В чем заключается и на чем основано явление тензоэффекта
Тензоэффект
Отношение удельного изменения сопротивления к удельному изменению длины называют тензочувствительностью.
Тензоэффект обусловлен изменением структуры энергетических зон кристалла под действием деформации и, как следствие, распределения носителей тока. Для металлов характерны величины тензочувствительности порядка единицы, в полупроводниках они могут достигать сотен.
Связанные понятия
109—1010 Гц) в однородном многодолинном полупроводнике при приложении к нему сильного электрического поля. Впервые этот эффект наблюдался Джоном Ганном в 1963 г. на арсениде галлия, затем явление осцилляций тока было обнаружено в фосфиде индия, фосфиде галлия и ряде других полупроводниковых соединений.
Электрическим элементом называют конструктивно-завершённое, изготовленное в промышленных условиях изделие, способное выполнять свои функции в составе электрических цепей.
Магнитосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает.
Мультиферроиками (или сегнетомагнетиками в советской литературе) называют материалы, в которых сосуществуют одновременно два и более типов «ферро» упорядочения: ферромагнитное (англ. ferromagnetic), сегнетоэлектрическое (англ. ferroelectric) и сегнетоэластичность (англ. ferroelastic).
ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ
(пьезосопротивление)- изменение сопротивления (проводимости s) кристаллов под действием всеcтороннего cжатия (pacтяжения) или одноосной деформации Особенно велик Т э в полупроводниках (открыт Ч Смитом в 1947 в Ge и Si [1]) где он связан с изменением энергетич спектра носителей заря да при деформации в частности с изменением ширины запрещенной зоны и энергии ионизации примесных уровней, с относит изменением энергии отд долин в многодо линных полупроводниках, с расщеплением дырочных зон, к рые в отсутствие деформации вырождены, с изменением эффективной массы носителей заряда (см Зонная теория )Все это приводит к изменению концентрации и подвижности носителей заряда
Учитывая симметрию относительно перестановки индек сов s и u ( Р), обычно используют матричные обозначения, вводя вместо двух пар индексов a, b и g, d соответственно два индекса n и т, пробегающие значения от 1 до 6 Тензорным обозначениям a, b или g, d равным 11, 22, 33, 23, 13, 12, соответствуют матричные обозначения т или n
кристаллах отличны от 0 три компоненты эластосопротив-тения т и пьезосопротивления p, связанные друг с другом соотношениями
В полупроводниках с вырожденными зонами типа p-Ge или p-Si Т. э. обусловлен расщеплением валентной зоны в точке p =0 спектра дырок E(p )и изменением спектра вблизи экстремума. Большой Т;э. наблюдается при всех одноосных деформациях [3 ].
При больших деформациях, когда относит, смещение долин в многодолинных полупроводниках или расщепление вырожденной зоны в точке p =0 становятся сравнимыми с kT, Т. э. становится нелинейным по деформации; при достаточно больших деформациях, когда все носители «пе-ретекают» в ниж. экстремумы, сопротивление практически «выходит на насыщение» (перестаёт меняться). При прыжковой проводимости большая величина Ds/s обусловлена изменением перекрытия волновых ф-ций, вызываемым изменением спектра носителей заряда.
Лит.:1) Smith С. S., Piezoresistance in germanium and silicon, «Phys, Rev.», 1954, v. 94, p. 42; 2) Morin F. J., Geballe Т. Н., Herring C, Temperature dependence of the piezoresistance of high purity silicon and germanium, «Phys. Rev.», 1957, v. 105, p. 525: 3) Вир Г, Л., Пикус Г. Е., Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках, М., 1972; 4) Глаговский Б. А., Пивен И. Д ., Электротензометры сопротивления, 2 изд., Л., 1972; 5) Полякова А. Л., Физические принципы работы полупроводниковых датчиков механических величин, «Акуст. ж.», 1972, т. 18, в. 1, с. 1; 6) Най Дж., Физические свойства кристаллов и их описание при помощи тензоров и матриц, пер. с англ., 2 изд., М., 1967.
Тензорезистор
Тензорезистор – резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации (тензоэффект)
Тензоэффект – это эффект изменения проводимости под действием механических напряжений
В качестве тензорезистора используются металлы и полупроводники. В металлах тензоэффект связан с изменением размеров металлического проводника, а в полупроводниках в основном за счет изменения удельной проводимости под действием механических напряжений. Изменение проводимости объясняется тем, что при деформации меняется расстояние между атомами кристаллической решетки, что меняет концентрацию свободных электронов и проводимость полупроводника.
Основным достоинством полупроводниковых тензодатчиков является большой коэффициент тензочувствительности.
Чувствительность тензорезистора характеризуется безразмерным параметром – коэффициентом тензочувствительности Kf, который определяется как
ΔR – абсолютное изменение сопротивления, вызванное деформацией;
R0 – начальное сопротивление недеформированного тензорезистора;
ε – относительная деформация.
Относительная деформация определяется как
ΔL – абсолютное изменение длины;
L0 – длина недеформированного тензорезистора.
Если для металла этот коэффициент составляет порядка 1,5 единиц, то для полупроводника в десятки раз больше. Другим важным достоинством полупроводниковых тензодатчиков является их несравнимо меньшие габариты, что позволяет поместить этот датчик на малых площадях деталей, в которых необходимо измерять механические напряжения. К недостаткам следует отнести зависимость сопротивления датчика от температуры, поэтому требуется обязательная температурная компенсация таких датчиков.
Рис. 1 Схема использования тензорезистора в мостовых цепях постоянного тока
В подавляющем большинстве случаев тензорезисторы используются в мостовых цепях постоянного тока. При этом тензорезистор может быть включен в одно из плеч, в два плеча, либо мостовая цепь может быть целиком составлена из тензорезисторов. Т.к. относительные изменения сопротивления тензорезисторов очень малы (меньше 1%), то существенное влияние на результат измерения могут оказать их температурные изменения. Следовательно, необходимо предусмотреть температурную компенсацию. В частности, если используется мостовая цепь с одним рабочим тензорезистором, то для температурной компенсации необходимо применить другой нерабочий тензорезистор, аналогичный рабочему и находящемуся с ним в одинаковых температурных условиях (рис. 1).
В настоящее время выпускаются интегральные полупроводниковые тензорезисторы, которые выращиваются непосредственно на упругом элементе из кремния или сапфира. Эти упругие элементы обладают упругими свойствами, близкими к идеальным, и существенно меньшими погрешностями гистерезиса и линейности по сравнению с металлическими. На одном упругом элементе обычно выращивается несколько резисторов соединенных в полумост или мост и компенсирующие элементы. Такая технология позволяет существенно уменьшить погрешности, обусловленные неидентичностью тензорезисторов и внешних условий.
Интегральные тензодатчики выпускаются в виде КНК-структур (кремний на кремнии) и КНС-структур (кремний на сапфире)
Тензометрический измерительный преобразователь – параметрический резистивный преобразователь, который преобразует деформацию твердого тела, вызванную приложенным к нему механическим напряжением, в электрический сигнал.
Резистивный тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем чувствительным элементом. Принцип измерения деформаций с помощью тензометрического преобразователя состоит в том, что при деформации изменяется активное сопротивление тензорезистора. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был обнаружен в 1856 году лордом Кельвином и в 1881 году О.Д.Хвольсоном.
В современном виде тензометрический измерительный преобразователь конструктивно представляет собой тензорезистор, чувствительный элемент которого выполнен из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали (Рисунок 1). Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента.
Рисунок 1 Схема тензопреобразователя: 1- чувствительный элемент; 2- связующее; 3- подложка; 4- исследуемая деталь; 5- защитный элемент; 6- узел пайки (сварки); 7- выводные проводники
При всем многообразии задач, решаемых с помощью тензометрических измерительных преобразователей, можно выделить две основные области их использования:
— исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях;
— применение тензодатчиков для измерения механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента.
Для первого случая характерно значительное число точек тензометрирования, широкие диапазоны изменения параметров окружающей среды, а также невозможность градуировки измерительных каналов. В данном случае погрешность измерения составляет 2-10%.
Во втором случае датчики градуируются по измеряемой величине и погрешности измерений лежат в диапазоне 0,5-0,05%.
Наиболее ярким примером использования тензометров являются весы. Тензометрическими датчиками оснащены весы большинства российских и зарубежных производителей весов. Весы на тензодатчиках применяются в различных отраслях промышленности: цветная и черная металлургии, химическая, строительная, пищевая и другие отрасли.
Принцип действия электронных весов сводится к измерению силы веса, воздействующей на тензодатчик, посредством преобразования возникающих изменений, например деформации, в пропорциональный выходной электрический сигнал.
Широкое распространение тензодатчиков объясняется целым рядом их досчтоинств:
— малые габариты и вес;
— малоинерционость, что позволяет применять тензодатчики как при статических, так и при динамических измерениях;
— обладают линейной характеристикой;
— 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.
А их недостаток, заключающейся в температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать.
Типы преобразователей и их конструктивные особенности
В основе работы тензопреобразователей лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности К, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:
Если при изготовлении тензопреобразователя использованы полупроводниковые материалы, то чувствительность определяется в основном изменением свойств материала решетки при ее деформации, и K » m и может меняться для различных материалов от 40 до 200.
Все существующие преобразователи можно разделить на три основных типа:
Проволочные тензодатчик в технике измерений неэлектрических величин используются по двум направлениям.
Первое направление – использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объемного сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего его газа или жидкости. В этом случае преобразователь представляет собой катушку провода (обычно манганинового), помещенную в область измеряемого давления (жидкости или газа). Выходной величиной преобразователя является изменение его активного сопротивления.
Второе направление – использование тензоэфффекта растягиваемой проволоки из тензочувствительного материала. При этом тензопреобразоатели применяются в виде “свободных” преобразователей и в виде наклеиваемых.
“Свободные” тензопреобразователи выполняются в виде одной или ряда проволок, закрепленных по концам между подвижной и неподвижной деталями, и, как правило, выполняющих одновременно роль упругого элемента. Естественной входной величиной таких преобразователей является весьма малое перемещение подвижной детали.
Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензодатчика изображено на рисунке 2. На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку наклеивается уложенная зигзагообразно тонкая проволока диаметром 0,02-0,05 мм. К концам проволоки присоединяются выводные медные проводники. Сверху преобразователь покрывается слоем лака, а иногда заклеивается бумагой или фетром.
Датчик обычно устанавливается так, чтобы его наиболее длинная сторона была ориентирована в направлении измеряемой силы. Такой преобразователь, будучи приклееным к испытуемой детали, воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Таким образом, естественной входной величиной наклеиваемого преобразователя является деформация поверхностного слоя детали, на которую он наклеен, а выходной- изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации. Обычно наклеиваемые датчики используются много чаще ненаклеиваемых.
Рисунок 2- Наклеиваемый проволочный тензопреобразователь: 1- тензочувствительная проволока; 2- клей или цемент; 3- целлофановая или бумажная подложка; 4- выводные проводники
Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются преобразователи с базами 5 – 20 мм, обладающие сопротивлением 30 – 500 ом.
Кроме наиболее распространенной петлевой конструкции проволочных тензодатчиков, существуют и другие. При необходимости уменьшения измерительной базы преобразователя (до 3 – 1 мм) его изготовляют витковым способом, который заключается в том, что на оправке круглого сечения на трубку из тонкой бумаги наматыается спираль из тензочувствительной проволоки. Затем эта трубка проклеивается, снимается с оправки, расплющивается и к концам проволоки прикрепляются выводы.
Проволочные датчики имеют малую поверхность связи с образцом (основанием), что уменьшает токи утечки при высоких температурах и дает большее напряжение изоляции между чувствительным элементом и образцом.
Фольговые тензодатчики являются наиболее популярной версией наклеиваемых тензодатчиков. Фольговые преобразователи представляют из себя ленту из фольги толщиной 4 –12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует показанную на рисунке 4 решетку с выводами.
Серьезным преимуществом преобразователей из фольги является возможность увеличивать сечение концов преобразователя; приваривание (или припаивание) выводов можно в этом случае осуществить значительно надежнее, чем в преобразователях из проволоки.
Фольговые тензодатчики по сравнению с проволочными имеют большее отношение площади поверхности чувствительного элемента к площади поперечного сечения (чувствительность) и более стабильны при критических температурах и длительных нагрузках. Большая площадь поверхности и малое поперечное сечение также обеспечивает хороший температурный контакт чувствительного элемента с образцом, что уменьшает саморазогрев датчика.
Для изготовления фольговых тензопреобразователей используются те же металлы, что и для проволочных датчиков (константан, нихром, сплав никеля с железом и т.д.), а также применяются еще и другие материалы, например титаноалюминиевый сплав 48Т-2, обеспечивающий измерение деформаций до 12%, а также целый ряд полупроводниковых материалов.
В последние годы появился еще один способ массового изготовления приклеиваемых тензосопротивлений, заключающийся в вакуумной возгонке тензочувствительного материала и последующей конденсации его на подложку, напыляемую непосредственно на деталь. Такие тензопреобразователи получили название пленочных. Малая толщина таких тензопреобразователей (15-30 мкм) дает существенное преимущество при измерениях деформаций в динамическом режиме в области высоких температур, где измерения деформации представляют собой специализированную область исследований.
Целый ряд пленочных тензопреобразователей на основе висмута, титана, кремния или германия выполняется в виде одной проводящей полоски (рисунок 5). Такие преобразователи не имеют недостатка, заключающегося в уменьшении относительной чувствительности преобразователя по сравнению с чувствительностью материала, из которого выполнен преобразователь.
Рисунок 5- Пленочный тензопреобразовтель:1- тензочувствительная пленка; 2- пленка лака; 3- выводной проводник
К сожалению, сопротивление полупроводникового преобразователя изменяется в зависимости от прикладываемого напряжения и является существенно нелинейным во всем диапазоне напряжений, а также сильно зависит от температуры. Таким образом, хотя при работе с тензометром на основе металлической пленки требуется усилитель, его линейность весьма высока, а температурный эффект можно легко скомпенсировать.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
ОСНОВЫ МЕТОДА. ТЕНЗОЭФФЕКТ И ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ.
Метод основан на измерении приращения электрического сопротивления проводника (полупроводника), деформируемого совместно с деталью, к которой он механически прикреплен (приклеен). Сопротивление проводника R пропорционально его длине /и обратно пропорционально площади поперечного сечения F:
R = pl / F,(9.1)
где: р — удельное сопротивление.
При малой деформации проводника Δl / l = ε,его сопротивление изменяется на величину ΔR / R. Это явление называют тензоэффектом, а коэффициент, связывающий относительное изменение сопротивления и деформацию, — коэффициентом тензочувствительности материала Км:
, (9.2)
где: m — коэффициент, зависящий от свойств материала и деформации;
;
v — продольный коэффициент пьезосопротивления;
Е— модуль упругости проволоки, фольги или полупроводника.
Для металлических тензочувствительных материалов величина Км определяется в основном изменением геометрии проводника, т. е. членом (1 + 2 μ) в формуле (9.2); для полупроводников, наоборот, тензоэффект зависит практически от изменения физических свойств материала: Км ≈ т,и его величина в
20—50 раз больше, чем для металлов.
Для сплава константана линейная передаточная функция тензорезистора ТР сохраняется и для некоторой пластической области, что является одним из замечательных свойств константана как материала для ТР, в упругой и некоторой пластической области Км = 2.
Для крепления чувствительного элемента ТР к поверхности детали, а также для защиты и изоляции проводника и выводных проводников разработано несколько технологий и конструкций ТР. Термины и определения по видам тензо-резисторов и конструктивным элементам даны в ГОСТ 20420—75*.
Проводниковые ТР выполняют на основе тонкой проволоки диаметром 2—30 мкм (проволочные тензорезисторы) и на основе тонколистовой фольги толщиной 5—10 мкм (фольговые тензорезисторы). В зависимости от назначения и выбранной технологии проводниковые ТР выполняют на бумажной, пленочной, тканевой (стеклотканевой) или металлической фольговой подложке. В качестве связующего для закрепления чувствительного элемента и выводных проводников на подложке и ТР на объекте применяют универсальные и специальные клеи, лаки, цементы, а также точечную сварку и пайку.
Рис. 9.2. Переходники из пластмасс, бука, стекло-
текстолита и «фольги на пленке»