой проволочной решеткой полностью свободны от этого недостатка.
   Величина тензочувствительности зависит также от условий передачи деформации на тензорезисторы, т.е. от качества приклейки и расстояния от кромок основы до концов тензочувствительного элемента.

   Ползучесть тензорезисторов проявляется, как правило, в виде асимптотически затухающего во времени процесса изменения сопротивления при постоянной деформации независимо от ее знака при фиксированных значениях влияющих величин.
   Она связана с неидеальностью упругих характеристик материалов основы и связующего. Обычно ползучесть тензорезисторов не превышает 0,5—1% за час и 1—2% за 6 ч и в наибольшей степени проявляется при первом нагружении.

   Механический гистерезис тензорезисторов также в основном связан с несовершенством упругих характеристик основы и связующего. Гистерезис имеет место при циклических нагружениях преимущественно в пределах первых циклов и проявляется в виде невоспроизводимости отсчетов (при равных деформациях) при нагружении и разгрузке.
   Величина гистерезиса колеблется в пределах 0,5—5,0% от диапазона измерений и зависит от конструкции тензочувствительного элемента, величин измеряемых деформаций и числа предыдущих нагружений, материала основы и связующего, а также температуры и влажности окружающей среды.

   Чувствительность к внешнему давлению для тензорезисторов с проводниковыми чувствительными элементами незначительна, за исключением тензорезисторов с решетками из манганина. Весьма высокую чувствительность к давлению в определенных кристаллографических направлениях имеют полупроводниковые материалы, что позволяет использовать их для преобразователей давления.

   Температурные характеристики тензорезисторов связаны с особенностями их работы при высоких или низких температурах и соответствующими изменениями их сопротивления. Нормируемыми температурными характеристиками тензорезисторов являются: температурный коэффициент сопротивления (ТКС), температурный дрейф нуля и температурная ползучесть.

   Температурный коэффициент сопротивления тензорезисторов изменяется в широких пределах и может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Путем подбора тензочувствительного материала с нужным значением ТКС температурные погрешности могут быть существенно уменьшены, что позволяет, в частности, обеспечить самотермокомпенсацию тензорезисторов.

   Температурный дрейф тензорезисторов имеет место при постоянных повышенных и высоких температурах и вызывается нестационарными изменениями свойств материалов тензорезисторов при изменениях теплового баланса с внешней средой.

   Температурная ползучесть тензорезисторов проявляется при повышенных и высоких температурах как результат изменений механических и реологических свойств основы и связующего. Как правило, температурная ползучесть в 2—5 раз превышает ползучесть при нормальной температуре.

   Сопротивление изоляции решетки тензорезистора относительно объекта измерений. Существенное влияние на точность и надежность результатов измерений оказывают изоляционные свойства основы и связующего. Сопротивление изоляционного слоя между поверхностью объекта измерений и решеткой тензорезистора зависит от условий контакта последней со связующим, объемного удельного сопротивления материала основы и связующего, их толщины, а также температуры и влажности окружающей среды.
   В зависимости от типа тензорезисторов и условий применения допустимый нижний предел сопротивления изоляции составляет 0,1—100 МОм. Дальнейшее понижение величины сопротивления изоляции может привести к появлению значительных погрешностей, не поддающихся контролю или учету.

   Динамические характеристики тензорезисторов. При измерении динамических деформаций необходимо учитывать зависимость результатов измерений от соотношения между измерительной базой и длиной волны. Большинство тензорезисторов наклеиваемого типа позволяют осуществлять регистрацию динамических деформаций при частотах до 50 кГц. Существенное значение при этом имеет обеспечение динамической стойкости тензорезисторов, достигаемое специальными конструктивными приемами. Динамические погрешности определяются в этом случае расстройством адгезионных связей, а также усталостными нарушениями структуры материала тензочувствительного элемента, что приводит к изменению чувствительности.
   Привариваемые тензорезисторы на комбинированной основе сохраняют чувствительность неизменной при частотах до 100—500 Гц.

Проволочные тензорезисторы

   Проволочные тензорезисторы имеют в качестве чувствительного элемента решетку, выполненную из тонкой проволоки диаметром от 2 до 50 мкм, полученной методом волочения (при диаметрах 10—50 мкм) или методом микрометаллургии (литой микропровод в стеклянной изоляции с диаметром жилы от 2 до 6 мкм).

   Минимальная база датчика для проволочных тензорезисторов S = 2 мм, предел измеряемых деформаций 1%, номинальное сопротивление 50—1000 Ом.

   Первые конструкции проволочных датчиков отличались от современных тем, что ранее проволока располагалась между двумя слоями бумаги. Для этих датчиков применялась тонкая конденсаторная бумага толщиной 10—15 мкм. Проволоку обычно наклеивали на эту бумагу нитроцеллюлозным клеем. После припайки выводных концов сверх измерительной проволоки наклеивали еще такую же бумагу, но уже другим клеем, обычно карбинольным, или раствором канифоли в коллодиуме, не растворяющим первый клей, чтобы не нарушить намотку датчика.
   Тонкая конденсаторная бумага не обеспечивала достаточной изоляции проволоки от металла детали, вследствие чего между датчиком и деталью наклеивали еще один слой бумаги, увеличивавший изоляцию датчика.
   В современных конструкциях датчиков проволоку наклеивают на более плотную бумагу и оставляют открытой сверху. Бумагу выбирают белую, хорошего качества толщиной около 0,07 мм. Рыхлая бумага может расслаиваться, ввиду чего она менее пригодна. Бумага не должна пропускать или фильтровать клей; необходимо, чтобы клей проникал в бумагу, но не просачивался на другую сторону. Это обеспечивает сохранность намотки датчика при наклейке его тем же клеем и способствует повышению изоляции датчика.

   Проводники, употребляемые для выводов, могут быть проволочные и ленточные. Припаивание к плоским лентам проще и надежнее, чем к круглой проволоке, кроме того, при этом не наблюдается замыкания датчика на корпус, как это иногда происходит при продавливании бумаги круглым проводником. Для выводных проводников применяется либо латунная лента толщиной около 0,04 мм, либо луженая медная или серебряная проволока диаметром 0,3—0,4 мм.

   Проволочные тензорезисторы отличаются относительной простотой изготовления, не требуют сложного оборудования для производства и в равной степени пригодны при измерениях статических и динамических деформаций, а также для измерений как упругих деформаций. Это в основном обусловлено совершенством формы сечения и поверхности тянутой и литой проволоки, используемой для изготовления решетки, что определяет ее высокую деформативность и динамическую стойкость. Проволока легко поддается специальной термообработке, что позволяет успешно использовать ее для высоко- и низкотемпературной тензометрии.

   Основным недостатком проволочных тензорезисторов является трудность образования сложных форм решеток, а также решеток с базами меньше 3мм. У тензорезисторов с петлевой решеткой при малых базах значительно возрастает поперечная чувствительность.

   В зависимости от вида чувствительного элемента проволочные одноэлементные тензорезисторы подразделяют на пять групп:
- тензорезисторы общего назначения с плоской петлевой решеткой из натянутой проволоки диаметром 10—30 мкм с базами от 2 до 100 мм и более (см. рис. а);
- тензорезисторы с двухслойной петлевой решеткой из такой же проволоки, с базами 1—3 мм, используемые для измерений при значительных градиентах измеряемых деформаций (см. рис. б);
- тензорезисторы с плоской беспетлевой многопроволочной решеткой из тянутой проволоки диаметром 10—30 мкм с базами от 3 до 200 мм и более для прецизионных измерений на металлических материалах и на участках со сложным распределением напряжений (см. рис. в);
- тензорезисторы беспетлевые однопроволочные из тянутой проволоки диаметром 10—20 мкм с базами от 10 мм и выше для измерений на металлических и неметаллических материалах (см. рис. г);
- тензорезисторы беспетлевые однопроволочные из литого микропровода из сплава СЛМ, с которого удалена стеклянная оболочка. Диаметр металлической жилы составляет 2—6 мкм, с базами от 1 до 3 мм для измерения в зонах со значительными градиентами деформаций (см. рис. д);

   В случаях, когда в одной точке необходимо измерить деформации в нескольких направлениях, применяют многоэлементные тензорезисторы (розетки), образованные из двух, трех или четырех линейных тензочувствительных элементов, объединенных общей основой:

   Беспетлевые тензорезисторы имеют более высокие технико-метрологические характеристики благодаря оптимальной схеме решетки и лучшим условиям передачи измеряемой деформации на ее активную часть. Беспетлевые тензорезисторы свободны, в частности, от поперечной чувствительности, влиянию которой подвержены тензорезисторы с петлевой решеткой. Разброс значений чувствительности и ползучести, а также влияние поперечной обрезки основы беспетлевых тензорезисторов существенно меньше, чем петлевых. Зоны концентраций, являющиеся главной причиной ползучести и нестабильности чувствительности, у беспетлевых тензорезисторов расположены за пределами активной части решетки.

   Размеры базы беспетлевых тензорезисторов не имеют ограничений по технологическим и метрологическим причинам. Минимальные размеры измерительной базы ограничиваются в этом случае трудностями изготовления тянутой проволоки диаметром менее 10 мкм, что не позволяет получить достаточно узкую решетку с сопротивлением выше 50 Ом. С появлением тензорезисторов из жил литого микропровода проволочные тензорезисторы стало возможным выполнять с базами от 1 мм.

   Решетки проволочных тензорезисторов изготовляют из тензометрической константановой проволоки по ТУ 48-08-03-143—71 ГИПРОЦМО, а также из твердой константановой проволоки МНМц 40-1,5 по ГОСТ 5307—69.

   В проволочных тензорезисторах, предназначенных для измерений деформаций свыше 10 тыс. еод (единиц относительной деформации, 1 еод = 0,0001%, равносильна англоязычной ppm), используют отожженную в вакууме мягкую константановую проволоку с относительным удлинением 10—20%. Высокотемпературные тензорезисторы для измерений при температурах свыше 525—575 К изготовляют из хромоникелевых, никель-молибденовых, а также легированных хромоникелевых сплавов типа эваном и карма.

   Тензорезисторы общего назначения обычно имеют бумажную и пленочную основу с ограниченной термо- и морозостойкостью и пригодны для измерений в климатическом диапазоне температур 225—325 К. Диапазон измеряемых деформаций для таких тензорезисторов составляет ±3 тыс.—10 тыс. еод.

   Наиболее распространённые типы:

   - проволочные тензорезисторы общего назначения с одноэлементной петлевой решеткой на бумажной основе. Эти тензорезисторы имеют константановую решетку и основу из папиросной (ПКБ, 2ПКБ, К, Е), конденсаторной (ПКБК) и тетрадной (ПКБТ) бумаги. Рекомендуемые монтажные клеи — 192-Т, циакрин, карбинольный, целлулоидный; для ПКБГ, 2ПКБГ, ПКБК и ПКБТ — также БФ2 с нормальной термообработкой после наклейки. Предельная измеряемая деформация: ПКБ и 2ПКБ ±3тыс. еод; ППКБК и ППКБТ ±10тыс. еод; К и Е ±5тыс. еод. Ползучесть: ПКБ и 2ПКБ 0,5—2,5%; ППКБК и ППКБТ 0,5%; К и Е 2,0%.
   - проволочные тензорезисторы общего назначения с одноэлементной петлевой решеткой на пленочной основе. Они имеют константановую решетку и основу из пленки БФ2 или ВЛ-4 и ВЛ-931. Рекомендуемые монтажные клеи — БФ2, БФ4, ВЛ-4, ВЛ-931, в зависимости от материала основы с нормальной термообработкой после наклейки, а также циакрин. Предельная измеряемая деформация: ПКП и 2ПКП ±3тыс. еод; ППКП с решеткой из твердого константана ±10тыс. еод; ППКП, с решеткой из мягкого константана и основой из пластифицированной пленки БФ2 до ±50тыс. еод. Ползучесть: ПКП 0,15—0,5%; 2ПКП 0,3%; ППКП 0,5%.
   - проволочные тензорезисторы общего назначения с многоэлементной петлевой решеткой на бумажной и пленочной основе. Эти тензорезисторы (розетки) имеют константановую решетку и основу из конденсаторной (ППКБК) и тетрадной (ППКБТ) бумаги и пленки БФ2 (ППКП). Рекомендуемые монтажные клеи для ППКБК и ППКБТ — 192Т, циакрин, карбинольный, целлулоидный; для ППКП — БФ2 и БФ4. Предельная измеряемая деформация для всех типов многоэлементных тензорезисторов — 10 тыс. еод. Ползучесть - не больше 0,5%.
   - проволочные тензорезисторы с одноэлементной беспетлевой решеткой на бумажной и пленочной основе. Тензорезисторы типов ПНКБК и ПНКБТ имеют многопроволочную константановую решетку и соответственно основу из конденсаторной и тетрадной бумаги. Микропроволочные тензорезисторы МПБ имеют тензочувствительный элемент из одиночной жилы литого микропровода. Рекомендуемые монтажные клеи: циакрин — для всех типов, 192Т, карбинольный и целлулоидный — для ПНКБК, ПНКБТ и МПБ, а также БФ2 — для ПНКБК, ПНКБТ и ПНКП. Предельная измеряемая деформация: ПНКБК, ПНКБТ и ПНКП ±10тыс. еод; МПБ ±3 тыс. еод. Ползучесть: ПНКБК, ПНКБТ и ПНКП До 0,5%; МПБ 2%.
   - проволочные тензорезисторы с одноэлементной петлевой решеткой на бумажной основе для измерений при низких температурах и в климатическом диапазоне температур. Они имеют константановую решетку и основу из папиросной (К, КБ и Е) и конденсаторной бумаги (КБП). Рекомендуемые монтажные клеи — целлулоидный, циакрин (К), БФ2 (КБ и КБП) и ВС-10Т (Е428). Предельная измеряемая деформация: К при Т=295 К ±5тыс. еод; К при Т<295 К ±3тыс. еод; КБ при Т=295 К ±5тыс. еод; КБ при Т<295 К ±3тыс. еод; КБП и КБПЦ при Т=295 К ±60тыс. еод; КБП и КБПЦ при Т<295 К ±20тыс. еод; Е ±5тыс. еод. Ползучесть при Т=295 К: К до 5%; КБ до 2%; Е 1%. Ползучесть при Т<295 К: К до 3%; КБ 1%; КБП и КБПЦ 2%. Температурный коэффициент сопротивления: К и КБ -5х10^-5 1/К.
   - проволочные тензорезисторы с одноэлементной петлевой решеткой из константана на бумажной, пленочной, стеклотканевой и временной основе для измерений при повышенных температурах. Тензорезисторы этой группы имеют константановую решетку и основу из папиросной бумаги (Е 001—018; ДКТ), пленки БФ2 (Е 019—040), стеклоткани (КСП) или временную основу (КВВ, КВЦ, ЛХ). Рекомендуемые монтажные связующие: клеи ВС-10Т (Е 001—018), БФ2 (Е 019—040), ВК-9 (ДКТ), полимерный клей холодного отверждения (КСП), лак ВЛ-9 (КВВ), цементы ВН-12 и ВН-15 (КВЦ) и ВН-76 (ЛХ). Предельная измеряемая деформация: Е ±5 тыс. еод; ДКТ ±3 тыс. еод; КСП ±1,5 тыс. еод; КВВ при Т=295 К ±5 тыс. еод; КВВ при Т>295 К ±1,5 тыс. еод; КВЦ при Т=295 ±5 тыс. еод; КВЦ при Т>295 К ±2 тыс. еод; ЛХ ±3—5 ±5 тыс. еод. Ползучесть при Т=295 К: Е До 1%; ДКТ 3%; КСП 1,5%; КВВ 0,3%; КВЦ 1%. Ползучесть при Т>295 К: ДКТ 3%; КСП 10%; КВВ 4%; ЛХ 0,5%. Температурный коэффициент сопротивления: Е — термокомпенсированы для стали ЗОХГСА, бронзы БРАЖД-4, дюралюминия Д16Т, ТКС = ±3x10^-5 1/К; ДКТ — термокомпенсированы для стали, дюралюминия и органического стекла; КСП ±0,6x10^-5 1/К; КВВ ±1x10^-5 1/К; КВЦ ±2x10^-5 1/К.
   - проволочные тензорезисторы с одноэлементной петлевой решеткой из константана, нихрома и никель-молибдена на органосиликатной основе для измерений при повышенных и высоких температурах. Они имеют константановую (ППКПФ, ППКБФ и КФЦ), нихромовую (НФЦ) и никель-молибденовую (НМП) решетку, закрепленную на основе из стальной фольги 0,1—0,2 мм лаком Ф7Т (ППКПФ и ППКБФ) или кремнеорганическими цементами ВН-15 и ВН-12 (КФЦ, НФЦ и НМП). Закрепление тензорезисторов на исследуемую поверхность производят точечной сваркой. Предельная измеряемая деформация: ППКПФ и ППКБФ ±2 тыс. еод; КФЦ и НФЦ при Т=295 К 1,5...3 тыс. еод; КФЦ и НФЦ при Т>295 К 1...1,5 тыс. еод; НМП ±2 тыс. еод. Ползучесть при Т=295 К: ППКПФ и ППКБФ 0,5%; КФЦ и НФЦ 1%. Ползучесть при Т>295 К: ППКПФ и ППКБФ 5%; КФЦ и НФЦ 3—5%; НМП 2%. Температурный коэффициент сопротивления: ППКПФ и ППКБФ ±1x10^-5 1/К; КФЦ ±3x10^-5 1/К; НФЦ ±1x10^-5 1/К.

Фольговые тензорезисторы

   Фольговые тензодатчики являются дальнейшим развитием проволочного тензодатчика. В отличие от проволочных, фольговые тензорезисторы имеют решетку не круглого, а прямоугольного сечения. Благодаря большой площади соприкасания полосок фольгового датчика с объектом измерения его теплоотдача значительно выше, чем у проволочного, что в свою очередь позволяет увеличить ток, проходящий через датчик, а, следовательно, повысить чувствительность тензометрической установки.

   Фольговые тензорезисторы по сравнению с петлевыми проволочными имеют, как правило, лучшие, технико-метрологические характеристики и допускают образование решетки практически любой формы и размеров - технология изготовления фольговых тензорезисторов основана на использовании фотохимических процессов и обеспечивает получение решеток любой формы с базами от 0,3 мм и более.

   Фольговые тензорезисторы имеют решетку из тонколистового металла (константановой фольги по ТУ ЦМО-03 № 96-67) толщиной 5—10 мкм. Основой тензорезистора является пленка из синтетической смолы (лака ВЛ-931) или бумага, пропитанная клеем БФ-2. Толщина пленочного основания тензорезистора составляет 30—40 мкм, бумажного — 80—100 мкм. Выводы тензорезисторов обычно изготовляют из медной проволоки диаметром 0,12—0,15 мм. Диапазон измеряемых деформаций ± 3 тыс...10 тыс. еод.

   Технология изготовления фольговых тензорезисторов удобна для массового производства; она состоит из следующих основных этапов:
- проектирование тензорезистора и изготовление чертежа решетки;
- изготовление фотошаблона, который представляет собой изображение тензорезистора на фотографической пленке или пластинке в натуральную величину; на одном фотошаблоне обычно помещают одновременно 60 — 200 изображений решеток тензорезисторов;
- нанесение рисунка решетки тензорезистора на фольгу;
- нанесение рисунка на фольгу осуществляется путем контактного копирования с негатива на фольгу, предварительно покрытую светочувствительным кислотоупорным составом;
- травление тензорезисторов; при травлении участки фольги, не покрытые кислотоупорным составом (изображением решеток тензорезисторов), растворяются;
- присоединение выводных проводников; контроль качества тензорезисторов.

   Фольговые тензорезисторы выпускают нескольких типов:
- одноэлементные тензорезисторы 2ФКПА, 2ФКХЩ, 1ФКТК, 2ФКТК, ЗФКТК, ФК-ПА, ФК-ПБ, ФК-ПВ, состоящие из одной прямоугольной решетки;
- двухэлементные розетки 2ФКРВ, ФК-РА, состоящие из двух одинаковых решеток, расположенных под прямым углом;
- трехэлементные тензорезисторы, состоящие из трех одинаковых решеток, расположенных под углами 45° и 60°. Трехэлементные розетки выпускают двух модификаций: а) прямоугольные ФКРБ и дельта-розетки 2ФКРГ; б) мембранные тензорезисторы 2ФКМВ, 2ФКМГ.

Полупроводниковые тензорезисторы

   Полупроводниковые тензорезисторы имеют в качестве чувствительного элемента монокристаллический полупроводник - как правило кремний или германий - толщиной 20—50 мкм, шириной до 0,5 мм и длиной 2—12 мм.

   Наиболее распространенная технология изготовления таких элементов — резка монокристалла полупроводника с последующим травлением, с тем чтобы на поверхности тензочувствительного элемента не осталось микротрещин от механической обработки.
   Также получила распространение так называемая дендритная технология изготовления тензорезисторов. При этом дендритную ленту получают вытягиванием из расплава полупроводника, а затем разламывают по заранее нанесенным рискам. По указанной технологии можно изготавливать тензорезисторы из германия, кремния, антимонидов галлия и индия, и других материалов; наибольшее распространение получили p-гедисторы.
   В конце 60-х были разработаны тензорезисторы типа "кремнистор", образованные нитевидными кристаллами кремния.

   При выборе полупроводниковых тензорезисторов в качестве первичных преобразователей или чувствительных элементов необходимо учитывать следующие их свойства:
  - высокую чувствительность и возможность получения большого выходного сигнала;
  - зависимость сопротивления и чувствительности от температуры;
  - ограниченный диапазон деформирования;
  - анизотропию метрологических характеристик.
   Анизотропия свойств проявляется прежде всего в изменении продольной и поперечной тензочувствительности. По этой причине при конструировании чувствительных элементов необходимо обеспечить совпадение оси симметрии монокристалла с направлением измеряемой деформации.

   Чувствительность приклеенного полупроводникового тензорезистора обычно существенно отличается от номинальной, что приходится учитывать исходя из соотношений коэффициентов Пуассона полупроводников и материала объекта наклейки, а также продольной и поперечной тензочувствительности монокристалла.

   Основными преимуществами полупроводниковых тензорезисторов по сравнению с проволочными и фольговыми являются: высокий коэффициент тензочувствительности; высокий уровень выходного сигнала; отсутствие гистерезиса; химическая инертность; больший предел усталостной прочности; низкая поперечная тензочувствительность; способность сохранять механические характеристики при высоких температурах до 500°С); минимальная погрешность от включений, шумов, наличия линий связи.

  Учитывая высокую стоимость полупроводниковых тензорезисторов, их применение необходимо аргументировать в каждом конкретном случае проведения измерений. Использование их целесообразно в первую очередь в тех случаях, когда необходимо проводить измерения без усилителей, при измерениях малых деформаций и на малых базах, для установки на миниатюрные чувствительные элементы преобразователей механических величин.

   Разработкой п/п тензорезисторов у нас в стране занимались Новосибирский электротехнический институт (ныне НГТУ), Московский энергетический институт (МЭИ), Институт машиноведения, Львовский политехнический институт и некоторые другие организации.

2ПКБ

Одноэлементные тензорезисторы общего назначения, с прямоугольной решеткой из константановой проволоки. Материал подложки - папиросная бумага; в качестве связующего при монтаже рекомендованы клеи - 192-Т, циакрин, карбинольный или целлулоидный.

Резисторы выпускаются номиналами 50, 100, 200 и 400 Ом.

Производители - Топкинский механический завод, ныне Сибтензоприбор (г.Топки Кемеровской области) и - с 1970 по 1980 год - московский Завод опытных конструкций, изделий и оборудования (Экспериментальный механический завод ЦНИИ Строительных Конструкций).

2ПКП

Одноэлементные тензорезисторы общего назначения, с прямоугольной решеткой из константановой проволоки. Материал подложки - пленка клея БФ-2; в качестве связующего при монтаже рекомендован тот же клей либо циакрин ЭО.

Резисторы выпускаются номиналами 50, 100, 200 и 400 Ом.

Пример полного обозначения таких резисторов: "2ПКП-10-100В 99,10-99,39 Ом" (тип резистора, размер активной базы в мм, номинальное сопротивление, класс по метрологическим характеристикам, разброс сопротивления в данной партии).

Производитель - Топкинский механический завод, ныне Сибтензоприбор (г.Топки Кемеровской области). Заводской паспорт от этих резисторов.

2ФКМГ

2ФКМГ - мембранные тензорезисторные розетки, предназначены для измерения радиальных и тангенциальных деформаций мембран. Материал подложки - пленка лака ВЛ-931, в качестве связующего при монтаже рекомендован тот же лак.

Резисторы выпускаются номиналами 50, 100 и 200 Ом; рабочий ток 40-50 мА.

2ФКПА

Одноэлементные тензорезисторы с прямоугольной решеткой. Материал подложки - пленка лака ВЛ-931, в качестве связующего при монтаже рекомендован тот же лак либо циакрин.

Резисторы выпускаются номиналами 50, 100 и 200 Ом; на два номинала рабочего тока - 15 и 40-50 мА.

Заводской паспорт от этих резисторов.

Производитель - томский Завод математических машин, позднее вошедший в состав ПО "Контур".

2ФКРВ

Двухэлементные розетки, состоящие из двух одинаковых решеток, расположенных под прямым углом; выпускались по ГОСТ 21616-76. Материал подложки - пленка лака ВЛ-931, в качестве связующего при монтаже рекомендован тот же лак. Резисторы выпускаются на два номинала - 50 и 100 Ом; рабочий ток 40-50 мА.

Производитель - Топкинский механический завод, ныне Сибтензоприбор (г.Топки Кемеровской области).

2ФКРГ

Трёхэлементные дельта-розетки, выпускаемые по ТУ 25-01-100-68. Материал подложки - пленка лака ВЛ-931, в качестве связующего при монтаже рекомендован тот же лак.

Резисторы выпускаются на два номинала - 50 и 100 Ом; рабочий ток 40-50 мА.

Пример полного обозначения таких резисторов: "2ФКРГ-10-100хВ 80-120 Ом ТУ 25-01-100-68".

3ФКТК

(фото с аукциона Мешок)

Простые одноэлементные фольговые тензорезисторы с прямоугольной решеткой. Третий их вариант; отличались между собой, как я понимаю, материалом подложки. 3ФКТК выполнены на бумаге, под клей ВК-9 в качестве связующего при монтаже.

Резисторы выпускались номиналами 100, 200 и 400 Ом; трёх типоразмеров 5х14, 10х19 и 15х24 мм. Рабочий диапазон температур 265...475 °К (-10...+2000 °С).

Производитель - киевский Опытный завод порционных автоматов им. Ф.Э. Дзержинского (ныне компания "Веда").

КФ5П1

КФ5П1 - одиночные приклеиваемые фольговые тензорезисторы, частично термокомпенсированные, предназначены для разовой наклейки. Чувствительный элемент изготовлен из тонкой константановой фольги, в качестве материала подложки используется термостойкая бумага фенилон, пропитанная клеем УВС-10Т.

Производитель - киевская компания "Веда". Историческая справка - "В 1976 г. компания ВЕДА закупила лицензию HBM (Германия) и впервые в СССР освоила производство тензодатчиков и фольговых тензорезисторов типов КФ4 и КФ5 с широким типоразмерным рядом".

Особенностью одиночных тензорезисторов является параллельное расположение нитей чувствительного элемента относительно продольной оси тензорезисторов и способность измерять деформации растяжения или сжатия при одноосном напряженном состоянии.

Приклейку тензорезисторов КФ5 рекомендуется производить клеями УВС-10Т, БФР-2К или циакрином ЭО.

Основные данные

Техническое описание на эти тензорезисторы, и свидетельство о регистрации в Госреестре.

КФ5Р5

КФ5Р5 - приклеиваемые фольговые тензорезисторные розетки, предназначенные для определения величины и направления деформаций при сложно-напряженном состоянии объекта.

Три резистивных элемента из константановой фольги расположены осесимметрично, под углами 90, 135 и 135 градусов. Приклейку тензорезисторов КФ5 рекомендуется производить клеями УВС-10Т, БФР-2К или циакрином ЭО.

Производитель - киевский Опытный завод порционных автоматов им. Ф.Э. Дзержинского (ныне компания "Веда"). Историческая справка, "В 1976 г. компания ВЕДА закупила лицензию HBM (Германия) и впервые в СССР освоила производство тензодатчиков и фольговых тензорезисторов типов КФ4 и КФ5 с широким типоразмерным рядом".

Основные данные

Техническое описание на эти тензорезисторы, и свидетельство о регистрации в Госреестре.

КФ5Ц3

КФ5Ц3 - приклеиваемые фольговые цепочечные тензорезисторы, состоящие из девяти элементов. Такие цепочки предназначены для исследования распределения деформации в зоне концентрации напряжений.

Приклейку тензорезисторов КФ5 рекомендуется производить клеями УВС-10Т, БФР-2К или циакрином ЭО.

Производитель - киевский Опытный завод порционных автоматов им. Ф.Э. Дзержинского (ныне компания "Веда"). Историческая справка - "В 1976 г. компания ВЕДА закупила лицензию HBM (Германия) и впервые в СССР освоила производство тензодатчиков и фольговых тензорезисторов типов КФ4 и КФ5 с широким типоразмерным рядом".

Основные данные

Техническое описание на эти тензорезисторы, и свидетельство о регистрации в Госреестре.

НБ

Довольно ранний образец из 60-х годов. Никаких упоминаний о нём я пока не нашёл, внешне это одноэлементный тензорезистор с прямоугольной решеткой, на бумажной основе. Возможно, он стал предшественником 2ПКБ.

Производитель - томский Завод математических машин, позднее вошедший в состав ПО "Контур".

Кое-что можно почерпнуть с заводской упаковки:

НМП-430М

НМП-430М - проволочные тензорезисторы с одноэлементной петлевой решеткой для измерений при повышенных и высоких температурах; выпускаются по ТУ 25/06-353-68. Разработаны они были Институтом машиноведения, выпускались Заводом тензометрических приборов (г. Краснодар).

Материал решетки - никель-молибденовая проволока НМ23ХЮ, материал основы - стальная фольга 0,1-0,2мм, крепление решетки на фольгу производится кремнеорганическим цементом марки ВН-15 или ВН-12. Закрепление тензорезисторов на исследуемую поверхность производят точечной сваркой.

Резисторы выпускаются номиналом 100 Ом (как видно по фотографиям, с некоторым отклонением); рабочий диапазон температур +22...+432°С. Предельная измеряемая деформация ±2 тыс. еод; ползучесть 2%. Время измерений при предельной температуре ограничено 10—15 мин.

НМТ-450

Высокотемпературный тензорезистор, предназначенный для измерения деформаций в деталях машин при температуре 25...450 °С и отсутствии в окружающей среде паров агрессивных веществ, радиоактивного и прямого солнечного излучения.

История его небезынтересна. В 1976-1986 годах выпускались высокотемпературные тензорезисторы НТМ-450. Подробностей по ним нет, но в 1987 году они исключены из Реестра, а добавились НМТ-450. Вероятно, то был первый вариант, либо просто со старым названием.

НМТ-450 образца 1986 года выпускались краснодарским заводом "Тензоприбор" (ныне, как понимаю, ликвидирован). Вот у меня на фотографиях НМТ-450 как раз этого периода.

С 2004 года описание их в Госреестре средств измерений меняется; вот Свидетельство о регистрации образца 2004г., вот 2010г. Их назначение теперь описано более определённо, "для измерения деформаций в деталях машин и конструкций, в том числе теплового и тепломеханического оборудования реакторных установок атомных электрических станций, при статических и динамических нагрузках в диапазоне температур 25...450 °С". Сменился и производитель, теперь это ФГУП ОКБ "Гидропресс" (г.Подольск), разработчик атомных реакторов. Про отсутствие всяких нехороших воздействий в описании теперь ни слова, что характерно.

Вероятно, в связи с проблемами в Краснодаре, Гидропрессу пришлось перетащить выпуск этих тензорезисторов к себе, атомное производство - вещь серьёзная. Ну а остальные - как получится... 

Теперь к техническим подробностям. Материал тензочувствительной решетки с параллельным расположением петель - никель-молибденовая проволока 0,03мм из сплава НМ23ХЮ, материал основы - фольга 0,15мм из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, крепление решетки на фольгу производится органосиликатной композицией ОС-52-02. Выводы изготовлены из нихромовой проволоки Х20Н80 диаметром 0,15мм, место приварки выводов защищено стеклотканью А-1П и нихромовой скобой. Закрепление тензорезисторов на исследуемую поверхность производят точечной сваркой.

Резисторы выпускаются номиналом 100 Ом. Предельная измеряемая деформация ±2 тыс. еод; часовая ползучесть 1% в нормальных условиях и 3% при +450°С. Чувствительность 1,8...2,1 К.

Гедисторы

Название этой группы тензодатчиков расшифровывается как ГЕрманиевые Дендритные Тензорезисторы. Они были разработаны в Государственном научно-исследовательском институте машиноведения под руководством доктора техн. наук проф. Н. П. Раевского. Что любопытно, серийный - точнее, мелкосерийный - выпуск этих тензорезисторов был организован на опытно-экспериментальном школьном заводе Министерства просвещения РСФСР.

Благодаря высокой тензочувствительности гедисторы могут применяться как без усилителей, так и с обычной аппаратурой, применяемой для металлических тензорезисторов. Наиболее целесообразно применять гедисторы для исследования небольших деформаций в динамическом режиме.

Основные параметры

КТД2А

Кремниевые ТензоДатчики 2-го типа относятся к самым первым промышленным образцам отечественных кремниевых тензорезисторов дендритного типа.

Эти образцы были созданы на базе "нэтисторов" - кремниевых тензорезисторов из кремния n- и p-типов с выводами из золота, разработанных в НЭТИ под руководством проф. А.Ф. Городецкого.

Выпускал их Саранский завод полупроводников (ныне Саранский завод точных приборов). Точных данных на этот тип у меня нет, но скорее всего они таковы:

Основные параметры

Для наклейки тензорезисторов на поверхность рекомендуются клеи ВЛ-931 (ВЛ-7), БФ-2 и БФ-1.

ЧЭД

Весьма любопытные изделия. Это некие Чувствительные Элементы Давления. Никаких упоминаний о таких я пока нигде не встречал, и, соответственно, какой-либо информации, кроме скупой этикетки, нет. Судя по ней, они состоят из четырех тензорезисторов с номиналами в диапазоне 900...1000 Ом. Мостовая схема?

Это явно полупроводниковые тензорезисторы; и они, похоже, выполнены по классической технологии интегральных схем - фотолитографии. Если это действительно так, то это уже следующее поколение по сравнению с остальными типами, которые технологически застряли в середине прошлого века.

Производитель их неизвестен. Упакованы они были в баночку от ВИФС ВНИИКИ (Всесоюзный информационный фонд стандартов Всесоюзного научно-исследовательского института классификации, терминологии и информации по стандартизации и качеству), но я крайне сомневаюсь, что фонд имеет какое-либо отношение к этим элементам.

Но, к примеру, похожие интегральные преобразователи давления разрабатывали на кафедре дистанционных измерительных систем МИФИ. 

Источники:

1. Н.П. Раевский. Методы экспериментального исследования механических параметров машин. Издательство Академии наук СССР. Москва - 1952.
2. Б.А. Глаговский, И.Д. Пивен. Электротензометры сопротивления. М.-Л. Издательство "Энергия", 1964 (Библиотека по автоматике, вып.115).
3. Автоматизация производства и промышленная электроника. В 4 тт. Главные редакторы А. И. Берг и В. А. Трапезников, т. 4. М., "Советская энциклопедия", 1965. (Энциклопедия современной техники. Энциклопедии. Словари. Справочники). т. 4. Телекомандование - Ячейки стандартные.
4. Ильинская Л.С., А.Н. Подмарьков. Полупроводниковые тензодатчики, М. — Л., издательство „Энергия", 1966 (Библиотека по автоматике, вып. 189).
5. Пучкин Б.И. Приклеиваемые тензодатчики сопротивления. М.-Л. Издательство "Энергия", 1966 (Библиотека по автоматике, вып.207).
6. Трухачев Б.С. и Удалов Н.П. Полупроводниковые тензопреобразователи. М., "Энергия", 1968 (Библиотека по автоматике, вып.298).
7. И. Смысло, И.Кругликов. Гедисторы - новый тип тензодатчиков. - "Радио" №3, 1970.
8. Глаговский Б.А., Пивен И.Д. Электротензометры сопротивления. Изд. 2-е, перераб. Л., "Энергия", 1972 (Библиотека по автоматике, вып.477).
9. Прецизионные сплавы. Справочник. Под ред. Б.В. Молотилова. М., "Металлургия", 1974.
10. Тензометрия в машиностроении. Справочное пособие. Под ред. канд. техн. наук Р. А. Макарова. М., «Машиностроение», 1975.
11. Измерительные преобразователи. Е.С. Полищук.- Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1981.

домой