Перейти к содержанию

Тензорезистор

Деформация детали в доли процента меняет сопротивление наклеенного на неё тензорезистора всего на доли ома. Чтобы такое изменение измерить, тензорезистор включают в мост и выбирают схему, которая заодно вычитает влияние температуры и проводов.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Тензорезистор (strain gauge) — резистор из тонкой проволоки или металлической фольги на изолирующей подложке, который наклеивают на деталь, чтобы измерить её деформацию. При растяжении проводник становится длиннее и тоньше, и его сопротивление растёт, при сжатии — падает (TI SBAA532A, разд. 2.2; Kuphaldt, т. I, гл. 9). Пока деформация остаётся в пределах упругости, изменение сопротивления составляет доли процента, поэтому тензорезистор включают в мост Уитстона и измеряют разбаланс. Готовый узел из упругого элемента с наклеенными тензорезисторами — тензодатчик.

Коэффициент тензочувствительности

Связь сопротивления с деформацией задаёт коэффициент тензочувствительности (gauge factor):

GF=ΔR/RεGF = \frac{\Delta R / R}{\varepsilon}

где ε — относительная деформация. Он зависит от материала и типа датчика (TI SBOA584) и указывается в паспорте тензорезистора. Типичные сопротивления тензорезисторов — от 30 Ом до 3 кОм (Kuphaldt), мостов — 120, 350 и 1000 Ом (SBAA532A, разд. 4.2).

Наш пример с условным GF = 2: деформация 1000 мкм/м (0,1 %) меняет сопротивление датчика 350 Ом на 0,2 %, то есть на 0,7 Ом. В четверть-мосте при питании 5 В по формуле TI Vвых = Vпит/2 · ΔR/(2R + ΔR) это 2,5 мВ, в полном мосте — 10 мВ. Мост 350 Ом от 5 В потребляет 14,3 мА.

Схемы моста

СхемаАктивных плечЧувствительностьОсобенности
Четверть-мост11×собственная нелинейность, чувствителен к температуре и проводам
Полумост22×пара на растяжение и сжатие, температура вычитается
Полный мост44×без собственной нелинейности

Чувствительность и линейность — по TI SBAA532A, разд. 2.1, температурная компенсация — по Kuphaldt. Сигнал моста составляет милливольты на вольт питания, поэтому его усиливают измерительным усилителем или подают на АЦП с встроенным усилителем, а опорное напряжение АЦП берут от того же питания моста — это логометрическое измерение, в котором нестабильность питания сокращается.

Провода, температура и ток

  • Провода. В четверть-мосте сопротивление проводов к датчику входит в плечо и выглядит как деформация. Третий провод, подключённый прямо к датчику, вдвое уменьшает ошибку (Kuphaldt).
  • Температура. Сопротивление тензорезистора зависит от температуры. Компенсационный тензорезистор на той же детали, но без нагрузки, включают в соседнее плечо, и влияние нагрева вычитается.
  • Ток. Больший ток даёт больший сигнал, но греет датчик и мост; у тензорезистора есть максимальный допустимый ток, превышать который нельзя (TI TIDUB00).

Готовая микросхема для весового моста — HX711.

Частые вопросы

Что такое коэффициент тензочувствительности?

Отношение относительного изменения сопротивления тензорезистора к относительной деформации: GF = (ΔR/R)/ε. TI определяет его именно так и подчёркивает, что он зависит от материала и типа датчика, поэтому значение берут из паспорта конкретного тензорезистора. Деформацию обычно выражают в микрострейнах: 1000 мкм/м — это удлинение на 0,1 %.

Чем четверть-мост отличается от полного моста?

Числом активных тензорезисторов. В четверть-мосте работает один датчик, три других резистора постоянные — сигнал меньше всего, и есть собственная нелинейность. В полном мосте все четыре плеча — тензорезисторы, по два на растяжение и на сжатие. По TI SBAA532A он вчетверо чувствительнее четверть-моста и не имеет собственной нелинейности, а температура действует на все плечи одинаково и вычитается.

Зачем нужен компенсационный тензорезистор?

Сопротивление тензорезистора меняется и от температуры, поэтому четверть-мост работает ещё и как термометр. Kuphaldt описывает решение: в соседнее плечо ставят такой же тензорезистор, наклеенный на ту же деталь, но не нагруженный деформацией. При нагреве оба меняются одинаково, и мост остаётся в равновесии; заодно уравниваются сопротивления проводов к датчикам.

Источники

  1. Texas Instruments. Lizon B., Wu J. A Basic Guide to Bridge Measurements (SBAA532A, February 2022, revised March 2024) — разд. 2.1.1, ур. 3–4: четверть-мост с одним активным элементом, VOUT = VEXCITATION/2 · ΔR/(2R + ΔR), пропорционален ΔR при ΔR ≪ R, есть собственная нелинейность (рис. 2-3); разд. 2.1: два и четыре активных элемента повышают чувствительность и снижают нелинейность, полный мост вдвое чувствительнее моста с двумя активными элементами и вчетверо — с одним, без собственной нелинейности; разд. 2.2: тензорезистор — проволока или металлическая фольга, сопротивление растёт при растяжении и падает при сжатии; разд. 4.2: типичные сопротивления мостов 120, 350 и 1000 Ом, мост 350 Ом от 5 В потребляет 14,3 мА
  2. Texas Instruments. Optimizing Strain Gauge Accuracy With INA851 vs. Discrete Design (SBOA584, November 2023) — коэффициент тензочувствительности (gauge factor) — отношение относительного изменения сопротивления к механической деформации, зависит от материала и типа датчика; сигнал моста мал и требует АЦП высокого разрешения и измерительного усилителя
  3. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Volume I — DC, ch. 9 «Electrical Instrumentation Signals», section «Strain gauges» (CC BY) — наклеиваемые проволочные и плёночные датчики на подложке; типичное сопротивление 30 Ом – 3 кОм, изменение — доли процента в пределах упругости; четверть-мост; сопротивление проводов входит в плечо, третий провод уменьшает ошибку вдвое; компенсационный тензорезистор, не нагруженный деформацией, вычитает влияние температуры; полумост из пары, работающей на растяжение и сжатие; полный мост линеен; чувствительность в мВ/В; готовый узел — load cell
  4. Texas Instruments. Single-Supply Strain Gauge in a Bridge Configuration Reference Design (TIDUB00, November 2015) — тензорезистор 120 Ом с изменением 115–125 Ом; резисторы моста равны номиналу датчика, чтобы без деформации разность была 0 В; ток моста ограничен самонагревом и допустимым током датчика

Нашли ошибку?

Смотрите также