Металлическими тензорезисторами

3. Легкоплавкие металлы — цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойствами — галлий, германий.

Аллотропия олова. Олово существует в двух модификациях. Ниже + 18°С устойчиво так называемое серое а,-олово. При охлаждении а-олово появляется на обыкновенном белом олове (р-модификацяя) в виде отдельных бугорков на поверхности (так называемая «оловянная чума»). Решетка белого олова с координационным числом 6 в полтора раза компактнее решетки серого олова, имеющего решетку алмаза с координационным числом 4. Поэтому превращение белого олова в серое сопровождается увеличением объема примерно на 25%. Серое олово представляет собой серый порошок, не обладающий металлическими свойствами. Хотя температура равновесия Sna 3=tSrip равна+ 18°С, превращение при этой и немного более низкой температуре происходит с весьма малой скоростью. Максимальное значение с. к. получается при переохлаждении гс=50°С (т. е. при минус 32°С), когда с. к. превращения }-*а равняется 0,004 мм в час. Ввиду столь малой скорости превращения р-олово весьма склонно к переохлаждению и сравнительно длительное время может сохраняться при температурах ниже 18°С.

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом.

2 Иногда, правда очень редко, в металлических сплавах образуются карбиды бора, алюминия, кремния и других элементов, по приведенной классификации относящихся к «некарбидообразующим» элементам. Дело в том, что карбиды 1!4С, А13С2 и т. д. совершенно отличны от рассматриваемых карбидов. Это соединения с ковалентой связью, не обладающие металлическими свойствами.

1 В последнее время широкое применение получили высокопроницаемые магнитные материалы — оксиферы (ферриты), представляющие собой окислы металлов типа Л1зС>4. Однако ферриты уже не обладают металлическими свойствами, они полупроводники и здесь не рассмотрены.

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называют металлическим сплавом. Металлические сплавы можно также получать методами порошковой металлургии, диффузией, осаждением нескольких элементов на катоде при электролизе водных растворов.

Бориды. Эти соединения обладают металлическими свойствами Имеют высокую электропроводность, износостойкость, твердость, стойки к окислению. Диборид циркония (Zrliz) используют для изготовления термопар, работающих при температуре выше 2000 °С в агрессивных средах, труб, емкостей, тиглей. Покрытия из боридов повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.

Электронное строение. Заряд ядра и число электронов, нейтрализующих его, играют основную роль в организации структуры кристаллической решетки и большинства свойств металла. Свойства всех элементов являются периодической функцией атомной массы, т. е. числа электронов. В таблице Д. И. Менделеева наиболее типичные металлы, сравнительно легко отдающие электрон, — щелочные—находятся слева в I группе, а наиболее типичные неметаллы, энергично присоединяющие электрон для достройки электронной оболочки, — галогены — находятся справа в VII группе. «Металличность» элементов возрастает при перемещении влево и вниз таблицы. Вблизи правого верхнего угла находятся «полуметаллы»: мышьяк, селен, германий, сурьма, висмут. Исходя из этого, можно полагать, что все тяжелые элементы, начиная с франция, будут обладать металлическими свойствами и хорошей пластичностью. Важно не только число электронов в атоме, но и строение их оболочек — конфигурация, определяющая кристаллическую структуру и большинство свойств металлов.

Углерод — неметаллический элемент, однако он обладает многими металлическими свойствами. Он существует в различных аллотропных формах, обладающих различными свойствами: от чешуйчатого графита, который очень мягок и обладает относительно хорошими тепловыми и электрическими свойствами, до твердого и хрупкого алмаза, имеющего относительно плохие тепловые и электрические свойства. Графит очень широко используют в реакторостроении вследствие его превосходных данных как замедлителя, из-за его доступности, большой прочности при высоких температурах, легкости обработки и надежности. Поэтому была проведено много исследований по определению влияния облучения на этот материал.

Mo графит имеет йа внешнее оболочке атомов свободные электроны и в связи с этим обладает металлическими свойствами, в том числе электропроводностью; именно свободные электроны, поглощая свет, делают графит непрозрачным. Нитрид бора свободных электронов не имеет и является поэтому хорошим изолятором.

Бориды обладают ярко выраженными металлическими свойствами — малым электросопротивлением, высокой подвижностью носителей тока, малой величиной термо-э. Д. с.; их структура подобна структуре металлов. По Кислингу [19]; эти соединения характеризуются прочными связями между атомами бора, причем стремление к образованию и усилению этих связей увеличивается с повышением содержания бора в боридных фазах.

Напряжение помехи мпмх в большинстве случаев будет играть существенную роль только тогда, когда необходим большой коэффициент усиления в широкой полосе частот и, следовательно, не при точных измерениях силы. Компенсация постоянного напряжения ид, зависящего от температуры и времени, пока еще является одной из самых сложных проблем при разработке усилителей. Его мешающее действие тем меньше, чем больше выходное напряжение сило-измерителя. Силоизмерители с металлическими тензорезисторами

По сравнению с металлическими тензорезисторами аналогичные полупроводниковые приборы имеют один недостаток: значительную погрешность линейности, которую, согласно уравнению (3.58), можно компенсировать использованием зависимости -К от деформации или последующими преобразованиями сигнала (см. подразд. 3.2.1.4.3 и [79]). Кроме того, следует указать на большую и сильно нелинейную зависимость сопротивления ненапряженного тензорезистора и коэффициента тензочувствительности от температуры [80]. Поэтому датчики силы с полупроводниковыми тензорезисторами имеют большие погрешности, чем датчики с металлическими тензорезисторами при равных затратах на изготовление. Однако в этой области следует ожидать улучшений в результате совершенствования технологии, тем более, что есть сообщения о сильном снижении температурных эффектов в результате облучения полупроводниковых тензоре-зисторов [81].

NO __ 2 ЛЁ.—для датчиков с металлическими тензорезисторами,

• У датчиков с металлическими тензорезисторами уравнение (3.68) при пренебрежении влиянием селектора упрощается до

Датчики с металлическими тензорезисторами дают очень низкое выходное напряжение, передача и обработка которого (например, при наличии сильных мешающих полей) может стать затруднительной. Поэтому напрашивается мысль о размещении предусилителя выходного напряжения моста непосредственно внутри корпуса датчика, который в большинстве случаев является очень хорошим электрическим и магнитным экраном. Требования к этому усилителю (например, малые габариты или очень малые температурные ко-эффицинты из-за обычно большого рабочего температурного диапазона) могут быть удовлетворены в достаточной мере только путем применения интегральных схем. Погрешности таких тензорезистор-ных датчиков с встроенными усилителями занимают примерно промежуточное положение между погрешностями обычных датчиков с металлическими и таких же датчиков с полупроводниковыми тензорезисторами. Однако следует ожидать их дальнейшего совершенствования [112].

На рис. 3.127,6 показаны коэффициенты качества тех же групп датчиков, что и на рис. 3.127,а, причем для каждой группы приняты высшие классы точности из табл. 3.11. Из рис. 3.127,6 следует, что, за исключением датчиков с натянутой проволокой (16) и датчиков с металлическими тензорезисторами (5а/6а), коэффициенты качества всех остальных групп датчиков имеют примерно одинаковый порядок. Для названных исключений Q на несколько порядков меньше, чем для остальных датчиков. Кроме того, показано, что очень высокая измерительная точность может быть получена только за счет несравнимо большего снижения к. п. д. Это не проявляется в увеличении значения Q.Однако трудности при истолковании коэффициента качества исчезают при сравнении близких по принципу действия датчиков.

ственным датчикам с металлическими тензорезисторами.

Зарубежные датчики силы с металлическими тензорезисторами представлены в табл. 8, а в табл. 9 — с полупроводниковыми. Величины погрешностей нелинейности, которые оценива-

Зарубежные датчики силы с металлическими тензорезисторами перекрывают нагрузки от десятков мкН до нескольких десятков МН. Свыше 60 % всех датчиков имеют основную погрешность от 0,05 до 0,3 % от номинальной силы. Минимальная погрешность составляет 0,02—0,03 % от номинальной силы (датчики фирмы Testu, Франция и фирмы К. Scbenck, ФРГ).

Возможность увеличения жесткости упругих элементов датчиков с полупроводниковыми тензорезисторами при одинаковом выходном сигнале с датчиками, оснащенными металлическими тензорезисторами, позволяет уменьшить осадку первых на порядок.

В табл. 10 приведены основные технические характеристики отечественных датчиков с металлическими тензорезисторами. Основная погрешность более половины всех типоразмеров 0,1—0,3 % от номинальной силы. Основная погрешность прецизионных датчиков силы 0,03—0,05 % от номинальной силы. Доля датчиков, имеющих основную погрешность более 0,5 %, составляет 8 %.