Принцип работы тензорезисторов как перспективных радиоэлементов для разработки сложной контрольно-измерительной техники заслуживает внимания. На основе имеющихся примеров сделана попытка теоретического обоснования будущих перспектив для тензорезисторов, работающих в связке в АЦП и другими преобразователями. Практические возможности для разработчиков отечественной электроники велики, что может привести к более широкому использованию тензорезисторов и росту производства отечественных электронных устройств в метрологической отрасли, что очень важно в условиях импортозамещения.

Среди вариантов электронных датчиков различных конструкций, функциональных особенностей и предназначения выделяются приборы, о которых даже сегодня знают не многие.

Речь идет о тензорезисторах. Необходимость использования относительно простых электронных приборов, по своим функциональным особенностям заменяющих целые электронные блоки, привела к появлению нового класса резисторов. Тензорезистор (от лат. tensus – напряженный и лат. resisto – сопротивляюсь) – по сути, это резистор с изменяемым – в зависимости от механической деформации его рабочей поверхности или при деформации других элементов, связанных с данным элементом, – сопротивлением. Таково его «официальное» определение. И если обычный резистор имеет постоянное сопротивление, значение (номинал) которого может иметь незначительные отклонения в условиях различных внешних воздействий, к примеру температуры, то в таком классе элементов, как тензорезисторы, в связи с их конструктивными особенностями изменение сопротивления происходит за счет механического воздействия, деформации восстанавливаемых тонких пленок и (или) проводящих электрический ток дорожек, из которых состоит прибор.

При этом точность метрологических измерений, при необходимости обеспечения высокой точности, получают благодаря применению аналого-цифровых преобразователей напряжения (АЦП) и микросборок преобразователей фаз угла датчиков линейных и угловых перемещений, которые достаточно широко представлены среди современных радиоэлектронных изделий на рынке [4]. Перспективность применения тензорезисторов, которые с разработкой новейших высокоинтегрированных микросхем АЦП получили новые возможности, значительно возросла.

Самый простой бытовой пример использования тензорезистора можно найти в напольных весах из числа новейших разработок. Если вести речь о весах с цифровым индикатором, то благодаря применению АЦП схемотехника такого устройства не отличается большой сложностью. Принцип работы устройства вкратце таков: без внешних воздействий устройство находится в состоянии ожидания и экономии энергии (автономные элементы питания, дисплей не активен), при механическом воздействии на измерительную площадку (к примеру, после однократного воздействия на нее одной ногой или перемещения весов с установкой в новом месте на горизонтальном основании) формируется импульс запуска, подается питание на измерительный блок АЦП, и, таким образом, сравниваются значения начального сопротивления основного измерительного датчика – тензорезистора и его конечного значения – после того как человек встанет на весы (после того как его вес замерен). Это самая простая примерная иллюстрация работы тензорезистора в бытовых условиях и слаботочных бытовых электронных устройствах.

По небольшой цене таких устройств также, хоть и косвенно, можно рассуждать о себестоимости и «простоте» самого тензорезистора. Все эти факторы: относительная простота в изготовлении, невысокая стоимость и большие перспективы – свидетельствуют тем не менее о больших перспективных возможностях этого класса электронных приборов, тем самым открывая для разработчиков электронной техники и новые возможности.

Разумеется, пример бытового использования тензорезисторов не ограничивается напольными весами и другими бытовыми устройствами, спектр применения тензорезисторов и шире, и перспективнее.

Надо отметить, что еще несколько лет назад старые типы напольных весов вообще делали без тензорезисторов, но с применением последних возросли и точность измерения, и надежность всего устройства, поскольку тензорезистор не имеет механических частей, и таким образом были преодолены недостатки устройств с механическими взаимодействующими элементами датчиков. Предшественниками тензорезисторов в компактных электронных устройствах долгое время являлись переменные резисторы с линейной характеристикой изменения сопротивления, сопряженные с механическим приводом воздействия на площадку для измерений. Дребезг контактов, радио– и электрические помехи, возможное искрообразование и даже дуговой разряд в силовых цепях, относительно инертное время возврата элементов механического датчика в начальную точку, а отсюда и относительно низкая надежность – всего этого удается теперь избежать.

Сегодня одной из пока не решенных технических сложностей остается изготовление тензорезисторов с большими номиналами сопротивлений, поскольку в соответствии с конструктивными особенностями прибора при увеличении сопротивления проводящих дорожек (пленок) неизбежно теряется точность линейного изменения сопротивления такого элемента при внешнем воздействии. И тем не менее даже этот вопрос разработчиками уже решается.

Указанные преимущества позволили оптимизировать способы применения тензорезисторов как надежных и помехозащищенных радиоэлементов в различной силовой аппаратуре. Выше я отметил, что при относительно высоких номиналах сопротивления тензорезистора могут быть потери в точности измерения. Компенсация указанных погрешностей осуществляется с по мощью АЦП и микроконтроллеров, повышает точность измерения в сотни раз, благодаря чему удается задействовать стандартные компоненты в цепях обвязки и приблизить датчики на основе тензорезисторов к оптическим, причем без потери других преимуществ.

В этой связи необходимо разъяснить, что современные оптические датчики в сфере измерений в условиях помехозащищенности превосходят по техническим и, в частности, электрическим характеристикам индуктивные датчики; поэтому в данной книге приведено сравнение тензорезисторов с оптическими датчиками как наиболее точными в отношении измерений (а не со всеми видами датчиков вообще).

В качестве примера уместно рассматривать различные типы преобразователей, в том числе специализированные микросборки-преобразователи RDS-M, Ф020, Ф020.1 и многие другие [2].

Методы обработки сигналов датчиков линейных и угловых перемещений, фаз квадратурного сигнала в код положений (и др.) многократно описаны в литературе, и здесь специально на них останавливаться не будем. Тем не менее отмечаю, что получение цифрового кодового сигнала непосредственно с АЦП (микросхема RDS-M), сопряженного с датчиком-тензорезистором, позволяет не только юстировать подключенный датчик, но и использовать альтернативные алгоритмы вычисления скорости перемещений конструкции (деформации восстанавливаемого датчика – тензорезистора) и даже угла перемещения.

Не менее интересно, как специалисты радиоэлектронной и метрологической отраслей применяют тензорезисторы в экспериментальных исследованиях напряженного состояния конструкций, в качестве преобразователей деформаций в различных измерительных устройствах, преобразователях механической энергии (деформации) в электрический ток, поскольку в электрической цепи такие пассивные компоненты уже выполняют роль датчиков состояний.

В промышленности тензорезистор является составной частью тензодатчиков, широко применяющихся для измерения силы, давления, веса, механических напряжений, перемещения, крутящих моментов, измерения давления в манометрах и во многих других случаях, по сути, один такой современный элемент заменяет электронное устройство со множеством дискретных элементов.

Сегодня метрологические измерения часто проводят с помощью ПК и иных адаптированных к ПУ модулей. Этот метод хорош своей универсальностью и широкими возможностями анализа данных. Электронная промышленность своевременно отвечает на вызовы времени тем, что уже сегодня разработчики могут использовать готовые электронные модули для сопряжения с тензорезисторами.

Справедливой известностью среди разработчиков РЭА пользуются специализированные разработки АЦП для тензоизмерений на 4/8 каналов с полосой сигнала до 1 кГц – специализированный модуль АЦП для тензоизмерений. К примеру, специализированный модуль АЦП для тензоизмерений LTR212 предназначен для прямого полноценного подключения и точного измерения напряжения разбалансировки мостовых, полумостовых, четвертьмостовых резистивных датчиков, то есть тензодатчиков, датчиков давления и др. Он применяется в составе портативных или многоместных крейтов LTR и позволяет создавать тензостанции с конфигурируемым числом измерительных каналов для подключения до 8 тензодатчиков сопротивлением от 100 Ом до 1 кОм (для датчиков с импедансом 50 Ом). При этом возможно подключение до 8 тензодатчиков 50 Ом при напряжении питания +2,5 В либо подключение до 4 тензодатчиков 50 Ом при напряжении питания +5 В, но только совместно с LTR212, LTR212M-2 или LTR212M-3.

Особенности этого модуля: до 8 каналов сигма-дельта АЦП измерения разбаланса моста, 24 бита, с программно переключаемыми милливольтовыми поддиапазонами измерений, входными аналоговыми ФНЧ и дополнительной цифровой фильтрацией на ADSP-2185M. Имеется ИОН – источник опорного напряжения (для питания тензодатчиков) с программно-переключаемым выходным напряжением +2,5 В или +5 В (постоянное или знакопеременное) и суммарным рабочим током нагрузки до 400 мА. А также встроенный компенсационный ЦАП по каждому каналу АЦП для проведения программно управляемой аппаратной компенсации начальной разбалансировки тензодатчиков без уменьшения динамического диапазона АЦП.

На рис. 2.22 представлены разъемы и распиновка внешних сигналов модулей LTR для сопряжения с тензорезисторами.

Внутренние цепи дополнения до полного моста при подключении к внешним полумостовым или, вариативно для LTR212M-1, к стандартным четвертьмостовым датчикам с импедансом 200 или 350 Ом. В модуле LTR212M-1 при нестандартном сопротивлении внешнего четвертьмостового датчика пользователю предоставляется возможность монтажа собственных дополняющих резисторов на сменный субмодуль, что, несомненно, расширяет перспективы такого технического решения.

В табл. 2.1 представлены сравнительные характеристики различных модификаций модуля LTR212.

Данные по источнику опорного напряжения представлены в табл. 2.2.

История возникновения тензорезистора не нова.

Полезный функционал тензорезисторов был востребован после открытия эффекта изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) в 1856 году лордом Кельвином и в 1881 году О. Д. Хвольсоном. Пионерами в практических измерениях деформаций являются Е. Е. Симмонс (Калифорнийский технологический институт) и Л. С. Руже (Массачусетский технологический институт), которые в 1938 году изготовили и применили первые образцы приклеиваемого тензорезистора, являющегося прототипом широко распространенных во всем мире тензорезисторов различного назначения.

Внешний вид тензорезистора (см. рис. 2.23) поможет нам определиться и в его особенностях.

Было установлено и доказано, что при механическом воздействии на прибор относительные изменения сопротивления весьма малы, поэтому для их измерений и фиксации требуются чувствительные прецизионные усилители или аналого-цифровые преобразователи напряжения (АЦП). Именно с помощью дополнительных преобразователей, имеющих в себе также и усилители сигнала, механическая деформация преобразуется в электрический ток посредством изменения электрического сопротивления проводников или полупроводников.

Чувствительность тензорезистора характеризуется безразмерным параметром – коэффициентом чувствительности K_f. Тензорезисторы по своей конструкции и способу изготовления могут быть пленочные металлические или фольговые константановые. Для первых параметр K_f слабо зависит от деформации и немного превышает 2. Типичные значения коэффициента тензочувствительности для разных материалов приведены в табл. 2.23.

Еще одной особенностью этого прибора является изменение сопротивления от воздействующей температуры. Температурный коэффициент проявляется следующим образом. При изменении температуры окружающего воздуха сопротивление тензорезистора изменяется даже вне связи с механическим воздействием на его рабочую поверхность. Это «интересное» свойство является «побочным» эффектом влияния, который необходимо учитывать разработчику РЭА (радиоэлектронной аппаратуры). Через коэффициент тензочувствительности относительное изменение сопротивления выражается формулой

где a – температурный коэффициент сопротивления, К^-1; θ – изменение температуры, К.

Простое, типичное или классическое включение тензорезисторов в электрическую цепь (схему) предусматривает место в одном или сразу в двух плечах сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного напряжения. С помощью переменного резистора в одном из плеч моста производят балансировку моста так, чтобы в отсутствие приложенной механической силы и при воздействии неизменяемой температуры напряжение в диагонали моста стремилось к нулю. При этом к другой диагонали моста подключают чувствительный измерительный прибор, дифференциальный усилитель или устройство АЦП.

Несколько десятков лет назад устройство с функционалом АЦП могло содержать десятки дискретных радиоэлементов, затем появились большие интегральные схемы (БИС), а на современном этапе развития научно-технического прогресса выпускаются специализированные микросхемы для работы с тензорезисторами, в которых, помимо усилителей сигнала, предусмотрены и источники питания дифференцирующего моста, и схемы термокомпенсации, и цифровые интерфейсы для связи с внешними системами обработки сигналов.

Как было отмечено выше, погрешность показаний зависит от температуры, а для снижения этого влияния разработчики применяют метод стабилизации с помощью специальных сплавов с низким ТКС. Это один из вариантов.

Есть и другие, к примеру применение дифференцирующей схемы или метод компенсаторного включения двух тензорезисторов, на котором остановлюсь далее.

Пленочные тензорезисторы наклеивают на разные участки поверхностей в местах возможной или ожидаемой деформации, к примеру с разных сторон изгибаемой металлической балки. Таким образом, установка в одном месте (но с двух сторон – с взаимно перпендикулярной ориентацией) тензорезисторов является компенсаторным решением (включением). При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления (вызванного изменением температуры) равны, таким образом, температурный уход при этом компенсируется.

Давайте разберемся в конструкции тензорезистора.

Тензорезистор конструктивно состоит из подложки и гибкой рабочей поверхности, на которой нанесены тонкие проводящие дорожки. Благодаря свойствам своей конструкции прибор получается тонким и гибким, что расширяет спектр его применения. На подложку через фигурную маску в условиях вакуума напылена или сформирована методами фотолитографии тонкая пленка металла (толщина – несколько микрон).

Для тензорезисторов различного диапазона сопротивлений материалом в подложке используют ткань, бумагу, полимерную пленку, слюду и другие материалы. Для подключения электродов имеются контактные площадки. Ориентационные метки облегчают радиомонтаж элемента. На рис. 2.24 представлен вид на чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника, нанесенного на гибкую подложку.

На рис. 2.25 представлен внешний вид тензорезистора типа 2ФКП-5х200.

Подложка также является и основным корпусом элемента. Поэтому пленочные металлические тензорезисторы имеют площадь всего 2…10 мм². Подложка расположена между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а поверх чувствительного элемента расположен защитный элемент, как правило, в виде лака.

Кроме пленочных, распространены фольговые константановые тензорезисторы – прямоугольного и розеточного типов. Они предназначены для измерения деформации деталей машин, металлоконструкций при статических нагрузках, а также в качестве чувствительных элементов силоизмерительных датчиков в условиях макроклиматических районов с умеренным и холодным климатом. Их технические характеристики таковы:

• диапазон измеряемых деформаций – ±3000 млн^-1;

• ток, не более – 10 мА;

• диапазон рабочих температур эксплуатации – от -50 до +70 °C.

Размеры тензорезисторов небольшие. К примеру, тензорезистор 2ФКП-5х200 имеет вид прямоугольника с размерами всего 10 × 5 мм. Его сопровлинение – это цифра в наименовании после символа «х», в данном случае для тензорезистора 2ФКП-5х200 она равна 200±0,35 % Ом.

Кроме сопротивления тензорезистра постоянному току, учитывают метрологические характеристики прибора, такие как сопротивление при нормальных условиях (R) – оно же предельное относительное отклонение сопротивления в партии от номинального, в %, коэффициент преобразования, чувствительность при нормальных условиях (К), выражается в среднем квадратическом отклонении (СКО), температурный коэффициент чувствительности (СКО, %*°С – Sh), сопротивление изоляции, а также – дополнительно – сопротивление изоляции в рабочей области температуры (R_изм), характеризуемое минимальным значением сопротивления изоляции в рабочей области температуры, МОм, и другими параметрами.

В многофункциональных цифровых устройствах тензорезисторы используются вкупе с многоканальными измерительно-информационными системами. К примеру, они почти незаменимы в гидротехнике и смежных сферах, когда требуется контролировать микронное смещение несущих конструкций, грунтов, бетонных оснований. Без применения электронных метрологических приборов с тензорезисторами не обходился ни один научно-исследовательский институт. Инженер ВНИИГ (Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники им. Б. Веденеева) Кашкаров Петр Николаевич, мой отец, участвовавший в проектных испытаниях фундаментов Братской, Нижнекамской и других ГЭС, уже имел с ними дело в конце 50-х – середине 60-х годов XX века. Из истории развития промышленности в нашей стране следует, что в СССР тензорезисторы начали применять в конце 1940-х годов, и потому они практически заменили механические тензометры, открыли новые возможности в исследовании прочности различных машиностроительных конструкций.

Сегодня актуальные для разработчиков задачи включают повышение надежности работы и упрощение установки тензорезисторов. Развитие точных динамометров и датчиков давления тензорезисторного типа обеспечило метрологическим устройствам погрешность измерения до сотых долей процента.

Разработка новых типов тензорезисторов и методов их применения требует проведения экспериментальных исследований по выбору материалов конструктивных элементов (чувствительных элементов, связующих, подложек), созданию конструкций с малыми разбросами характеристик, исследованию влияний информативных и неинформативных величин на метрологические характеристики в условиях, имитирующих условия реального прочностного эксперимента.

Для получения расчетных зависимостей следует учитывать две основные функции, выполняемые тензорезистором: передача деформации чувствительному элементу через связующее звено и преобразование переданной деформации в приращение электрического сопротивления чувствительного элемента.

В бытовых электронных устройствах, где не требуется сверхвысокая точность измерений, тензорезисторы встречаются в напольных весах, устройствах электронных сигнализаторов поклевки – для рыбалки и во многих других случаях. Распространение тензорезисторов в современных электронных разработках объясняется тем, что они не инерционны, позволяют провести замер контролируемого параметра сразу во многих точках, способ крепления на контролируемую поверхность может быть самым простым, в том числе приклеивание за подложку, а их малые размеры оставляют возможность размещать их в малодоступных местах и устанавливать на различные детали уже в период сборки конструкции.

Несмотря на то что сегодня тензорезисторы применяют и в промышленных (серийных) метрологических устройствах, и в бытовых, в частности в радиолюбительских разработках, большое значение имеют схемотехника и элементная база модулей сопряжения, микросхем-преобразователей АЦП, угол-код и др. Именно в этой области большие перспективы для разработчиков нового типа микросхем и микросборок, адаптированных под конкретные модели тензорезисторов.

Сегодня таких микросхем и модулей отечественного производства немного, но с учетом взятого направления на импортозамещение уже анонсируются и появляются новые, достоинства которых не уступают зарубежным аналогам. Следовательно, созданные в XX веке и усовершенствованные современной промышленностью «необычные» радиоэлементы-тензорезисторы имеют большое будущее в новых разработках РЭА.