564

Л.Н.СТЕПАНОВА,А.Н.СЕРЬЕЗНОВ,Е.В. ЛЕСНЫХ
ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Учебное пособие
НОВОСИБИРСК 2009
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

УДК 621.3
С794
Степанова Л.Н., Серьезнов А.Н., Лесных Е.В. Пер-
вичные преобразователи в измерительных системах же-
лезнодорожного транспорта: Учеб. пособие. – Новосибирск:
Изд-во СГУПСа, 2009. – 164 с.
ISBN 5-93461-390-1
Л.Н. Степановой написаны гл. 1–5, А.Н. Серьезновым – гл. 2,
Е.В. Лесных – гл. 6–11.
Приведены основы построения параметрических (тензопреобразователи,
емкостные, трансформаторные), генераторных (термопары, пьезоэлектричес-
кие), электромеханических и электромагнитных датчиков. Рассмотрены их ос-
новные технические характеристики, схемы включения, особенности примене-
ния в различных областях техники.
Предназначено для студентов вузов, техникумов и колледжей железнодо-
рожного транспорта специальностей «Диагностика и сертификация на железно-
дорожном транспорте», «Строительство железных дорог», «Промышленное и
гражданское строительство», «Подъемно-транспортные, строительные, дорож-
ные машины и оборудование», «Мосты и тоннели», «Автомобили и автомобиль-
ное хозяйство». Может быть полезно инженерам и научным работникам.
Рассмотрено и утверждено на заседании редакционно-издатель-
ского совета в качестве учебного пособия.
Отв етств ен н ы й р еда ктор
д-р техн. наук, проф. Л.Н. Степанова
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра «Электроснабжение» Физико-технического институ-
та Якутского государственного университета (и.о. завкафедрой
«Электроснабжение» проф., канд. техн. наук Ю.Ф. Королюк)
ведущий инженер ФГУП«СибНИАим. С.А. Чаплыгина»канд.
техн. наук С.И. Кабанов
ISBN 5-93461-390-1  Степанова Л.Н., Серьезнов А.Н.,
Лесных Е.В., 2009
 Сибирский государственный
университет путей сообщения, 2009

3
Оглавление
Введение ............................................................................................................................ 5
1. Измерительные преобразователи (датчики) ............................................................ 7
1.1. Основные технические характеристики измерительных
преобразователей .............................................................................................. 7
2. Тензорезисторы ...................................................................................................... 12
2.1. Принцип работы тензорезисторов ........................................................... 12
2.2. Основные технические характеристики тензорезисторов ................... 17
2.3. Конструкция тензорезисторов .................................................................. 22
2.4. Градуировка тензорезисторов ......................................................................36
2.5. Высокотемпературные тензорезисторы ................................................. 38
2.6. Порядок установки тензорезистора на объект ..................................... 41
3. Преобразователи для измерения температуры ............................................ 45
3.1. Терморезисторы ........................................................................................... 46
3.2. Термопары ..................................................................................................... 51
4. Пьезопреобразователи .......................................................................................... 56
4.1. Физические основы пьезоэффекта ............................................................ 56
4.2. Принцип работы пьезопреобразователей ............................................... 58
4.3. Конструкция пьезопреобразователей ..................................................... 60
4.4. Основные технические характеристики пьезопреобразователей ...... 63
5. Волоконно-оптические преобразователи ........................................................ 66
5.1. Оптическое волокно ..................................................................................... 66
5.2. Источники оптического излучения .......................................................... 67
5.3. Волоконно-оптические преобразователи ................................................ 73
6. Электрические измерительные преобразователи ...............................................78
6.1. Виды электрических преобразователей ........................................................78
6.2. Добавочные резисторы ............................................................................... 78
6.3. Шунты ............................................................................................................. 80
6.4. Делители напряжения .................................................................................. 82
7. Электромеханические преобразователи ............................................................ 83
7.1. Устройство электромеханического измерительного прибора ........... 83
7.2. Измерительные механизмы аналоговых измерительных
приборов .......................................................................................................... 88
7.3. Измерение тока ........................................................................................... 101
7.4. Измерение напряжения .................................................................................105
8. Реостатные преобразователи: принцип действия и конструкция ....................110
9. Электромагнитные преобразователи ............................................................... 116
9.1. Индуктивные преобразователи ............................................................... 116
9.2. Трансформаторные преобразователи.........................................................124
9.3. Индукционные преобразователи .................................................................133
9.4. Магнитоупругие преобразователи .............................................................139
10. Емкостные преобразователи ...............................................................................147
10.1. Принцип действия и конструктивные особенности емкостных
преобразователей ......................................................................................... 147
10.2. Измерительные цепи емкостных преобразователей ......................... 150
10.3. Область применения емкостных преобразователей ......................... 152
11. Преобразователи Холла .................................................................................. 155
Библиографический список .................................................................................... 162

4
ОСНОВНЫЕСОКРАЩЕНИЯ
ОК – объект контроля
НДС – напряженно-деформированное состояние
ИИС – информационно-измерительная система
МХ – метрологическая характеристика
ТКС – температурный коэффициент сопротивления
ТКР – температурный коэффициент расширения
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика
ПЭП – пьезоэлектрический преобразователь
УЗ – ультразвук
еод – единица относительной деформации
ЦТС – цирконат-титанат свинца
ИИ – источник излучения

5
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире измерения определяют прогресс в науке
и технике и являются существенным фактором развития челове-
ческой цивилизации [4]. Научные исследования, техническая
разработка новых машин, механизмов, аппаратов, новых техно-
логических процессов связаны с измерением многочисленных
физических величин [3].
Основными преимуществами электрических методов изме-
рения разнообразных неэлектрических величин являются широ-
кий динамический и частотный диапазоны, возможность измере-
ния и передача информации на расстояние, математическая
обработка результатов измерения, использование для управле-
ния какими-либо процессами.
Для того, чтобы неэлектрические величины можно было опре-
делить с помощью измерительной аппаратуры, необходимы ус-
тройства, которые преобразовывали бы измеряемую физичес-
кую величину сначала в некоторую промежуточную электричес-
кую величину, а затем в окончательный результат измерения.
Устройства, осуществляющиеоднозначнуюфункциональнуюза-
висимость одной неэлектрической или электрической величины
от другой, называются измерительными преобразователями, или
датчиками [3].
Измерительное преобразование представляет собой отраже-
ние размера одной физической величины размером другой физи-
ческой величины, функционально с ней связанной. Применение
измерительных преобразователей является единственным ме-
тодом практического построения любых измерительных уст-
ройств.

6
Измерительный преобразователь (датчик) – это техническое
устройство, построенноена определенном физическом принципе
действия, выполняющее одно частное измерительное преобра-
зование. Он воспринимает входную величину и формирует экви-
валентный в информационном смысле измерительный сигнал.
Как правило, он выносится к объекту исследования и удален от
остальной измерительной аппаратуры [5].
Работа измерительных преобразователей протекает в слож-
ных условиях, так как объект измерения – это, как правило,
сложный, многогранный процесс, характеризующийся множе-
ством параметров, каждый из которых действует на измеритель-
ный преобразователь совместно с остальными параметрами.
По определению одного из основоположников современной
техники измерения физических величин А.М. Туричина, к датчи-
кам относятся все основные узлы электронной схемы для изме-
рения неэлектрических величин, расположенныенепосредствен-
но у объекта [3].
Сердцевиной чувствительных элементов датчиков является
вещество (материал), которое воспринимает входную физичес-
кую величину. В нем с помощью определенного физического
явления входная величина преобразуется в сигнал, поступающий
в последующую измерительную цепь. До сих пор особенно остро
стоит проблема создания простых малогабаритных и легко раз-
мещаемых на объекте исследования преобразователей.
Растущиемасштабы производства на железнодорожном транс-
порте связаны с переходом к получению и обработке больших
потоков измерительной информации в ограниченное время с
высокой достоверностью. В настоящее время в связи с развити-
ем современной микроэлектронной базы, позволяющей полу-
чать более совершенные технические характеристики информа-
ционно-измерительных систем, используемых на железнодорож-
ном транспорте, повысился интерес к разработке и производству
новых, более совершенных первичных преобразователей. Их
принцип работы, основные технические характеристики и обла-
сти использования в измерительных системах на железнодорож-
ном транспорте и рассматриваются в представленном учебном
пособии.

7
1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ(ДАТЧИКИ)
Совершенствование систем автоматического контроля и уп-
равления различными объектами, процессами, производствами
во многом определяется достижениями в области измеритель-
ных преобразователей (датчиков). Развитие измерительной тех-
ники показывает, что наиболее удобным является такое преоб-
разование различных измеряемых величин, результат которого
представлен в виде электрической величины.
Для того чтобы неэлектрические величины можно было изме-
рить с помощью электрической измерительной аппаратуры, не-
обходимы устройства, которые преобразовывали бы измеряе-
мую величину сначала в некоторую промежуточную электри-
ческую величину, а затем в окончательный результат изме-
рения. Устройства, осуществляющиеоднозначнуюфункциональ-
ную зависимость одной неэлектрической или электрической ве-
личины от другой, называют измерительными преобразователя-
ми или датчиками [1–3]. Таким образом, измерительными пре-
образователями (датчиками) называют средства измерения,
служащие для выработки сигнала измерительной информации в
форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования,
обработки и хранения, но не поддающиеся непосредственному
восприятию наблюдателем.
1.1. Основные технические характеристики измерительных
преобразователей
Определение характеристик измерительных преобразовате-
лей – важная область для разработчиков, изготовителей и пользо-
вателей.
Каждый датчик конструируется так, чтобы из всего множе-
ства одновременно действующих на него физических величин
воспринимать только одну, которую называют входной величи-
ной преобразователя.
Преобразования, происходящие в процессе измерения, каса-
ются сигналов измерительной информации и, хотя это связано с
затратой энергии и в ряде случаев с преобразованием одного
вида энергии в другой (например, тепловой в электрическую при
измерении температуры термопарой), энергетические свойства
не являются определяющими. Первостепенное значение в пре-

8
образовании сигналов информации имеют метрологические па-
раметры: точность или погрешность, чувствительность средств
измерений и т.д. [4–5].
Различают статические и динамические свойства преобра-
зователей. Статические свойства относятся к таким условиям
работы средств измерений, когда измеряемая величина детер-
минирована и не подвергается изменениям в процессе измере-
ния. Динамические свойства проявляются тогда, когда измеря-
емая величина изменяется во времени.
Для преобразования сигналов измерительной информации в
датчике требуется известное время. В зависимости от времен-
ных характеристик преобразуемой величины и времени преобра-
зования, определяемом конструктивными параметрами преоб-
разователя, устанавливаются его динамические свойства.
Каждый датчик содержит чувствительный элемент, который
находится под воздействием входной величины или вызываемо-
го им эффекта.
Функциональную зависимость между выходной величиной
Y и входной величиной Х называют уравнением преобразования
Y = f (X), которое может быть выражено аналитически или
графически. Данная зависимость должна быть однозначной.
Уравнение преобразования может быть линейным или нели-
нейным. Чаще всего стремятся иметь линейную зависимость
Y = f (X), т.е. прямую пропорциональность между изменением
входной величины и соответствующим приращением выходной
величины преобразования. Для преобразователей с несколькими
входными величинами Х1, Х2, ..., Хn уравнение преобразования
имеет вид:
Y = f (Х1, Х2, …, Хn).
Уравнение преобразования связывает входную и выходную
величины, что позволяет установить возможныеотклонения (по-
грешности) реального уравнения преобразования от градуиро-
вочной характеристики.
Зная уравнение преобразования датчика, можно найти выра-
жение для одного из важнейших его параметров – абсолютной
чувствительности S, которая в общем случае определяется как
.
dX
dY
S 

9
Для линейного уравнения преобразования чувствительность
определяется наклоном прямой (рис. 1.1).
.
X
Y
X
Y
S 


Чувствительность постоянна (S = const) в пределах тех значе-
ний Y и X, для которых сохраняется линейность уравнения преоб-
разования. Для нелинейных средств измерений чувствитель-
ность является переменной величиной, различной для разных
значений X.
В практике часто пользуются относительной чувствительно-
стью [3]
.0
X
X
Y
Y
S



Существенным параметром является порог чувствительнос-
ти, определяемый как изменение входной величины, вызываю-
щее наименьшее изменение выходной величины, которое можно
уверенно обнаружить с помощью данного датчика [3]. Порог
чувствительности выражается в единицах входной величины.
Значение порога чувствительности принято определять равным
половинеполосы неоднозначности функции преобразования дат-
чика при малых значениях входной величины.

x

x
0
Рис. 1.1. Характеристика преобразования измерительного
преобразователя

10
Чувствительность измерительного прибора, состоящего из
последовательного ряда измерительных преобразователей, оп-
ределяется произведением чувствительностей всех преобразо-
вателей, образующих канал передачи информации.
Чувствительность преобразователя будет постоянной при
условии, чтоегофункцияпреобразования строголинейна и посто-
янна. Однако чувствительность каждогодатчика постоянна толь-
ко на определенном участке характеристики, который ограничи-
вается, с одной стороны, пределом преобразования, а с другой –
порогом чувствительности [3].
Для датчиков важной характеристикой являются пределы
измерений (преобразований). Предел преобразования датчика –
это максимальное значение входной величины, которое еще
может быть им воспринято без искажения и без повреждения
преобразователя. Верхним и нижним пределами преобразований
следует считать соответственно наибольшее и наименьшее зна-
чения входной и выходной величин, в пределах которых нормиро-
вано уравнение преобразования или коэффициент преобразова-
ния. Область значений между верхним и нижним пределами
определяет диапазон измерений (преобразований).
Постоянные времени датчиков различны. Например, посто-
янная времени выпускаемых промышленностью терморезисто-
ров находится в пределах от десятых долей секунды до десятков
секунд, термопар – от десятков секунд до нескольких минут и
т.д. [4].
Наиболее характерным показателем качества преобразова-
теля является динамический диапазон Dд [3]
,
0
н
д


х
D
где хн – предел измерения преобразователя; 0 – его порог
чувствительности.
Для каждого типа преобразователей существует практичес-
кий предел достижимых величин динамического диапазона Dд,
определяемый принципом действия и качеством элементов пре-
образования.

11
Под погрешностью преобразователя понимается отклонение
реальной характеристики преобразования от номинальной. Ма-
лость погрешностей – основной качественный показатель датчика.
По характеру проявления можно выделить несколько видов
погрешностей:
– систематическое отклонение характеристики от идеализи-
рованной функции (линейной, квадратичной и т.д.) – нелиней-
ность;
– зависимость характеристики от направления изменения
входной величины – гистерезис;
– случайные неповторяющиеся отклонения отдельных точек
характеристики, полученных в одинаковых условиях, – помехи;
– отклонение, вызванное не лучшим выбором параметров
номинальной характеристики, – погрешность градуировки.
Все эти виды погрешностей имеются даже при самых благо-
приятных условиях работы датчика. Крометого, характеристика
преобразования изменяется под действием посторонних факто-
ров и подвержена медленному самопроизвольному изменению
(дрейфу) во времени.
Совместное действие этих факторов приводит к тому, что
характеристика реальных датчиков оказывается неоднозначной
и на графике из линии превращается в полосу неопределенности
(рис. 1.2), половина ширины которой и есть номинальная погреш-
ность датчика. Распределениеширины полосы неопределенности
вдоль характеристики датчика может иметь двоякий характер.
Эта ширина 20 может оставаться постоянной вдоль всей харак-
теристики датчика (см. рис. 1.2, а). В этом случае погрешность
преобразования 0 называется погрешностью нуля или аддитив-
ной, так как она не зависит от текущего значения измеряемой
величины. В другом случае ширина полосы погрешностей
(см. рис. 1.2, б) возрастает пропорционально текущему значе-
нию х измеряемой величины. Такая погрешность называется
погрешностью чувствительности, или мультипликативной
погрешностью. В большинстве реальных датчиков аддитивная
и мультипликативная погрешности присутствуют одновременно,
в результате чего полоса погрешностей распределяется вдоль
характеристики так, как показано на рис. 1.2, в [3].

12
Контрольные вопросы
1. Какие функции выполняет первичный измерительный преобра-
зователь (датчик) в информационно-измерительной системе?
2. Что такое аддитивная погрешность?
3. Что такое мультипликативная погрешность?
4. Как определяется чувствительность первичного преобразователя?
5. Как определяется гистерезис первичного преобразователя?
6. Что понимается под статической характеристикой первичного
преобразователя?
7. Что понимается под динамической характеристикой первичного
преобразователя?
8. Как осуществляется градуировка первичного преобразователя?
2. ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ
2.1. Принцип работы тензорезисторов
Внешние силы, действуя на твердое тело, вызывают его
деформацию. Прибор, предназначенный для измерения дефор-
маций, называется тензометром. Тензометры, принцип действия
которых основан на изменении омического сопротивления, назы-
ваются тензорезисторами.
Зная относительное удлинение элемента, определенное тен-
зорезистором, можно найти величину механического напряже-
ния, возникающего на данном участке конструкции. Эта зависи-
мость для большинства металлов в области упругих деформаций
определяется соотношением [6]
Рис. 1.2. Различные формы полосы неопределенности
измерительных преобразователей

13
, Е
где Е – величина модуля упругости, МПа;  – относительная
деформация;  – механические напряжения, МПа .
Экспериментальноеопределениенапряженно-деформирован-
ного состояния (НДС) является необходимой частью исследова-
ний, проводимых при создании новых объектов машиностроения
и строительства. Для обеспечения прочности и долговечности
конструкций необходимо знать нагрузки и действующие напря-
жения. Определение НДС включает получение и обработку
информации о зависимостях между внешними быстроменяющи-
мися силами и деформациями в узлах и деталях объекта при
динамических периодических процессах.
Тензометрический метод обследования конструкций, исполь-
зуемый при ресурсных испытаниях, обеспечивает надежность,
безопасность, а также прогнозирование и предотвращение их
преждевременного разрушения в процессепрочностных испыта-
ний.
При исследовании напряженного состояния элементов опре-
деляются как величина, так и направление вектора деформаций.
Для определения величины и направления главных деформаций
достаточно осуществить тензометрирование в трех направлениях.
Определение механических напряжений, усилий и деформа-
ций, возникающих в конструкции во время эксплуатации, можно
производить расчетным и экспериментальным методами.
Классификация основных задач тензометрии может быть
сделана по следующим признакам [7]:
– по характеру нагружения объекта контроля (ОК) во времени
и виду получаемой при этом информации;
– по особенности НДС исследуемого объекта;
– по особым свойствам материалов объекта исследования;
– по внешним воздействиям, которым подвергается ОК при
тензометрировании.
При статическом тензометрировании осуществляют получе-
ние и обработку информации о деформациях под действием
статических или квазистатических нагрузок на исследуемый
объект. Экспериментальное решение этой задачи позволяет ус-
тановить распределение деформаций в узлах и на участках ОК
под действием внешних статических нагрузок, температурных

14
полей и т.д. Эта задача характеризуется большим числом точек
измерения (до десятков тысяч). Существенное увеличение объе-
ма информации потребовало автоматизации процесса ее получе-
ния и обработки.
При исследовании напряженного состояния элементов конст-
рукции определяются как величина, так и направление вектора
деформаций. Кроме исследования общего напряженного состоя-
ния конструкции, при статических испытаниях возникают по-
требности изучения местной прочности в зонах нерегулярности
(вырезы, стыки и т.д.) с выявлением мест концентрации.
Увеличение размеров современных конструкций, детальное
исследование прочности отдельных элементов требуют уста-
новки на ОК множества тензорезисторов местных и общих
деформаций. Число тензорезисторов местных деформаций (при
современных статических и повторно-статических испытаниях)
достигает нескольких тысяч. Поэтому для обеспечения много-
точечного измерения местных деформаций требуются информа-
ционно-измерительные системы (ИИС), обладающие высокими
метрологическими характеристиками (МХ) с автоматизацией
обработки и представления информации.
Методы тензометрии подразделяются на следующие группы:
рентгеновские, поляризационно-оптические (методы фотоупру-
гости), муаровых полос, хрупких и гальванических покрытий,
методы, основанные на преобразовании деформаций поверхнос-
ти ОК с помощью тензометрических преобразователей [7].
Не останавливаясь на всех методах, рассмотрим последний,
поскольку в технике он нашел наибольшее распространение.
Тензометрические преобразователи делят на следующие типы:
механические, оптические, пневматические, струнные (акусти-
ческие), электрические. Работы по поиску и совершенствованию
технологии их производства ведутся до сих пор во всем мире.
Методы оценки НДС конструктивных элементов и образцов
путем прямого измерения деформаций и напряжений называют-
ся тензометрическими методами. При исследовании конструк-
ций необходимо выбрать точки, в которых должны быть опреде-
лены компоненты напряжений. При этом требуется так задать их
расположение на конструкции, чтобы имелась возможность вы-
явления наиболеенапряженных зон.

15
Измерение деформаций с помощью тензорезисторов основа-
но на тензоэффекте. Тензоэффектом называется свойство про-
водниковых и полупроводниковых материалов изменять элект-
ропроводность (электрическое сопротивление) при изменении
объема или напряженного состояния [7]. Тензоэффект характе-
ризуется величиной тензочувствительности, устанавливающей
связь между относительным изменением сопротивления
R
R
и
относительной деформацией
l
l
 в направлении измерений [7].
Для определения напряжений в конструкциях при линейном
напряженном состоянии применяются одиночные тензорезисто-
ры, оси которых располагаются параллельно оси чувствительно-
го элемента. Чувствительные элементы тензорезисторов могут
быть выполнены в видепетлеобразной решетки из тонкой прово-
локи или фольги, а такжев видепластин монокристалла кремния.
Особенность тензорезисторов состоит в том, что его чувстви-
тельный элемент (решетка) имеет механическую связь с объек-
том по всей длине измерительной базы.
Электрическое сопротивление тела тензорезистора изменя-
ется при деформации за счет изменения его геометрических
размеров, удельного сопротивления материала [7–8]
,)21(



 d
l
dl
R
R
где  – коэффициент Пуассона; l – длина базы;  – удельное
сопротивление материала тензорезистора.
Приращение сопротивления за счет изменения удельного со-
противления  зависит от структуры и свойств материала и в
ряде случаев может быть в десятки и сотни раз больше, чем
изменение за счет геометрических размеров.
При рассмотрении передачи деформации  образца через
связующее (рис. 2.1) к чувствительному элементу принимают
следующие допущения:
– в слое связующего при деформации возникают только сдви-
говые (касательные) напряжения, а в чувствительном элементе –
только нормальные;

16
– сдвиговые напряжения равномерны по периметру чувстви-
тельного элемента;
– связующее является линейным вязкоупругим телом;
– на концах чувствительного элемента деформация принима-
ется равной нулю.
В тензометрии применяют тензорезисторы на подложке из
бумаги, стеклоткани, асбеста и металлической фольги.
Поскольку о значении деформации, измеряемой с помощью
тензорезисторов, судят по вызываемому ею изменению сопро-
тивления, постольку именно в связи со способностью изменять
сопротивление под влиянием различных факторов и должны
оцениваться их основные свойства [6].
Одной из важных характеристик тензорезистора является
электрическое сопротивление изоляции (диэлектрической осно-
вы). Уменьшение сопротивления изоляции может привести к
погрешностям в измерении деформаций Rиз = 200… 300 МОм. На
величину сопротивления (кроме свойств связующего) влияет
количество тензорезисторов, включенных в плечо моста, их
база, число нитей тензорешетки. Тензорезисторы для статичес-
ких испытаний (в зависимости от рабочей температуры) можно
разбить на две основные группы:
– тензорезисторы, предназначенныедля работы при нормаль-
ных температурах;
– тензорезисторы, работающиепри повышенных температурах.
Необходимым требованием при наклейке тензорезистора на
конструкции является обеспечение его сцепления по всей по-
верхности с конструкцией. В процесседеформирования тензоре-
шетки происходит изменение ее геометрических размеров и
удельного сопротивления тензорезистора. Принцип измерения
lp
Рис. 2.1. Тензорезисторы: а – с проволочным чувствительным
элементом; б – с фольговым чувствительным элементом
а ) б )

17
деформаций с помощью тензорезисторов состоит в том, что при
деформации изменяется его активное сопротивление. По изме-
нению сопротивления тензорезистора судят об относительной
деформации конструкции.
В современном виде тензорезистор конструктивно представ-
ляет собой чувствительный элемент из тензочувствительного
материала (проволоки, фольги и т.д.), закрепленный с помощью
связующего (клея, цемента) на исследуемой детали.
Деформация  исследуемой конструкции, переданная с помо-
щью связующего чувствительному элементу, приводит к изме-
нению его сопротивления, функционально зависимого от дефор-
мации вдоль главной оси тензорезистора. В тензорезисторе,
установленном на конструкции, протекает ряд процессов, приво-
дящих к изменению его сопротивления и зависящих от свойств его
конструктивных элементов и условий эксперимента, а именно:
– времени измерения деформаций;
– температуры и ее изменении во времени и т.д.
Для измерения деформаций в сложных условиях воздействия
различных влияющих факторов необходимо использовать тензо-
резисторы и схемы измерения, приводящие к малым значениям
поправок. При получении расчетных зависимостей следует учи-
тывать две основные функции, выполняемые тензорезисторами:
– передачу деформации исследуемой конструкции через свя-
зующее чувствительному элементу;
– преобразованиепереданной деформации в приращениеэлек-
трического сопротивления R.
При измерении механических величин с применением тензо-
резисторов первичными преобразователями являются упругие
элементы, преобразующие измеряемую механическую величи-
ну в деформацию упругого элемента, воспринимаемую наклеен-
ными на них тензорезисторами.
2.2. Основные технические характеристики тензорезисторов
К основным техническим характеристикам тензорезисторов
относятся:
– тензочувствительность при нормальной температуре;
– связующее;
– механический гистерезис;
– ползучесть;

18
– электрическое сопротивление изоляции;
– номинальное сопротивление.
Чувствительность тензорезистора к деформациям характе-
ризуется отношением измененияего сопротивления под действи-
ем деформации к величине относительной деформации.
Тензочувствительность зависит от материала, формы и
конструкции тензорезисторов. В связи с тем, что тензочувстви-
тельность расчетным путем может быть определена только
приближенно, перед экспериментом тензорезисторы градуируют
(тарируют) на специальном стенде. Исследование характерис-
тик тензорезисторов проводится посленаклейки на специальном
стенде (рис. 2.2). Основу градуировочных устройств составляет
упругий элемент, на поверхно-
сти которого с помощью сис-
темы нагружения воспроизво-
дят деформацию заданной ве-
личины. В качестве упругих
элементов используют стерж-
ни круглогоили прямоугольно-
го сечения, подвергаемые про-
дольномунагружению, и балки
постоянного или переменного
сечения, но равного сопротив-
ления изгибу [7].
К упругому элементу
предъявляются следующие тре-
бования:
– он должен иметь рабочий
участок с поверхностью, достаточной для размещения на нем
выборки градуируемых тензорезисторов, причем на всей повер-
хности деформация упругого элемента должна быть постоянной;
– упругий элемент должен быть изготовлен из структурно-
однородного материала с высокими упругими свойствами.
Основныетребования к материалу тензорешетки можно сфор-
мулировать в следующем виде:
– линейная зависимость сопротивления от деформации в ши-
роком диапазоне измерения;
l
b
h
f
PP
Рис. 2.2. Стенд для определения
прогиба балки с индикатором
часового типа

19
– возможно большее значение коэффициента тензочувстви-
тельности К и его стабильности;
– высокое удельное сопротивление;
– малый температурный коэффициент сопротивления.
К основным недостаткам тензорезисторов следует отнести:
– возможность однократного использования (наклейки) на
ОК;
– низкая чувствительность;
– небольшой уровень выходных сигналов;
– значительный разброс сопротивлений.
Основные достоинства тензорезисторов:
– измерение деформаций при различных размерах базы;
– дистанционные измерения в большом числе точек;
– измерение в широком температурном диапазоне.
При определении чувствительности тензорезисторы наклеи-
вают в пределах рабочего участка упругого элемента градуиро-
вочного устройства. Затем упругий элемент нагружают для
воспроизведения градуировочной деформации гр. При этом ка-
ким-либо способом измеряют деформацию поверхности пласти-
ны, на которой наклеены тензорезисторы, а тензочувствитель-
ность определяется при установившейся температуре. Величину
тензочувствительности К рассчитывают по формуле [7]
,



t
t
R
R
K
где Rt – начальное значение сопротивления тензорезистора;
Rt – приращениесопротивления посленагружения градуировоч-
ного устройства.
Для определения прогиба балки (см. рис. 2.2) обычно приме-
няют индикатор часового типа. Известно, что относительную
деформацию поверхностного слоя шарнирной пластины, нагру-
жаемой чистым изгибом, можно считать по всей длине одинако-
вой и выразить через прогиб, измеренный в серединепластины по
формуле
,
4
2
L
hf

где h, L, f – соответственно толщина, длина и прогиб пластины.

20
К недостаткам градуировочных устройств такого типа отно-
сится низкая точность определения величины воспроизводимой
градуировочной деформации, а также сравнительная сложность
системы нагружения. Отдельные узлы такого градуировочного
устройства требуют высокой точности при изготовлении и сборке.
Одним из основных недостатков тензорезисторов является
то, что он может быть наклеен на объект только один раз. После
проведенных исследований на стенде тензорезистор уже не мо-
жет использоваться при измерениях деформаций конструкции.
Поэтому проводится градуировка не всей партии тензорезис-
торов, а только контрольной группы. Для того чтобы характери-
зовать серию тензорезисторов средним значением чувствитель-
ности и определить среднеквадратичные отклонения чувстви-
тельности отдельных тензорезисторов от среднего значения
чувствительности в серии, необходимо определить чувствитель-
ность партии тензорезисторов в количестве примерно 20 шт.
[10].
Связующее – это материал, используемый для закрепления
чувствительного элемента и выводных проводников на подлож-
ке, а также тензорезистора на исследуемом объекте. Связую-
щее, в качестве которого используются различные клеи, являет-
ся конструктивным элементом тензорезистора, передающим
деформацию от поверхности исследуемого объекта к чувстви-
тельному элементу и осуществляющим электрическую изоля-
цию последнего от объекта.
Механический гистерезис тензорезисторов определяется
как разность выходных сигналов при возрастании и при уменьше-
нии деформации. Из теории полимеров известно, что гистерезис-
ные явления в них определяются различными причинами, важ-
нейшими из которых являются релаксационные процессы, свя-
занные с временными процессами упругости и текучести. Кроме
этих явлений гистерезис в полимерных связующих может опре-
деляться также механическими процессами, связанными с раз-
рушением молекул и молекулярных связей, а также тепловыми
эффектами при деформации. Для определения гистерезиса на-
гружение и разгружение балки с тензорезисторами проводят с
одинаковой скоростью.

21
Ползучесть по ГОСТ 20420–75 – это свойство тензорезисто-
ра, установленного на образец, изменять свое сопротивление в
зависимости от времени (при постоянной деформации объекта и
постоянной температуре).
Для определения ползучести тензорезисторов используют те
же средства, что и при определении тензочувствительности.
Пластине с исследуемыми тензорезисторами задается неизмен-
ная во времени деформация. Затем измеряется изменение во
времени (начиная с момента задания деформации) относитель-
ное приращение сопротивления тензорезистора. При этом упру-
гому элементу задают постоянную во времени нагрузку. Начи-
ная с некоторого фиксированного момента после приложения
нагрузки, производят измерение сопротивления тензорезисто-
ров. Обычно первый отсчет снимается через 10–15 с после
нагружения, а последующие – через t = 15; 30; 60 мин.
Расчет ползучести тензорезистора производится по формуле
,%100
00
000
























R
R
R
R
R
R
П
где
00





 
R
R
– относительноеизменение сопротивления тензорези-
стора, измеренное непосредственно после нагружения образца;








0R
R
– относительное изменение сопротивления тензорезисто-
ра, измеренноепоистечении времени послеокончания нагруже-
ния образца.
Электрическое сопротивление изоляции – одна из основ-
ных характеристик тензорезистора. При этом основным требо-
ванием к связующему является требование высоких электроизо-
ляционных свойств. Изменение изоляционных свойств связую-
щего может привести к изменению сопротивления тензорезис-
тора. Все органические и неорганические диэлектрики снижают
электрическое сопротивление при повышении температуры и
действии влаги. Допустимое значение сопротивления изоляции

22
зависит от начального сопротивления изоляции, сопротивления
тензорезистора и его допустимого изменения за счет изменения
сопротивления изоляции, которое определяется требованиями
эксперимента и применяемой аппаратурой.
Сопротивление изоляции также зависит от количества после-
довательно или параллельно включенных в плечо моста тензоре-
зисторов. Объясняется это тем, что увеличение числа подсоеди-
ненных тензорезисторов как бы увеличивает площадь при про-
хождении тока от проволоки к корпусу детали, в результате чего
сопротивление изоляции уменьшается.
Номинальное сопротивление – это величина электрическо-
го сопротивления тензорезистора, измеренного между выводны-
ми проводниками. При этом различается сопротивление свобод-
ного и сопротивление наклеенного тензорезистора. Сопротивле-
ние тензорезистора зависит от материала, диаметра и длины
тензочувствительной проволоки, от степени совершенства свар-
ки с выводными проводниками и изоляционных свойств связую-
щего. Партия тензорезисторов, одновременно изготовленных,
характеризуется номинальным сопротивлением, разбросом со-
противления в партии и разностью сопротивлений до и после
наклейки [14].
Погрешности, возникающие при измерении относительных
деформаций тензорезисторами, делятся на двегруппы: основные
и дополнительные. Основные – это погрешности из-за разброса
характеристик тензорезисторов в партии. Дополнительные – это
погрешности, зависящиеот условий измерения (влажности, тем-
пературы окружающей среды, длительности испытаний, наличия
электромагнитных полей и т.д.), качества приклейки и монтажа
тензорезисторов.
2.3. Конструкция тензорезисторов
Чувствительные элементы тензорезисторов могут быть вы-
полнены в виде петлеобразной решетки из тонкой проволоки
(см. рис. 2.1, а) или фольги (см. рис. 2.1, б), а также – в виде
пластинкимонокристалла изполупроводниковогоматериала.Чув-
ствительный элемент прикрепляют к основе из изоляционного
материала (бумага, лаковая пленка, ткань и т.д.) с помощью
связующего (клея, цемента), которые передают деформацию

23
чувствительному элементу. На ОК тензорезистор закрепляют с
помощью клея. Для электрического соединения тензорезисторов
с измерительными схемами имеются выводы.
Особенность тензорезистора состоит в том, что его чувстви-
тельный элемент (решетка) имеет механическую связь с ОК по
всей длине измерительной базы. Для изготовления тензорезис-
торов применяют в основном константановую проволоку диа-
метром 0,02–0,05 мм. Константан обладает малым темпера-
турным коэффициентомсопротвления(ТКС), чтооченьважно,так
как изменение сопротивления преобразователей при деформации,
например, стальных деталей соизмеримо с изменением сопротив-
ления преобразователя при изменении температуры. В качестве
подложки используют тонкую (0,03–0,05 мм) бумагу, а также –
пленку лака или клея, а при высоких температурах – слой цемента.
При измерении механических величин с применением тензо-
резисторов первичными преобразователями являются упругие
элементы, преобразующие измеряемую механическую величи-
ну в деформацию упругого элемента. Эта деформация восприни-
мается наклеенными на упругий элемент тензорезисторами. На
рис. 2.3 показаны схемы чувствительных элементов преобразо-
вателей механических величин.
На рис. 2.3, а приведена П-образная скоба с наклеенными
тензорезисторами. Перемещения опорных концов скобы вызы-
вают изгиб и деформацию верхней части скобы. Скоба в данном
случае выполняет роль преобразователя перемещений с коэффи-
Рис. 2.3. Схемы чувствительных упругих элементов тензорезисторных
(Т) преобразователей для измерения механических величин:
а – перемещений; б – сил; в – давлений; г – ускорений
l+l
T
T
P
Q
T
m
P=ma
T
а ) б ) в ) г )

24
циентом преобразования много меньшим единицы. Это позво-
ляет привести величину измеряемых перемещений в соответ-
ствие с допустимой деформацией тензорезистора (0,02 мм при
базе 20 мм).
На рис. 2.3, б дана схема тензорезистивного силоизмерителя,
который выполнен в виде стержня определенного сечения. Де-
формации стержня пропорциональны силе Р, приложенной к его
проушинам.
Для измерения давлений жидкостей и газов используется
полый стакан (см. рис. 2.3, в), на поверхности которого наклеены
тензорезисторы. Давление, действующее во внутренней полости
стакана, вызывает деформацию его стенок, а тензорезисторы
преобразуют деформацию стенок в изменение сопротивления.
Измерение ускорений осуществляют с помощью упругого
чувствительного элемента в виде консоли с грузом на конце
(см. рис. 2.3, г). Сила, пропорциональная массе груза и измеряе-
мому ускорению, вызывает изгиб и соответствующую деформа-
циюповерхности консоли.
К числу промежуточных преобразователей относятся в пер-
вую очередь электрические схемы (рис. 2.4): потенциометри-
ческие (а) и мостовые (б), в которые включены тензорезисторы
[7]. В этих схемах изменение сопротивления тензорезистора
преобразуется в изменение электрического сигнала на выходе
промежуточного преобразователя.
Потенциометрическая схема (см. рис. 2.4, а) состоит из ис-
точника питания и последовательно соединенных резистора R1 и
тензорезистора R2. Промежуточные преобразователи по потен-
циометрическим схемам выполняются обычно для измерения
динамических деформаций. Поэтому для исключения постоян-
ной составляющей устанавливают конденсатор С.
В тензометрии более широкое применение нашли промежу-
точные преобразователи, выполненные по мостовым схемам
(см. рис. 2.4, б). Условие равновесия моста представляется в
виде:
R1R4 = R2 R3 .
При этом напряжение на выходемоста равно нулю U = 0. Если
мост симметричен, т.е. R1 = R2 = R3 = R4, то напряжение на

25
измерительной диагонали мостовой схемы при изменении сопро-
тивления тензорезистора на величину R равно:
.
43
4
21
1














RR
R
RRR
RR
UU
Учитывая симметрию моста и пренебрегая слагаемым R в
знаменателе, получим
.
4 R
RU
U

 
2.3.1. Проволочные тензорезисторы
Для измерения упругопластических деформаций используют,
как правило, проволочные тензорезисторы, так как проволочная
тензорешетка сохраняет свои метрологические свойства при
деформациях до 200 тыс. еод. Пригодность проволоки для изме-
рений в указанном диапазоне определяется достаточным посто-
янством тензочувствительности K = 2. Верхняя граница диапазо-
на измерений тензорезисторов зависит от деформируемости про-
волоки, физико-механических характеристик материалов осно-
вы и связующего, а также – размера базы и конструкции решетки
[7].
Проволочные тензорезисторы имеют в качестве чувстви-
тельного элемента решетку, выполненную из тонкой проволоки
диаметром от 2 до 30 мкм. Проволочные тензорезисторы отли-
чаются простотой изготовления, не требуют сложного оборудо-
Рис. 2.4. Схемы промежуточных преобразователей:
а – потенциометрическая; б – мостовая
а)
Rн
R2
R1
C
R3 R4
R2
R1
U
U
U
б)

26
вания для производства и пригодны при измерении статических
и динамических деформаций, а такжедля измерений как упругих,
так и упругопластических деформаций. Проволока легко подда-
ется специальной термообработке, что позволяет успешно ис-
пользовать ее для высоко- и низкотемпературной тензометрии.
Некоторые оптимальные формы проволочных тензорезисторов
отличаются высокими метрологическими свойствами (напри-
мер, тензорезисторы с беспетлевой решеткой и тензорезисторы
в виде одиночной проволоки).
Решетка проволочных тензорезисторов изготавливается из
тензометрической проволоки. В качестве материала для прово-
лочных тензорезисторов используют константан, нихром, элин-
вар, эдванс.
Тензометрическая проволока (рис. 2.5) должна обладать сле-
дующими характеристиками:
– линейная зависимость сопротивления от деформации в ши-
роком диапазоне измерения;
– возможно большее значение коэффициента тензочувстви-
тельности К и его стабильности;
– отсутствие гистерезиса, влияющего на воспроизводимость
результатов;
– высокое удельное сопротивление, что позволяет получать
малобазные тензорезисторы с большим сопротивлением;
– малый температурный коэффициент удельного сопротивле-
ния.
Рис. 2.5. Конструкция проволочного тензорезистора:
1 – решетка; 2 – связующее; 3 – основа
3
2
1

27
Чувствительность проволочной решетки практически одина-
кова как при растяжении, так и при сжатии. Объясняется это тем,
что тонкиепроволочныенити по всей длиненаходятся в прочном
слое клея и при действии сжимающей деформации они не могут
изгибаться, так как вместе с клеевой пленкой и деталью состав-
ляют единое целое.
Выводы тензорезистора должны обладать достаточной ме-
ханической прочностью, хорошо контактировать с концами про-
волочной тензорешетки и быть удобными для подключения к
ним проводов измерительной схемы. Для выводов обычно при-
меняют луженый медный провод или фольгу. Выводы привари-
вают или припаивают к концам тензорешетки.
Основа (подложка) тензорезистора предназначена для зак-
репления тензочувствительной решетки и электрической изоля-
ции от материала упругого элемента. Основа должна быть эла-
стичной, механически прочной, хорошо приклеиваться к упруго-
му элементу, обладать хорошей влагостойкостью и высокими
изолирующими качествами, не изменять своих свойств в рабо-
чем диапазоне температур, не обладать гистерезисом и ползуче-
стью. Данным требованиям отвечает основа, изготовленная в
виде пленки из лаков и клеев (ВЛ-931, БФ-2, БФР-2К, ВС-10).
Тензорезисторы общего назначения обычно имеют бумаж-
ную и пленочную основу с ограниченной термо- и морозостойко-
стью и пригодны для измерений в климатическом диапазоне
температур 225–325 К. Диапазон измеряемых деформаций для
таких тензорезисторов составляет ±(3–10)103
.
Одной из основных характеристик тензорезистора является
его база. По длине базы тензорезисторы можно разделить на три
группы:
– с малой базой (l < 10 мм);
– со средней базой (l = 10...30 мм);
– с большой базой (l > 30 мм).
Наиболее широко используются тензорезисторы с базами
l = (1–20) мм. При испытаниях используются тензорезисторы с
сопротивлениями 50, 80, 100, 120, 150, 200, 300, 400 и 600 Ом.
База тензорезистора выбирается в зависимости от места
наклейки на конструкцию. Тензорезисторы с большой базой
имеют меньшую погрешность измерения и большую тензочув-

28
ствительность. В табл. 2.1 приведена зависимость коэффициен-
та тензочувствительности от длины базы для проволочных тен-
зорезисторов.
Таблица 2.1
Зависимость коэффициента тензочувствительности от длины базы
для проволочных тензорезисторов
Чувствительный элемент проволочного тензорезистора мо-
жет иметь различную конфигурацию. Изготавливаются прово-
лочные тензорезисторы с одним (одноэлементные) и нескольки-
ми (многоэлементные) чувствительными элементами.
Основным недостатком проволочных тензорезисторов явля-
ется трудность образования сложных форм решеток, а также
решеток с базами меньше 3 мм. У тензорезисторов с петлевой
решеткой при малых базах значительно возрастает поперечная
чувствительность. Кроме того, для них характерна малая вели-
чина допустимой силы тока, ограничивающая чувствительность
измерительной схемы.
В зависимости от вида чувствительного элемента проволоч-
ные одноэлементные тензорезисторы подразделяются на пять
групп:
– тензорезисторы общего назначения с плоской петлевой
решеткой из натянутой проволоки диаметром (10…30) мкм с
базами от 2 до 100 мм и более (рис. 2.6, а);
– тензорезисторы с двухслойной петлевой решеткой из такой
жепроволоки, с базами 1–3 мм, используемыедля измерений при
значительных градиентах измеряемых деформаций (рис. 2.6, б);
– тензорезисторы с плоской беспетлевой многопроволочной
решеткой с базами от 3 до 200 мм и более для прецизионных
измерений на металлических материалах и на участках со слож-
ным распределением напряжений (рис. 2.6, в);
Длина базы, мм Коэф. тензочувствительности
5,0 1,6–1,8
10,0 2,05
15,0 2,09
20,0 2,1
25,0 2,1–2,15

29
– тензорезисторы беспетлевые однопроволочные с базами от
10 мм и выше для измерений на металлических и неметалличес-
ких материалах (рис. 2.6, г);
– тензорезисторы беспетлевые однопроволочные с базами от
1 до 3 мм для измерения в зонах со значительными градиентами
деформаций (рис. 2.6, д).
В случаях, когда в одной точке необходимо измерить дефор-
мации в нескольких направлениях, применяют тензорозетки, об-
разованные из двух, трех или четырех линейных тензочувстви-
тельных элементов, объединенных общей основой (рис. 2.7).
lp lp
lp lp
lp
а ) б )
в ) г )
Рис. 2.6. Проволочные тензорезисторы:
а, б – с многовитковой петлевой намоткой; в – с многовитковой
беспетлевой решеткой; г – однопроволочные; д – беспетлевые
однопроволочные
д )

30
2.3.2. Фольговые тензорезисторы
Фольговые тензорезисторы имеют решетку из фольги тол-
щиной 5–10 мкм. Основой тензорезистора является пленка из
синтетической смолы или бумага, пропитанная клеем. Толщина
пленочного основания тензорезистора составляет 30–40 мкм,
бумажного – 80–100 мкм. Выводы тензорезисторов обычно
изготавливают из медной проволоки диаметром 0,12–0,15 мм.
Фольговые тензорезисторы по сравнению с петлевыми прово-
лочными имеют, как правило, лучшие технико-метрологические
характеристики, допускают образование решетки практически
любой формы и размеров.
lp
lp
а )
Рис. 2.7. Проволочные тензорозетки:
а – две решетки под углом 90°; б – три решетки под углом 45°;
в – четыре решетки под углом 45°
б )
в )

31
Элементы решетки фольговых тензорезисторов имеют пря-
моугольное сечение с более выгодным отношением периметра к
площади поперечного сечения, чем в тензорезисторах с круглым
сечением элементов решетки. Это позволяет увеличить пло-
щадь контакта с поверхностью исследуемого объекта, что дела-
ет более прочным соединение тензорезистора с объектом иссле-
дования, улучшает передачу деформации к чувствительной ре-
шетке, повышает стабильность и надежность производимых
измерений. Благодаря большой площади касания решетки фоль-
гового тензорезистора с ОК, он хорошо рассеивает тепло, что
позволяет значительно увеличить силу тока, который питает
мостовую схему, повысить ее чувствительность, а также расши-
рить диапазон рабочих температур [15].
Предусмотренные по краям решетки более широкие участки
проводника гарантируют малую чувствительность фольгового
тензорезистора в направлении поперек решетки, так как сопро-
тивлениетолстых участков проводника имеет относительно малое
значение. Фольговые тензорезисторы изготавливаются с базами
0,3 мм и более, причем процесс производства фольговых тензо-
резисторов отличается высокой точностью. Чувствительный
элемент (решетка) фольгового тензорезистора изготовляется
травлением решетки на металлической фольге или штамповкой
из фольги прецизионным вырубным штампом [14].
Благодаря конструкции фольговых тензорезисторов рассеи-
ваниетепла в них происходит гораздолучше, чем в проволочных,
в результате чего допустимый рабочий ток и выходной сигнал
значительно больше. Фольговыетензорезисторы имеют (по срав-
нению с проволочными) существенно меньшую чувствитель-
ность в поперечном направлении. Это достигается увеличением
ширины поперечных участков решетки тензорезистора.
Прямоугольная форма сечения нитей чувствительной решет-
ки при малой толщине позволяет [14–15]:
– увеличить площадь сцепления с поверхностью исследуемой
детали, что делает более прочным соединение тензорезистора с
деталью, улучшает передачу деформации к чувствительной ре-
шетке, повышает стабильность и надежность производимых
измерений;

32
– улучшить теплоотдачу, что расширяет диапазон рабочих
температур и увеличивает силу тока, питающего мостовую схе-
му, а значит – повышает чувствительность;
– применять в качестве основы не бумагу, а тонкий слой лака
с хорошими механическими, диэлектрическими и адгезионными
свойствами, что обеспечивает более надежную электроизоля-
цию от массы электропроводящих деталей.
Наличие широких перемычек, соединяющих прямолинейные
элементы решетки, делает тензорезисторы практически нечув-
ствительными к поперечным деформациям.
На рис. 2.8 показаны конструкции фольговых тензорезисто-
ров. Потеря чувствительности тензорезисторами при цикличес-
ких нагружениях за пределами упругости наступает при дефор-
мациях не более 20 тыс. еод. Фольговые решетки, получаемые
травлением или штамповкой, по сравнению с проволочными
болеесклонны кхрупким разрушениям при сравнительнонеболь-
ших деформациях из-за развития зон концентрации в местах
дислокаций и неровностей, обусловленных технологией их изго-
товления. Поэтому пригодность фольговых тензорезисторов для
измерения больших деформаций определяется качеством изго-
товления решетки [7].
а ) б )
Рис. 2.8. Конструкция фольговых тензорезисторов:
а – 2ФКРГ; б – 2ФКМВ; в – 2ФКМГ
в )

33
2.3.3. Полупроводниковые тензорезисторы
Полупроводниковые тензорезисторы применяются для из-
мерения малых деформаций, а также в преобразователях меха-
нических величин в качестве чувствительных элементов. При
использовании полупроводниковых тензорезисторов необходимо
учитывать ограниченный диапазон деформирования и зависи-
мость сопротивления и чувствительности от температуры [14].
У полупроводниковых материалов тензоэффект связан со
значительным изменением удельного сопротивления. Знак тен-
зоэффекта зависит от типа проводимости полупроводникового
материала, а величина – от кристаллографического направления.
В полупроводниковых тензорезисторах в качестве чувстви-
тельного элемента используется монокристаллический провод-
ник толщиной 20–50 мкм, шириной до 0,5 мм, длиной 2–12 мм.
Для изготовления полупроводниковых тензорезисторов наиболь-
шее применение находят кремний и германий. В зависимости от
свойств полупроводниковых материалов механические и элект-
рические характеристики тензорезисторов можно изменять в
широких пределах [14]. При одних и тех же геометрических
размерах сопротивление тензорезисторов зависит от концентра-
ции примесей в кристалле и может изменяться от десятков ом до
десятков килоом. При этом на коэффициент тензочувствитель-
ности оказывает влияние вид и количество примесей. Он может
изменяться от – 100 до 200 и выше.
Основное отличие полупроводниковых тензорезисторов от
проволочных состоит в большом (до 50 %) изменении их удель-
ного сопротивления при деформации [14].
В зависимости от материала, кристаллографического направ-
ления, удельного сопротивления и типа проводимости, которые
определяются количеством и составом примесей, изменяются
свойства и характеристики полупроводниковых тензорезисто-
ров. Полупроводниковые тензорезисторы p-типа проводимости
имеют положительный знак тензоэффекта, а тензорезисторы
n-типа – отрицательный. Германиевые тензорезисторы по своим
эксплуатационным параметрам уступают кремниевым и поэто-
му имеют ограниченное применение.
Конструктивно чувствительные элементы полупроводнико-
вых тензорезисторов изготавливают в виде дискретных (брусков

34
илитонкихполосок)пленочныхи нитевидныхэлементов(рис. 2.9).
Полупроводниковые дискретные тензорезисторы представляют
собой бруски длиной 2–12 мм, шириной 0,15–0,5 мм. Начальные
сопротивления находятся в диапазоне 50–10 000 Ом, коэффици-
ент тензочувствительности К – в диапазоне (50–200).
Изменения сопротивления в результате колебания темпера-
туры намного более заметны у полупроводниковых тензорезис-
торов, чем у проводниковых и фольговых. Поэтому при исполь-
зовании полупроводниковых тензорезисторов для определения
деформации даже при небольших изменениях температуры воз-
никает большая погрешность. Этот недостаток устраняется
разработкой как специальных термокомпенсированных тензоре-
зисторов, так и схем их термокомпенсации [15].
0,45
5 15,20
28
0,05
2
0,2
а )
б )
Рис. 2.9. Конструкции полупроводниковых тензорезисторов:
а – серии КТЭ и КТД; б – серии Ю-8

564

Recommended

Recommended

More Related Content

More from ivanov156w2w221q

More from ivanov156w2w221q (20)

564