Проекты

Изменение электрического сопротивления тензорезисторов при деформации

Работа призёров конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Приборостроение, микроэлектроника и схемотехника» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 953
Предметы: Физика
Классы: 11 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Активными компонентами «умной» среды являются различные роботехнические системы, работу которых контролируют с помощью датчиков (сенсоров) напряжённо-деформированного состояния (НДС) при мониторинге положения, перемещения, растяжения и т. д. их отдельных элементов. В частности, гибкие сенсоры циклических деформаций материала-носителя (растяжения/сжатия при линейном сдвиге и/или вращении) – тензометрические датчики – используются в промышленном секторе производства робототехнических рук-манипуляторов, носимой электроники, в медицине и т. п. благодаря их большей динамичности относительно жёстких датчиков.

Известно, что для экспериментального определения НДС деталей и узлов в машиностроении применяются различные методы и средства, в которых используются различные принципы тензометрических измерений, положенных в основу средств преобразования деформации – тензометров:

  • силоизмерительный (при измерении усилия и нагрузки),
  • весоизмерительный (при измерении веса),
  • электрический. 

Среди электрических тензометров выделяют тензометры сопротивления, индуктивные, ёмкостные, пьезоэлектрические и индукционные. Наиболее массово используются тензометры сопротивления (тензорезисторы).

Новым направлением изготовления тензорезисторов является их нанесение на деформирующиеся поверхности печатными способами, что позволяет значительно расширить возможности их масштабирования, тиражирования и непосредственного нанесения в области нагрузки на различные по природе материалы, например, на полимерные и тканевые.

Цель

Исследование возможности использования электропроводящей печатной краски для изготовления тензорезистивных датчиков трафаретным способом печати на различных материалах, а также определение параметров, влияющих на их работоспособность.

Задачи

  1. Изготовить тестовые элементы тензорезисторов трафаретным способом печати на полимерной плёнке из полиэтилентерефталата и ткани из хлопка.
  2. Измерить электрическое сопротивление тестовых элементов тензорезисторов при нормальных условиях.
  3. Измерить электрическое сопротивление тестовых элементов тензорезисторов при их деформации (растяжении).
  4. Определить профиль тестовых элементов тензорезисторов при помощи портативного измерителя шероховатости.
  5. Сформулировать выводы по влиянию параметров поверхности материала на характеристики тензодатчиков.
  6. На основе выводов определить сферы производства, в которых могут использоваться тензодатчики.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Мультиметр
  • Трафаретный печатный станок
  • Трафаретные печатные формы
  • Электропроводящая краска Sun Chemical, содержащая дисперсию графита и аморфный углерод
  • TR200 – портативный измеритель шероховатости
  • Компьютер с установленным ПО: DataView, Arduino IDE, C++

Описание

1.      Изготовление тестовых элементов тензорезисторов трафаретным способом печати на полимерной плёнке из полиэтилентерефталата и ткани из хлопка;

2.      Измерение электрического сопротивления тестовых элементов тензорезисторов при нормальных условиях;

3.      Измерение электрического сопротивления тестовых элементов тензорезисторов при их деформации (растяжении);

4.      Определение профиля тестовых элементов тензорезисторов при помощи портативного измерителя шероховатости;

5.      Формулирование выводов по влиянию параметров поверхности материала на характеристики тензодатчиков;

6.      На основе выводов – определение сфер производства, в которых могут использоваться тензодатчики.

Были изготовлены 6 тестовых элементов тензорезисторов, 3 из которых наносили на полимерную плёнку при варьировании толщины тензорезистивного элемента, 3 – ­ на ткань при тех же условиях. Проведены измерения электрического сопротивления тензорезистивных элементов в исходном и растянутом состоянии материала. Основываясь на полученных данных, вывели закономерности и возможные сферы применения тензодатчиков.

Результаты работы/выводы

Тензодатчики способны улавливать мельчайшие изменения в структуре материала, меняя своё электрическое сопротивление. В связи с лёгкостью нанесения электропроводящей краски тензодатчики можно использовать в качестве определителя деформаций, что поможет вовремя отследить возникшую неполадку.

Перспективы использования результатов работы

Одним из широких применений тензодатчиков является обнаружение деформаций в различных объектах. Любая, даже малейшая деформация в перспективе может быть опасна для людей, эксплуатирующих объект или устройство. Своевременное обнаружение позволяет предотвратить дальнейшее разрушение. Тензодатчики способны улавливать мельчайшие изменения в структуре материала, изменяя своё электрическое сопротивление.

Система, отслеживающая аномальные изменения силы тока в датчике, позволит вовремя устранить возникшую неполадку. В связи с лёгкостью нанесения электропроводящей краски данный метод защиты может использоваться для большого количества материалов.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Московский Политех