Резистивные манометры основаны на изменении активного электро­сопротивления проводников при их механической деформации. Впервые

этот эффект (тензоэффект) был рассмотрен английским физиком В. Томпсоном (лорд Кельвин) в 1856 г. Экспериментальные исследова­ния тензоэффекта для различных металлов и сплавов были впервые про­ведены при давлениях до 300 МПа Лизелом (1903 г.), а затем при дав­лениях до 1300 МПа Бриджменом (1911 г.). Однако широкое внедрение тензоресторной техники в промышленность началось со времен второй мировой войны.

Основная характеристика тензоэффекта — коэффициент относитель­ной тензочувсгвительности, определяемый как отношение изменения со­противления проводника к изменению его длины

* = eR/€h                                                  (4.13)

где ец = AR/R — относительное изменение сопротивления; ег = &1/1 — относительное изменение длины.

Для твердых тел относительное изменение сопротивления зависит как от изменения геометрических размеров, так и от изменения удельно­го сопротивления

к = 1 + 2(i + т,                      (4.14)

где ix — коэффициент Пуассона (для металлов ц — 0,24—0,4); т = = Др/р/А/Д — изменение удельного сопротивления материала, связанное с изменением его физических свойств.

Для металлов (1 + 2д) » т, для полупроводниковых материалов т » (1 + 2д), и для них можно считать, что к = т.

Принципиальное отличие тензометрического метода измерения дав­ления состоит в том, что мерой давления является не перемещение за­данной точки УЧЭ в осевом направлении, а деформации поверхности УЧЭ или поверхности связанного с ним тела. Измерительный преобразо­ватель, который преобразует деформации поверхности твердого тела в изменение его электросопротивления, называется тензорезистором.

Обычно выделяют следующие основные группы тензорезисторов: проволочные, фольговые, тонкопленочные и полупроводниковые. При этом находят применение два основных вида преобразования давле­ния:

давление, воспринимаемое УЧЭ, вызывает деформацию его поверх­ности (растягивающую или сжимающую), которая преобразуется в из­менение электросопротивления тензорезистора;

давление, воспринимаемое УЧЭ, преобразуется в сосредоточенную силу, которая деформирует упругое твердое тело с жестко связанным с ним тензорезистором; иногда производится промежуточное преобразо­вание силы в момент сил.

Аппаратура, содержащая промежуточные преобразователи различ­ного назначения, а также источники питания, усилитель выходного сиг­нала и вторичные приборы для индикации и регистрации давления, тре­бует существенно больших затрат на изготовление, чем УЧЭ с вмонтиро­ванными в него тензорезйсторами, которые, как правило, включаются в мостовую схему и составляют вместе с УЧЭ единый блок (датчик).

Тензорезисторы о ычно включаются во все четыре плеча мостовой схемы, причем для повышения чувствительности одна пара тензорезис-торов работает на растяжение, а другая на сжатие. Иногда два тензорезис-тора располагаются на участках УЧЭ, подверженных деформации, а два других „холостых" (не подвергаются растяжению или сжатию) предна­значены для температурной компенсации мостовой схемы. Для датчиков высокой точности тре&уются также уравновешивающие и компенсацион­ные элементы для корректировки нуля и диапазона измерений и пр.

Первыми были разработаны проволочные тензопреобразователи (проволочные тензорезистивные манометры), предназначенные для из­мерения высоких давлений, которые в отличие от указанных выше ме­тодов преобразования основаны на всестороннем сжатии проводника непосредственно давлением окружающей среды без применения УЧЭ, т. е. функции УЧЭ и тензорезистора совмещены в одном элементе.

В качестве материала проволочного сопротивления до настоящего времени применяется манганин (сплав меди, марганца и никеля), эф­фективность которого при создании тензоэффекта была выявлена ис­следованиями Лизела и Бриджмена еще в начале нашего века.

Манганиновый манометр (рис. 41) содержит катушку сопротивле­ния 6, каркас, которой с помощью двух металлических стержней 1 при­креплен к втулке 3, и корпус 7 с штуцером для подключения измеряе­мого давления. Для уплотнения стержней в их средней части имеются кольцевые утолщения, с двух сторон которых помещены прокладки 4. Предварительное уплотнение производится с помощью гайки 2, а за­тем под действием давления верхние прокладки самоуплотняются. Для электрической изоляции стержней, предназначенных для включения катушки сопротивления в мостовую схему, стержни отделены от метал­лических деталей воздушными зазорами, которые обеспечиваются цент­ровкой стержней посредством изолирующих втулок 5 и уплотнений 4.

Уравнение измерений манганинового манометра имеет вид

p = a(-f-)+n-f)2,                                  (4-15)

к                      к

где Ro — сопротивление проводника при отсутствии давления; AR — изменение сопротивления при давлении р; а и |3 — коэффициенты, зави­сящие от свойств материала проводника и, в меньшей степени, от техно­логии изготовления.

Наиболее часто для изготовления точных манганиновых манометров применяется сплав, состоящий из 84 % меди, 12 % марганца и 4 % нике­ля. Удельное сопротивление манганина такого состава составляет (4,2-4,8) • 10~7 Ом/м, что в 25 раз превышает удельное сопротивление меди. Это имеет существенное значение в технике высоких давлений, так как непосредственно влияет на размеры катушки сопротивления.

Значения коэффициентов уравнения измерений (4.15) колеблются в пределах: а= (40,3-41,2)- 109 Па; 0 = (11,5-15,0)- 109 Па. Доля второго члена уравнения (4.15), определяющего нелинейность, составля­ет от 0,01 % при р = 100 МПа до 0,8 % при р = 1 ГПа (10000 кгс/см2),

резко возрастая при дальней­шем увеличении давления. При точных измерениях с по­грешностью менее 0,5—1 % требуется индивидуальная градуировка манганиновых манометров.

Диапазон давлений, изме­ряемых манганиновыми мано­метрами, составляет от 100 МПа (1000 кгс/см2) до 4 ГПа (40000 кгс/см2), погреш­ность измерений от 0,4 до 2,5 % (рабочие средства изме­рений) и от 0,2 до 0,6 % (об­разцовые средства измере­ний) . Долговременная ста­бильность (5—10 лет) и вос­производимость показаний хорошо изготовленных манга­ниновых манометров состав­ляют ±0,2 % каждая. Влияние температуры определяется из­менением электросопротивле­ния, которое в среднем со­ставляет 0,01 % на 1°С.

Рис. 41. Манганиновый манометр

Манометры сопротивле­ния практически не примени­мы при давлениях менее 50 МПа из-за относительно низ­кого тензоэффекта при все­стороннем сжатии проводни­ка. Например, прир = 50 МПа изменение сопротивления манганина составляет AR/R0 = — 0,125 %, что соизмеримо с

влиянием изменения температуры на ±5°С (0,05 %). Поэтому при изме­рении малых и средних давлений производится предварительное преоб­разование давления в деформацию УЧЭ, которая создает в материале тен-зорезистора требуемые растягивающие или сжимающие усилия. При этом уменьшение давления компенсируется увеличением геометричес­ких размеров УЧЭ и уменьшением толщины его стенок.

На этом принципе основано подавляющее большинство проволоч­ных тензореэистивных манометров. Находят применение как наклеи­ваемые на поверхность УЧЭ проволочные тензорезисторы, так и „сво­бодные" тензорезистивные преобразователи, в которых деформации подвергаются ненаклеенные проволочные нити. Различаются также мано-

метры с тензорезисторами, закрепленными непосредственно на поверх­ности УЧЭ и закрепленными на балочке, на которую действует развива­емая" под действием на УЧЭ давления сила. Примеры некоторых конст­руктивных решений приведены на рис. 42.

/    2

Рис. 42. Проволочные тензорезисторные манометры

Одна из таких конструктивных схем положена в основу тензомоду-ля преобразователя избыточного давления типа Темп-21ДИ-М1 на основе литых микропроводов. Тензомодуль (рис. 42, а) содержит упругий чув­ствительный элемент 4, выполненный в форме пустотелого цилиндра с перегородкой в средней части, который на торцах имеет фланцы 2 и 6. Через фланец 1 внутрь УЧЭ подается измеряемое давление, фланец 2 име­ет отверстие для сообщения второй половины УЧЭ с атмосферным давле­нием. На наружной поверхности цилиндра размещены четыре тензорезис-тора. два из которых, воспринимающие деформацию цилиндра под дей­ствием давления, составляют активные плечи моста сопротивлений, а два других 5 — пассивные плечи, предназначенные для температурной ком­пенсации нуля мостовой схемы. Тензорезисторы укреплены на цилиндре с помощью специального цемента и защищены от воздействия окружаю­щей среды герметичным кожухом 3.

Мостовая схема выдает электрический сигнал постоянного тока, ко­торый преобразуется в пропорциональное напряжение переменного тока и после усиления вновь преобразуется в токовый выходной сигнал 0—5, 0—20 или 4—20 мА. Электронный блок содержит также масштабный де­литель, который позволяет ступенчато изменять коэффициент усиления выходного сигнала мостовой схемы. Благодаря этому один и тот же УЧЭ

охватывает четыре диапазона давлений. Выпускаются три модели преоб­разователя, которые обеспечивают верхние пределы измерений, МПа:

2160..-. 1,0; 1,6; 2,5; 4,0

2170 6   ; 10 ; 16 ; 25

2180 …. 40 ; 60 ; 100;160

Пределы основной допускаемой погрешности составляют 0,25; 0,5 и 1,0 от верхнего предела измерений.

Преобразователь предназначен для работы при температуре окружа­ющего воздуха от -30 до +80°С. Габаритные размеры 130X185X45 мм, масса не более 1 кг.

Для измерения давлений менее 1 МПа (10 кгс/см2) может быть ис­пользован тензопреобразователь балочного типа. Преобразователь (рис. 42, б) содержит закрепленную на фланце 1 мембрану 2 с жестким цент­ром, которая преобразует давление в силу, передаваемую благодаря стержню 3 на упругую балку 4. Закрепленные на балке тензорезисторы 5, один из которых испытывает растягивающие напряжения, а другой — сжимающие напряжения, включены в мостовую схему. Возможности данной схемы при понижении диапазона измерений давления в принципе неограничены.

Общий недостаток конструкций с наклеиваемыми проволочными тензорезисторами — нестабильность закрепления последних на деформи­руемой поверхности, особенно при воздействии повышенных темпера­тур. С этой точки зрения предпочтительнее „свободные" тензорезистив-ные преобразователи, которые почти полностью совмещают функции упругого элемента и тензорезистора, обеспечивая высокую собственную частоту и хорошую стабильность нуля, так как жесткость других упру­гих элементов (мембраны, сильфона и пр.) в этом случае выбирается су­щественно меньшей.

Преобразователь указанного типа (рис. 42, в) содержит защемлен­ную по краям мембрану 3, на которой закреплены стержни 1 и 4. На кон­цах стержней смонтированы „свободные" проволочные тензорезисторы 2 и 5. Под действием разности давлений мембрана деформируется, бла­годаря чему стержни поворачиваются з разные стороны, увеличивая на­тяжение одного из тензорезисторов и уменьшая натяжение другого. На выходе мостовой схемы, активными плечами которой являются оба тен­зорезистора, возникает выходной электрический сигнал, преобразуемый далее обычными способами.

Если стержни закреплены на расстоянии г = R/y/T от центра мем­браны, то угол их поворота

±^.-_£1.р,                                  (4.16)

где R — радиус мембраны; h — толщина мембраны; Е — модуль упругос­ти материала; ц — коэффициент Пуассона.

При жесткости нитей, существенно превышающей жесткость мембра­ны, поворот стержней практически не происходит вследствие компенса­ции момента со стороны мембраны моментом сил натяжения нитей.

Следует отметить, что все проволочные тензорезисторы имеют отно­сительно низкие выходные сигналы (по сравнению с индуктивными и емкостными преобразователями).

Одним из существенных недостатков проволочных тензорезисторов является небольшая теплоотдача материала проволоки, так как площадь теплоотдачи составляет половину цилиндрической поверхности проволо­ки. Поэтому возможности миниатюризации ограничиваются допускае­мым уменьшением диаметра проволоки, который обычно составляет не менее 20—30 мкм. Гораздо большие возможности предоставляет техника изготовления тензорезисторов из металлической фольги, которая к нас­тоящему времени достаточно хорошо испытана и отработана. Типичная конструкция фольгового тензорезистора (рис. 43, а) состоит из тонкой

Рис. 43. Фольговый тензорезистор

металлической фольги 1, выполненной в виде петлеобразной решетки, которая специальным клеем закреплена на подложке 2 из изоляционно­го материала. К расширенным концам решетки припаиваются проволоч-

ные токосъемники 3, а сверху на решетку наносится изоляционное по­крытие 4 для защиты от воздействия окружающей среды. Сопротивле­ние резистора определяется базой /, числом последовательно соединен­ных полосок фольги и их поперечным сечением. В качестве материала фольги обычно применяют константан, подложки — бакелитовую или эпоксидную смолу. Для изготовления фольговых тензорезисторов и их закрепления на поверхности УЧЭ используются в зависимости от усло­вий работы (температуры, влажности, агрессивности среды) различные клеящие составы, затвердевающие в горячем состоянии.

Толщина h фольги обычно составляет 3—10 мкм, а ширина Ъ = 0,1 мм и более. Поэтому по сравнению с проволочными тензорезисторами во много раз увеличивается теплоотдача, а, следовательно, уменьшается на­грев тензорезистора при прочих равных условиях. Коэффициент тензо-чувствительности составляет к — 2,1—2,3 (для константана). Размеры тензорезисторов могут быть доведены до / = 2—3 мм.

Тензорезисторы закрепляются непосредственно на поверхности УЧЭ или на упругую балочку, связанную с УЧЭ жестким стержнем, и включа­ются в мостовую схему. Манометры, основанные на указанном принци­пе, позволяют измерять давление с высокой точностью. Так, цифровой манометр „Diptron 2" фирмы „Wallance & Tiernan" (ФРГ) предназначен для измерения давления с погрешностью 0,05 %. Манометр (рис. 43, б) содержит сильфон 1, преобразующий измеряемое давление р в усилие, которое с помощью стержня 2 изгибает упругую балку 4. Пропорцио­нальная давлению деформация воспринимается тензорезисторами 3, включенными в мостовую схему, причем два резистора работают на рас­тяжение, а два других — на сжатие. Усилителем 1 (рис. 43, в) выходной сигнал усиливается и после преобразований поступает на цифровое табло указателя 2. Одновременно происходит преобразование в аналоговый и кодовый выходные сигналы.

Узлы измерительного механизма, усилителя, блока питания и пока­зывающего устройства помещены в общий корпус. Габаритные размеры 120X150X230 мм, масса 4 кг. Манометр изготовляется на диапазоны из­мерений от 0—0,1 бар (0 — 10 кПа) до 0—25 бар (0 — 2,5 МПа) и предна­значен для измерения избыточного давления и разрежения. Погрешность измерений, включая нелинейность и гистерезис, 0,05 % верхнего предела измерений. Влияние изменений температуры в диапазоне 10—40° С не превышает ±0,005 % на 1°С.

Несмотря на ряд очевидных достоинств (высокая точность, хорошая долговременная стабильность, высокая собственная частота, примени­мость для изготовления небольших серий) фольговые тензорезисторы имеют также и недостатки: относительную дороговизну в связи с жест­кими допусками на изготовление; невысокую тензочувствительность, свойственную всем металлическим тензорезисторам (к — 2), что требует соответствующего усиления; ограниченные диапазон температур и воз­можности миниатюризации.

Тонкопленочные тензорезисторы. Дальнейшие возможности разви­тия тензорезистивных манометров предоставила тонкопленочная техни-

ка, получившая в последнее время распространение в различных облас­тях микроэлектроники, в которой в отличие от фольговой техники пе­ред нанесением на подложку проводящего материала тензорезисгоров на поверхность УЧЭ наносится изоляционный слой толщиной в несколько мкм, затем низкоомные проводники монтажной схемы и в последнюю очередь сам тензорезистор. При этом применяются методы напыления в вакууме, плазменной активации паров требуемых химических веществ и пр., которые позволяют наносить не только металлические пленки, но и поликристаллические материалы с повышенным коэффициентом тензочувствительности {к — 30—50). Все это позволяет существенно уменьшить размеры УЧЭ при одновременном уменьшении диапазона измерений. Однако сложность технологии изготовления требует значи­тельных затрат на оборудование. Поэтому изготовление тонкопленоч­ных тензорезисторов рентабельно только при условии их массового про­изводства.       —

В отличие от металлических тензорезисторов, сопротивление кото­рых изменяется вследствие деформации поперечного сечения, в полупро­водниковых тензорезисторах чувствительным к натяжению является удельное сопротивление, которое занимает очень широкий диапазон зна­чений. Если удельное сопротивление проводников находится в диапазо­нах от 10~5
до’10"8 Ом.м, а диэлектриков от 1010 до 1016
Ом.м, то диа­пазон удельных сопротивлений полупроводников простирается от 10"s до 104, т. е. охватывает почти 10 порядков. Помимо этого сопротивле­ние полупроводников существенно зависит от содержания в них приме­сей, подбором которых можно изменять сопротивление в нужном на­правлении. Примеси, которые создают в полупроводнике свободные электроны, называют донорными, а сам полупроводник называют п-типа

(от „негатив" — отрицательный). Примеси, которые захватывают валент­ный электрон и при этом у одного из атомов полупроводника возникает „дырка", называют акцепторными (принимающими), а проводимость про­водника р-типа (от „позитив" — положительный). Количество свобод­ных носителей зарядов (электронов и дырок) определяет проводимость, а, следовательно, и удельное сопротивление полупроводника. При этом чувствительность удельного сопротивления полупроводникового тензо-резистора к его деформации существенно выше, чем изменение сопро­тивления под влиянием изменения поперечного сечения. Поэтому коэф­фициент тензочувствительности (4.14) полупроводникового тензорезис-тора практически равен к = т. Если для металлических тензорезисторов коэффициент тензочувствительности к = 2, то коэффициент тензочувст­вительности кремния к = 125-135 при р-проводимости и к = -(100-

—130) при и-проводимости. Это позволяет существенно упростить аппара­туру для усиления выходного сигнала,

Конструктивное выполнение полупроводниковых тензорезисторов аналогично тонкопленочным тензорезисторам (рис. 43, а). Те же техно­логические приемы применяются и при изготовлении полупроводнико­вых тензорезисторов. При этом используются два основных способа:

полупроводниковый кремниевый тензорезистор наносится на изоли­рующую сапфировую подложку (КНС структура);

полупроводниковый кремниевый тензорезистор с р-проводимостью наносится на кремниевую подложку с n-проводимостью (КНК струк­тура) .

В зависимости от конструктивного исполнения полупроводниковые тензорезистивные преобразователи применяются для измерения абсолют­ного и избыточного давления (разряжения) и разности давлений.

В нашей стране серийно изготовляются полупроводниковые преоб­разователи типа „Сапфир-22", основанные на КНС структуре.

Схема преобразователя „Сапфир-22ДИ", предназначенного для изме­рения избыточного давления, представлена на рис. 44. Мембранный полу-

Рис. 44. Преобразователь „Сапфир-22ДИ’:  Рис. 45. Преобразователь „Сапфир-22ДА"

проводниковый тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9. Внутренняя полость 4 тензопреобразователя заполнена кремнийоргани-ческой жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гоф­рированной мембраной 6, приваренной по наружному контуру к основа­нию 9. Измеряемое давление подается в камеру фланца 5. Между основа­нием 9 и фланцем 5 помещена уплотняющая прокладка 8. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой.

Измеряемое давление воздействует на мембрану 6 и через жидкость передается на мембрану тензопреобразователя 3, вызывая ее прогиб и соответствующее изменение сопротивления тензорезисторов, соединен­ных в мостовую схему. Электрический сигнал по проводам через герме­тичный вывод 2 поступает в электронный блок 1, который содержит корректоры для плавной подстройки диапазона и нуля выходного сигна­ла. При измерении абсолютного давления полость 10 откачивается и гер­метизируется. Как при измерении избыточного давления, так и абсолют­ного давления в данной конструкции измеряемое давление воздейству­ет через жидкость непосредственно на мембрану тензопреобразователя.

Для измерения абсолютных давлений не более 250 кПа применяется преобразователь „Сапфир-22ДА" (рис. 45). В отличие от предыдущего здесь применен мембранно-рычажный тензопреобразователь 4, который размещен внутри основания 9 и отделен от измеряемой среды металли­ческой гофрированной мембраной 8, а от вакуумированной полости 12 металлической мембраной 14. Обе мембраны по наружному контуру приварены к основанию 9 и соединены между собой центральным што­ком 6, который связан с концом рычага 5 тензопреобразователя с по­мощью упругой тяги 13. Внутренние полости основания также вакууми-рованы. Фланцы 10 nil уплотнены на основании 9 прокладками 3.

Измеряемое абсолютное давление подается в камеру 7. При этом по­следовательно происходят прогиб мембран 8 и 14, изгиб мембраны тен­зопреобразователя 4 и изменение сопротивления тензорезисторов. Элек­трический сигнал от тензопреобразователя передается по проводам че­рез герметичный вывод 2 на электронный блок 1.

Аналогичная конструкция используется для измерения разности дав­лений (рис. 46). В отличие от предыдущей внутренняя полость основа­ния 4 между мембранами 3 заполнена кремнийорганической жидкостью. Воздействие измеряемой разности давлений, большее из которых подает­ся в камеру 2, меньшее — в камеру 5, вызывает прогиб мембран 3, изгиб мембраны тензопреобразователя 1 и изменение сопротивления тензоре­зисторов. Измерительный блок выдерживает без разрушения воздейст­вие односторонней перегрузки избыточным давлением. Это обеспечива­ется тем, что торцевые поверхности основания 4 профилированы одина­ково с поверхностями мембран 3.

Преобразователи „Сапфир-22" имеют унифицированное электронное устройство, преобразующее электрический сигнал тензорезисторного моста в аналоговый стандартный сигнал 0—5 или 0—20 или 4—20 мА по­стоянного тока. Электрическое питание преобразователей осуществляет­ся от источника питания постоянного тока напряжением (36±0,72) В. Преобразователи предназначены для работы при температуре от 5 до 50°С, по требованию заказчика возможно расширение диапазона темпе­ратур от —20 до +80°С. Пределы допускаемой основной погрешности ±0,25 % и ±0,5 %, верхние пределы измерений от 0,25 кПа до 100 МПа.

Зарубежные полупроводниковые преобразователи в основном ис­пользуют тензорезисторы с КНК структурой. Одна из ведущих в этой области фирма „Druck Ltd" (Англия) освоила промышленный выпуск

полупроводниковых датчиков в комплекте с вторичными пока­зывающими приборами типа DPJ 220 с цифровым отсчетом. Мано­метр отличается высокой точ­ностью. Суммарная погрешность, вызываемая нелинейностью, гис­терезисом и воспроизводи­мостью показаний, не превышает 0,1 % верхнего предела измере­ний. Долговременная стабиль­ность составляет ±0,02 % за три месяца, температурный коэффи­циент ±0,01 % на 1°С. Диапазо­ны измерений: от 0—7,5 кПа до 0—50 МПа при измерении избы­точного давления; от 0— 17,5кПа до 0—3,5 МПа при измерении разности давлений; от 0—35 кПа до 0—50 МПа при измерении аб­солютного давления.

Рис.   46.  Преобразователь для  измерения разности давлений

Контрольный вопрос № 7

Что определяет тензочувствительность резистивных полу­проводниковых тензодатчиков к давлению — изменение геомет­рических размеров тензорезистора или изменение удельного электрического сопротивления материала тензорезистора?

Если Вы считаете изменение геометрических размеров, то см. с. 108, если — изменение удельного электросопротивления, то см. с. 110.

При этом достигнут хороший уровень миниатюризации. Масса вто­ричного прибора составляет 0,6 кг, габаритные размеры 100X45X200мм. Питание осуществляется от сети переменного тока 220 В, аналоговый то­ковый выходной сигнал 4—20 мА.

Преимуществами тензорезистивных полупроводниковых преобразо­вателей является: высокий коэффициент тензочувствительности; воз­можность миниатюризации чувствительного элемента; непосредственное применение достижений современной микроэлектроники.

К недостаткам полупроводниковых преобразователей относятся: сложность технологии изготовления ЧЭ, что неприемлемо при мелкосе­рийном производстве; хрупкость ЧЭ, что ограничивает их применение в условиях сотрясений, скачков давления; относительно большое влияние

температуры на коэффициент тензочувствительности. Последнее осо ен-но важно для тензорезисторов, основанных на КНК структурах, макси­мальная температура эксплуатации которых ограничена 120°С.