1. Действие тензорезисторов основано на известном явлении тензоэффекта - свойстве материалов изменять при деформации свое электрическое сопротивление. При этом считается, что сопротивление проводника или полупроводника зависит (при неизменном объеме) от его длины l:

где r - удельное сопротивление материала. Ом/см; S - площадь поперечного сечения, см.

Таким образом, при механическом воздействии на проводник изменение его сопротивления вызывается изменением его длины Dl/l, площади поперечного сечения DS/S или удельного сопротивления, Dr/r.

Отношение изменения активного сопротивления тензорезисторов к вызвавшей это изменение относительной деформации называется чувствительностью:

где m - коэффициент Пуассона.

При пластических деформациях материала преобразователя его объем. а следовательно, и относительное изменение удельного сопротивления равны нулю. Поэтому в области пластических деформаций, так как коэффициент Пуассона равен 0.5S_т=1+2*0.5=2.

2. Для изготовления тензорезисторов используют константан, нихром, никель, висмут, а также кремний и германии

Наибольшее значение коэффициента тензочувствительности из перечисленных материалов имеют полупроводники. Так, у р-кремния значение S_т достигает 170. Кроме того, кремний имеет наименьший температурный коэффициент сопротивления.

Конструктивно тензорезисторы выполняют из проволоки, фольги или прямоугольников полупроводникового материала (рис. 1), наклеенных на тонкую бумагу или пленку лака. К концам тензоэлемента припаивают (приваривают) медные выводные проводники.

Рис. 1. Устройство проволочного (а), фольгового (б) и полупроводникового (в) тензорезисторов.

Параметры тензопреобразователей, используемых для измерений неэлектрических величин, во многом зависят от выбранного клея и качества наклейки на исследуемый объект.

При использовании тензорезисторов в условиях повышенной влaжноcти, применяются специальные покрытия из различных лаков. Такая защита необходима для предохранения тензорезисторов от механических повреждений и поддержания неизменным сопротивления изоляции. В нормальных условиях сопротивление изоляции наклеенного тензорезистора должно быть не менее 100 МОм.

Изменение сопротивления наклеенных тензорезисторов, вызванное деформацией, обычно не превышает десятых долей Ома. Для измерения таких сопротивлений используют в большинстве случаев мостовые цепи. Основная причина возникновения погрешностей наклеенных тензопреобразователей - погрешность их градуировки. Особенно велики эти погрешности (до 5 %) при невозможости градуировать непосредственно рабочий преобразователь. Если проведена градуировка рабочего тензопреобразователя, то при тщательном выполнении измерений погрешность может быть уменьшена до 1%.

Проволочные и фольговые тензорезисторы применяют при измерении относительных деформаций до Dl/l=1. 5%, а полупроводниковые до 0.1%.
Для измерения механического напряжения материала, по оси действия этого напряжения наклеивают один тензорезистор. В этом случае напряжение в материале

где E_m - модуль упругости материала, ГПа; S_t - чувствительность тензорезистора.
Для измерения механических напряжений и давлений обычно наклеивают два тензорезистора (рис. 2), которые включают в мостовую цепь.

Рис. 2. Мостовая схема включения тензорезисторов.

Это вызвано необходимостью увеличения чувствительности преобразователя и температурной стабилизацией параметров цепи. При наклейке двух тензорезисторов по оси действия измеряемого напряжения вдвое повышается чувствительность измерительной цепи, а температурное изменение сопротивления одного тензорезистора компенсируется противоположным изменением сопротивления другого тензорезистора.

Если на исследуемый объект два тензорезистора наклеить невозможно, то один из них крепят на аналогичный материал и помещают в те же условия, что и рабочий.

Для измерения механических напряжений, давления и тяговых усилий в сельскохозяйственных машинах и агрегатах используются упругие элементы. Преобразователем таких элементов является упругое стальное кольцо (рис. 3), на внутренней поверхности которого наклеены тензорезисторы. Комплект таких элементов позволяет измерить тяговые усилия от 10³ до 10⁶ Н.

Рис. 3. Кольцевой упругий элемент.

Рис. 4. Преобразователь давления с тензорезистором.

В тензометрических преобразователях давлений используются упругие элементы в виде мембран (рис. 4). В корпусе 1 такого преобразователя укреплена мембрана 2, на которую наклеен тензорезистор 3. Для максимальной чувствительности форма и размеры тензорезистора должны соответствовать диаметру мембраны. Мембрану в этом случае выбирают возможно меньшего диаметра и меньшей толщины.

Преобразователи с тензорезисторами позволяют измерять абсолютные давления от 0 до 2,5 MПа.

Крутящиеся моменты валов сельскохозяйственных машин и агрегатов также измеряют при помощи тензорезисторов. При этом тензорезисторы наклеивают на вал по линии действия напряжения кручения.

Наибольшие напряжения кручения при передаче момента валом отмечаются в его сечении, расположенном под углом 45° к образующей. В направлениях, параллельных и перпендикулярных образующей вала, действует только деформация сдвига (рис. 5).

При измерении крутящихся моментов почти не используются схемы с одним и двумя тензорезисторами, а применяются мостовые цепи с четырьмя резисторами. Такие схемы (рис. 6) позволяют получить на выходе моста мощный сигнал, исключить влияние изгиба вала и деформаций сгиба. Кроме того, мостовые цепи обеспечивают почти полную термокомпенсацию тензорезисторов.

Рис. 5. Схемы наклейки тензорезисторов для измерения крутящегося момента.

Тензометрическая весоизмерительная лабораторная установка включает в себя (рис. 6) металлическую пластину 1, на которую наклеены тензорезисторы R₁, R₂, R₃, R₄. Тензорезисторы включены в мостовую измерительную схему (схема наклейки и включения тензорезисторов приведена на рис. 6). Переменный резистор R служит для установки нуля. Выходной сигнал подается на вторичный прибор "Диск-250".

Рис. 6. Схема лабораторной установки.

1. Убрав все грузы с платформы тензовесов, сбалансировать мостовую измерительную схему с помощью переменного резистора.
2. Снять статическую характеристику исследуемой измерительной схемы при увеличении (прямой ход) и уменьшении (обратный ход) нагрузки. Результаты внести в таблицу.
3. По полученным экспериментальным данным построить график зависимости выходного сигнала мостовой измерительной схемы от нагрузки (построить статическую характеристику).

1. На каком явлении основано действие тензорезисторов?
2. Из каких материалов изготавливают тензорезисторы?
3.В чем состоит основное преимущество полупроводниковых тензорезисторов?
4. Каковы схемы включения тензорезисторов?
5.Как градуируют схемы с тензорезисторами
6. Запишите условие равновесия мостовой измерительной схемы приведенной на рис. 6.
7. Расскажите об устройстве лабораторного стенда и порядок выполнения роботы.

1. А. В. Кравцов, Ю. В. Рыбинский. Электрические измерения. М. Колос, 1979.
2. Немец И. Практическое применение тензореоисторов. М. Знергия, 1970.