В статье описан принцип работы тензорезисторов как перспективных радиоэлементов для разработки контрольно-измерительной техники. На основе имеющихся примеров предложен обзор разных типов тензодатчиков, обоснованы перспективы разработок РЭА в метрологической отрасли, что очень важно в условиях импортозамещения.
В современной электронике как элементы датчиков перемещений, и особенно деформаций, широко применяют тензорезисторы. В основе их работы лежит тензоэффект – способность некоторых материалов менять электрическое сопротивление при деформировании (сжатии, скручивании, растяжении), а также закономерности деформации упругого тела, открытые в XVII веке Робертом Гуком и описанные как закон Гука. Тензорезисторы (от лат. tensus – напряжённый и лат. resisto – сопротивляюсь), по сути, – это резистор с изменяемым в зависимости от механической деформации рабочей поверхности сопротивлением. Таково «официальное» определение. Полезный функционал тензорезисторов стал востребован после открытия эффекта изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) в 1856 г. Кельвином и в 1881 г. О.Д. Хвольсоном. Пионерами в практических измерениях деформаций были Е.Е. Симмонс (Калифорнийский технологический институт) и Л.С. Руже (Массачусетский технологический институт). В 1938 г. они применили образцы тензорезистора с монтажом на клеевой основе. Это были прототипы распространённых в современном мире тензорезисторов различного назначения.
Однако технологии производства как отдельных элементов, так и датчиков из нескольких тензорезисторов претерпевали изменения. Первые тензорезисторы изготавливались из константана, никеля, нихрома, а современные производятся с участием полупроводников – кремния, арсенида галлия и др. Тензочувствительность полупроводниковых датчиков в 50...100 раз больше, чем у «металлических» анахронизмов эпохи. Так, сопротивление проволочных датчиков составляет десятки и сотни Ом, полупроводниковых – тысячи Ом при погрешности измерений менее 1%. Этот параметр также принято называть «значение нуля».
С развитием НТ-прогресса принцип работы тензорезисторов остался прежним, он основан на изменении под воздействием давления и механической деформации геометрических размеров элемента и соответственно сопротивления элемента, включённого в электрическую цепь. По условной формуле: R = PL/S, где S – поперечное сечение проводника тензорезистора, L – длина проводника. При механическом воздействии S стремится к уменьшению значения, а L – к увеличению за счёт растяжения тензорезистора. Или так:
Е = LR/RKf, где L – относительное изменение длины проводящего элемента тензорезистора; LR/R – относительное изменение сопротивления тензорезистора; Kf – коэффициент тензочувствительности.
Чувствительность тензорезистора характеризуется безразмерным параметром — коэффициентом чувствительности Kf. Тензорезисторы по конструкции и способу изготовления могут быть плёночными металлическими или фольговыми константановыми. Для первых параметр Kf слабо зависит от деформации и немного превышает 2. Типичные значения коэффициента тензочувствительности для разных материалов приведены в табл. 1.
На рис. 1 представлен cхематичный вид пленочного тензорезистора.
Тонкая решётка из фольги, уложенная змейкой и запрессованная на фенольную плёнку, под механическим воздействием испытывает деформацию вместе с упругим элементом, что влечёт изменение электрических свойств элемента. На рис. 2 схематично показаны особенности изменения формы элемента при внешнем механическом воздействии.
Электропроводящий элемент – тензорезистор закрепляют на измерительное тело – балку, консоль, мембрану, колонну, что составляет корпус будущего тензодатчика. Причём в современных высокоточных тензодатчиках установлен не один тензорезистор, а 4 и более, да и самих тензодатчиков в одной системе может быть несколько. Все они подключаются по одному протоколу для достижения минимальной погрешности измерения. Эта практика оправдана (кроме заботы о метрологической точности) тем, что в такой системе можно без ущерба работоспособности отказаться (в случае неисправности) от одного или нескольких тензодатчиков и провести ремонтные, регламентные работы без простаивания системы.
Наиболее типичную схему включения четырёх тензорезисторов называют мостом Уитстона. Такой тензодатчик имеет не 1, а 4 резистивных элемента, включённых в плечи резистивного моста. Тензорезисторы имеют одинаковый номинал, поэтому в состоянии покоя ток в мосте сбалансирован и не фиксируется измерительными приборами; да, токовая нагрузка может иметь место из-за несовершенства конструкции и температурных колебаний, но в определённых пределах. При деформации гибкой подложки происходит попарное сжатие и растяжение тензорезисторов, как следствие – изменение рабочих параметров в цепи моста, а сигнал разбалансировки от моста по экранированному кабелю передаётся на АЦП.
Иллюстрация изменения состояния посредством механического воздействия представлена на рис. 3 и рис. 4.
После снятия нагрузки с весовой платформы гибкий элемент возвращается в исходное положение, мост Уитстона возвращается в состояние равновесия.
На рис. 5 представлен вид плёночного тензорезистора FSR402 для измерений в диапазоне 0…10 кг.
Плёночный аналоговый тензодатчик FSR402 с предельно допустимой нагрузкой 0,1…10 кг. Диаметр чувствительной части 12,7 мм. На рис. 6 представлен вид плёночного тензорезистора RFP602 для измерений в диапазоне 0…1 кг.
Именно такие тензорезисторы установлены в тензодатчиках Wavgat, о которых будем говорить далее, а также в настольных электронных весах бытового назначения для взвешивания мелких деталей, продуктов, драгметаллов. Плёночный аналоговый тензорезистивный датчик с предельно допустимой нагрузкой 1 кг изменяет сопротивление под действием прикладываемой силы. Диаметр чувствительной части – 10 мм.
В состоянии покоя решётка тензорезистора, сделанная из фольги, имеет определённое сечение и длину «нитки». В состоянии покоя сопротивление тензорезистора стабильно. Когда тензоэлемент деформируется, длина его проводящих ток ниток незначительно меняется. Когда в качестве основания используется балка, дорожки датчика растягиваются, их поперечное сечение уменьшается, и омическое сопротивление тензорезистора увеличивается. При сжатии (возврате в исходное положение) возникает обратный эффект – сопротивление уменьшается из-за сжатия дорожек, увеличения их сечения. Эти изменяемые параметры в электронном устройстве с тензорезисторами обеспечивают преобразование механических данных в электрический ток.
Принцип работы тензорезистора мы рассмотрели выше, а далее обратим внимание на особенности включения тензорезисторов по схеме моста Уитстона в электрическую цепь.
Четырёхпроводные тензодатчики подключают к модулю нагрузки и АЦП (рис. 7).
В ситуации удалённого размещения тензодатчиков относительно контроллера-анализатора для обеспечения корректных замеров веса используют 6-проводную схему подключения, исключающую влияние сопротивления питающих проводников на результаты измерений. С двух дополнительных проводов + Sen и – Sen снимают данные о падении напряжения (рис. 8). Цветовая маркировка может различаться у разных производителей, но типичная именно такова.
Распиновка 4-жильных кабелей тензодатчика:
При необходимости соединения 6- и 4-жильного кабелей тензодатчика провод Sen+ (синий) имитируют, включая его от +Uп, Exc+ (красный), а провод Sig– (жёлтый) имитируют, включая его от –Uп, Exc– (чёрный), как показано на рис. 8.
У разных производителей цветовая маркировка проводов может отличаться. Если нет описания, для определения распиновки используют мультиметр с режимом измерения сопротивлений от 0,5 Ом и выше. В случае с четырёхпроводным модулем уместен следующий алгоритм.
Последовательно выберите 6 парных комбинаций проводников, измерьте сопротивление для каждой пары. Определите, в каком случае получено наибольшее значение сопротивления – эта пара является линией питания. Отделите оставшиеся два провода – это линия сигнала. Подайте напряжение на провода питания и определите полярность подключения, измеряя напряжение на сигнальных проводниках. При этом мультиметр – наименее предпочтительный вариант для проверки тензодатчика, если он не имеет достаточной чувствительности и точности. Лучше применить милливольтметр с пределом измерения от 0,1 мВ, с высокой точностью и оценкой производительности аналоговых и цифровых показателей.
В системах с автоматизированной выдачей напитков на выходе устройства сравнивается вес наполненного стакана (тары) с эталонным весом, заложенным в память электронного контроллера; когда значения совпадают, с помощью управляемых электронных клапанов в магистрали подвода жидкости налив прекращается. Таков простой (хоть и не единственный) и часто используемый способ автоматизированной выдачи, упрощающей коммуникацию между покупателем и автоматом – продавцом товаров.
Для измерения массы стакана с жидкостью в типичном вендинговом аппарате розлива кофе и чая применяется тензометрический датчик Wavgat А1, установленный под площадкой выдачи товара и подключённый к микроконтроллеру через модуль HX711.
На рис. 9 представлен тензодатчик Wavgat.
Подробно технические характеристики тензодатчика приведены в [9].
На рис. 10 представлено место установки тензодатчика в вендинговом аппарате по розливу кофе и чая.
На рис. 11 представлен модуль датчика нагрузки HX711 АЦП для тензодатчика.
Модуль HX711AD универсален для тензодатчиков с номинальным диапазоном измерения 1…20 кг – АЦП с разрядностью 24 бит. Имеет встроенное активное шумоподавление PGA и выбор коэффициента усиления: 32, 64 и 128, а также:
В целом модули нагрузки и АЦП на рассмотренном примере универсальны для небольших весовых значений и надёжны. Однако надо учитывать, что точность преобразования выходного сигнала (ошибки и отклонения в дискретности) может влиять на общую ошибку измерения веса, и тензодатчик тут ни при чём. К примеру, 10-битный АЦП при разном входном напряжении 0…5 В (при условии, что 5 В – опорное напряжение питания модуля) преобразует его в цифровой вид с точностью 1/1024 В. На графике невозможно изобразить много ступенек, но для примера приведём его на рис. 12.
АЦП с разрядностью 10…24 бит чувствителен к изменению напряжения на входе величиной даже 5 мВ, что удачно стыкуется с применённым типом тензодатчика. Но точность преобразования входного сигнала зависит и от опорного напряжения, которое определяет границу диапазона работы АЦП. Таким образом, при опорном напряжении 5,2 В это одна точность, при 5,02 В – другая, при напряжении 4,8 В – третья… Притом что АЦП рассматриваемого модуля работоспособен в диапазоне 5 В ±15% [10].
В конструкторах Arduino Uno сия проблема решается задействованием для опорного напряжения специального вывода Vref микроконтроллера.
В условно простых вендинговых системах в таком случае реализуется или с помощью использования внешнего (дополнительного) суперстабильного источника опорного напряжения, или путём качественного источника питания устройства с высоким уровнем стабилизации напряжения. Иначе, точность измерения веса на этапе преобразования сигнала от тензорезистора в цифровой формат может колебаться, что приведёт условно к недоливу или переливу жидкости в тару; когда вы встречаете такое на практике, желая гастрономически насладиться и украсить свой обеденный рацион кофе-брейком, понимаете, в чём дело.
Тем не менее использование тензодатчиков для контроля веса отпускаемого продукта удешевляет конструкцию вендинговых и других устройств для бытовых нужд. Простое сравнение: цена одноточечного тензодатчика для мощных электронных весов с нагрузкой в 1,5 т составляет в 2022 году 35 тыс. руб., цена датчика с четырьмя встроенными тензорезисторами для малых нагрузок, используемых в вендинговом автомате, составляет 400 руб.; неудивительно, что вендинговые аппараты относительно быстро окупаются – примерно через 1300 покупок.
Класс точности измерения, величина погрешности, количество проверочных делений регулируются стандартами. Приборы класса G (G1–G3 и др.) имеют наименьшую точность, с маркировкой C (С1, С2, С3) – наибольшую. Данные параметры тензодатчика регламентируются государственными стандартами. Количество диапазонов предполагает, что датчик может быть одно- и мультиинтервальным. Для повышения точности измерений на малых нагрузках применяют устройства с несколькими диапазонами, так обеспечивается минимальная погрешность измерений.
Важный параметр – компенсированный температурный диапазон. Точность измерений зависит от условий среды, и даже с учётом термостабильных полупроводниковых материалов тензорезистора в нижней и верхней части рабочего диапазона колебания сопротивления при механическом воздействии нуждаются в компенсации.
В табл. 2 представлены некоторые технические характеристики тензодатчиков модельного ряда Sensortronics 92001–92006.
По типу датчики различают по форм-фактору, к примеру, представленный на рис. 3, 9, 14, 15 прибор характеризуется типом датчика «балка на изгиб». Опционально корпус датчиков тензодатчиков может быть изготовлен из разных материалов – от пластика до лёгких сплавов с участием анодированного алюминия и даже из нержавеющей стали. Размеры корпуса влияют на специфику монтажа. В сложных или стеснённых (по месту) условиях, к примеру, с криволинейной поверхностью, размер и форм-фактор корпуса датчика имеет значение.
Корпуса тензодатчиков различаются по типу воспринимаемой нагрузки и строению:
Прибор выдерживает перегруз до 150% от номинальной нагрузки. Класс пылевлагозащиты IP68 означает, что тензодатчик выдерживает погружение в воду на глубину до 1 м. В табл. 3 представлены технические характеристики тензодатчика Keli серии SQB.
На рис. 15 представлен внешний вид тензодатчика CAS BCL, рассчитанного на измерение нагрузки 1…3 кг.
В соответствии с особенностями конструкции тензодатчик с низкопрофильным дизайном применяется в напольных весах и др. контрольно-весовых устройствах, допускающих нецентрализованное нагружение по стандарту OIML R76. Класс защиты IP65. Соединительный кабель длиной 0,4 м, 4-жильный с экранирующей оплёткой и изоляционной оболочной из ПВХ. Максимальный размер платформы: 200×200 мм. Имеются аналогичные тензодатчики CAS BCL, рассчитанные на вес 6…30 кг и на 60…200 кг для платформ максимального размера 400×400 мм. Заслуживает внимания «маломощный» тензодатчик CAS BCL-01L в корпусе из анодированного алюминия, уверенно работающий в диапазоне температур –20…+70°C, с классом защиты IP65 и замерами веса нагружения до 1 кг. Он применяется в точных настольных весах для мелких деталей и драгметаллов. Эксплуатационные и технические характеристики тензодатчиков линейки CAS BCL сведены в табл. 4.
На рис. 16 представлены размеры тензодатчика CAS BCL, предназначенного для нагружения весом 1…3 кг.
Весовой модуль с предельно допустимой нагрузкой 5 кг представлен на рис. 17.
Для рассмотренных типов тензодатчиков предназначен модуль-контроллер весовых ячеек с индикатором, представленный на рис. 18.
Это готовый контроллер весовых ячеек и действующих электронных весов cо светодиодным индикатором из четырёх цифр и следующими техническими характеристиками:
Калибровка осуществляется следующим образом.
Тактильные. В основе – два проводника, разделённые диэлектрическим слоем. Под воздействием деформации проводники сближаются и продавливают мягкую прослойку. В электрической цепи возникает ток, который зависит от материалов и расстояния между проводниками в рабочей зоне датчика.
Пьезоэлектрические, пьезорезонансные, по технологии полупроводников. Эффект основан на свойстве полупроводниковых кристаллов изменять состояние, величину статического заряда.
Магнитные. В качестве чувствительного элемента – магнитный сердечник, окружённый катушкой. При деформации сердечник изменяет положение, что влияет на ЭМ-индукцию в катушке.
Ёмкостные. Работают по принципу изменения ёмкости переменного конденсатора. При воздействии (давлении) нагрузки токопроводящие пластины сближаются, ёмкость образованного ими конденсатора возрастает. Изменение ёмкости преобразуется в электрический ток.
Условные проблемы решаемы. Тензорезистивные датчики обеспечивают широкий диапазон и высокую точность измерений (до 0,017%, в зависимости от модели), в том числе при высокой частоте динамических деформаций основания – до десятков млн раз. С условием компенсации тензодатчики работают в широком диапазоне температур. На рис. 19 представлен вид размещения в одном корпусе тензорезистора и элемента термокомпенсации.
За счёт плоской компактной конструкции они монтируются как на ровные, так и на криволинейные поверхности. Соединительный кабель с ПВХ-изоляционной оболочкой не теряет эластичности при низких температурах, устойчив к истиранию и механическому воздействию.
Тензодатчики можно соединить напрямую с контрольным блоком или установить на удалении от АЦП. Их используют и для проведения измерений на движущихся деталях, одновременно в нескольких точках конструкции и т.д. Но тензодатчики нужны не только в рассмотренных в статье случаях.
Тензорезисторы прямоугольного и розеточного типа на основе константановой фольги 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 допускают циклы давлений/деформаций/воздействий десятки млн на один прибор.
Обзор рынка анализаторов спектра и сигналов
В статье приводится обзор состояния рынка анализаторов спектра (АС), включая настольные и портативные варианты исполнения, а также рынка анализаторов фазового шума (ФШ) на основе информации из открытых источников (Федеральный информационный фонд по обеспечению измерений ФГИС «АРШИН») [1]. Проведён анализ изменения конъюнктуры рынка и объёмов потребления начиная с 2019 года, включая новых производителей оборудования, вышедших на рынок после февраля 2022 года. 15.04.2024 СЭ №4/2024 593 0 0Частицы в ультрачистой воде
Статья написана по материалам международной технологической дорожной карты для полупроводников (IRDS™ 2023) и посвящена обзору технологии контроля концентрации частиц в ультрачистой воде. 15.04.2024 СЭ №4/2024 622 0 0Двухканальный индикатор уровня звука на базе микроконтроллера EFM8LB12 и дисплея OLED 1306
В статье приведены принципиальная схема, разводка и внешний вид платы, программные средства и результаты работы двухканального индикатора уровня звука на основе микроконтроллера (МК) EFM8LB12, двух ОУ MCP6002 и дисплея OLED 1306, на котором для каждого канала отражаются гистограммы с высотой, пропорциональной уровню звука соответствующего канала. Такой индикатор может быть установлен на переднюю панель аудиоусилителя. По сравнению с похожими покупными индикаторами описываемый индикатор отличается простотой и стоит в несколько раз дешевле. 15.04.2024 СЭ №4/2024 572 0 0Электронные датчики и радары в системе беспроводной связи ОТА, LOP и E-peas
В будущем разработчиков РЭА ожидает эра «одноразовых» устройств: «установил и забыл» – надёжные, устойчивые к внешним воздействиям среды, но не предназначенные для ремонта. Одна из важных решаемых задач – сочетание сбора энергии из среды, её преобразование в электрическую и применение датчиков и микроконтроллеров с крайне низким энергопотреблением. В сочетании с технологиями E-peas (Electronic portable energy autonomous systems – автономные портативные электронные системы), LOP (с низким энергопотреблением) и решениями NXP возникают перспективы датчиков положения, давления и измерения сопутствующих величин от OEM-производителей. С аппаратными настройками и масштабируемостью производительности РЭА в формате процессоров S32R с исключением ошибок в передаче данных аналогового и смешанного сигнала беспроводным способом на небольшие расстояния. В статье представлены примеры системных решений для организации и управления питания датчиков РЭА, задействованных в беспроводной передаче данных, сетевых технологиях и транспортной технике с беспроводной сетью ОТА (Over-the-air – по воздуху). 15.04.2024 СЭ №4/2024 595 0 0