| Тип тензорезистора | Коэффициент тензочувствительности | Номинальное сопротивление, Ом | Температурный диапазон, °C | Область применения |
|---|---|---|---|---|
| Фольговые металлические | 2,0-2,2 | 120, 350, 1000 | -70...+180 | Универсальное применение, композиты, металлы |
| Проволочные | 2,0-2,1 | 50-1000 | -50...+150 | Классические измерения на металлах |
| Полупроводниковые | 50-200 | 100-5000 | -40...+120 | Высокоточные измерения малых деформаций |
| Для композитов | 2,0-2,1 | 350, 1000 | -195...+180 | Специализированные для полимерных композитов |
| Тип клея | Время отверждения | Рабочий диапазон, °C | Условия полимеризации | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Цианоакрилатные (CN, Z70) | 20-60 секунд | -30...+80 | Комнатная температура, давление пальца | Быстрый монтаж, краткосрочные испытания |
| Эпоксидные холодного отверждения (В-702, В-711) | 24-48 часов | -196...+120 | Комнатная температура, давление 0,1-0,3 МПа | Длительные испытания, высокая точность |
| Эпоксидные горячего отверждения (Н-600, Н-610) | 2 часа при 135°C + 2 часа при 165°C | -269...+210 | Термообработка, давление 0,1-0,3 МПа | Экстремальные температуры, аэрокосмос |
| Фенольные (УВС-10Т, БФР-2К) | 5 часов при 180°C + 5 часов при 215°C | -70...+200 | Многостадийная полимеризация, давление 0,1-0,3 МПа | Металлы, высокотемпературные применения |
| Параметр | Углепластик (CFRP) | Стеклопластик (GFRP) | Базальтопластик |
|---|---|---|---|
| Рекомендуемая база датчика, мм | 3-6 | 6-10 | 6-10 |
| Подготовка поверхности | Шлифовка абразивом 320-400, обезжиривание ацетоном | Шлифовка абразивом 240-320, обезжиривание спиртом | Шлифовка абразивом 240-320, обезжиривание ацетоном |
| Предпочтительный клей | Эпоксидные (В-711, Н-610) | Цианоакрилатные или эпоксидные | Эпоксидные (В-702, В-711) |
| Особенности монтажа | Учет электропроводности, изоляция обязательна | Стандартный монтаж, контроль влажности | Контроль шероховатости, защита от влаги |
| Температурная компенсация | Полумостовая или полномостовая схема | Четвертьмостовая с термокомпенсацией | Полумостовая схема |
Принцип работы тензорезисторов
Тензорезисторы представляют собой резистивные датчики деформации, изменяющие электрическое сопротивление пропорционально механической деформации. Принцип действия основан на тензорезистивном эффекте: при растяжении проводника увеличивается его длина и уменьшается поперечное сечение, что приводит к росту сопротивления. При сжатии происходит обратный процесс.
Современные тензорезисторы состоят из чувствительного элемента в виде зигзагообразного проводника, нанесенного на гибкую подложку. Подложка изготавливается из полиимидной пленки, эпоксидного стеклотекстолита или фенольной смолы с армированием стекловолокном. Чувствительный элемент выполняется из константановой или нихромовой фольги толщиной 4-12 микрометров методом фотолитографии.
Относительное изменение сопротивления тензорезистора определяется коэффициентом тензочувствительности, который характеризует эффективность преобразования деформации в электрический сигнал. Для металлических фольговых датчиков из константана этот коэффициент составляет 2,0, для нихрома 2,2. Это означает изменение сопротивления на 0,2 процента при деформации 0,1 процента. Полупроводниковые тензорезисторы обладают значительно большей чувствительностью с коэффициентом от 50 до 200, но требуют особых условий эксплуатации.
Типы тензодатчиков для композитов
Фольговые металлические тензорезисторы
Фольговые тензорезисторы являются наиболее распространенным типом датчиков для измерения деформаций композитных материалов. Изготавливаются методом фотолитографии из константановой фольги толщиной 4-12 микрометров, нанесенной на полиимидную или эпоксидную подложку толщиной 25-50 микрометров. Змеевидная структура чувствительного элемента обеспечивает максимальное изменение сопротивления в направлении измеряемой деформации.
Габаритные размеры подложки варьируются от 0,3 до 100 мм, при этом рабочая база составляет от 0,2 до 150 мм. Для композитных материалов рекомендуется использовать датчики с базой не менее 3 мм, оптимальная база составляет 6 мм. Номинальное сопротивление составляет 120, 350 или 1000 Ом, причем для композитов предпочтительны датчики с сопротивлением не менее 350 Ом для снижения саморазогрева.
Специализированные датчики для полимерных композитов
Производители разрабатывают специальные серии тензорезисторов, оптимизированных для работы с полимерными композитами, стеклопластиками и углепластиками. Компании Vishay, HBM, Tokyo Measuring Instruments Laboratory и Kyowa Electronic Instruments предлагают датчики с подложками из армированного стекловолокном эпоксида, обеспечивающими совместимость коэффициентов температурного расширения с композитными материалами.
Такие датчики характеризуются улучшенными характеристиками при циклических нагрузках и повышенной стойкостью к расслоению на границе раздела. Для углепластиков важна электрическая изоляция датчика, поскольку углеродные волокна обладают электропроводностью. Применяются подложки с увеличенной толщиной изоляционного слоя до 50-80 микрометров.
Полупроводниковые кремниевые тензорезисторы
Полупроводниковые тензорезисторы на основе кремния обладают коэффициентом тензочувствительности до 100 раз выше металлических, что позволяет регистрировать сверхмалые деформации. Однако они характеризуются большей температурной зависимостью параметров и меньшим диапазоном измеряемых деформаций до 0,3 процента. Применяются в специализированных задачах высокоточной тензометрии композитных конструкций.
↑ НаверхКлеи для монтажа тензорезисторов
Цианоакрилатные клеи
Цианоакрилатные клеи являются однокомпонентными быстроотверждающимися составами, обеспечивающими наклейку тензорезистора за 20-60 секунд при комнатной температуре. Широко применяются марки CN от Tokyo Measuring Instruments Laboratory и Z70. Отверждение происходит под действием влаги воздуха при давлении прижатия пальцем или легким грузом.
Рабочий температурный диапазон цианоакрилатных клеев составляет от минус 30 до плюс 80 градусов Цельсия, что подходит для большинства лабораторных испытаний композитов при нормальных условиях. Преимуществом является простота применения и минимальное время монтажа. Недостатком служит ограниченная долговечность при длительных статических нагрузках и повышенной влажности.
Эпоксидные клеи холодного отверждения
Эпоксидные клеи холодного отверждения представляют собой двухкомпонентные системы, полимеризующиеся при комнатной температуре в течение 24-48 часов. Клеи В-702 и В-711 обеспечивают работу в диапазоне от минус 196 до плюс 120 градусов Цельсия, что делает их оптимальным выбором для длительных высокоточных испытаний композитных материалов.
Технология наклейки включает нанесение тонкого слоя клея на подготовленную поверхность композита и тыльную сторону датчика, выдержку 2-3 минуты, позиционирование датчика и прижатие грузом массой 0,5-1 кг на 24 часа. Эпоксидные клеи обеспечивают высокую прочность соединения, минимальную ползучесть и стабильность характеристик во времени.
Эпоксидные клеи горячего отверждения
Для экстремальных условий эксплуатации применяются эпоксидные клеи горячего отверждения типа Н-600 и Н-610, работающие в диапазоне от минус 269 до плюс 210 градусов Цельсия. Полимеризация выполняется в два этапа: термообработка под давлением 0,1-0,3 МПа при температуре 135 градусов в течение 2 часов, затем открытая полимеризация при 165 градусах еще 2 часа.
Такие клеи применяются в аэрокосмической отрасли для испытаний композитных конструкций при криогенных и высоких температурах. Обеспечивают максимальную долговечность до миллионов циклов нагружения и минимальный температурный дрейф нуля датчика.
Методика наклейки на композитные образцы
Подготовка поверхности композита
Качественная подготовка поверхности является критическим фактором успешного монтажа тензорезисторов на композитные материалы. Первый этап включает механическую обработку поверхности абразивом зернистостью 240-400 для удаления поверхностного слоя связующего и создания шероховатости. Для углепластиков используется зернистость 320-400, для стеклопластиков 240-320.
После механической обработки поверхность тщательно очищается от пыли сжатым воздухом или мягкой кистью. Затем выполняется обезжиривание растворителем: для углепластиков применяется ацетон, для стеклопластиков изопропиловый спирт или этиловый спирт. Обезжиривание проводится многократным протиранием технической салфеткой, смоченной растворителем, до полного отсутствия загрязнений на чистой салфетке.
Процесс наклейки тензодатчика
После подготовки поверхности наносятся разметочные риски для точного позиционирования датчика. Тензорезистор извлекается из упаковки непосредственно перед наклейкой. На подготовленную поверхность композита и тыльную сторону датчика наносится тонкий равномерный слой клея толщиной 0,01-0,03 мм. Для цианоакрилатных клеев достаточно одной капли, распределяемой носиком емкости.
Датчик позиционируется согласно разметке и прижимается через полиэтиленовую или фторопластовую пленку для равномерного распределения клея и удаления воздушных пузырей. Прижатие выполняется большим пальцем с усилием или резиновым валиком, перемещаясь от центра к краям. Для цианоакрилатных клеев время прижатия составляет 20-60 секунд, для эпоксидных холодного отверждения требуется груз массой 0,5-1 кг на 24 часа.
Контроль качества наклейки
После полимеризации клея контролируется качество наклейки тензорезистора. Измеряется сопротивление датчика омметром с точностью 0,01 Ом, отклонение от номинального значения не должно превышать 0,5 процента. Проверяется сопротивление изоляции мегаомметром при напряжении 100 Вольт, которое должно составлять не менее 500 МОм для качественного соединения.
Визуально контролируется отсутствие воздушных включений, расслоений и неравномерности клеевого слоя. Тензорезистор должен плотно прилегать к поверхности композита по всей площади подложки. После контроля качества выполняется монтаж выводных проводников пайкой к контактным площадкам датчика и гидрозащита узла эпоксидным компаундом или полиуретановым лаком.
Компенсация температурной погрешности
Источники температурных погрешностей
Температурная погрешность тензорезистивных измерений складывается из нескольких компонентов. Первый источник связан с температурным коэффициентом сопротивления материала чувствительного элемента, типичное значение которого для константана составляет около 30 на 10 в минус шестой степени на градус Цельсия. Второй источник обусловлен паразитным тензорезистивным эффектом из-за несогласованности температурных коэффициентов расширения датчика, клея и материала основы.
Для композитных материалов проблема температурных погрешностей особенно актуальна вследствие анизотропии свойств. Коэффициент температурного расширения углепластика вдоль волокон близок к нулю или отрицателен, а поперек волокон составляет 30-60 микрометров на метр на градус. Это приводит к значительным температурным напряжениям в клеевом слое при изменении температуры испытаний.
Мостовые схемы компенсации
Основным методом компенсации температурных эффектов является применение мостовых схем Уитстона с несколькими активными тензорезисторами. В четвертьмостовой схеме один тензорезистор работает как активный датчик, а три постоянных резистора формируют мост. Для компенсации температурного дрейфа используется трехпроводное подключение, устраняющее влияние сопротивления соединительных проводов.
Полумостовая схема включает два активных тензорезистора, установленных в смежных плечах моста. Датчики наклеиваются на противоположные стороны образца или ориентируются перпендикулярно. При одноосном растяжении один резистор испытывает продольную деформацию с увеличением сопротивления, второй поперечную с уменьшением. Температурные изменения сопротивлений имеют одинаковый знак и компенсируются в мостовой схеме.
Полномостовая схема
Полномостовая схема использует четыре активных тензорезистора, размещенных в зонах сжатия и растяжения испытуемого образца. Обеспечивается максимальная чувствительность измерительной системы и полная температурная компенсация при условии равенства температур всех датчиков. Чувствительность повышается в четыре раза по сравнению с четвертьмостовой схемой.
Для шестипроводного подключения полномостового датчика дополнительные провода обратной связи подключаются непосредственно к точкам питания моста на стороне датчика. Это обеспечивает независимость измерения разбаланса моста от сопротивления питающих проводов и полную компенсацию их термозависимости. Применяется при удаленном расположении датчиков на расстоянии более 1 метра от измерительной аппаратуры.
Схемная температурная компенсация
При невозможности размещения нескольких датчиков применяется схемная температурная компенсация включением постоянного резистора параллельно одному из плеч тензомоста. Сопротивление шунта подбирается из условия равенства начального выходного сигнала датчика при двух температурах, соответствующих границам рабочего диапазона. Метод обеспечивает компенсацию линейной составляющей температурной погрешности.
