Файл: Эрлер, В. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами.pdf

Все эти источники погрешностей связаны с характером по­ ведения самого тензорезистора. Нелинейности мостов и полупро­ водниковых тензорезисторов рассматривались в разд. 4.2, а по­ грешности за счет соединительной линии между измерительным преобразователем и прибором для регистрации измерения — в разд. 4.5. Обсудим подробнее каждый из этих источников по­ грешностей.

а) Изменение температуры оказывает двойное воздействие на тензорезистор или тензометрическое мостовое устройство: вопервых, происходит дрейф нуля и, во-вторых, изменяется коэф­ фициент чувствительности моста. Дрейф нуля возникает в результате изменения сопротивлений тензорезисторов; он объяс­ няется тепловым расширением объекта измерения и температур­ ным коэффициентом сопротивления тензорезисторов (разд. 4.3). Последнее в большей степени свойственно полупроводниковым тензорезисторам, чем проволочным и фольговым (при рассмот­ рении отдельного тензорезистора). Изменение коэффициента чув­ ствительности моста происходит в основном в результате темпе­ ратурной зависимости коэффициента тензочувствительности

(разд. 4.4).

В разд. 4.3 уже было показано, что тепловой дрейф нуля можно удерживать в малых пределах, если оба тензорезистора полумоста находятся в одинаковых температурных условиях и наклеены на один и тот же материал. Разумеется, чтобы полу­ чить хорошую компенсацию, сами тензорезисторы должны иметь также одинаковые характеристики (материал, температурный коэффициент сопротивления, коэффициент тензочувствителыюсти К).

Второй тензорезистор полумоста (компенсационный тензо­ резистор) не обязательно должен при этом подвергаться меха­ нической деформации.

Одинаковое температурное воздействие на компенсационный и активный тензорезисторы может осуществляться благодаря тому, что компенсационный тензорезистор имеет хорошую тепло­ вую связь с объектом измерения (обеспечиваемую, например, болтами или точечной сваркой, фиг. 5.7).

Если нельзя разместить компенсационный тензорезистор в непосредственной близости от активного тензорезистора, то для уменьшения погрешностей, связанных с температурным воздей­ ствием на подводящие провода, необходимо следить за тем, что­ бы эти провода для обоих тензорезисторов были равной длины, одинакового сечения и были изготовлены из одного и того же материала. Оба провода должны, кроме того, находиться в оди­ наковых температурных условиях. При соблюдении указанных

условий гарантируется, что вызываемое температурным влия­ нием изменение сопротивления (ДЯ//?) темп в обоих тензорезисторах (включая подводящие провода) будет одинаковым. Поэ­ тому, когда оба тензорезистора в соответствии с фиг. 5.7 рас­ положены в смежных плечах моста, разбаланс моста за счет влияния температуры компенсируется.

Фиг. 5.7. Размещение тензорезисторов и схема включения компенсационного тензорезистора.

Следует указать, что можно также изготовить тензорезисторы, которые для объектов измерения из определенных видов материалов будут самокомпенсированными (что достигается,

Фиг. 5.8. Размещение компенсационного тензорезистора для одноосного напряженного состояния.

например, применением для чувствительных элементов прово­ локи из материалов с различными температурными характери­ стиками). В этом случае они обнаруживают значительно мень­ шее тепловое изменение сопротивления (AR/R)Texm [11].

Для однооснонапряженного состояния, у которого известны как направление главной продольной деформации, так и вели­ чина главной деформации, перпендикулярной продольной оси детали (разд. 5.2.1), компенсационный тензорезистор можно на­ клеивать перпендикулярно активному тензорезистору (фиг. 5.8). Тем самым активный тензорезистор подвержен деформации

925. Техническое применение тензорезисторов

акомпенсационный тензорезистор — деформации

(5.4')

На изменения сопротивления (А/?//?)мех — Кгп или Кед на­ кладывается еще изменение сопротивления (AR/R)темп, которое при соблюдении указанных выше условий имеет для обоих тен­ зорезисторов одну и ту же величину и тот же знак. Если оба эти тензорезистора включить тем же (изображенным на рисун­ ке) образом в соседние плечи моста, то эта часть изменения сопротивления компенсируется. Доля механической деформации выразится тогда следующим образом (разд. 4.2):

Следовательно, таким расположением компенсационного тен­ зорезистора компенсируется не только температурное влияние, но, кроме того, на величину (1 + v) повышается и чувствитель­ ность по сравнению с измерениями при ненагруженном компен­ сационном тензорезисторе.

б) Сопротивление изоляции между наклеенным тензорезистором и металлической поверхностью объекта измерения не бесконечно. Оно в значительной мере зависит от связующего или подложки применяемого тензорезистора, от свойств исполь­ зуемого клея, толщины слоя и влажности окружающей среды. Особенно неблагоприятны тензорезисторы с бумажной подлож­ кой. Во всех случаях, когда необходимы высокая точность и длительная стабильность в трудных условиях измерения (влага, пыль), настоятельно рекомендуется дополнительная защита тен­ зорезисторов. Это можно осуществить с помощью подходящих сортов воска, лака или липкой ленты. В промышленных измери­ тельных преобразователях с тензорезисторами такая защита производится изготовителем.

Необходимо принимать во внимание и сопротивление изоля­ ции кабеля между измерительным преобразователем и измери­ тельным прибором. В кабеле сопротивление изоляции имеется как между отдельными жилами, так и между каждой жилой и массой (защитным экраном). Эти сопротивления изоляции при­ обретают особое значение в случае длинных кабелей. Следует также учитывать, что сопротивление изоляции синтетических ма­ териалов с увеличением температуры снижается, причем осо­ бенно интенсивно в области высоких температур. Колебания влажности воздуха, как правило, оказывают на изоляцию кабеля лишь незначительное влияние.

Наличие сопротивлений изоляции различного происхождения приводит в конечном счете к тому, что между каждыми двумя точками моста и между каждой точкой моста и массой (часто массе соответствует определенная точка моста) наблюдается суммарное сопротивление изоляции. При этом почти во всех слу­ чаях помехи создаются лишь сопротивлениями изоляции, под­ ключаемыми параллельно к сопротивлениям плеч моста. Как уже было сказано, они зависят главным образом от температуры и влажности воздуха, а вместе с этими величинами — также от времени. В связи с этим, как следствие, возникает соответствую­ щий нежелательный разбаланс моста (дрейф нуля).

Какую роль могут играть сопротивления изоляции, показы­ вает небольшой расчет. Будем исходить из того, что разбаланс моста в результате наличия сопротивлений изоляции, подклю­ ченных к каждому плечу моста, может быть выражен через раз­ баланс моста, возникающий в том случае, если сопротивление изоляции /?из (R «С Я™) подключено параллельно только к од­ ному сопротивлению моста R. Относительное изменение сопро­ тивления тензорезистора за счет механического воздействия бу­ дет (AR/R)мех = Кг, в то время как соответствующая величина, выраженная через Rm, с хорошим приближением может быть представлена как (AR/R)m ~ R / R n 3. Е с л и потребовать, чтобы разбаланс моста за счет Rll3 ввиду возможных больших колеба­ ний этих значений составлял всего лишь 1/100 разбаланса в ре­ зультате механического воздействия на тензорезистор с мини­ мально встречающимся измеряемым значением деформации е Мп н , то получается следующая упрощенная формула:

100R

R*3> Кбмин

Она дает ориентировочное значение для требуемой величины сопротивления Ra3 в зависимости от R и К данного тензорези­

резисторов может быть при той же допустимой погрешности значительно ниже, чем у обычных проволочных тензорезисторов.

Таким образом, из сказанного выше следует, что для успеш­ ного проведения измерения необходимо измерить сопротивление изоляции отдельных наклеенных и защищенных тензорезисторов относительно объекта измерения. При этом важно, чтобы в