Кроме пленочных, распространены фольговые константановые тензорезисторы – прямоугольного и розеточного типов. Они предназначены для измерения деформации деталей машин, металлоконструкций при статических нагрузках, а также в качестве чувствительных элементов силоизмерительных датчиков в условиях макроклиматических районов с умеренным и холодным климатом. Их технические характеристики таковы:
• диапазон измеряемых деформаций – ±3000 млн-1;
• ток, не более – 10 мА;
• диапазон рабочих температур эксплуатации – от -50 до +70 °C.
Размеры тензорезисторов небольшие. К примеру, тензорезистор 2ФКП-5х200 имеет вид прямоугольника с размерами всего 10 × 5 мм. Его сопровлинение – это цифра в наименовании после символа «х», в данном случае для тензорезистора 2ФКП-5х200 она равна 200±0,35 % Ом.
Кроме сопротивления тензорезистра постоянному току, учитывают метрологические характеристики прибора, такие как сопротивление при нормальных условиях (R) – оно же предельное относительное отклонение сопротивления в партии от номинального, в %, коэффициент преобразования, чувствительность при нормальных условиях (К), выражается в среднем квадратическом отклонении (СКО), температурный коэффициент чувствительности (СКО, %*°С – Sh), сопротивление изоляции, а также – дополнительно – сопротивление изоляции в рабочей области температуры (Rизм), характеризуемое минимальным значением сопротивления изоляции в рабочей области температуры, МОм, и другими параметрами.
2.7.5. Практика применения
В многофункциональных цифровых устройствах тензорезисторы используются вкупе с многоканальными измерительно-информационными системами. К примеру, они почти незаменимы в гидротехнике и смежных сферах, когда требуется контролировать микронное смещение несущих конструкций, грунтов, бетонных оснований. Без применения электронных метрологических приборов с тензорезисторами не обходился ни один научно-исследовательский институт. Инженер ВНИИГ (Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники им. Б. Веденеева) Кашкаров Петр Николаевич, мой отец, участвовавший в проектных испытаниях фундаментов Братской, Нижнекамской и других ГЭС, уже имел с ними дело в конце 50-х – середине 60-х годов XX века. Из истории развития промышленности в нашей стране следует, что в СССР тензорезисторы начали применять в конце 1940-х годов, и потому они практически заменили механические тензометры, открыли новые возможности в исследовании прочности различных машиностроительных конструкций.
Сегодня актуальные для разработчиков задачи включают повышение надежности работы и упрощение установки тензорезисторов. Развитие точных динамометров и датчиков давления тензорезисторного типа обеспечило метрологическим устройствам погрешность измерения до сотых долей процента.
Разработка новых типов тензорезисторов и методов их применения требует проведения экспериментальных исследований по выбору материалов конструктивных элементов (чувствительных элементов, связующих, подложек), созданию конструкций с малыми разбросами характеристик, исследованию влияний информативных и неинформативных величин на метрологические характеристики в условиях, имитирующих условия реального прочностного эксперимента.
Для получения расчетных зависимостей следует учитывать две основные функции, выполняемые тензорезистором: передача деформации чувствительному элементу через связующее звено и преобразование переданной деформации в приращение электрического сопротивления чувствительного элемента.
В бытовых электронных устройствах, где не требуется сверхвысокая точность измерений, тензорезисторы встречаются в напольных весах, устройствах электронных сигнализаторов поклевки – для рыбалки и во многих других случаях. Распространение тензорезисторов в современных электронных разработках объясняется тем, что они не инерционны, позволяют провести замер контролируемого параметра сразу во многих точках, способ крепления на контролируемую поверхность может быть самым простым, в том числе приклеивание за подложку, а их малые размеры оставляют возможность размещать их в малодоступных местах и устанавливать на различные детали уже в период сборки конструкции.
Несмотря на то что сегодня тензорезисторы применяют и в промышленных (серийных) метрологических устройствах, и в бытовых, в частности в радиолюбительских разработках, большое значение имеют схемотехника и элементная база модулей сопряжения, микросхем-преобразователей АЦП, угол-код и др. Именно в этой области большие перспективы для разработчиков нового типа микросхем и микросборок, адаптированных под конкретные модели тензорезисторов.
Сегодня таких микросхем и модулей отечественного производства немного, но с учетом взятого направления на импортозамещение уже анонсируются и появляются новые, достоинства которых не уступают зарубежным аналогам. Следовательно, созданные в XX веке и усовершенствованные современной промышленностью «необычные» радиоэлементы-тензорезисторы имеют большое будущее в новых разработках РЭА.
2.8. Полупроводниковые терморезисторы на основе синтетического монокристалла алмаза
Еще несколько лет назад о полупроводниковых терморезисторах на основе монокристаллов алмаза – с отрицательным ТКС (термисторов) типов ТРА-1 и ТРА-2 – знал только узкий круг разработчиков.
Они выпускаются по техническим условиям ДИЛС 434121.001ТУ и обладают интересными, с точки зрения возможного применения в современной электронике, свойствами, которыми не обладает ни один из ранее выпускавшихся полупроводниковых терморезисторов.
Прежде всего это широкий рабочий диапазон температур – от температуры жидкого азота (-200 °C) до температуры плавления свинца (+330 °C). Причем при максимальных температурах не наблюдается деградация полупроводникового термочувствительного элемента и связанное с ней снижение точности измерений. Во-вторых, им свойственна большая рассеиваемая терморезистором мощность, до 0,5 Вт.
В-третьих, это хорошие прочностные характеристики и устойчивость к внешним воздействиям, вплоть до воздействия ионизирующих излучений.
Все сказанное существенно расширяет область рабочих температур устройств с их применением в обычных для полупроводниковых резисторов условиях и позволяет применять их для измерения давления газов и расхода жидкости и газов.
3. Магнитоэлектронные датчики
Магнитострикционные датчики обеспечивают «микронную» точность при различных производственных, поверочных, метрологических измерениях. Эти устройства обеспечивают высокую точность позиционирования длинномерных деталей при их обработке для технологических задач, от решения которых зависят качество выпускаемых изделий, реальная производительность оборудования и в конечном счете себестоимость продукции. Техническая проблематика заключается в том, что разрешающая способность измерительных приборов и устройств должна быть в диапазоне микрометров при длине контролируемой детали до 10 м. К высоким техническим требованиям, предъявляемым к датчикам, добавляются адаптация к условиям работы – широкий диапазон температур, запыленность, наличие промышленных и электромагнитных помех, которые могут повлиять на точность измерений, и т. д.
Линейное перемещение подвижной детали промышленного оборудования может быть зафиксировано в качестве параметра как бесконтактным методом (к примеру, ультразвуковым), так и параллельным повторением этого движения штоком, лентой или позиционирующим магнитом, жестко связанными с подвижной деталью. При этом параллельный отсчет перемещения может быть реализован несколькими методами, один из которых – магнитострикционный – представлен далее.
Магнитострикция как физическое явление, заключающееся в изменении внешних размеров ферромагнитного материала в магнитном поле вследствие упорядоченной ориентации магнитных доменов, имеет строгое объяснение в рамках доменной структуры и представлена в учебниках [2].
Величина изменения размеров не превышает 1 мкм на 1 м длины материала.
Принцип действия таких датчиков основан на двух эффектах – Видемана (распространение волны упругомеханического возбуждения в магнитострикционном материале) и Виллари (изменение магнитной проницаемости при упругомеханическом воздействии на материал – явление, обратное магнитострикции).
3.1. Магнитострикционные датчики
3.1.1. Устройство и принцип работы магнитострикционных датчиков
Магнитострикционный датчик – это линейная измерительная система, состоящая из магнитострикционного волновода (круглый полый прут или плоский профиль), подвижного постоянного магнита, определяющего позицию, и измерительной головки. Импульс волновода датчика генерирует вокруг него концентрическое магнитное поле, а позиционирующий магнит создает ориентированное вдоль оси волновода.
На рис. 3.1 представлен