Розділ 9 Тензодатчики та датчики магнітних характеристик на основі масивних і плівкових матеріалів 41 Уявлення про тензоефект

Розділ 9 Тензодатчики та датчики магнітних характеристик на основі масивних і плівкових матеріалів 41 Уявлення про тензоефект

При експериментальних дослідженнях напруженого стану елементів конструкцій перетворення деформації у відповідний сигнал здійснюється за допомогою тензорезисторів. Принцип вимірювання деформації за допомогою тензорезистора полягає в тому, що при деформації змінюється електричний опір. Якщо аналізувати це явище з точки зору процесів електронного розсіювання, то необхідно розрізняти два випадки: масивний монокристалічний або плівковий високодисперсний тензорезистор. У першому випадку основний внесок у тензоефект дають зміна СДВП за рахунок деформації фононного спектра (за аналогією до співвідношення (3.4?) можна позначити Dlоф, але числові значення зміни СДВП у цих двох випадках різні) та зміна геометричних розмірів резистора. Якщо довжина резистора l, площа перерізу S = a?d (а- ширина, d- товщина), то електричний опір резистора пов’язаний з його питомим опором (?) співвідношенням

.

Узявши диференціал від логарифма лівої і правої частин, отримуємо

(3.12)

або після винесення за дужки деформації  отримуємо

(3.13)

де коефіцієнт Пуассона для матеріалу тензорезистора.

Якщо тензорезистор перебуває у вільному стані, то із (3.13) отримуємо

,(3.13’)

де К і m – коефіцієнт тензочутливості, виражений через R або r відповідно.

Необхідно відмітити, що у практичній і теоретичній тензометрії прийняті різні позначення коефіцієнтів К, m та деяких інших параметрів. Зокрема, в теорії тензочутливості розрізняють коефіцієнти повздовжньої (gl) та поперечної (gt) тензочутливості; якщо ці величини виражаються через питомий опір, то їх відповідно позначають glr і gtr (замість m). Крім того, необхідно мати на увазі, що в теорії тензоефекту вивчаються вільні тензорезистори і тому розглядають  деформації el і et (у практичній тензометрії розглядають окремо деформацію конструкції (e) і чутливого елемента (eч)). Ця розбіжність позначень стає зрозумілою, якщо врахувати, що експериментальна тензометрія розвивалася на основі датчиків із масивних матеріалів (дроти, фольги), а фундаментальні питання тензоефекту аналізувалися на прикладі полікристалічних плівкових систем, тобто ці два науково-прикладні напрями розвивалися незалежно один від одного. Ситуація дещо змінилася при переході до виготовлення чутливих елементів у вигляді тонкоплівкової системи, оскільки відпала потреба у деяких параметрах (наприклад, у коефіцієнті передачі інформації Кпер).

У тому випадку, коли масивний тензорезистор приклеєний до конструкції, співвідношення (3.13) необхідно записати у такому вигляді:

,(3.13”)

де Kпрт = 1 + 2m + m – коефіцієнт перетворення деформації конструкції (e) за допомогою тензорезистора.

Оскільки між коефіцієнтами К і Кпрт існує зв’язок

К = Кпер.ч?Кпрт,(3.14)

то К = Кпрт лише за умови, що коефіцієнт передачі деформації e зв’язуючою речовиною до чутливого елемента Кпер.ч (Кпер.ч = , де  - істинна деформація чутливого елемента (див. підрозділ 42)) дорівнює одиниці.

Якщо чутливий елемент виготовлений у вигляді полікристалічної плівкової системи (одно- чи багатошарової), то зміна СДВП, як і у випадку ТКО (співвідношення (3.4’)), відбувається не тільки за рахунок деформаційних змін фононного спектра, а й коефіцієнтів r, p і у випадку багатошарової плівки, величини Q.

Явище тензоефекту було відкрите в 1856 році Кельвіним, досліджувалося О.Д.Хвольсоном (1881р.), Колумбані й Туре (1960р.), Паркером і Кринським (1963р.), Мейксином і Худзинським (1967р.), Варкушем (1980р.). Найбільші теоретичні досягнення у вивченні ефекту тензочутливості пов’язані з іменами Тельє, Тоссе і Пішар. Найбільш важливі досягнення кафедри прикладної фізики СумДУ пов’язані з експериментальними дослідженнями тензочутливості одно- та багатошарових плівок та розробленням нової теоретичної моделі, яка враховує деформаційні ефекти для коефіцієнтів r, p i Q.

Піонерами застосування тензоефекту в промисловості є Сіммонс та Руже (США), які вперше запатентували і виготовили тензорезистор (1938р.). Значні успіхи в тензометрії металевими або напівпровідниковими резисторами мають Н.П.Клокова (Росія) та Ю.А.Тхорик (Україна).

У світі найбільш відомі 30 фірм США, ФРН, Великобританії та Японії, які випускають тензодатчики, що працюють в галузі великих деформацій і температур.