Двухпараметровый датчик комбинированного типа на основе sms (краткое сообщение)

Дано описание разработанного авторами двухпараметрового датчика давления и температуры на основе тонкопленочного барорезистора из сульфида самария на стеклянной подложке и термопары хромель— алюмель. Датчик работоспособен при температурах в интервале (–60, +40) °С и давлениях до 70 МПа, имеет быстродействие 0.1 с, область локализации измерений объемной деформации ~1 мм3, устойчив в бетоне в течение более 3 лет. Датчик предназначен для измерений во влажных дисперсных средах (бетон, грунт и др.). Для иллюстрации возможностей датчика проведены измерения в застывающем бетонном тесте и грунте (–50, +20) °С.

Кл. сл. : барорезисторы, моносульфид самария, датчики давления и температуры

Комбинированными можно назвать датчики, включающие в себя два и более разнородных чувствительных элемента. Представленный в настоящей работе датчик локальных объемных напряжений в бетоне или грунте, возникающих в условиях быстроменяющихся температур, выполнен на основе тонкопленочного барорезистора с чувствительным слоем из SmS и термопары [1, 2]. Высокая степень линейности зависимостей логарифма электросопротивления R от температуры Т и давления Р позволяет связать Р, Т и R барорезистора соотношением lnR = lnR0+ Пg ·P + α·T,           (1)

где R 0 — начальное электросопротивление датчика, П g и α — соответственно барический и температурный коэффициенты сопротивления. Из уравнения (1) можно получить следующее соотношение:

Р = А 0 + А 1· ln R + A 2 · T ,              (2)

где А 0 = –(ln R 0 ) / П g ; А 1 = ( П g )^–1; A 2 = – α / П g .

Рис. 1. Структурная схема измерительного устройства с двухпара-метровым датчиком давления и температуры. Обозначения в тексте

С хорошей точностью значение температуры можно связать с выходным сигналом термопары ( U ) полиномом, аппроксимирующим номинальную статистическую характеристику (НСХ) преобразования хромель-алюмелевой (ХА) термопары [5]:

T = 2 C i- U . (3)

I = 0

Коэффициенты полинома, а также значения R ₀, П g и α барорезистора с предварительной их градуировкой хранятся в памяти компьютера. Нахождение Р и Т по измеренным U и R осуществляется с помощью выражений (2) и (3). Структурная схема измерительного устройства приведена на рис. 1. Выход датчика 1 через переключатель 2 связан со входом мостовой измерительной схемы 3, выходной сигнал которой через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4 поступает в память компьютера 5. Результаты вычисления физических величин Р и Т выводятся на блок индикации 6. Питание измерительной схемы обеспечивается блоком 7, а блок 8 управляет работой измерительного устройства в целом.

Применение барорезистора на основе SmS в датчике локальных объемных напряжений в бетоне оправдано не столько линейностью логарифмов его характеристик, сколько стабильностью параметров этого материала в бетоне. Известны различные датчики напряженного состояния в бетоне на основе металлических тензорезисторов (см., например, [3]). Однако такие тензорезисторы не долговечны при нахождении в бетоне и поэтому не позволяют стабильно производить измерения без специальных устройств, защищающих тензорезисторы от непосредственного соприкосновения с бетоном. При помощи таких устройств не представляется также возможным измерять объемные деформации в бетоне в малых областях порядка 1 мм3. Не удается проводить подобные измерения и с помощью датчиков других типов, например магнитострикционных [4], вследствие их большого размера (не менее 10 см3). В то же время необходимость в таких измерениях имеется, в частности, для диагностики поведения бетонных изделий, изготавливающихся и работающих в условиях отрицательных температур. Одна из основных проблем здесь состоит в определении наиболее низких температур и некоторых других условий, при которых возможно бетонирование. Критерием в этом случае может служить поведение локальных объемных напряжений при понижении температуры. Кроме того, для практики необходимы датчики, постоянно установленные в бетонных конструкциях, с помощью которых может осуществляться постоянный мониторинг их надежности при эксплуатации.

Важное значение имеет использование в качестве подложки пленочного барорезистора силикатного стекла [1]. Малая жесткость датчиков вследствие небольшого модуля упругости стекла и их мало отличающийся от бетона коэффициент линейного расширения не вносят существенных искажений в поле напряжений бетонных конструкций. Кроме того, привлекает доступность и дешевизна выпускаемых промышленностью тонких (~100 мкм) стекол. Главным же является обнаруженная нами стабильность поведения моносульфида самария на стекле в бетоне. На рис. 2 из [1] представлен график временнóй зависимости электросопротивления барорезистора. Измерения проводились в течение трех лет. Слабая зависимость электросопротивления датчика от времени позволила избежать применения для них каких-либо защитных покрытий.

Рис. 2. Временнáя стабильность электросопротивления тонкопленочного барорезистора на основе SmS на стеклянной подложке в бетоне с s

T , °C

Рис. 3. Зависимости локальных объемных напряжений от температуры в затвердевающем бетоне (точки 1) и замораживаемом грунте (квадраты 2), полученные с помощью двухпараметрового датчика комбинированного типа с барорезистором из SmS

Конструктивно датчик представляет собой подложку из силикатного стекла с размерами 1.5×1.0×0.1 мм, на которую нанесен чувствительный слой состава Sm 0.995 Gd 0.005 S и контактные площадки из константана. На одну из контактных площадок напаяна ХА-термопара. Сопротивление резистора 200 ± 5 Ом, П g = (1.00 ± 0.01)·10^–3 МПа^–1, α = (1.10 ± 0.01)·10^–3 К^–1. Такие датчики позволяют проводить измерения объемных напряжений до 70 МПа, с точностью до 2 % при температурах от –60 до +40 °С в областях размером ~1 мм³.

Датчик работает совместно с компьютерноизмерительной системой "Аксамит-6.25". Барорезистор и термопара подключаются по схемам для подключения резистивных датчиков и термопар согласно описанию системы. Быстродействие датчика определяется быстродействием измерительной системы и составляет 0.1 с. Других датчиков, позволяющих проводить аналогичные измерения, в настоящее время не существует.

Для иллюстрации возможностей датчиков на рис. 3 приведены полученные с их помощью зависимости локальных объемных напряжений от температуры в затвердевающем бетоне и замораживаемом грунте. Барорезисторы калибровались с помощью задатчика давления МЦ-600 в интервале давлений от атмосферного до 60 МПа при температурах +20 °С и –50 °С и с помощью газовой камеры до давлений 15 МПа при Т = –50 °С.

Тарирование термопар и барорезисторов по температуре, а также эксперименты по определению объемных напряжений проводились при естественно низких температурах в климатической камере фирмы "Фойтрон" типа 3101-01 в диапазоне температур (+20, –50) °С. В этих диапазонах Р и T параметры П g и α сохраняли указанные выше значения. Датчики показали свою работоспособность во влажных дисперсных средах, таких как бетон или грунт в указанном температурном интервале. Кривая 1 на рис. 3 снята в бетонном тесте (цемент, песок, вода в весовом соотношении 1 : 1.09 : 0.35 соответственно), кривая 2 — в грунте (песок и вода в соотношении 2.08 : 0.35). Охлаждение происходило в течение ~ 2 ч. Кривые такого типа удалось получить впервые. Никакими другими средствами это сделать невозможно. Из анализа кривых 1, 2 на рис. 3 следует принципиальное отличие поведения бетонного теста и грунта. Это является следствием мелкодисперсности цемента. В связанной воде замерзание происходит постепенно в различных порах разного размера при различных температурах. Рисунок позволяет сделать вывод, что бетонирование может производиться при Т ≥ –10 °С, т. к. до таких температур вода в бетонном тесте находится в жидкой фазе.

Датчики применялись в Институте физикотехнических проблем Севера СО РАН для диагностики поведения бетонных изделий, работающих в условиях Крайнего Севера и зоны вечной мерзлоты.