Классификация датчиков

Размещено на http://www.allbest.ru//

1.Реостатные преобразователи линейных и угловых перемещений

Реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины.

Естественной входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка, а выходной величиной -- сопротивление.

На рис. 5-7, а показано устройство реостатного преобразователя. На каркас 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по металлу проволоки скользит щетка 3. Добавочная щетка 5 скользит по токосъемному кольцу 4. Обе щетки изолированы от приводного валика 6.

Реостатные преобразователи выполняют как с проводом, намотанным на каркас, так и реохордного типа. Чаще всего используется провод из различных сплавов платины, обладающих повышенной коррозионной и износостойкостью; применяются также манганин, константан, фехраль.

Формы каркасов очень разнообразны: они могут быть в виде пластины, цилиндра, кольца и т. д. Выбирая форму каркаса, можно получить определенную функциональную зависимость между перемещением и выходным сопротивлением, как показано в качестве примера на рис. 5-7, б. Выходное сопротивление реостатного преобразователя, периметр каркаса р и входное перемещение x связаны между собой зависимостью, где r - сопротивление 1 м провода;щ0 -- число витков на единицу длины преобразователя. Из заданной зависимости R=ц (x) можно определить зависимость р = f (x)

Реостатные преобразователи аналогично контактным являются ступенчатыми (дискретными) преобразователями (за исключением преобразователей реохордного типа), поскольку непрерывному изменению входной величины соответствует ступенчатое изменение сопротивления. При перемещении движка преобразователя на расстояние l, соответствующее щ виткам, будут иметь место 2щ ступенек, однако эти ступеньки неодинаковы по длине преобразователя.

Рассмотрим в качестве примера выходную характеристику преобразователя, включенного в режиме делителя напряжения, как показано на рис. 5-7, в. В положении 1 движок, имеющий ширину 2d, где d -- диаметр витка, замыкает накоротко витки а и b, и выходное напряжение , где щ0 -- полное число витков и п -- число витков до витка а. При смещении движка на расстояние d/2, т. е. в положение 2, движок замыкает накоротко три витка а, b и с, и выходное напряжение , при смещении движка еще на d/2 выходное напряжение . Размер ступенек напряжения при перемещении движка на расстояние d/2 будет зависеть от п: первая ступенька с увеличением п увеличивается, а вторая -- уменьшается, сумма остается постоянной: . Выходное напряжение преобразователя показано на рис. 5-7, в.

Дополнительное расширение полосы неопределенности происходит за счет шума, «генерируемого» движком при его движении (вариации контактного сопротивления, временное разъединение движка и контактной дорожки, ЭДС трения и т. д.). Поэтому в целом погрешность нуля реостатных преобразователей оценивается значением: .

Измерительные цепи, в которые включаются реостатные преобразователи, питаются преимущественно постоянным напряжением, но могут питаться и переменным напряжением. Напряжение питания преобразователя определяется его допустимой мощностью (для самых малогабаритных преобразователей допустимая мощность составляет не менее 0,1 Вт) и сопротивлением. Напряжение питания, как правило, стабилизируется. Наиболее распространенным является включение преобразователя в виде управляемого делителя напряжения или включение преобразователя в измерительный мост. Номинальное изменение сопротивления реостатного преобразователя достигает 90%, поэтому необходимо учитывать нелинейность, вносимую измерительной схемой, и, исходя из допустимой погрешности линейности, выбирать сопротивление измерительного прибора.

Применяется в устройствах электроавтоматики.

Металлические тензорезисторы. Конструкция. Области применения

В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Относительное изменение сопротивления при деформации резистора определяется как . Учитывая, что в твердом теле в зоне упругих деформаций величины поперечных и продольных деформаций связаны через коэффициент Пуассона м как , где b - поперечный размер проводника, выражение для можно представить в виде .

В металлах удельное сопротивление зависит только от напряжения растяжения или сжатия (рис. 5-8, а), не зависит от сдвиговых напряжений и определяется как:

,

где у1, у2, у3 - механические напряжения в трех взаимно перпендикулярных направлениях; р11 и р12= р13 - тензорезистивные коэффициенты, называемые соответственно продольным и поперечным; E1 и J1 - напряженность поля и плотность тока в направлении 1, совпадающим с направлением действия напряжения у1 (рис. 5-8, б).

Для металлического тензоэлемента р11= р22= р33 и р12= р13= р21= р23= р32.

Для константана, из которого чаще всего делают тензорезисторы, р11=; р12=.

При линейно напряженном состоянии у1=у, у2= у3=0; ; .

Учитывая, что в зоне упругих деформаций у = Е, где Е - модуль упругости, получим:

. Величина - коэффициент тензочувствительности.

При гидростатическом сжатии изменения сопротивления и давления связаны формулой . Коэффициент - барический коэффициент резисторов. Барический коэффициент константана , манганина .

При изменении температуры изменяется начальное сопротивление тензорезистора и коэффициент тензочувствительности. Таким образом, для тензорезисторов характерна температурная погрешность нуля и температурная погрешность чувствительности. Изменение начального сопротивления наклеенного тензорезистора определяется двумя факторами: изменение удельного сопротивления материала с непосредственно под действием температуры и изменением с под действием дополнительного механического напряжения, появляющегося в тензорезисторе, если коэффициенты линейного расширения детали и тензорезистора не равны. Величина кажущейся деформации под воздействием температуры определяется формулой:

где би - ТКС тензодатчика;

вД и вТ - коэффициенты линейного расширения материалов детали и тензодатчика.

Конструкция металлических тензорезисторов

Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензорезистора изображено на рис. 5-12, а. На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку 2 наклеивается так называемая решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 3 диаметром 0,02-- 0,05 мм. К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники 4. Сверху преобразователь покрывается слоем лака 1. Такой преобразователь, будучи приклеенным, к испытуемой детали, воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются преобразователи с базами 5--20 мм, обладающие сопротивлением 30--500 Ом.

Фольговые преобразователи представляют собой ленту из фольги толщиной 4--12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует решетку с выводами. Фольговые преобразователи имеют меньшие габариты, чем проволочные; известны тензорезисторы с базой до 0,8 мм.

Металлические пленочные тензорезисторы изготовляются путем вакуумной возгонки тензочувствительного материала с последующим осаждением его на основу (подложку). Форма тензорезистора задается маской, через которую производится напыление. Пленочные тензорезисторы имеют толщину меньше 1 мкм.

Весьма важным параметром тензочувствительной решетки является расстояние между витками. Это расстояние определяет при заданных габаритах резистора число витков и, следовательно, сопротивление, а также допустимый ток, который ограничивается самонагревом и будет тем меньше, чем меньше расстояние между витками.

Кроме того, наличие поперечных участков длиной b (рис. 5-12, а) вызывает изменение сопротивления тензорезистора за счет деформации этих участков при действии на деталь напряжения, перпендикулярного оси чувствительности тензорезистора. Для проволочных тензорезисторов отношение поперечной и продольной чувствительностей определяется отношением . У фольговых тензорезисторов поперечная чувствительность значительно меньше за счет расширения поперечных участков (рис. 5-12, б).

Характерные типы фольговых преобразователей показаны на рис. 5-12, в, г, д. На рис. 5-12, в изображен элемент, состоящий из четырех тензорезисторов, образующих четыре плеча моста. Этот элемент наклеивается на мембрану Тензорезисторы, расположенные в центре, испытывают растяжение, на периферии -- сжатие. К выводам 1 и 3 подводится питание, выводы образуют измерительную диагональ. Выводы разомкнуты для того, чтобы можно было включить добавочный резистор R в нужное плечо и добиться подбором R равновесия моста. Розетка из трех тензорезисторов, показанная на рис 5-12, г, применяется при измерении напряжений детали, находящейся в плосконапряженном состоянии, в том случае, когда направления действия напряжений неизвестны. По изменениям сопротивлений трех тензорезисторов определяются направления главных напряжений и их значения. Элемент, показанный на рис. 5-12, д, состоит из двух тензорезисторов и используется при измерении деформации валов при их скручивании

Для тензорезисторов, работающих в диапазоне температур до 180°С, в качестве тензочувствительного материала используется константан. Для более высоких температур (200--1000 °С) применяются специальные сплавы.

Основа тензорезистора (рис. 5-12, а) представляет собой тонкую полоску пропитанной клеем бумаги или лаковую пленку, из этого же материала выполняется обычно и покрышка. При высокой температуре (до 400 °С) может быть применена стеклоткань, пропитанная высокотемпературным цементом.

Для крепления тензорезистора к детали чаще всего используется клей Креплению должно уделяться очень большое внимание, так как именно через пленку клея происходит передача деформации с детали на тензорезистор и теплоотдача в деталь.

Нарушение технологии может привести к весьма существенным погрешностям, вызываемым ползучестью клея. В результате ползучести измеряемая деформация уменьшается по абсолютной величине. Значение погрешности зависит от технологии приклейки, температуры, величины деформации и в лучшем случае составляет 0,05 - 0,2%.

Из сравнения температурных возможностей тензочувствительного материала и клея видно, что ограничение температурного диапазона обуславливается прежде всего клеями. Поэтому для крепления высокотемпературных тензорезисторов применяются неорганические фосфатные цементы и жаростойкие окислы алюминия, наносимые на деталь методом газопламенного напыления. При таком креплении температурный диапазон ограничивается не ползучестью крепления с повышением температуры, а ухудшением изоляционных свойств цемента или окиси алюминия. Рабочий диапазон тензорезисторов ограничен температурой 350 - 600єС. При статических деформациях и 600-800єС при динамических деформациях. В случае измерения динамических деформаций в диапазоне температур до 1000єС применяется крепление с помощью контактной сварки.

Область применения тензорезисторов

При всем многообразии задач, решаемых с помощью тензорезисторов, можно выделить две основные области их использования.

К первой области относятся исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях. Для этих задач характерны значительное число точек тензометрирования, широкие диапазоны изменения параметров окружающей среды, а также невозможность градуировки измерительных каналов. Основной причиной погрешности в этих случаях является разброс параметров тензорезисторов R и KT вокруг средних для данной партии значений, и погрешность измерения составляет 2-10%.

Вторая область -- применение тензорезисторов для измерения механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента. В этом случае датчики градуируются по измеряемой величине и погрешности измерений лежат в диапазоне 0,5--0,05%.

Тензорезисторы используются для измерения статических и динамических деформаций, верхняя граница частотного диапазона определяется соотношением между длиной волны л и базой l тензорезистора. Для того чтобы не было искажения результата измерения из-за усреднения деформации, принимается отношение . В частности, для измерения в стальных деталях динамических деформаций с частотой до 50 кГц должны применяться тензорезисторы с базой, не большей 10 мм, так как скорость распространения ультразвука в стали v = 5000 м/с и длина волны .

При измерении динамических деформаций величина максимальной деформации для проволочных тепзорезисторов не должна превышать , для полупроводниковых , так как при больших деформациях резко понижается надежность тензорезисторов.

Для повышения точности и чувствительности тензорезисторов, а также измерительных цепей к ним представляет интерес установление предельных возможностей тензорезисторов, определяемых термодинамическими флюктуациями. Тензорезистор является параметрическим преобразователем с внутренним сопротивлением R и может представлен в виде эквивалентного генератора с мощностью короткого замыкания , где РT, -- мощность, потребляемая тензорезистором. Средняя мощность термодинамического шума равна , где Дж/К -- постоянная Больцмана; Т -- абсолютная температура; -- полоса частот. Отсюда средняя квадратическая погрешность находится в виде:

.Полупроводниковые тензорезисторы. Интегральное исполнение.

Индуктивные преобразователи линейных величин

Типы индуктивных преобразователей. На рис.1, а изображен наиболее распространенный преобразователь с малым воздушным зазором д, который изменяется под действием измеряемой величины Р. Рабочее перемещение в преобразователях с переменным зазором составляет 0,01--10 мм. В этих преобразователях могут быть использованы ферритовые элементы 2 (рис.1, б), выпускаемые промышленностью; для изготовления подвижного сердечника 1 используется основание такого же элемента 2, стенки которого сошлифовываются. На рис.1, в изображен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью. Он представляет собой катушку 1, внутри которой помещен стальной сердечник 2. Перемещение сердечника вызывает изменение индуктивности катушки. Этот тип преобразователя применяется для измерения значительных перемещений сердечника (10--100 мм).

Рис. 1

Одним из основных достоинств индуктивных преобразователей является возможность получения большой мощности преобразователя (до 1--5 В•А), что позволяет пользоваться сравнительно малочувствительным указателем на выходе измерительной цепи и регистрировать измеряемую переменную величину самописцем или вибратором осциллографа без предварительного усиления. Лишь при малогабаритных преобразователях приходится прибегать к включению усилителя.

При перемещении якоря под действием силы изменяется воздушный зазор д, следовательно, меняется сопротивление магнитной цепи, что приводит к изменению индуктивности L по гиперболическому закону и нелинейности характеристики:

,

где м0 - магнитная проницаемость воздушного зазора,

w - число витков обмотки,

S - площадь поперечного магнитопровода.

Электрическое сопротивление индуктивного преобразователя (рис.1, а), если считать, что все сопротивление утечки Rут включено параллельно зазору, выразится формулой:

Из этой формулы видно, что Z связано с длиной д воздушного зазора зависимостью, близкой к гиперболической. С увеличением зазора и, следовательно, сопротивления R0 полное электрическое сопротивление уменьшается так, как показано на рис.2, а: от при бесконечно малом зазоре до при бесконечно большом зазоре. Линейный участок характеристики преобразователя с начальным зазором д0 ограничен значением ?д, равным (0,1ч0,15) д0. Относительное изменение сопротивления ?Z/Zиз-за наличия активного сопротивления обмотки, потока утечки и магнитного сопротивления магнитопровода в 2--5 раз меньше относительного изменения зазора ед=?д/д0. Кроме того, следует обратить внимание на то, что при изменении сопротивления зазора Rд изменяется не только реактивная , но и активная составляющая сопротивления Z, и вектор сопротивления изменяется так, как показано на рис.2, б.

Рис.2

Расширения линейного участка характеристики можно добиться, если выбрать в качестве выходной величины преобразователя не сопротивление Z, а проводимость Y, которая (если пренебречь сопротивлением R) связана с изменением зазора как

Изменение проводимости при относительном изменении зазора ед=?д/д0 составит

и будет почти линейно связано с изменением зазора, в особенности при RУТ>>Rд. Уравнение можно представить как

откуда очевидно, что соответствующий вектор параллелен мнимой оси и сохраняет свое направление вне зависимости от изменения параметров, так как изменяются обе его составляющие.

Существенно уменьшить погрешности и увеличить линейный участок характеристики позволяет применение дифференциальных преобразователей. Поэтому в практике индуктивные преобразователи всегда выполняются дифференциальными. На рис. 8-31,а показана схематическая конструкция преобразователя для измерения малых перемещений, на рис. 8-31,б -- для измерения больших перемещений. В том и другом преобразователе происходит перемещение сердечника 1 и при перемещении в направлении стрелки -- увеличение сопротивления Z2 и уменьшение сопротивления Z1.

Измерительные цепи индуктивных преобразователей

Индуктивные преобразователи могут быть следующих видов: с переменной длиной воздушного зазора; с изменяющимся сечением воздушного зазора; дифференциальные; дифференциальные трансформаторные; дифференциальные трансформаторные с разомкнутой магнитной цепью и магнитоупругие.

Наиболее распространенной измерительной цепью является неравновесный измерительный мост, в два плеча которого включены две половины дифференциального преобразователя (рис. 8-31). С измеряемой величиной линейно связана проводимость преобразователя. Поэтому оптимальным является включение преобразователей параллельно

источнику и питание моста от источника напряжения. Уравновешивание моста в начальном положении, т. е. при отсутствии входной величины (технологически трудно получить точное равенство сопротивлений двух половин преобразователя), производится по двум составляющим -- изменением сопротивления нерабочего плеча Z3 или Z4 и изменением сопротивления r0, включаемого в плечо, имеющее меньшее активное сопротивление. Если при ?д=0 цепь была уравновешена, то при ?д?0 через указатель потечет ток, равный IУК=U?Y, где ?Y -- приращение электрической проводимости преобразователя.

Ток IУК сдвинут по фазе относительно напряжения питания. Угол сдвига ц=90є, если RУК>0 и ц=0 при RУК>?; при согласовании сопротивления указателя с выходным сопротивлением моста ц=45є. Это обстоятельство необходимо учитывать при наличии в измерительной цепи фазочувствительных устройств.

5. Методы измерения линейных и угловых величин (характеристики измеряемых величин, классификация методов измерения

Измерения линейных и угловых величин весьма распространены, широко применяются в машиностроении, геодезии, в военном деле, космонавтике, астрономии и т.д. Например, в машиностроении они составляют 80% от всех производимых измерений. Широкое распространение измерений линейных и угловых размеров обусловлено тем, что наиболее используемые методы измерений ряда физических величин, таких, как механическое напряжение, сила, момент, давление, параметры движения, основаны на промежуточном преобразовании этих величин в угловое или линейное перемещение и измерении этих перемещений. Кроме того, выходной величиной всех аналоговых измерительных приборов является линейное или угловое перемещение указателя показывающего или регистрирующего устройства и погрешность определения этого перемещения - одна из основных погрешностей прибора.

Современная практика требует измерения линейных размеров в очень широком диапазоне (10-15-1023м). Угловые размеры чаще всего ограничены полной окружностью, и требуемый диапазон их измерений составляет (или 2р радиан). Нижний предел измерений линейных размеров 10-15м соответствует размерам микрочастиц (радиусы атомных ядер лежат в пределах м) и длинам волн рентгеновского и гамма-излучения.

Относительная нестабильность длин волн лучших лазеров не менее 10-11, а возможная для измерения доля интерференционной полосы составляет 10-9, что в видимой области спектра (л=м) соответствует нижнему теоретическому пределу измерения длины м. Однако, из-за тепловых флуктуаций, дробового эффекта, квантовых пределов малых перемещений и других помех нижний предел измеряемых длин в настоящее время составляет м, а угловых размеров - . Верхний предел измерения длин определяется размерами галактик, которые предположительно составляют 20-200 млрд. световых лет (м).

Наиболее часто встречающиеся задачи измерения линейных и угловых размеров можно разделить на следующие группы:

Воспроизведение и измерение сверхмалых длин и перемещений (менее 10-10м), которые необходимо выполнять при создании эталонных мер единицы длины с относительной погрешностью менее 10-6, при измерении толщин мономолекулярных пленок, при создании средств измерений очень малых сил (10-12Н и менее), при которых надо регистрировать смещения порядка 10-18м, при детектировании гравитационных волн, исследовании структуры вещества и микрочастиц, определении межатомных расстояний в совершенных монокристаллах, при точном определении числа Авогадро и других экспериментальных исследованиях.

Измерение линейных размеров в диапазоне от 0,01 мкм до нескольких десятков метров и угловых размеров от до 360є, которые имеют место в машиностроении и приборостроении. Наиболее часто встречающиеся задачи этой группы - измерение параметров шероховатости, являющейся модификацией длины; измерение отклонений размера от заданного значения; измерение диаметров отверстий, параметров зубчатых передач, толщины деталей и изделий, в том числе при одностороннем доступе, например, измерение толщины различных антикоррозионных покрытий. В связи с развитием микроэлектронной элементной базы возникают сложные задачи измерения толщины покрытий и микропленок из полупроводниковых, изоляционных и проводящих материалов, а также толщины многослойных изделий и структур в диапазоне м.

Измерение размеров в диапазоне от 0,001 м до сотен метров при определении уровней жидких и сыпучих веществ в различных резервуарах и скважинах, уровня горючего в баках различных транспортных средств, разности уровней верхнего и нижнего бьефов платины, в строительстве, в геодезии и т. д.

Определение координат объектов и расстояний между объектами, в том числе и космическими, которые лежат в пределах от долей микрометра до многих миллиардов километров и более.

Измерение линейных и угловых размеров обычно связано с определением координат границ раздела отдельных объектов, веществ, сред и фаз, отличающихся по каким-то параметрам. Поэтому многие методы и средства измерений размеров основаны на использовании свойств различных сред или объектов, образующих границы измеряемого размера.

Основные электрические методы и соответствующие средства измерения линейных и угловых размеров в зависимости от наличия или отсутствия механического контакта между объектом и средством измерений разделяются на контактные и неконтактные. В зависимости от принципа измерительного преобразования методы делятся на электромеханические, электрофизические и спектрометрические (волновые).

Электромеханические методы в зависимости от используемого вида первичного преобразователя разделяются на резистивные, индуктивные, емкостные, оптоэлектронные, обкатывания и т.д.

Электрофизические методы в зависимости от используемого физического свойства вещества или явление делятся на электрокондуктометрические, теплокондуктометрические, магнитные, емкостные, электромагнитные, многопараметрические и т.д.

Спектрометрические (волновые) методы и соответствующие средства измерений, с одной стороны, классифицируются в зависимости от длины волны используемого излучения на звуковые, ультразвуковые, радиоволновые, СВЧ, оптические (лазерные), рентгеновские, радиоактивные. С другой стороны, в зависимости от используемого явления или комбинации явлений спектрометрические методы разделяются на локационные, интерферометрические, голографические, доплеровские и др.

При наименовании метода или соответствующего средства измерений обычно указываются два или несколько признаков, например рентгеновский интерферометр, лазерный рефрактометр и т.д. По назначению рассматриваемые средства измерений разделяются на микрометры, миниметры, толщинометры, профилометры, уровнемеры, глубиномеры, путемеры, угломеры, гониометры и т.д.

6.Контактные преобразователи и преобразователи контактного сопротивления

Электроконтактный преобразователь - это устройство, преобразующее линейное перемещение измерительного стержня в электрический сигнал - команду путем замыкания электрических контактов.

По своему назначению электроконтактные преобразователи подразделяются на три основные группы, и от того, к которой из этих групп относится преобразователь, зависит порядок его расчета и выбор конструкции.

К первой группе относятся преобразователи, обеспечивающие относительно невысокую точность фиксации положения поверхности контролируемого тела (порядка нескольких мкм). Такие преобразователи (путевые выключатели, микропереключатели и т.д.) обеспечивают установку узлов машин в требуемом положении, остановку объекта контроля на измерительной позиции и т.д. С их помощью проводят включение и выключение электрических цепей, управляющих работой электромагнитов, реле, а в некоторых случаях - двигателей. Большая допустимая погрешность фиксации положения поверхности контролируемого тела позволяет нагружать электроконтакты таких преобразователей большими токами и использовать их для включения и выключения цепей со значительными напряжениями и содержащими большие индуктивности.

Ко второй группе относятся преобразователи контроля размеров изделий, обеспечивающие более высокую точность релейного преобразования перемещения в электрическое сопротивление. Погрешность преобразования обычно не должна превышать 1-2 мкм, а в ряде случаев должна быть значительно меньше. Такие электроконтактные устройства с целью сохранения формы и размеров контактов нельзя нагружать большими токами и использовать в цепях с высокими напряжениями и большой индуктивностью. Преобразователи этой группы, например, включают в электроконтактные измерительные головки, которые, в свою очередь, подразделяются на предельные (для контроля размеров деталей в контрольных приспособлениях, контрольно - сортировочных автоматах и т.д.) и амплитудные (для контроля отклонений формы деталей от правильной).

К третьей группе относятся преобразователи, реагирующие не на механическое перемещение, а на другие величины, например, ускорение или магнитное поле, позволяющее использовать электроконтакты, находящиеся в герметически закрытом баллоне, из которого откачен воздух, и который заполняется инертным газом. Примером преобразователей этой группы являются герконы. Они применяются в электрических реле (управляются внешним магнитным полем), а также для контроля ускорений и связанных с ними величин (амплитуды, частоты вибрации и т.д.).

Контактными называются измерительные преобразователи неэлектрических величин, в которых измеряемое механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью. Таким образом, естественной выходной величиной контактных преобразователей является перемещение.

Однопредельный контактный преобразователь показан на рис.1, а и имеет одну пару контактов 4 и 5, замыкание которых происходит в функции измеряемого перемещения, например изменения размера изделия 1. При увеличении размера изделия шток 3 переместится в направляющих 2 и укрепленный на нем контакт 4 войдет в соприкосновение с контактом 5. При этом сопротивление между контактами 4 и 5 изменится от бесконечности до малого значения, определяемого значением контактного сопротивления.

В измерительной технике в цепях коммутации широко применяются магнитоуправляемые контакты, называемые герконами. В стеклянном баллоне, имеющем диаметр около 3 мм и длину около 20 мм, помещаются контактные пластины. Переключаемые токи составляют А при напряжениях до 220 В. Исследования, проведенные Я. Б. Петерсоном, показали, что сопротивление между контактами в замкнутом состоянии не превышает 0,1 Ом, в разомкнутом состоянии -- не менее 109 Ом, емкость между контактами 0,4пФ, индуктивность 0,5--1,5 мкГн. При замыкании контактов наблюдается в среднем шесть отскоков, и время дребезга контактов составляет 100-- 120 мкс. Дребезг контактов приводит к возникновению дополнительного шума. Кроме того, при наличии разницы температур между выводами контакта приходится учитывать термо-ЭДС, которая составляет около 40 мкВ при температурном градиенте 1 К.

Рис.1

Преобразователи контактного сопротивления основаны на изменении под действием давления сопротивления между проводящими элементами, разделенными слоями полупроводящего материала. Преобразователь может быть выполнен в виде столбика из ряда слоев электропроводящей бумаги, электропроводящей резины или металлических пластин, на которые путем напыления нанесен высокоомный резистивный слой. Преобразователи контактного сопротивления имеют большие погрешности гистерезиса и линейности (до 10%), но очень просты конструктивно, имеют высокую надежность и достаточную выходную мощность. На рис. 1, б показана схематическая конструкция преобразователя, применяемого в биоэлектрическом протезе, где 1 --электрод; 2 -- электропроводящая пластина; 3 -- клей; 4 -- изолятор из резины. При изменении давления от 0 до 105 Па сопротивление изменяется от 100 до 2 кОм при деформации чувствительного элемента до 50%, допустимая мощность рассеяния 0,5 Вт. Подобные преобразователи используются в тактильных датчиках роботов и манипуляторов.

7.Термоэлектрические преобразователи (принцип действия, их измерительные цепи).

Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 1), причем температуру одного места соединения сделать отличной от температуры другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемой термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС) и представляющей собой разность функций температур мест соединения проводников:

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, -- термоэлектродами, а места их соединения -- спаями.

Рис.1.

Термо-ЭДС при небольшом перепаде температур между спаями можно считать пропорциональной разности температур:

Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников, значение термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, то не возникает никаких паразитных термо-ЭДС.

Можно разомкнуть контур в месте контактирования термоэлектродов A и В и вставить дополнительный проводник С между ними (рис. 1,б). Значение термо-ЭДС в этом случае определится как , так как если два любых проводника А и В имеют по отношению к третьему С термо-ЭДС и , то термо-ЭДС термопары АВ равна .

Можно разорвать также один из термоэлектродов и вставить дополнительный проводник в место разрыва (рис. 1, в). Значение термо-ЭДС в этом случае будет тем же, что и в предыдущем. Действительно: .

Таким образом, прибор для измерения термо-ЭДС может быть включен как между свободными концами термопары, так и в разрыв одного из термоэлектродов.

Конструктивно термопара представляет собой две проволоки из разнородных металлов, нагреваемые концы которых скручиваются, а затем свариваются или спаиваются. Как правило, горячий спай промышленных термопар изготавливается сваркой. Пайка применяется редко и только при изготовлении нестандартных лабораторных термопар из очень тонких проволок.

Для правильного измерения необходимо соблюдать равенство температур t в точках t1 и t0. Это равенство обеспечивается тем, что точки t1 и t0 помещаются близко одна к другой в головке термопары. Спаи с температурой t0 удалены от головки термопары на длину термоэлектродных проводов, что обеспечивает их термостатирование. Далее до измерительного прибора можно применять медные провода. Как правило, соединительные провода для термопар изготавливают из неблагородных металлов (из тех же материалов, что и сами термоэлектроды).

Создаваемая термо-ЭДС невелика: она составляет . При измерении термо-ЭДС необходимо применять высокочувствительные измерительные приборы.

При измерении температуры в широком диапозоне необходимо учитывать нелинейность функции преобразования ТЭП. Например, функция преобразования медь-константановых термопар в диапозоне температур -200 до +3000С с погрешностью 2мВ описывается следующей эмпирической формулой . А, В и С - постоянные величины, определяемые путем измерения термо-ЭДС трех известных температурах; t- температура рабочего спая (t0=0°C).

Для всех стандартных термопар имеются градуировочные таблицы.

Термопары позволяют измерять температуру от -200 до +2200°С.

до 1100°С используют термопары из неблагородных металлов (хромель-алюмель, медь-константан);

от 1100°С - из благородных металлов и металлов платиновой группы;

выше 1600°С применяются термопары из жаростойких сплавов (на основе вольфрама - ВР 5/20).

Термосопротивления.

Омическое сопротивление проводников и полупроводников представляет собой некоторую функцию от температуры, т.е. . Вид этой функции зависит от природы материала. Измеряя сопротивление нагретого проводника или полупроводника одним из известных методов и зная вид функции для данного материала, можно определить его температуру, а следовательно, и температуру пространства или среды, в которую он помещен.

Термопреобразователями называются сопротивления, выполненные из материала, свойства которых в значительной степени зависят от температуры.

Чувствительность термосопротивлений к изменению температуры характеризуется температурным коэффициентом электросопротивления , который выражает относительное изменение сопротивления на единицу приращения температуры

Зависимость сопротивления от температуры определяется теплообменом между материалом и средой, в которой он находится. Теплообмен между термосопротивлением и окружающей средой осуществляется различными способами: конвекцией, теплопроводностью среды и самого материала, а также излучением.

Интенсивность режима обмена зависит от:

температуры жидкой и газовой среды;

физических свойств среды (плотность, теплопроводность);

скорости перемещения среды;

геометрических размеров термосопротивления.

Зависимость сопротивления материала от указанных свойств можно использовать для измерения различных неэлектрических величин, характеризующих газовую, жидкую или дисперсную среду: скорость, температура, концентрация, теплопроводность.

Термосопротивления применяются в качестве первичных преобразователей (датчиков) в различных устройствах автоматики.

Приборы для измерения температуры, в которых в качестве преобразователя используются термосопротивления, называются термометрами сопротивления. Такие термометры, в отличие от манометрических термометров, обладают рядом преимуществ:

более высокой точности;

имеется возможность централизации контроля температуры путем присоединения к одному измерительному прибору нескольких термометров;

обладают меньшим запаздыванием в показаниях.

Недостаток термометров сопротивления - необходимость во внешнем источнике питания.

Основным требованием к материалам, применяемым для преобразователей термометров сопротивления, является возможно больший и стабильный температурный коэффициент сопротивления при достаточно большом удельном сопротивлении. Для изготовления термосопротивления применяются чистые металлы (платина, медь) и полупроводники.

Металлические термосопротивления - терморезисторы - изготавливаются из чистых металлов: меди, железа, никеля, платины. Сопротивление чистых металлов монотонно возрастает с увеличением температуры. Эта зависимость отличается стабильностью и приблизительно подчиняется линейному закону до температуры 100-2000С. Для многих металлов зависимость может быть представлена в виде:

, где

- ТКС металла (°С-1).

Коэффициенты убывают с возрастанием показателя степени температуры. Для температур значительно меньших температуры плавления, слагаемыми степени выше 1-й можно пренебречь, т.е.:

.

Подчинение линейному закону изменения сопротивления чистых металлов при изменении температуры дает возможность легко справляться с градуировкой терморезисторов, т.к. шкала измерительного прибора при этом получается равномерной.

В случае наличия примесей в металле их сопротивление от температуры изменяется не линейно и значительно отличается от линейного закона. Поэтому сплавы для изготовления терморезисторов не применяются.

Наиболее стабильным и часто применяемым в автоматике является платиновое сопротивление, его характеристика в диапозоне от 50 до 600°С выражается формулой:

, где

Полупроводниковые термосопротивления изготовляются из окислов металлов (окиси меди, никеля, марганца, магния), а также из сульфидов, нитридов, и карбидов этих металлов.

Удельное сопротивление таких полупроводников зависит от их состава, но оно оказывается всегда больше сопротивления металлов и может превышать удельное сопротивление металлов в 10-100 раз. Кроме того, вследствие малой проводимости полупроводников из них можно изготовлять термометры малых размеров с большим начальным сопротивлением, что позволяет не учитывать сопротивление соединительных проводов и других элементов электрической схемы термометра. Сопротивление полупроводников уменьшается при увеличении температуры, поэтому ТКС - отрицателен.

В узком температурном интервале зависимость термистров (полупроводниковых термосопротивлений) от температуры нелинейна:

, где

и- постоянные коэффициенты, зависящие от физических свойств материала полупроводника, размеров и формы термистра.

и

Чувствительность термистров к изменению температуры значительно выше, чем для терморезисторов. Так, если для металлов , то для полупроводников .

Недостатками полупроводниковых термосопротивлений являются:

нелинейная зависимость сопротивления от температуры;

слабая воспроизводимость свойств полупроводников, что исключает их взаимозаменяемсть;

сравнительно невысокая максимальная рабочая температура;

большой разброс по величине ТКС даже в пределах партии чувствительных элементов с одинаковыми номинальными характеристиками.

Для измерения температуры наиболее часто применяют термосопротивления типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5, КМТ-1, КМТ-4.

ММТ - сплав и окислы меди и марганца.

КМТ - сплав и окислы кобальта с марганцем.

Резистивные делители тока и напряжения

Резистивные делители широко применяются в электрических цепях приборов. Схемы простейших делителей тока и напряжения приведены на рис.1, а, б. Коэффициенты передачи, или коэффициенты деления, делителей соответственно мU = R2/(R1+R2); мI = R1/(R1+R2) и определяются отношением сопротивлений входящих в них резисторов, поэтому точность коэффициента деления определяется не точностью самих сопротивлений резисторов, а лишь точностью поддержания их отношения.

Рис.1

Приведенные выражения справедливы для случая, когда можно пренебречь внутренними сопротивлениями источников и нагрузок, полагая, что для делителя напряжения RН>?, а для делителя тока RН>0. С учетом сопротивлений источников и нагрузок выходной ток и выходное напряжение определяются формулами:

Коэффициент деления тока не зависит от сопротивления цепи, включенной последовательно с делителем, т. е. от сопротивления источника. При постоянных сопротивлениях делителя и нагрузки изменение коэффициента деления учитывается формулами:

Или, учитывая, что выходные сопротивления делителей составляют RВЫХI=R1+R2 (Ri>?) и RВЫХU=R1R2/(R1+R2) (Ri=0), коэффициенты деления можно представить в виде:

.

Из приведенных формул легко определить погрешность делителей при изменении сопротивления нагрузки или выходных сопротивлений делителей. Однако, даже если нагрузки остаются неизменными, включение нагрузок, имеющих сопротивления, сравнимые с выходными сопротивлениями делителей, крайне нежелательно, так как это приводит к существенному возрастанию погрешностей делителей под влиянием внешних факторов.

Для ненагруженных делителей погрешности от влияния внешних факторов пренебрежимо малы, так как используемые в них резисторы идентичны и отношение Их сопротивлений является инвариантной величиной. По-разному влияют внешние воздействия на сопротивления делителя и нагрузки, так как последние выполняются из различных материалов, и поэтому возрастают соответствующие погрешности. Полагая, что под действием температуры относительная погрешность резисторов делителя составляет гR, а относительная погрешность сопротивления нагрузки гRн, можно написать следующие выражения для погрешностей коэффициентов деления:

гмI ? (гR- гRн)RH/RВЫХ;гмU ? - (гR- гRн)RВЫХ/ RH.

Если на вход резистивного делителя подается переменное напряжение достаточно высокой частоты или напряжение, содержащее высокочастотные гармоники, то необходимо учитывать реактивные составляющие сопротивлений входящих в делитель резисторов.

Для того чтобы избежать частотной погрешности, должно выполняться следующее условие: R1/R2 = L1/L2 = C2/C1, где L1, L2, C1, C2 -- параметры эквивалентной схемы резисторов (рис.1, в).

Влияние индуктивной составляющей комплексного сопротивления обычно невелико, что объясняется соответствующей конструкцией непроволочных резисторов и бифилярной намоткой высокочастотных проволочных резисторов. Емкостная же составляющая сопротивления может вносить заметную погрешность. Эту погрешность можно исключить, выравнивая постоянные времени резисторов делителя, для чего подбирают небольшие конденсаторы, включаемые параллельно резисторам. Использование подобной емкостной коррекции позволяет снизить частотную погрешность делителей до десятых долей процента для частот звукового диапазона при применении микропроволочных резисторов типа МВСГ и для частот вплоть до нескольких десятков мегагерц при использовании непроволочных резисторов.

Дальнейшее снижение частотной погрешности возможно при применении более сложных схем частотной коррекции.

Существенно увеличиваются частотные погрешности делителей при включении сопротивления нагрузки. В рабочем диапазоне частот, где резисторы делителя имеют чисто активные сопротивления, частотные погрешности, вызванные реактивными составляющими сопротивлений нагрузок, определяются формулами:

если считать, как это и бывает в большинстве случаев, что нагрузка делителя тока имеет индуктивную составляющую, а нагрузка делителя напряжения -- емкостную.

Многоступенчатые резистивные делители напряжения и тока приведены на рис. 1, г и д, где в качестве примеров указаны значения сопротивлений. Подобные схемы используются для переключения пределов амперметров и аналоговых электронных вольтметров. Особую роль играют многоступенчатые делители с многозначными регулируемыми коэффициентами деления, используемые в современных цифровых приборах и компенсаторах ручного уравновешивания. В качестве примера на рис.2 показан трехзначный делитель, который может выполняться как с ручным, так и с автоматическим изменением коэффициента деления. Принцип действия делителя поясняется рис.2, а. Делитель состоит из идентичных резисторов, по которым перемещаются два механически соединенных, но электрически изолированных движка. Часть резистора, к которой приложено напряжение, показана штриховкой; та часть резистора, с которой снимается напряжение, показана более густой штриховкой. На рис.2, б, в представлены построенные на этом принципе соответственно делитель с ручным управлением (при указанном положении движков Uвых = 0,120 Uвх) и с автоматическим управлением путем замыкания и размыкания соответствующих контактов реле (при указанном положении контактов (Uвых = 0,538 Uвх).

Число знаков коэффициента деления определяется возможным диапазоном сопротивлений резисторов, поскольку, как видно из рис.2, в, для того чтобы не сказывались остаточные параметры ключей, меньшее сопротивление должно быть на 1--2 порядка больше сопротивления rк замкнутого ключа, а большее сопротивление -- на 2--3 порядка меньше сопротивления Rк разомкнутого ключа.

Рис. 2.

Если предположить, что rк = 0,01 Ом, а Rк = 108 Ом, то можно реализовать пятизначный делитель, в котором коэффициент деления будет иметь погрешность, не превышающую последнего знака. Анализируя различные схемы делителей, следует обратить внимание на следующие характеристики: постоянство входного сопротивления, постоянство выходного сопротивления, наличие общей шины между цепями входного и выходного напряжения, влияние остаточных параметров ключей, число используемых в делителе номиналов резисторов. В современных цифровых приборах применяются лестничные делители тока и напряжения на выполненных по интегральной технологии матрицах резисторов, содержащих всего два номинала резисторов R и 2R. Схемы таких делителей показаны на рис.3.

Рис. 3.

В делителе напряжения (рис.3, а) используется один источник напряжения и усилитель с бесконечно большим входным сопротивлением, с выхода которого снимается нужная часть входного сигнала. В делителе тока (рис.3, в) используется несколько идентичных источников тока и суммирующий усилитель с бесконечно малым входным сопротивлением. На рис.3, б и г показаны эквивалентные схемы того и другого делителя при замыкании (n - 2)-го ключа в положение 1.

Резистивная матрица имеет постоянное выходное сопротивление Rвых = R. Коэффициенты деления делителя тока и делителя напряжения составляют:

,

где бi принимают значения 0 и 1 в зависимости от положения ключей.

При подключении к выходу делителей конечных сопротивлений нагрузок коэффициенты деления меняются.

Лучшие делители имеют до 16 разрядов, погрешность линейности ±0,002%, температурную погрешность ± 0,0007% на 1 К.

9.Электростатические преобразователи (принцип действия, область применения)

Простейший электростатический преобразователь содержит два электрода площадью S, параллельно распложенных на расстоянии д в среде с диэлектрической проницаемостью е.

С электрической стороны преобразователь характеризуется напряжением U между пластинами, зарядом q=CU, где С - ёмкость, равная при плоскопараллельном расположении пластин (без учета краевого эффекта), током , энергией электрического поля . Если одна из пластин (или диэлектрик между ними) имеет возможность перемещаться, то с механической стороны преобразователь характеризуется жесткостью подвеса подвижной пластины щ, ее перемещением x, скоростью перемещения и электростатической силой притяжения .

Взаимосвязь механической и электростатической сторон преобразователя отражается уравнениями:

Эти уравнения даны в линеаризованной форме, т.е. в предположении, что значение u и x малы по сравнению с начальными напряжением и зазором между пластинами (С0, E0 = const). Из приведенных уравнений видно, что любое воздействие с механической стороны изменяет электрическое состояние преобразователя и, наоборот, изменение электрического поля приводит к изменению механических характеристик. Коэффициент электромеханической связи kэм = С0E0. Эта взаимосвязь должна учитываться при любых применениях электростатических преобразователей. Например, из первого уравнения следует, что если напряжение u зависит от перемещения x, то эквивалентная жесткость включенного в цепь преобразователя отличается от жесткости подвеса. Из второго уравнения видно, что ток через преобразователь определяется не только составляющей , но и не всегда учитываемой составляющей, обусловленной перемещением электродов: .

Выходной величиной электростатического преобразователя может быть:

изменение емкости С.

сила

ЭДС, генерируемая при взаимном перемещении электродов, находящихся в электрическом поле.

Для электростатических преобразователей, в которых изменяется емкость, входными величинами могут быть механическое перемещение, изменяющее зазор или площадь, или изменение диэлектрической проницаемости е под действием изменения температуры или состава диэлектрика.

Электростатические преобразователи с изменяющейся емкостью (емкостные) используются в различных датчиках прямого преобразования, а также как преобразователи неравновесия в датчиках уравновешивания. Емкостные преобразователи работают на переменном токе несущей частоты щ, которая должна значительно превышать наибольшую частоту Щ изменения емкости под действием измеряемой величины. В качестве емкостных преобразователей используют также запертые p-n переходы: p и n-области играют роль пластин, разделенных обедненным слоем, ширина которого д, а соответственно и емкость p-n перехода изменяются под действием приложенного напряжения. Эти полупроводниковые элементы называются варикапами.

Для электростатических преобразователей с выходной величиной в виде силы входной величиной является напряжение. Эти преобразователи используются в электростатических вольтметрах, а также в датчиках уравновешивания в качестве обратных преобразователей давления.

При емкости, принудительно изменяемой по известному закону, например , электростатический преобразователь работает в емкостных модуляторах и измерителях поверхностных зарядов (генераторный режим). Электростатический преобразователь емкостного модулятора в зависимости от постоянной времени RC-цепи (рис. 7-1) может работать в режиме заданного заряда при ЩRC>>1 и заданного напряжения при ЩRC<<1.

В первом случае:

т. е. выходной величиной является переменная составляющая напряжения UC (или UR).

Во втором случае:

т. е. выходной величиной модулятора, пропорциональной постоянному напряжению UX, является ток .

В том же генераторном режиме работают и конденсаторные микрофоны, преобразующие энергию акустических колебаний в электрическую. В этом случае UX=U0 задается от стабильного источника и переменная составляющая напряжения пропорциональна в зависимости от режима перемещению пластины конденсатора или скорости ее перемещения.

Ёмкостные преобразователи

Рис. 1

На рис. 1 показано устройство различных ёмкостных преобразователей. Их принцип работы основан на зависимости ёмкости конденсатора от размеров, его взаиморасположения обкладок и среды между ними.

...