История создания тензорезисторов

Введение.

Обычный способ оценки структурных частей машин, зданий, транспортных средств, летательных аппаратов, и т.д. основан на прочностных вычислениях для применяемых материалов.

Этот метод является подходящим при условии, что действующие нагрузки известны как качественно, так и количественно. Проблемы возникают там, где нагрузки неизвестны или где они могут быть только грубо оценены. Ранее риск перегрузки компенсировался использованием увеличенного коэффициента запаса прочности, т.е. через увеличение размеров. Тем не менее, современные подходы требуют экономного расходования материалов, частично по соображениям экономической стоимости, а отчасти, чтобы снизить вес изделия, это четко видно, например, в авиастроении. Для того, чтобы удовлетворить требования безопасности и обеспечить надлежащий срок службы компонентов, напряжения в материале должны быть измеряемы и известны. Поэтому измерения в натурных испытаниях просто необходимы.

Оценочной величиной является механическое напряжение, которому подвергается материал. Практический метод экспериментального определения механических напряжений основан на открытии, сделанном в 1678 году английским ученым Робертом Гуком (1635 - 1703). Он обнаружил связь между механическим напряжением и возникающей деформацией. Эта деформация также возникает на поверхности объектов и поэтому доступна для измерения.

Важная часть экспериментального анализа механических напряжений основана на принципе измерения деформации.

В начале применялись громоздкие механические устройства для измерения деформации, которые отображали напряжение, используя отношение рычага один к тысяче или более. Пример показан ниже.  

Рычажный тензометр Гугенбергера

Устройства подобного типа в течение долгого времени являлись единственным методом проведения измерений, которые были необходимы для анализа механических напряжений. Несмотря на оригинальный дизайн и точную конструкцию, они обладали рядом недостатков, которые ограничивали область их применения:

- Возможность наблюдать только статические процессы;

- Необходимы мощные зажимы для предотвращения скольжения устройств в условиях вибрации;

- Испытуемый образец должен быть зафиксирован в прямой видимости наблюдателя для считывания показателей;

- Условия испытаний могут исключать наличие наблюдателя;

- Размер устройства накладывает ограничения на их использование для небольших тестовых образцов, а в некоторых случаях такое измерение было в принципе невозможно;

- Относительно длинная измерительная база дает правильные результаты только для однородных условий деформации, а близко расположенные концентрации напряжений не могли быть измерены;

- Автоматическая запись результатов измерений невозможна.

В результате этих недостатков ограничивалось применение механических тензометров. Электрические методы измерения были призваны решить эти проблемы.

Появление металлических тензорезисторов

В второй половине 1930-хбыло обращено внимание на эффект, который Чарльз Уитстон упомянул еще в 1843 году в своей первой публикации про мостовую схему, которую он изобрел. Этот эффект был основан на изменении сопротивления электрического проводника в результате воздействия на него механической нагрузки. Эта теория позднее нашла подтверждение в экспериментах Уильяма Томсона (1824-1905, после 1892 лорд Кельвин) и в его работах, опубликованных в 1856 году.

Испытательная установка Уильяма Томсона для исследования изменения сопротивления электрических проводников при механическом воздействии.

Есть ряд причин из-за чего прошло более 80 лет, прежде чем это явление нашло техническое применение. Это была удачная теория, на тот момент не нашедшая практического применения. Изменение сопротивления проволоки при растяжении очень мало. Для его измерения Томсон использовал высокочувствительный гальванометр, который был непригоден для общего технического применения и для использования в промышленности. Он был также непригоден только для измерения динамических процессов. И только с появлением электрического усилителя этот метод получил широкое применение.

Первые исследования для объяснения этого эффекта были проведены в Германии в Научно-исследовательском институте авиации, но они не были последовательны. Разработанные им углеродные пленочные полоски для измерения деформации оказались малопригодны.

Примерно в то же время в 1938 году в США почти одновременно и независимо друг от друга над этим вопросом работали два человека, работа называлась «использование "эффекта Томсона" для целей измерения деформации».

Первый из двух людей, Эдвард Е. Симмонс, работал в Калифорнийском технологическом институте. Используя шелковую ткань в качестве основы и тонкую металлическую проволоку, он сделал прибор, который прикрепил к стальному цилиндру. Далее он изготовил электрическое устройство для измерения импульсов силы, воздействующих на образец от машины для воспроизведения удара(маятниковый плунжер). Схема из патентной заявки ниже.

Устройство измерения силы Э. Симмонса. Измеряемый импульс силы действует в осевом направлении.

Второй из американских исследователей Артур Клод Руге работал на факультете сейсмологии в Массачусетском технологическом институте. Он хотел измерить механическое напряжение, возникающее вследствие моделируемых колебаний воздействия землетрясения на модель сейсмостойких резервуаров для воды.

Имеющееся в то время оборудование для измерения деформации не могло использоваться на тонкостенной модели. Из множества различных устройств ни одно из них не подходило. В одной из попыток провести испытание Руге взял очень тонкий металлический провод, приклеил его в форме меандра к тонкой папиросной бумаге и прикрепил к концам более толстые провода. Чтобы понять свойства получившегося прототипа, он приклеил его к упругому образцу и сравнил результаты измерений с традиционным устройством измерения деформации. Руге обнаружил хорошую корреляцию линейной связи между механическим напряжением и получаемым сигналом на всем диапазоне измерения, как и в положительных, так и отрицательных фазах, то есть при сжатии и растяжении. Более того, он выявил хорошую стабильность нулевой точки. Таким образом был изобретен «электрический тензодатчик сопротивления с наклеенной сеткой». Форма тензорезистора, используемая в тех первых испытаниях, была такой же, которая, как правило, используется и в настоящее время.

Артур Клод Руге, изобретатель тензорезистора, работает над своими измерениями.

Именно Руге и Симмонса принято считать пионерами в создании тензорезистора. Основное различие между их идеями было в том, что Руге фиксировал измерительный провод на материале-носителе, что представляло собой независимый измерительный датчик, который был прост в обращении и мог быть приклеен к любой поверхности. Это было очень тонкое и легкое изделие, не требующее специальных крепежных устройств и не привносящее практически никаких сторонних эффектов в измерение, позволяя при этом производить измерения на очень тонких и миниатюрных объектах. Уже первые прототипы тензорезистора оказались лучше предыдущих устройств для измерения деформации во всех отношениях.

Второе достижение Руге состояло в том, что именно он развил свою идею дальше до стадии серийного промышленного производства. Именно это стало последним шагом, который возвестил верховенство тензорезисторов.

Поэтому именно Руге принято считать отцом современного тензорезистора. У него была не только идея, но и способность увидеть широкие возможности ее практического применения, у него была решимость, необходимая для превращения тензорезисторов в самый надежный инструмент в области анализа деформации.

Сперва идея состояла в том, что проволока с толщиной жилы 25 мкм – чувствительный элемент – должна быть закреплена на твердую подложку и должна быть защищена войлочным покрытием. Рисунок ниже показывает пример первого серийного тензорезистора.

Первый серийный тензорезистор Руге

a - измерительная решетка, приклеенная к бумаге на целлюлозный лак
b - соединительные провода
c - изоляционный носитель
d - войлок для защиты измерительной решетки
e - установочный кронштейн, удаляемый после наклеивания

Спрос на это изделие, особенно со стороны американской авиационной промышленности, был настолько велик, что от этой конструкции пришлось отказаться (в 1941 году упоминается оборот в 50 000 тензорезисторов за 2 месяца). В конце концов опыт показал, что сложная несущая конструкция не нужна и была создана упрощенная модель, показанная на рисунке ниже. Именно эта форма была сохранена на десятилетия вперед с небольшими модификациями. Многочисленные патенты Руге свидетельствуют о его продолжающихся усилиях в улучшении метрологических характеристик.

Характерный дизайн тензорезистора с его проволочной измерительной решеткой

а - материал-носитель
b - измерительная сетка
с - контакты

В последующий период предпринимались попытки упростить производство. Здесь следует упомянуть технику «печатной схемы» Пола Эйслера, которая в своей усовершенствованной форме привела к созданию современного «фольгового тензорезистора» примерно с 1952 года.

Характерный дизайн тензорезистора из травленой металлической фольги с подсоединенными выводами

а - подложка
б - измерительная решетка
с - вывода
d - эффективная длина чувствительного элемента

По сравнению с методами закрепления проволоки на подложке этот метод существенно расширил возможности проектирования, поскольку все формы чувствительного элемента могут быть представлены в одной плоскости без каких-либо дополнительных усилий.

В Советском союзе тензорезисторы начали применяться с 1940-х годов и практически сразу вытеснили все другие типы тензометров. В Союзе производство тензорезисторов было освоено в Чехословакии (предприятие Микротехна), в ГДР (TPW-Thalheim). Позднее многие предприятия самостоятельно производили тензорезисторы для собственных нужд мелкими сериями.

Схема советского тензорезистора:

1 – чувствительный элемент
2 – связующее
3 – подложка
4 – исследуемая деталь
5 – защитный элемент
6 – узел пайки (сварки)
7 – выводные проводники

В настоящее время изготавливается огромное количество типов тензорезисторов, которые соответствуют каждой конкретной задаче и условиям.
Основными областями применения тензорезисторов являются:
- экспериментальный анализ механических напряжений;
- производство датчиков.

Принимая во внимание высокую гибкость применения тензорезисторов в части изучения деформаций, не вызывает вопросов их широкое распространение во всем мире. Тензорезистор является аналоговым прибором, что обеспечивает высокую точность и чувствительность измерений. Оба типа тензорезисторов, как проволочные, так и фольговые, известны как «металлические тензорезисторы» за счет изготовления чувствительного элемента из металла.

Материалы для данной статьи взяты из следующих источников:
- Клокова Надежда Павловна.Тензорезисторы: Теория, методики расчета, разработки. – М.: Машиностроение, 1990, - 224с.
- Немец И. Практическое применение тензорезисторов. Пер. с чешск., М.: «Энергия», 1970. – 144 с.
- Karl Hoffman. An Introduction to Stress Analysis and Transducer Design using Strain Gauges.