Сенсорика. Тензосенсори. Загальні відомості та принцип роботи

1. ОСНОВИ СЕНСОРИКИ

5.ТЕНЗОСЕНСОРИ.
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ТА ПРИНЦИП
РОБОТИ.

2. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

• Тензосенсори – пристрої для вимірювання
деформації різних конструкцій, заснований на
визначенні зсуву (або переміщення) пружного
елементу.
• Датчики зсуву можуть вимірювати як лінійний зсув
(при поступальному русі), так і кут повороту (при
обертанні).
• Існує безліч способів вимірювання деформацій
відповідно до використовуваних принципів
перетворення:
–
–
–
–
–
тензорезистивний,
оптико–поляризаційний,
п'єзорезистивний,
волоконно–оптичний,
механічний...
• Серед електронних тензодатчиків, найбільшого

3. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

• Існують різні типи тензодатчиків залежно від
сфери застосування:
– тензодатчики зусилля і навантаження;
– тензодатчики ваговимірювальні (вимірює вагу);
– тензодатчики тиску (вимірювання тиску в різних
середовищах);
– акселерометри (датчики прискорення);
– тензодатчики переміщення;
– тензодатчики крутного моменту.
• Найбільш типовим застосуванням тензодатчиків є
ваги. В залежності від конструкції платформи, що
приймає вантаж, вагові тензодатчики різного типу:
–
–
–
–
тензодатчики
тензодатчики
тензодатчики
тензодатчики
консольні (балочні тензодатчики);
s–подібні;
мембранного типу;
колонного типу.

4. Основні елементи та параметри конструкції

• Тензодатчик складається з:
– тензочутливих елементів (тонкий дріт, фольга,
напівпровідникова, або металева плівка плівка, яка
одержана напиленням у вакуумі та ін.),
– зв’язуючого елементу (клею або цементу), який служить
проміжним конструктивним (технологічним) шаром для
передачі зусилля деформації від поверхні об’єкту до
тензочутливого елементу,
– та елементів з’єднання зі схемою обробки електричного
сигналу.
• У багатьох випадках тензодатчики для зручності
виготовлення, застосування та зберігання
виготовляються з несущою основою, в якості якої
використовуються:
–
–
–
–
полімерні плівки,
кераміка,
композитні матеріали,
метали та ін.

5. Основні елементи та параметри конструкції

• Принцип дії тензорезистору
засновано на реєстрації зміни опору
дроту, або струмопровідної плівки
внаслідок їх розтягнення під дією
зовнішньої сили F.
• Зміну опору можна обчислити за
простою формулою:
F
l
(l l ) 2
l 2 l
R
R,
lA
A
l
де: R – початковий опір дроту;
l – довжина дроту без навантаження;
ρ– питомий опір;
A – діаметр дроту;
Δl, ΔR – зміна довжини та опору дроту
під навантаженням.
А
F

6. Основні елементи та параметри конструкції

• Конструктивними параметрами тензодатчика
являються загальні габаритні розміри: довжина,
ширина, товщина; розміри його окремих
елементів — чутливого елементу, підкладки,
або монтажної рамки та елементів з’єднання.
3
5
1
2
4
Конструкція тензодатчика з дротовим чутливим елементом:
1 – елементи монтажу;
2 – нерухома (монтажна) рамка;
3 – дротовий підвіс;
4 – рухома пластина (підкладка);
5 – виводи датчика

7. Формула вимірювання деформацій

Структурна схема електронного вимірювача
деформації:
А О К
ВК
ДЖ – джерело живлення;
ВК – вхідне коло;
ПС – попередній підсилювач сигналу;
СО –схема обробки сигналу;
ПВ – пристрій відображення даних;
ІЗ – інтерфейс зв’язку;
А, О, К – клеми для підключення тензодатчиків.
ДЖ
ПС
СО
ПВ
ІЗ

8. Формула вимірювання деформацій

• У такій схемі вимірювання відносний приріст опору
тензодатчиків зв’язаний з різницею показань 0 шкали
прибору практично точною формулою:
1 R
0
Sпп R 1
де: Sпп - постійна пристрою індикації;
( R/R) – відносне змінення опору тензодатчику, увімкненого в
активне плече мосту.
•Відносна зміна опору тензодатчика при зміні сили деформації
буде дорівнювати:
R
R
S
де: S – чутливість тензодатчика до деформації;
ε – функція відносної деформації поверхні.

9. Чутливість до деформації

• Чутливістю до деформації (або просто чутливістю – S)
тензодатчика називається відношення відносного приросту
опору тензодатчика, що контактує з рівномірно розтягнутою
або стиснутою поверхнею, до відносної лінійної деформації
поверхні, що викликала цей приріст, в напрямку осі
чутливості тензодатчика: R
R
S
де: ( R/R) – відносна зміна опору тензодатчика при зміні відносної
деформації поверхні на величину .
•Чутливість до деформації залежить від властивостей чутливого елемента, який зв’язує
конструктивні параметри тензодатчика.
•Тензодатчики, крім чутливості в напрямку поздовжньої вісі, мають чутливість в
поперечному напрямку за рахунок деформації поперечних ділянок, а також за рахунок
поперечної деформації чутливого елемента, маючого кінцеву ширину.
•Звичайно величина поперечної чутливості складає 0.3–0.7% від поздовжньої величини
чутливості для провідних, плівкових та фольгових тензодатчиків і 1% для
напівпровідникових тензодатчиків.
• Для визначення поперечної чутливості тензодатчика проводяться виміри в напрямі осі
чутливості основи (рамки, мембрани), уздовж котрої прикладається сила деформації, та
перпендикулярно цієї осі.

10. Повзучість та гістерезис

• Повзучість тензодатчика зв’язана з явленням пружної
деформації (релаксації напруги), що протікає в часі під дією
зовнішньої сили.
• Якщо швидко змінити деформацію мембрани, на якій
сформовано тензодатчик, то можна помітити, що зміна опору
тензодатчика, сталого зразу після змінення деформації, не
буде відповідати динаміці зміни деформації.
• Ця невідповідність приросту опору тензодатчика у порівнянні
з кінцевою величиною опору, сталого відразу після змінення
деформації мембрани, прийнято вважати характеристикою
повзучості тензодатчика.
• Її визначають у відносних одиницях опору ( R/R)П або
R
R
R
просто П):
П
R
R
R
П
де: ( R/R) , ( R/R) приріст опору відразу після змінення деформації
мембрани на величину і по закінченню часу після установлення
заданої деформації.

11. Повзучість та гістерезис

• На практиці повзучість тензодатчиків часто характеризується
відносним значенням <П>, визначеним як:
П
П
R
R
•У зв’язку з тим, що повзучість тензодатчика зв’язана з
релаксацією (ослабленням) напруження у матеріалі підкладки,
або у зв’язуючому шарі при постійній деформації мембрани її
появлення визиває зменшення приросту опору, викликаного
заданою деформацією мембрани; тобто відносна величина
повзучості тензодатчика має негативне значення.
•Однак якщо тензодатчик сформовано на тонкій консолі, опір
тензодатчика в часі після дії навантаження може змінюватися в
тому ж напрямку, що і опір від заданої деформації, і повзучість
має позитивні значення.

12. Повзучість та гістерезис

• Гістерезис. Опір і похибка датчика сильно залежать від
матеріалів і способу кріплення тензодатчика до об’єкту
вимірювання.
• Плинність матеріалів також викликає значні зміни
характеристик тезодатчиків, однією з яких є гістерезис.
• Гістерезис – це різниця у відносних вимірах опорів
тензорезисторів, отриманих при навантаженні і розвантаженні
первинного перетворювача при однаковому рівні деформації.
ε
Петля гістерезису при
навантаженні і розвантаженні
первинного перетворювача
тензодатчика:
– величина деформації ПП;
Р – прикладене зусилля;
В– ширина петлі при P=0
2
1
В
Р

13. Повзучість та гістерезис

• Гістерезисом прийнято вважати різницю у відносних
зміненнях опору, що спостерігаються при одному і
тому ж рівні деформації при навантаженні 1 и
розвантаженні 2 тензодатчика.
– Звичайно за характеристику гістерезиса тензодатчика
обирають ширину петлі при P=0 (ділянка В).
• Гістерезис також значною мірою залежить від
технології формування і матеріалу чутливого
елементу і підкладки тензорезистора.
• Гістерезис тензодатчиків також визначається його
повзучістю.
– Отже, величина гістерезиса залежить також і від величини
та часу дії навантаження (кількості циклів навантаження,
часу дії циклів) та інших факторів, які визначають
величину повзучості.
ε
2
1
В
Р

14. Повзучість та гістерезис

• Величину гістерезиса можна визначити
експериментально або при відомому значенні
повзучості розрахувати згідно з формулою;
П м 2k k
0 1 i i
к
i 1
i k 1
де Пм – значення повзучості тензодатчиків при максимальному
навантаженні Рм за час, який дорівнює навантаженню пластини від 0
до Рм;
– константа, що характеризує поведінку зв’язуючого шару, або
підкладки при релаксації;
к – число циклів навантаження тензорезистора до максимального
значення Рм;
i – поточне число циклів навантаження.

15. Температурний приріст опору

• Температурним приростом опору тензодатчика називається
відносна змінена опору датчика при зміні температури
зовнішнього середовища.
• Температурний приріст опору тензодатчика можна записати
у вигляді:
R
t mt nt S n dt
R t t0
t
де: t– поточне значення температурного коефіцієнта опору чутливого
елементу тензодатчика;
mt– поточне значення температурного коефіцієнта розширення
конструктивного матеріалу підкладки, або пластини;
nt– поточне значення температурного коефіцієнта розширення
матеріалу чутливого елемента тензодатчика;
Sn– тензочутливість чутливого елементу;
t0– начальна температура;
t– кінцева температура.

16. Номінальний опір. Опір ізоляції.

• Опір тензодатчика – це величина його
електричного опору, яка вимірюється між
вивідними провідниками за нормальних умов
зовнішнього середовища.
• Опори тензодатчиків можуть відрізнятися, тому
що, по–перше, при термообробці тензодатчиків
відбувається усадка зв’язуючих конструктивних
компонентів та основи, що викликає деформацію
чутливого елементу, а, по–друге, якщо після
пакування в корпус проводиться термічна обробка
тензодатчиків, то в наслідок цього може змінитися
опір самого чутливого елементу.
• Величина опору тензодатчика залежить від
матеріалу і розмірів чутливого елементу, якості
з’єднання з виводами і від того, наскільки якісні
електроізоляційні властивості конструктивних
компонентів.

17. Номінальний опір. Опір ізоляції.

• Опором ізоляції Rі тензодатчика називається величина опору,
яка вимірюється між виводами тензодатчика і корпусом та
поверхнею, на яку він монтується.
• Величина Rі залежить від ізоляційних властивостей
матеріалів і якості конструкції корпусу.
• Малий опір ізоляції тензодатчиків може визвати незначну
помилку у вимірюванні деформацій.
• Мінімальне допустиме значення опору ізоляції Rідод. залежить
від начального опору ізоляції Rі0, від номінального опору
тензодатчика RД і від допустимого значення зміни опору
тензодатчика за рахунок опору ізоляції, що визначає вимоги
до класу точності вимірювальної апаратури, яка
використовується:
R Д Rі 0
Rідод
.
R
4
Rі 0 R Д
R ідод
Зазвичай опір ізоляції вимірюють високоточними мостами RCL при
живленні постійним струмом.

18. Похибки вимірювання деформації

• Похибка вимірювання деформації буде мати наступний вигляд:
DS D DП ,
2
2
2
де Ds – похибка за чутливістю, вона визначається за формулою:
DS
2
S
S
де S – чутливість тензодатчика до деформації.
Dо – похибка від температурного приросту опору.
Повзучість є систематичною похибкою, але обрахунок повзучості в процесі
вимірювання за допомогою тензодатчиків є складною задачею, тому на
практиці цю похибку прийнято вважати рівною нулю.
Величина похибки вимірювання деформації визначається різними
способами в залежності від умов застосування тензодатчиків.

19. Застосування тензодатчиків в сенсорах тиску

• Сенсори тиску – є одними з най поширених датчиків для
вимірювання фізичних величин.
– Вони використовуються в різних галузях – від медицини та
метеорології до промисловості, енергетики і систем озброєнь.
• Найбільш поширеним в промислових датчиках є спосіб
вимірювання деформацій пружного елементу під дією сили
тиску.
• Для розділу робочого та зовнішнього середовища
використовуються пружні циліндричні мембрани, на які
нанесені чутливі до мікродеформацій елементи.
• Під дією різниці тисків в середовищах перед мембраною та за
нею, відбувається її деформація, яка призводить до зміни
електричних характеристик чутливого елемента.
• Електричний сигнал чутливого елемента перетворюється
модулем електроніки в нормований аналоговий або цифровий
сигнал.

20. Застосування тензодатчиків в сенсорах тиску

• Найбільш поширеними серед промислових
перетворювачів тиску є технології, які
використовують:
– чутливі до мікродеформацій п'єзорезистивні сенсори,
– тонкоплівкові тензорезистивні сенсори на сталі і
товстоплівкові сенсори на кераміці.
• П’єзорезистивні датчики є досить популярними, але значно
кращу стабільність мають датчики з тензорезистрами.
Мембрана
Тензорезистор
Р
Порт входу
Корпус
Деформація
мембрани з
жорстким центром
під дією тиску в
диференційних
датчиках

21. Застосування тензодатчиків в сенсорах тиску

• Існують різні технології нанесення чутливих
елементів на мембрану – від дифузійного до
фіксації за допомогою різних компаундів.
• Зазвичай, 4 чутливі елементи наносяться в певних
місцях на діафрагму і з’єднуються за схемою
вимірювального мосту.
• Мікродеформація мембрани під дією тиску складає
одиниці мікрон.
• Зміна опору тензорезисторів і п’єзорезисторів теж
є досить малою, тому важливою складовою
датчика є модуль електроніки, який повинен
підсилити корисний вхідний сигнал, компенсувати
систематичну похибку та забезпечити ефективне
фільтрування шуму.

22. Застосування тензодатчиків в сенсорах тиску

• Існують і інші способи вимірювання
мікродеформацій, наприклад, індуктивний,
ємнісний, резонансний.
• Резонансний спосіб використовують,
наприклад, в перетворювачах Yokogawa,
вимірюючи зміну власної частоти коливань
пружного елемента під дією тиску.
• Ємнісний спосіб, при якому поверхня
мембрани є однією з обкладинок
конденсатора, вже значний час
використовується компанією Rosemount.

23. Застосування тензодатчиків в сенсорах тиску

• Інший підхід використовує фірма Trafag, чиї
промислові датчики тиску виготовляються за
плівковою технологією на основі тензорезисторів.
• При формуванні металевих тензорезисторів на
мембрані виникають технологічні проблеми, які
пов’язані з якістю та стабільністю адгезії.
• Крім того, необхідно нанести проміжний шар
діелектрика.
• Рівень технологій при виробництві мікроструктури
чутливого елемента, яким є мембрана з
тензорезисторами, суттєвим чином визначає такі
параметри датчика, як дрейф та довготривала
стабільність.

24. Застосування тензодатчиків в сенсорах тиску

• Чутливий елемент датчика
тиску Trafag, який виконано за
тонкоплівковою технологією на
металевій мембрані.
На мембрану (1) з
нержавіючої сталі нанесені
чотири тензорезистори
(2), які з’єднуються за
схемою вимірювального
мосту з елементами
контуру компенсації
температури (3) та
сформовано провідники та
позолочені контактні
площадки (4).

25. Застосування тензодатчиків в сенсорах тиску

• Модуль електроніки розроблений з урахуванням високих
вимог до вібро– та ударостійкості змонтовано на окремому
кристалі та об’єднано з підкладкою, на якій змонтовано
первинний перетворювач в двоярусну конструкцію.
– Можливі варіанти виконання, як одно – так і двокорпусні.
• Електричні з’єднання між частинами датчика здійснюються
через контактні площадки мембрани та штирові контакти
модуля електроніки без паяних провідників.
• Для забезпечення високої надійності та стабільності чутливі
елементи для вимірювання тиску виготовляються на основі
тонкоплівкової нікель–хромової (NiCr) технології, яка є однією
з найбільш стабільних.

26. Застосування тензодатчиків в сенсорах тиску

Коло компенсації нелінійності
АЦП
ЧЕ
Таблиця перекодування і блок
компенсації
ЦАП
ΣΔ
Р
Калібрування
t
р t e
e
Вихідний сигнал
ЦАП
Структурна схема датчика тиску Trafag:
Вихід
ЧЕ – чутливий елемент на основі мосту тензорезисторів та елементів схеми
калібрування;
ЦАП, АЦП – аналого–цифрові та цифро–аналогові перетворювачі сигналу

27. Застосування тензодатчиків в сенсорах тиску

• Калібрування датчиків на виробництві відбувається шляхом
внесення відповідних коефіцієнтів в програмне забезпечення
спеціалізованої мікросхеми (ASIC) при випробуваннях на
стенді.
• Trafag розробив і застосовує власну технологію калібрування
датчиків по трьох параметрах – тиску, температурі та
вихідному сигналу на основі таблиць перекодування (3D–
lookuptable).
• Спеціалізована інтегральна схема має АЦП з трьома
незалежними каналами, обчислювач та два ЦАП.
• Сигнал тиску формується мостом з чутливими елементами –
тензорезисторами або п’єзорезисторами – і подається на вхід
АЦП.
– Крім того, АЦП вимірює температуру чутливого елемента
(мембрани) і температуру електронного модуля.

28. Застосування тензодатчиків в сенсорах тиску

• За рахунок можливостей компенсації через тривимірні
набори характеристичних кривих забезпечується висока
точність та низький рівень шуму.
• Схема обробки сигналу за рахунок широкого набору
елементів налаштування підтримує всі поширені сенсорні
технології для вимірювання тиску – тонкоплівкову,
товстоплівкову і п’єзорезистивну.
• Це дозволяє забезпечити високий рівень уніфікації
виробництва.
• При виробництві датчиків, важливим питанням є
стабільність їх характеристик протягом терміну
експлуатації.
• Крім старіння матеріалів, мікрокорозії, на стабільність
характеристик датчиків впливають гідроудари,
температура, вібрації, удари.

29. Застосування тензодатчиків в сенсорах тиску

• Температурна стійкість протягом терміну служби. Багато
датчиків вимірюють тиск середовища, температура якого
набагато перевищує +60°С.
– При прискорених випробуваннях, термін випробування у 10 місяців
при температурі +120°C вважається близьким до 10 років при
температурі +80°C.
• Тест циклічного навантаження. В процесі експлуатації під
дією тиску діафрагма витримує змінні навантаження. Також, час
від часу мембрана витримує пікові навантаження, які є значно
вищими ніж максимальне значення діапазону вимірювань
датчика.
– Під час тесту датчики, на які подана напруга живлення, піддаються
20 мільйонам циклів навантаження тиском з амплітудою у 1,7 рази
більше, ніж максимальний тиск номінального діапазону.
• Тест термічного удару. У багатьох системах датчики тиску
зазнають різких змін температури. В результаті виникає дрейф
з боку чутливого елемента і нестаціонарні похибки з боку
електроніки.
– Під час тесту датчики під напругою зазнають дію 750 теплових
ударів: від –55°С на протязі 45хвилин, за 7 секунд температура
змінюється до +85°С на 45хвилин.

30. Застосування тензодатчиків в сенсорах тиску

• Порівняння технологій сенсорів
• На ринку присутні різні технології
чутливих елементів датчиків тиску,
відрізняється і технологія виробництва на
різних підприємствах.
• Для порівняння технологій різних
виробників, датчики без живлення
нагрівають до температури +120С на 200
годин, після чого перевірена їхня точність
при +35°С.

31. Застосування тензодатчиків в сенсорах тиску

Параметри
ECT 8437
Технологія
TCL 8439
NAT 8252
Товсто плівкова на сталі
Вихідний сигнал
4–20mA
0…5/10V
4–20mA
CNP 8270
Тонко плівкова на кераміці
4–20mA
0…2,5/5/10V
CAN Open
Тиск, Бар
0…0,1/0…40
0…0,1/0…2,0
0…2,5/0…600
0…1/0…600
Точність, % FS
(від повної
шкали)
+/– 0,3/0,5/1,0
+/– 0,3/0,5
+/–0,5
+/– 0,1/0,15/0,5
+/– 0,2
+/– 0,2
+/– 0,1
+/– 0,1/0,2
–25…+125
–10…+70
–40…+125
–50…+135
Стабільність
FS за рік
Температура,
град С
%
Вібрації
4G
(10–2000Гц)
6G
(25–2000Гц)
15G
(20–2000Гц)
40G
(20–2000Гц)
Удари
50G/8мс
50G/8мс
50G/8мс
50G/8мс
Застосування
Станки, гідро
Техпроцеси,
рівень
рідини,
транспорт
Станки,
гідро,
техпроцеси,
транспорт
Станки,
гідро,
техпроцеси,
випробування

32. Застосування тензодатчиків в сенсорах тиску

33.

34. Контрольні запитання і завдання

завдання
Що таке вимірювальний перетворювач, сенсор, датчик?
Дайте визначення. Пояснить, яка різниця в формулюваннях?
Узагальнена структура сенсора. Основні вимоги до сенсорів?
Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів.
Які особливості критеріїв класифікації розробника
електронних систем і розробника ПП?
Які характеристики прийняті в якості класифікаційних ознак
ПП?
Класифікація ПП за вимірюваним параметром.
Класифікація ПП за принципом дії, характером вихідного
сигналу.
Класифікація ПП за середовищем передачі інформації,
кількістю вхідних величин і технологією виготовлення.
Параметричні і генераторні первинні вимірювальні
перетворювачі.