Тензорезистор (strain gauge) – элемент, сопротивление которого меняется в зависимости от деформации.
Классификация тензорезисторов
По материалу чувствительного элемента (ЧЭ) тензорезисторы делятся на следующие группы:
- фольговые – ЧЭ выполнен из тонкого слоя металла (фольги);
- проволочные – ЧЭ выполнен из тонкой проволоки;
- полупроводниковые – ЧЭ выполнен из пластины монокристалла полупроводника.
Чувствительный элемент фольговых и проволочных тензорезисторов называют чувствительной решеткой. В зависимости от количества чувствительных решеток и их положения различают следующие тензорезисторы:
- одноэлементный (одиночный) – тензорезистор, состоящий из одной решетки для измерения деформации направленной в одном направлении (растяжение/сжатие);
- многоэлементный (розетка, тензорозетка) – тензорезистор, состоящий из нескольких решеток для измерения деформации в двух или трех направлениях;
- полумост – тензорезистор, состоящий из двух решеток, соединенных друг с другом, так что образуют половину измерительного моста;
- полный мост – тензорезистор, состоящий из четырех решеток, соединенных друг с другом, так что образуют измерительный мост;
- мембранный – тензорезистор, состоящий из нескольких решеток для измерения радиальных и тангенциальных деформаций;
- цепочки тензорезисторов – тензорезистор, состоящий из нескольких решеток для измерения распределения деформаций по длине тензорезистора.
Условно графическое обозначение (УГО)
Внешний вид тензорезисторов определяется согласно ГОСТ 2.728-74 "ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы". Размеры прямоугольника такие же как и у постоянного резистора.
Конструкция и принцип действия
Принцип действия тензорезисторов основан на изменении сопротивления проводника при изменении его длины и площади поперечного сечения.
Чувствительным элементом проволочных и фольговых тензорезисторов является чувствительная решетка.
Проволочные
Проволочные резисторы состоят из подложки (бумага, пленки из: полиуретана, полиимида, фенола и т.д.) на которую петлей уложена тонкая проволока, образующая чувствительную решетку. К концам проволоки как правило припаяны выводные проводники. Сверху проволока покрыта эластичным клеем.
Для измерения деформации подложка обратной стороной приклеивается к детали.
Фольговые тензорезисторы
Фольговые тензорезисторы состоят из подложки (бумага, пленки из: полиуретана, полиимида, фенола и т.д.), чувствительной решетки в виде тонкой фольги (толщина около 0,0035 мм) и припаянных выводов.
Чувствительную решетку изготавливают методом фотолитографии. Перед травлением фольгу покрывают тонким защитным слоем, так как в процессе травления фольга может легко повредиться.
По сравнению с проволочными тензорезисторами фольговые обладают рядом преимуществ:
- увеличенное сцепление решетки с подложкой благодаря поперечному сечению решетки;
- автоматизированный процесс производства благодаря методу фотолитографии.
Полупроводниковые
Полупроводниковые тензирезисоры получают вырезанием из монокристала полупроводника. Толщина полупроводника составляет 20-50 мкм. Полупроводниковые тензорезистор обладают следующими преимуществами по сравнению с проволочными и фольговыми:
- высокая чувствительность;
- большой выходной сигнал.
Однако имеют ряд недостатков:
- зависимость выходного сигнала от температуры;
- меньший диапазон деформирования.
Основные параметры тензорезисторов
Номинальное сопротивление – сопротивление тензорезистора в ненагруженном состоянии.
Коэффициент тензочувствительности тензорезистора – отношение относительного приращения сопротивления тензорезистора к относительной деформации тензорезистора.
Типоразмеры тензорезисторов
Стандартов на типоразмеры тензорезисторов не существует. На рисунке представлены наиболее распространенные типоразмеры тензорезисторов для измерения деформаций в различных направлениях.
Линейные тензорезисторы состоят из одной измерительной решетки, предназначены для измерения деформации действующей только в одном направлении.
Двойные тензорезисторы состоят из двух измерительных решеток, расположенных параллельно. Предназначены для измерения деформации действующей только в одном направлении.
Розетка тензорезисторов 0/90° и Т розетка состоят из двух измерительных решеток, расположенных под углом 90°. Предназначены для измерения деформаций, действующих в двух направлениях.
Тензорезисторы в розетка 0/45/90° предназначены для измерения изгибов по двум осям.
Мембранные розетки тензирезисторов предназначены для измерения радиальных и тангенциальных деформаций, применяются в датчиках давления.
Цепочки тензорезисторов состоят из нескольких решеток расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга на общей подложке. Предназначены для определения градиента деформации.
Применение тензорезисторов
Изменение сопротивления тензорезистора при деформации определяется следующим выражением:
, где 
- относительная деформация.Относительная деформация определяется как:
, где Формула для расчета изменения сопротивления тензорезистора прием вид:
Для металлов коэффициент тензочувствительности равен 0,8…5,5.
Изменение сопротивления тензорезистора при деформации очень мало. Например, изменение сопротивления тензорезистора при измерении деформации стального стержня поперечным диаметром 10 мм, длиной 100 мм при нагрузке 10 кН с номинальным сопротивлением 150 Ом будет равно 0,048 Ом.
Измерить такие маленькие значения сопротивления непосредственным измерением проблематично. Поэтому в схемах измерения деформация применяют специальный усилитель – мост Уитстона.
Мост Уитстона представляет состоит из четырех резисторов R1…4. В данном случае R1 представляет собой тензорезистор. Напряжение питания подводится к вершинам моста. На противоположных вершинах измеряют напряжение (резистор Rн).
Мост уравновешен, когда напряжение на выходе Uвых=0. Это достигается при выполнении условия:
Путем подбора номинала резисторов можно добиться равновесия моста.
Если номинальное сопротивление резисторов одинаковы R1=R2=R3=R4, то изменение выходного напряжения будет пропорционально изменению деформации тензорезистора будет определяться формулой:
Если в плечи моста включить два тензорезистора то такой мост будет называться полумостом:
Формула для схемы включения в противоположные плечи (левая схема):
Формула для схемы включения в соседние плечи (правая схема):
Если в плечи моста включить тензорезисторы то такой мост будет называться полным мостом:
Формула для схемы включения тензорезисторов в полный мост:
Пример базовой схемы подключения тензорезисторов к АЦП AD7788 показан на рисунке:
Тензорезисторы широко применяются в весоизмерительной технике: бытовые весы, автомобильные, железнодорожные.
Тензорезисторы используются в датчиках контроля деформации зданий и сооружений.
В датчиках измерения давления также применяют тензорезисторы.
Чувствительным элементов датчика давления является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами. Пластина прочно соединена с чувствительной мембраной. Давление среды воздействует на мембранный разделитель. При деформации мембранного разделителя разделительная жидкость (кремнийорганическая) воздействует на чувствительный элемент.
