Физика Электроника

Лабораторные работы по электронике

Исследование метрологических характеристик тензорезисторных преобразователей усилия

1. Цель работы, ее краткое содержание.

1.1. Целью данной работы является изучение принципа действия тензорезистивных преобразователей и приобретение практических навыков работы с тензометрической установкой, предназначенной для измерения механических усилий.

1.2. В процессе выполнения работы студенты определяют метрологические характеристики тензометрической установки – градуировочную характеристику, чувствительность и погрешность гистерезиса.

2. Основные сведения о тензорезистивных датчиках усилия.

2.1.Конструкция и принцип действия

В основе работы тензорезистивных преобразователей лежит свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление при механических деформациях под действием приложенной силы.

Конструктивно большинство тензорезисторов (рис. 1) выпускается в виде проводников, жестко связанных с бумажной или пленочной основой 2. Проводник 3 представляет собой так называемую решетку из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки диаметром 0,02-0,05 мм, к концам которой пайкой или сваркой присоединяются выводные медные проводники 4. Сверху проводники закрываются бумагой или пленкой или покрываются лаком 1. После наклеивания подложки тензорезистора на поверхность деформация этой поверхности передается проводниками и приводит к изменению их сопротивления.


Рис. 1. Конструкция наклеиваемого проволочного тензорезистора.

Сопротивление R резистора, выполненного в виде проволоки длиной l, определяется известным выражением.

  (11)

где r - удельное сопротивление материала проволоки;

S - площадь поперечного сечения проволоки.

Дифференцируя выражение (1) и переходя к конечным приращениям, получим, что продольной упругой деформации проволоки соответствует относительное изменение ее сопротивления

  (12)

где DR, Dr, DS - абсолютные приращения сопротивления, удельного сопротивления, длины и площади поперечного сопротивления проводника соответственно.

В твердом теле в зоне упругих деформаций величины поперечных и продольных деформаций связаны выражением

 (13)

где  - значение относительной продольной деформации;

 - значение относительной поперечной деформации;

в - поперечный размер проводника; m - коэффициент Пуассона.

С учетом выражений (12) и (13) величина относительного изменения проводника диаметром d и длиной l.

  (14)

Качество тензорезистора определяется его коэффициентом тензочувствительности K и величиной температурного коэффициента сопротивления (ТКС) . Коэффициент тензочувствительности K определяется отношением

  (15)

Чем выше коэффициент тензочувствительности К и меньше температурный коэффициент сопротивления (ТКС) материала, из которого изготовлен тензорезистор, тем выше его качество.

Чаще всего проволочные тензорезисторы изготавливаются из сплавов константан и манганин, у которых К»2 и ТКС=±30*10-6K-1 и ±10*10-6K-1 соответственно.

2.2. Схема включения

Наиболее распространенной измерительной целью для тензорезисторов является мостовая измерительная схема, работающая в неравновесном режиме.

На рис 2,а приведена мостовая схема, в которой в качестве одного плеча включён тензорезистор R1, а остальные три плеча моста являются постоянными фиксированными резисторами R2, R3, R4. Схема питается от источника постоянного напряжения E. C измерительной диагонали моста снимается напряжение UM, которое может быть подано на измерительный прибор или регистратор. Приведённая схема неравновесного измерительного моста обладает значительной температурной погрешностью. Тензорезистор R1 располагается непосредственно на объекте измерения, а резисторы R2, R3, R4 – в блоке вторичной аппаратуры, содержащей усилители, блоки питания, показывающие приборы, удаленном от объекта измерения и находящиеся в других климатических условиях. При измерении температуры поверхности объекта измерения будет изменяться сопротивление тензорезистора R1, что приведёт к изменению выходного напряжения UM мостовой схемы при отсутствии упругой деформации решётки тензорезистора.


Рис. 2. Схемы включения тензорезисторов.

При дифференциальном включении двух идентичных тензорезисторов R1 и R2 в два соседних плеча моста (рис. 2,б) удаётся понизить температурную погрешность нуля в 10 – 20 раз по сравнению с предыдущей схемой включения.

Пример физической реализации дифференциальной мостовой схемы измерения представлен на рис. 2,в. На поверхности консольно закрепленной балки тензорезисторы R1 и R2, которые включены в качестве плеч мостовой измерительной схемы и имеют равные сопротивления. При равенстве сопротивлений двух других плеч моста выходной сигнал с измерительной диагонали моста равен нулю (UM=0).

При воздействии на конец консольной балки измеряемого усилия P≠0 балка прогнётся (см. рис. 2,в), что приведёт к появлению упругих деформаций и напряжений растяжения на поверхности балки и напряжений сжатия на нижней её поверхности. Упругие деформации балки будут восприняты наклеенными тензорезисторами и их сопротивления изменятся соответственно до значений  и . При этом на выходе мостовой схемы появится напряжение , функционально связанное с измеряемым усилием P. При идентичных параметрах тензорезисторов погрешность нуля, обусловленная изменением их активного сопротивления вследствие изменения температуры балки, будет близка к нулю, поскольку абсолютные значения приращения сопротивлений и будут равны и не вызовут разбаланса мостовой схемы, а, следовательно, и дополнительного приращения выходного напряжения .

В реальных усилителях возникают линейные и нелинейные искажения. К линейным искажениям относятся частотные (зависимость модуля коэффициента усиления от частоты K(w)) и фазовые (зависимость фазового сдвига между входным и выходным сигналами j(w)). Частотные и фазовые искажения обусловлены наличием в схеме усилителя реактивных элементов: емкостей и индуктивностей. Кроме того, эти искажения определяются частотными характеристиками и самого усилительного элемента, в частности, транзистора.

Нелинейные искажения проявляются тогда, когда при усилении входного сигнала, например, гармонического, выходной сигнал будет иметь более широкий спектральный состав. В этом случае в выходном сигнале, помимо основной гармоники, имеющей частоту входного сигнала, появляется ряд высших гармоник. Такого рода искажения возникают вследствие наличия в усилителе элементов с нелинейными вольтамперными характеристиками.


Качественная оценка величины нелинейных искажений при заданном входном напряжении может быть получена с помощью амплитудной характеристики усилителя, которая представляет собой зависимость амплитуды напряжения первой гармоники выходного сигнала от амплитуды входного сигнала (рис. 7.5). Амплитудная характеристика в целом нелинейная, но на ней можно выделить прямолинейный участок, работа в пределах которого обеспечивает минимальные нелинейные искажения. Как видно из рис. 7.5, протяженность линейного участка приближенно равна отрезку аb. Этот участок называется динамическим диапазоном усиления усилителя. При входных сигналах, амплитуда которых превышает значение Uвх b, возникают значительные нелинейные искажения. При входных сигналах с амплитудой, меньшей величины Uвх а, полезный сигнал маскируется собственными шумами (помехами) усилителя.


Рассмотрим более подробно работу резистивного УННЧ, выполненного на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ, которая получила наибольшее распространение (рис. 7.6). Она позволяет получить усиление, как по напряжению, так и по току. Как видно из схемы, на коллектор транзистора от источника питания Еп подано напряжение через резистор Rк, который является нагрузочным для транзистора. В этом случае говорят, что транзистор работает в динамическом режиме.


Соблазнительная путана с веб-сервиса http://irkutsk.prostitutki.soy/services/klassicheckij-seks/ отлично подходит для классического секса.
Полупроводниковые выпрямители