Сегодня метрологические измерения часто проводят с помощью ПК и иных адаптированных к ПУ модулей. Этот метод хорош своей универсальностью и широкими возможностями анализа данных. Электронная промышленность своевременно отвечает на вызовы времени тем, что уже сегодня разработчики могут использовать готовые электронные модули для сопряжения с тензорезисторами.

Справедливой известностью среди разработчиков РЭА пользуются специализированные разработки АЦП для тензоизмерений на 4/8 каналов с полосой сигнала до 1 кГц – специализированный модуль АЦП для тензоизмерений. К примеру, специализированный модуль АЦП для тензоизмерений LTR212 предназначен для прямого полноценного подключения и точного измерения напряжения разбалансировки мостовых, полумостовых, четвертьмостовых резистивных датчиков, то есть тензодатчиков, датчиков давления и др. Он применяется в составе портативных или многоместных крейтов LTR и позволяет создавать тензостанции с конфигурируемым числом измерительных каналов для подключения до 8 тензодатчиков сопротивлением от 100 Ом до 1 кОм (для датчиков с импедансом 50 Ом). При этом возможно подключение до 8 тензодатчиков 50 Ом при напряжении питания +2,5 В либо подключение до 4 тензодатчиков 50 Ом при напряжении питания +5 В, но только совместно с LTR212, LTR212M-2 или LTR212M-3.

Особенности этого модуля: до 8 каналов сигма-дельта АЦП измерения разбаланса моста, 24 бита, с программно переключаемыми милливольтовыми поддиапазонами измерений, входными аналоговыми ФНЧ и дополнительной цифровой фильтрацией на ADSP-2185M. Имеется ИОН – источник опорного напряжения (для питания тензодатчиков) с программно-переключаемым выходным напряжением +2,5 В или +5 В (постоянное или знакопеременное) и суммарным рабочим током нагрузки до 400 мА. А также встроенный компенсационный ЦАП по каждому каналу АЦП для проведения программно управляемой аппаратной компенсации начальной разбалансировки тензодатчиков без уменьшения динамического диапазона АЦП.

На рис. 2.22 представлены разъемы и распиновка внешних сигналов модулей LTR для сопряжения с тензорезисторами.

Рис. 2.22

Внутренние цепи дополнения до полного моста при подключении к внешним полумостовым или, вариативно для LTR212M-1, к стандартным четвертьмостовым датчикам с импедансом 200 или 350 Ом. В модуле LTR212M-1 при нестандартном сопротивлении внешнего четвертьмостового датчика пользователю предоставляется возможность монтажа собственных дополняющих резисторов на сменный субмодуль, что, несомненно, расширяет перспективы такого технического решения.

В табл. 2.1 представлены сравнительные характеристики различных модификаций модуля LTR212.

Таблица 2.1. Сравнительные характеристики различных модификаций модуля LTR212

Данные по источнику опорного напряжения представлены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Характеристики источника опорного напряжения

История возникновения тензорезистора не нова.

Полезный функционал тензорезисторов был востребован после открытия эффекта изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) в 1856 году лордом Кельвином и в 1881 году О. Д. Хвольсоном. Пионерами в практических измерениях деформаций являются Е. Е. Симмонс (Калифорнийский технологический институт) и Л. С. Руже (Массачусетский технологический институт), которые в 1938 году изготовили и применили первые образцы приклеиваемого тензорезистора, являющегося прототипом широко распространенных во всем мире тензорезисторов различного назначения.

Внешний вид тензорезистора (см. рис. 2.23) поможет нам определиться и в его особенностях.

Рис. 2.23. Вид на рабочую поверхность тензорезистора

Было установлено и доказано, что при механическом воздействии на прибор относительные изменения сопротивления весьма малы, поэтому для их измерений и фиксации требуются чувствительные прецизионные усилители или аналого-цифровые преобразователи напряжения (АЦП). Именно с помощью дополнительных преобразователей, имеющих в себе также и усилители сигнала, механическая деформация преобразуется в электрический ток посредством изменения электрического сопротивления проводников или полупроводников.

Чувствительность тензорезистора характеризуется безразмерным параметром – коэффициентом чувствительности K_f. Тензорезисторы по своей конструкции и способу изготовления могут быть пленочные металлические или фольговые константановые. Для первых параметр K_fслабо зависит от деформации и немного превышает 2. Типичные значения коэффициента тензочувствительности для разных материалов приведены в табл. 2.23.

Таблица 2.3. Некоторые типичные значения коэффициента тензочувствительности для разных материалов

Еще одной особенностью этого прибора является изменение сопротивления от воздействующей температуры. Температурный коэффициент проявляется следующим образом. При изменении температуры окружающего воздуха сопротивление тензорезистора изменяется даже вне связи с механическим воздействием на его рабочую поверхность. Это «интересное» свойство является «побочным» эффектом влияния, который необходимо учитывать разработчику РЭА (радиоэлектронной аппаратуры). Через коэффициент тензочувствительности относительное изменение сопротивления выражается формулой

где a – температурный коэффициент сопротивления, К^-1; θ – изменение температуры, К.

Простое, типичное или классическое включение тензорезисторов в электрическую цепь (схему) предусматривает место в одном или сразу в двух плечах сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного напряжения. С помощью переменного резистора в одном из плеч моста производят балансировку моста так, чтобы в отсутствие приложенной механической силы и при воздействии неизменяемой температуры напряжение в диагонали моста стремилось к нулю. При этом к другой диагонали моста подключают чувствительный измерительный прибор, дифференциальный усилитель или устройство АЦП.

Несколько десятков лет назад устройство с функционалом АЦП могло содержать десятки дискретных радиоэлементов, затем появились большие интегральные схемы (БИС), а на современном этапе развития научно-технического прогресса выпускаются специализированные микросхемы для работы с тензорезисторами, в которых, помимо усилителей сигнала, предусмотрены и источники питания дифференцирующего моста, и схемы термокомпенсации, и цифровые интерфейсы для связи с внешними системами обработки сигналов.

Как было отмечено выше, погрешность показаний зависит от температуры, а для снижения этого влияния разработчики применяют метод стабилизации с помощью специальных сплавов с низким ТКС. Это один из вариантов.

Есть и другие, к примеру применение дифференцирующей схемы или метод компенсаторного включения двух тензорезисторов, на котором остановлюсь далее.

Пленочные тензорезисторы наклеивают на разные участки поверхностей в местах возможной или ожидаемой деформации, к примеру с разных сторон изгибаемой металлической балки. Таким образом, установка в одном месте (но с двух сторон – с взаимно перпендикулярной ориентацией) тензорезисторов является компенсаторным решением (включением). При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления (вызванного изменением температуры) равны, таким образом, температурный уход при этом компенсируется.

Давайте разберемся в конструкции тензорезистора.

Тензорезистор конструктивно состоит из подложки и гибкой рабочей поверхности, на которой нанесены тонкие проводящие дорожки. Благодаря свойствам своей конструкции прибор получается тонким и гибким, что расширяет спектр его применения. На подложку через фигурную маску в условиях вакуума напылена или сформирована методами фотолитографии тонкая пленка металла (толщина – несколько микрон).

Для тензорезисторов различного диапазона сопротивлений материалом в подложке используют ткань, бумагу, полимерную пленку, слюду и другие материалы. Для подключения электродов имеются контактные площадки. Ориентационные метки облегчают радиомонтаж элемента. На рис. 2.24 представлен вид на чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника, нанесенного на гибкую подложку.

Рис. 2.24. Нанесенная на подложку проводящая ток пленка

На рис. 2.25 представлен внешний вид тензорезистора типа 2ФКП-5х200.

Рис. 2.25. Внешний вид тензорезистора типа 2ФКП-5х200

Подложка также является и основным корпусом элемента. Поэтому пленочные металлические тензорезисторы имеют площадь всего 2…10