Рекомендации по подбору тензорезисторов компании "ZEMIC USA Inc."

Выбор тензорезисторов.

На сегодняшний день компания Zemic, на ряду с Vishay(США) и HBM(Германия), является одним из трех крупнейших производителей тензорезисторов в мире и  предлагает на выбор потребителя широчайший типоразмерный ряд тензорезисторов. Это позволяет достигнуть наивысшей точности и надежности  для каждой конкретной задачи измерения.  Чтобы достигнуть этого, прежде всего, необходимо наиболее точно подобрать конструкцию и характеристики необходимого тензорезистора.

На практике использование тензорезисторов разделяется на две большие группы:

1.Для измерительных преобразователей (датчиков)
2.Для прочностных испытаний натурных конструкций.

1.  При использовании тензорезисторов в качестве чувствительных элементов измерительных преобразователей в первую очередь уделяется внимание точности измерений. Для этого необходимо выбрать тензорезисторы и измерительную схему так, чтобы были скомпенсированы или минимизированы основные источники погрешностей возникающие при тензоизмерениях (ползучесть упругого элемента, ползучесть клеевого слоя тензорезистора, нелинейность выходного сигнала, температурный уход ноля, температурный уход чувствительности, изменение модуля Юнга упругого элемента от температуры и т.д.).

2. При использовании тензорезисторов для прочностных испытаний натурных конструкций основное внимание уделяется надежности измерений, особенно это касается испытаний, которые проводятся в тяжелых условиях (в условиях повышенных или пониженных температур, повышенной влажности, агрессивных сред и т.д.). Для увеличения надежности измерений выбирают тензоресисторы с повышенным сопротивлением изоляции, уделяют особое внимание качеству пайки, монтажа, надежности кабеля и проводов, герметизации мест наклейки тензорезисторов и компенсационных резисторов. Кроме того, при многоточечных измерениях большую роль играет удобство установки тензорезисторов. Для этого тензорезисторы должны быть подобраны нужной конструкции и размера, а тех. процесс наклейки кратковременным и по возможности не требующим термообработки места наклейки.

Итак, для удачного проведения тензоизмерений в первую очередь должны быть полностью определены условия использования тензорезисторов (таких как необходимая точность измерения, условия окружающей среды, включая температуру и влажность, наличие агрессивной среды, шероховатость и размеры объекта испытания, площадь наклейки, радиус кривизны, условия наклейки, и т. д.). Следующим этапом является определение характеристик  материала объекта испытания, или упругого элемента (температурный коэффициент линейного расширения, модуль упругости, форма, приблизительная нагрузочная способность или жесткость и т. д.). Обладая этими данными, можно выбрать тензорезисторы с наиболее подходящими характеристиками и наилучшими соотношением цена-качество.

Последовательность выбора тензорезистора:

1.     Выбор серии тензорезистора, соответствующей необходимой точности и условиям окружающей среды. 
 Тензорезисторы серии BF являются стандартными для измерительных преобразователей среднего класса точности. Тензорезисторы серий BAB и BHB специально предназначены для прецизионных измерительных преобразователей. Тензорезисторы серий ZB и ZAM используются для преобразователей с повышенным входным и выходным сопротивлением. Тензорезисторы серий BA и BAB используются для проведения измерений в диапазоне температур -80 … +1500С и -260 … +2500 соответственно. Тензорезисторы серии BQ используются для прочностных испытаний, при которых необходимо сгибать или придавать радиус кривизны тензорезистору и при которых не предъявляется высоких  требований к точности измерений.

2.  Выбор длины базы, соответствующей размерам объекта, площади объекта, радиусу кривизны, условиям наклейки и полю деформации.  Желательно выбирать базу тензорезистора таким образом чтобы поле деформации объекта измерения вдоль этой базы, распределялось равномерно и не имело ярко выраженных пиков (концентраций напряжения).

3. Выбор формы тензочувствительной решетки, соответствующей полю деформации, виду деформации (изгиб, сдвиг, кручение, растяжение, сжатие), пространству для наклейки и необходимому сопротивлению. Так, например, для измерения деформации сжатия, растяжения, изгиба, как правило, используются тензорезисторы типа AA, для датчиков колонного типа - тензорозетки типа BB, для сдвиговых балочных и S-образных датчиков - тензорозетки типа НА,  для определения величины и направления деформации сложнонапряженных конструкций - тензорозетки типа CD, для датчиков давления - мембранные тензорезисторы типа  KA и т.д.

4.  Выбор сопротивления, соответствующего возможностям вторичной аппаратуры и максимально допустимому напряжению питания измерительного преобразователя.

5. Выбор коэффициента температурной компенсации или кода компенсации модуля упругости в соответствии со свойствами материала объекта испытания, диапазона рабочих температур и необходимой точности измерений. 

5.1. Термокомпенсация тензорезисторов

Если тензорезистор установлен на поверхность объекта измерения (упругого элемента), на который не воздействуют никакие внешние нагрузки, но при этом меняется температура окружающей среды, то сопротивление тензорезистора соответственно тоже будет меняться. Это явление называется  температурным приращением  сопротивления тензорезистора. Данное приращение зависит от температурного коэффициента сопротивления материала чувствительного элемента (фольговой решетки) тензорезистора и разности температурных коэффициентов расширения материала чувствительного элемента и объекта, на который он установлен. Температурную  характеристику тензорезистора можно записать в следующем виде: 

εt = [(α g/K) + (βs-β g)] Δt

где αg и βg - коэффициенты температуры сопротивления материала решетки и температурного расширения материала тензорезистора соответственно; К - чувствительность; βs - коэффициент температурного расширения материала объекта измерения; Δt – относительное изменение температуры.
С увеличением степени влияния температуры, разброс температурных приращений так же будет возрастать. При наличии температурных градиентов или мгновенных изменений температуры в процессе измерения, погрешность будет еще большей. Поэтому, идеальной принимается ситуация, когда значение температурного приращения сопротивления тензорезистора близко нулю. Тензорезисторы, соответствующие данному требованию, называют термокомпенсированными.
Регулируя соотношение элементов сплава материала решетки тензорезистора,  изменяя степень обжатия фольги при прокатке и обеспечивая необходимый режим термообработки, можно влиять на форму кристаллической решетки материала чувствительной решетки, и соответственно изменять его температурный коэффициент сопротивления. Таким  образом, достигается условие приближения к нулю значения температурного приращения сопротивления тензорезистора и, соответственно, обеспечивается термокомпенсация для материала объекта измерения (упругого элемента), что, в конечном итоге, позволяет обеспечить  высокую точность измерения деформации в целом и измерительного преобразователя в частности.

Последовательность выбора термокомпенсационных тензорезисторов компании ЗЕМИК:

(1) В настоящее время компания  ZEMIC предлагает термокомпенсированные тензорезисторы с такими коэффициентами : 9, 11, 16, 23, 27. Где  "9" используется для  сплавов титана (типичная величина  коэффициента линейного расширения - 8.8 x 10-6/0C); "11" - для легированной стали, нержавеющей мартенситовой стали и  нержавеющей стали с электролитическим покрытием (типичная величина - 11.3 x 10-6/0C); "16" используется для аустенитной нержавеющей стали и материала, основанного на меди (типичная величина - 16 x 10-6/0C); "23" - для материалов из сплава алюминия (типичная величина - 23.2 x 10-6/0C); "27" используется для сплавов магния (типичная величина - 26.1 x 10-6/0C).             
(2)    В случаях, когда тензорезисторы с функцией термокомпенсации подобраны в соответствии с материалом объекта испытаний, то необходимость в  компенсации температурного приращения сопротивления тензорезистора в пределах диапазона термокомпенсации отпадает.
(3)    В случаях, когда материал объекта испытаний не соответствует коэффициенту термокомпенсации выбранного  тензорезистора, то существует необходимость использования  двух или четырех тензорезисторов с их соединением в полумостовую либо полномостовую  схему измерения с целью минимизации степени влияния температуры.
(4)    Проводя измерения по четвертьмостовой схеме, необходимо установить тензорезистор на "компенсационном объекте", который выполнен из  того же материала, что и тестируемый объект.  Тензорезистор должен быть из той же самой партии, что и установленный на объекте испытаний. Оба датчика должны находиться в одинаковых температурных условиях и быть расположены в соседних плечах  мостовой схемы Уинстона.

5.2. Компенсация модуля упругости тензорезисторов

С увеличением температуры окружающей среды, значение модуля упругости материалов снижается. Согласно теории Гука, увеличение температуры  окружающей среды приводит к увеличению деформации этой структуры, даже если нагрузка остается неизменной, измеряемая деформация все равно будет увеличиваться. В то же время, если уменьшать чувствительность тензорезистора пропорционально изменению температуры, выходные сигналы датчиков  при этом скомпенсируются и останутся неизменны. Здесь будет задействована компенсация модуля упругости. Такой вид тензорезисторов также называют тензорезисторами с компенсацией модуля упругости.
Тензорезисторы с компенсацией модуля упругости выполняют ту же функцию, что в тензометрических датчиках выполняет отдельный резистор  компенсации модуля упругости. Это обеспечивает надежную компенсацию погрешности изменения чувствительности датчика, которые возникают из-за  изменений значений модуля упругости материала  при изменении температуры.  Если тензорезисторы с компенсацией модуля упругости будут подобраны в соответствии с  материалом упругого элемента, то температурный дрейф чувствительности преобразователя будет меньше чем 0.002%НПВ/0C. По сравнению с обычно используемыми методами, тензорезисторы  с компенсацией модуля упругости обладают несомненным преимуществами  в  большей  точности компенсации, лучшей стабильности, более высокой чувствительности, большей простоте в использовании, более низкой стоимости и т.д. Однако, температурное приращение сопротивления тензорезисторов только с компенсацией модуля упругости становится больше, поэтому нулевой температурный дрейф преобразователей будет выше, что ограничивает точность преобразователей. После многолетних исследований, ЗЕМИКом  были разработаны  и выпущены в производство тензорезисторы с термокомпенсацией и с компенсацией модуля упругости одновременно, что решило подобные проблемы, особенно для тензорезисторов с полумостовой и полномостовой схемой измерения. Они стали очень популярными из-за своих хороших свойств термокомпенсации.

Последовательность выбора тензорезисторов с компенсацией модуля упругости:

(1) Чтобы получить хороший результат компенсации, тензорезистор с компенсацией модуля упругости должен  соответствовать материалу упруго элемента  преобразователя. Вообще, для выбора подходящего тензорезистора необходимо провести испытания, по крайней мере, пяти преобразователей.
(2) У тензорезисторов с компенсацией модуля упругости  нет функций термокомпенсации для большинства материалов; их показатель температурного приращения сопротивления больше, чем у обычных датчиков с термокомпенсацией, поэтому их рекомендовано использовать для преобразователей с меньшими температурными градиентами. Для таких тензорезисторов лучше использовать  полумостовую или полномостовую схему измерения для достижения  меньшего нулевого температурного дрейфа.
(3) Подпайка к тензорезисторам с компенсацией модуля упругости является более трудной, чем обычных датчиков. Специально предназначенный для этих целей кислотный флюс для пайки может быть приобретён на нашем заводе. Необходимо тщательно отмывать места пайки от флюса.

6. Выбор кода компенсации ползучести, соответствующий свойствам ползучести упругого элемента, необходимой точности измерений, технологическому процессу наклейки, типу герметизации и т. д.

Явление ползучести существует в упругих элементах из-за упругих несовершенств его материалов, что приводит к увеличению выходного сигнала датчика  во времени (положительная ползучесть), и зависит от нескольких факторов, таких как материал упругого элемента, структура материала, распределение поля напряжения, нагрузки на упругий элемент, термообработка, температура при проведении измерений, и т.д. Подложка тензорезисторов и клеящий состав имеют вязкоупругие свойства, которые приводят к уменьшению выходного сигнала датчика во времени, но материал чувствительной решетки обладает квазиупругостью, увеличивающей выходной сигнал  датчика во времени. Результат накопления состоит в том, что тензорезисторы характеризуются положительной или отрицательной ползучестью при фиксированной нагрузке; ее направление и величина могут изменяться при изменении конструкции чувствительной решетки, материала подложки и других ключевых технологических параметров. После выбора материала упругого элемента, если ползучесть тензорезистора равна по величине ползучести упругого элемента, но относительно друг друга противоположно направлены, то можно компенсировать ползучесть упругого элемента. Таким же образом, в преобразователях, ошибка ползучести, вызванная другими факторами, может быть откорректирована подобным путем, а суммарная величина ползучести может быть ограничена в минимальном диапазоне. Комания ZEMIC предлагает ряд моделей датчиков, со стандартными значениями ползучести выбор которых зависит от конкретного типа датчиков в которых они применяются. (Маркировка N , T  в обозначении тензорезисторов относится к различным значениям ползучести. Закономерность такова, что разница в ползучести между любыми соседними кодами составляет 0.01-0.015%НПИ/30 мин.)

        N9> N7> N5> N3> N1> N0> N8> N6> N4> N2> К> T2> T4> T6> T8> T1> T3> T5
+ •<------------------------------------ползучесть--------------------------------------------------

Последовательность выбора:

(1)    При первом использовании выберите одну или две модели тензорезисторов, которые значительно отличаются друг от друга по значениям ползучести (разные коды ползучести), и закрепите их на упругом элементе. Подобранные коды будут определены согласно фактически полученным значениям ползучести и их направлениям.
(2)    Для преобразователей, имеющих одинаковые  материалы и конструкцию упругих элементов, но испытывающие большую нагрузку  и соответственно имеющие большее значение положительной ползучести,  выбирается большее отрицательное значение кода.
(3)    Различные материалы упругого элемента имеет разную характеристику ползучести. Поэтому для стальных и алюминиевых датчиков с одинаковой нагрузкой  и конструкцией подходит различный код.
(4)    Ползучесть преобразователя зависит от многих факторов, таких как свойства упругого элемента, тензорезисторов, клея,  герметизации, защитного покрытия и других технических параметров. Направление и величина погрешностей предсказуемы и должны приниматься во внимание при выборе кода ползучести.

7. Выбор исполнения тензорезисторов согласно необходимых требований.

В основном чувствительная решетка тензорезисторов закрыта влагозащитной пленкой. Исполнение тензорезисторов с открытой фольговой  решеткой (“…-F”, “…-U”) выбирают только в том случае, если необходимо регулировать сопротивление тензорезисторов после наклейки методом  шлифовки.
Исполнение тензорезисторов без выводов с открытыми контактными площадками с нанесенным припоем  (“…-D”) или без припоя (“…-С”) выбирают для измерительных преобразователей, где наиболее удобным способом монтажа тензорезисторов в измерительную схему является подпайка тонких монтажных проводов непосредственно к контактным площадкам тензорезисторов.
Если используется исполнение тензорезисторов с выводами, то после наклейки тензорезистора эти выводы подпаиваются к контактным площадкам, от которых отходят монтажные провода более крупного сечения. Сечение выводов может быть круглой (“…-Х”)  или плоской формы       (“…-BX”).  Кроме того, возможно заказать тензорезисторы с выводами в лаковой изоляции         (“…-Q**”),  ПВХ изоляции (“…-P**”), термостойкой изоляции (“…-G**”)  необходимой заказчику длины.

8. Выбор клея и способа наклейки.

При выборе клея для наклейки тензорезисторов учитываю следующие факторы: степень адгезии материала подложки тензорезистора и материала объекта измерения при наклейке данным клеем, возможность термообработки места наклейки тензорезистора, необходимый срок службы тензорезистора, требуемая точность измерения, условия окружающей среды, способ и степень влагозащиты, минимально допустимое сопротивление изоляции и т.д.

Наиболее универсальным клеем горячего отверждения, который специально рекомендован компанией ZEMIC, особенно для измерительных преобразователей является клей Н610.

В следующих новостях, Вы узнаете про новый датчик силы и тензодатчики в Украине.