Измерительные преобразователи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Элементы средств измерений

1.1 Первичные измерительные преобразователи (ПИП)

Назначение, классификация, используемые физические явления, конструкции, области применения

Измерительный преобразователь - прибор, который преобразует изменение одной величины в изменение другой.

Точность измерений, характеризующая близость измеренного значения физической величины к его действительному значению, обычно оценивается погрешностью, т.е. максимально возможной разностью между измеренным действительным значениями.

Чувствительность есть отношение изменения его выходного сигнала к изменению на входе.

Для линейного преобразователя, чувствительность может быть просто определена делением общего диапазона выходного напряжения на общий входной диапазон.

Пример. В качестве примера предположим, что диапазон изменения выходного напряжения преобразователя составляет от 0 до 10 В, а диапазон изменения температуры на входе - от 0 до 100°С, тогда чувствительность равна

Одним из важнейших параметров преобразователя является линейность его характеристики, которая может влиять на точность измерения. Рекомендуется использовать преобразователи с линейной характеристикой (рис. 1, а), поскольку соединенные с преобразователем схемы формирования сигнала также являются линейными и, следовательно, весьма дешевыми при проектировании и изготовлении. Если же преобразователь является существенно нелинейным (рис. 2, б), то можно применить линеаризирующую схему формирования сигнала.



Рис. 1. Линейные и нелинейные характеристики преобразователей: а - линейный преобразователь; б - нелинейный преобразователь. (Нелинейный преобразователь часто используется в ограниченной части общего диапазона, чтобы получить приблизительно линейную характеристику); 1 - реальная характеристика нелинейного преобразователя; 2 - линейная область выходного сигнала; 3 - линейная характеристика, которая аппроксимирует действительную реакцию преобразователя за счет использования ограниченной части диапазона

измерительный преобразователь термоэлектрический

Линейный преобразователь может работать и вне своего обычного диапазона, но он имеет предел, при достижении которого выходной сигнал резко падает либо насыщается, когда измеряемая величина выходит за границы полной шкалы значений. Это также приводит к возникновению нелинейности. В некоторых случаях отдается предпочтение высокой нелинейности характеристик. Скажем, в преобразователе, используемом для контроля выхлопных газов автомобиля, желательно иметь один выходной сигнал, соответствующий допустимому составу выхлопных газов, и совершенно другой, когда состав выхлопных газов, неудовлетворительный. Как правило, один сигнал соответствует уровню логического 0, а другой - логической 1. B этом случае преобразователь функционирует как переключатель сигналов, имеющих два уровня.

Рассмотрим еще одну характеристику преобразователя - гистерезис. Обращаясь вновь к преобразователю для контроля выхлопных газов автомобиля, заметим, что точное положение точки, в которой выходной сигнал переходит из одного состояния к другому, может меняться в зависимости от того, увеличивается или уменьшается выхлоп газов. На рис. 2 показана возможная характеристика преобразователя с гистерезисом. При увеличении концентрации продуктов неполного сгорания в выхлопных газах преобразователь не меняет своего выхода, пока эта концентрация не превысит 2%. Когда же концентрация продуктов неполного сгорания в выхлопных газах уменьшается, преобразователь не меняет выхода до тех пор, пока эта концентрация не снизится до 1%. В общем случае стремятся к тому, чтобы эффект гистерезиса был как можно меньшим.

Рис. 2. Гистерезис в измерительном преобразователе: 1 - точка изменения состояния прeoбразователя при уменьшении процента продуктов неполного сгорания; 2 - точка изменения состояния преобразователя при увеличении процента продуктов неполного сгорания

Любой преобразователь можно рассматривать как устройство, структурная схема которого представлена на рис. 3. Здесь чувствительный элемент воспринимает измеряемое свойство объекта и преобразует его в другую физическую величину. Затем преобразующий элемент преобразует эту физическую величину в электрический сигнал, значение которого отражает уровень измеряемого свойства объекта. Другими возможными частями измерительного преобразователя являются схемы формирования сигнала и питания.

Рис. 3. Структурная схема измерительного преобразователя, включающая в себя элементы, общие для всех типов преобразователей. Показанные в пунктирных линиях элементы могут в некоторых преобразователях отсутствовать

B электронной системе существуют три вида сигналов:

1) аналоговый сигнал, являющийся электрическим представлением или аналогом (током или напряжением) исходного измеряемого параметра;

2) цифровой сигнал, в котором функция, например частота, используется для представления значения исходного параметра;

3) кодированный цифровой сигнал, в котором параллельный цифровой сигнал, например, разрядностью в 8 бит, представляет значение исходного параметра.

Эти виды сигналов обычно определяют типы первичных измерительных преобразователей. Известны преобразователи, выход которых является чисто электронным аналогом измеряемой величины. Другие преобразователи представляют измеряемую величину в цифровой форме, а третьи - в виде цифрового кода.

Преобразователь подключается к источнику питания (который может быть внутренним либо его может не быть вообще) и нагрузке. Питание требуется в преобразователях (за исключением пассивных преобразователей) для обеспечения их точной работы и может обеспечиваться либо источником напряжения, либо источником тока. Сопротивление источника питания Z_s называется сопротивлением источника; сопротивление преобразователя Z_IN по отношению к источнику питания выступает в качестве входного сопротивления. Сопротивление кабеля между источником питания и преобразователем всегда рассматривается как часть сопротивления источника. Выходное сопротивление Z_out - это сопротивление на выходных клеммах преобразователя. Сопротивление, прикладываемое к выходным клеммам преобразователя, является сопротивлением нагрузки преобразователя Z_L. Любое сопротивление кабеля, между преобразователем и нагрузкой всегда рассматривается как часть сопротивления нагрузки. Согласование преобразователя с измерительной системой осуществляется путем тщательного учета рассмотренных сопротивлений. Источник питания и выходной сигнал электрически полностью изолированы друг от друга или имеют общий провод. Обратные провода обычно электрически изолированы от корпуса преобразователя и могут быть заземлены либо являются «плавающими» в зависимости от устройства заземления, используемого в системе.

По назначению измерительные преобразователи делят на:

· Первичный преобразователь является первым в измерительной цепи и включает в себя чувствительный элемент (зонд, мембрану) и другие необходимые элементы для преобразования входной неэлектрической величины в выходную электрическую величину. Датчик может состоять из одного или нескольких измерительных преобразователей, объединенных в единую конструкцию. На датчик непосредственно воздействует измеряемая неэлектрическая величина (сила, давление, уровень, температура и т.д.).

· Унифицированный преобразователь состоит из датчика и схемы согласования, измеряемая физическая величина преобразуется с использованием источника энергии в нормированную выходную величину. Нормированные сигналы постоянного тока находятся в диапазоне 0… ± 5 мА или 0…± 20 мА. Для устройств со смещенным нулем диапазон тока сужен: ±1…± 5 мА или ±4…± 20 мА.

· Промежуточный преобразователь получает сигнал измерительной информации от предшествующего преобразователя и передает после преобразования этот сигнал последующему преобразователю.

По характеру преобразования входной величины измерительные преобразователи делят на линейные и нелинейные. У линейных преобразователей функциональная зависимость между входной и выходной величинами линейная; у нелинейных преобразователей - нелинейная.

По принципу действия датчики делятся на:

· Генераторные, у которых выходным сигналом являются ЭДС, напряжение, ток или электрический заряд, функционально связанные с измеряемой величиной, например ЭДС термопары.

· Параметрические, у которых измеряемая величина вызывает пропорциональное ей изменение параметра электрической цепи (R, L, С), например, сопротивления реостатного датчика. К генераторным относятся: индукционные, пьезоэлектрические, термоэлектрические. Остальные датчики являются параметрическими.

По принципу действия их также подразделяют на типы:

· резистивные, в которых измеряемая величина преобразуется в изменение его сопротивления;

· электромагнитные, в которых измеряемая величина преобразуется в изменение индуктивности или взаимоиндуктивности;

· емкостные, в которых измеряемая величина преобразуется в изменение емкости;

· пьезоэлектрические, в которых динамическое усилие преобразуется в электрический заряд;

· гальваномагнитные, основанные на эффекте Холла и преобразующие действующее магнитное поле в ЭДС;

· тепловые, в которых измеряемая температура преобразуется в ЭДС или в величину термосопротивления;

· оптоэлектронные, в которых оптические сигналы преобразуются в электрические.

Для датчиков основными характеристиками являются: тип, диапазон измеряемой величины, диапазон рабочих температур и погрешность в этом диапазоне, обобщенное входное и выходное сопротивления, частотная характеристика.

Области применения датчиков чрезвычайно разнообразны. В промышленной технике стандартные датчики используют для измерения: расхода, объема; давления; температуры; уровня; химического состава.

Измерительные преобразователи (ИП) неэлектрических величин

Как отмечалось ранее, число неэлектрических (тепловых, механических, оптических и др.) величин, подлежащих в настоящее время измерению, во много раз больше числа всех возможных электрических и магнитных величин. Подавляющее число неэлектрических величин в процессе измерения преобразуется в электрические величины. Для осуществления подобных преобразований находят широкое применение различные измерительные преобразователи неэлектрических величин в электрические.

1.2 Общие сведения и характеристики ИП

Ранее было дано определение измерительного преобразователя в соответствии с ГОСТ 16263-70. Но можно определить измерительный преобразователь (ИП) как техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно частное измерительное преобразование.

Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной.

У каждого ИП устанавливается естественная входная величина, которая наилучшим образом воспринимается им на фоне помех, и естественная выходная величина, которая определяется подобным образом. Например, естественной входной величиной терморезистивного ИП является температура, а естественной выходной величиной - сопротивление.

Характеристики измерительных преобразователей можно в общем случае разделить на статические и динамические.

Статические характеристики определяют поведение ИП в таких условиях, когда входная величина не подвергается изменениям в процессе преобразования. К ним относятся функция преобразования, чувствительность, статическая погрешность и др.

Одной из основных характеристик ИП является функция (характеристика) преобразования - функциональная зависимость выходной величины от входной, которая может быть задана аналитической зависимостью, графиком или таблицей (например, функция преобразования платинового терморезистивного измерительного преобразователя ИП в диапазоне температур от 0 до +650 ⁰С может быть представлена в виде R_Т = R₀ (1 + АТ + ВТ²), где R₀ - сопротивление при 0 ⁰С; Т - температура, ⁰С; А и В-константы). Обычно стремятся получить линейную функцию преобразования.

В реальных условиях функция преобразования любого ИП не остается строго неизменной, так как она зависит от режима работы преобразователя, влияния внешних условий, условий нагрузки и ряда случайных факторов. Поэтому различают номинальную и реальную функции преобразования ИП.

Номинальная функция преобразования ИП - y_н = f_н(x) - функция, которую должен иметь ИП согласно государственным стандартам, ТУ или другим нормативным документам. Часто в качестве номинальной принимается средняя характеристика, полученная по результатам градуировки серии ИП. Эта характеристика (функция) указывается в паспорте на ИП.

При градуировке серии однотипных преобразователей функции преобразования каждого ИП могут отличаться от паспортной (номинальной), образуя полосу неопределенности.

Реальная функция преобразования y_р = f_р(x) - функция, которую имеет ИП в действительности.

Погрешность ИП - это разность между номинальной и реальной характеристикой преобразования ИП.

При определении погрешностей ИП имеются особенности:

1) входная и выходная величина могут иметь разную физическую природу; 2) часто отсутствует образцовый измерительный преобразователь, по которому можно проверить рабочий ИП.

Различают погрешность ИП по входу и погрешность по выходу. Разность значений реальной и номинальной функций преобразования при одном и том же значении входной величины определяет абсолютную погрешность ИП по выходу (рис. 5.1) y = y - y_н. Абсолютная погрешность измерительного преобразователя по входу определяется как х = х_н - х, где х - истинное значение входной величины; х_н - значение, определяемое по y_н = f_н(x), при значении выходной

У величины y_н, соответствующей истинному значению. Выражения для относительной и приведенной погрешностей по выходу и входу могут быть представлены в виде

х _y = Y/Y; _y = Y/(Y_max - Y_min);

х х_{н Х} = Х/Х; _x = X/ (X_max - X_min).

Иногда применяют термин точность СИ - качество СИ, отражающее близость к нулю его погрешностей.

Чувствительность преобразователя - это показатель относительного наклона характеристики преобразования. Для линейной функции чувствительность S = Y/X (Y и X - изменение выходной величины Y и вызвавшее его изменение входной величины Х). Для нелинейной функции преобразования Y = f(X) чувствительность может быть определена для данного значения входной величины S = dY/dX. Чувствительность ИП, как правило, именованная величина. Например, для медного терморезистивного ИП единица чувствительности - ом на кельвин (Ом/K). От чувствительности следует отличать порог чувствительности, который характеризует минимальное зна-чение входной величины, уверенно обнаруживаемое с помощью данного ИП.

Динамические характеристики - характеристики инерционных СИ, которые определяют зависимость входного сигнала СИ от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки.

Динамические нагрузки определяют динамическую погрешность. Динамический учет всех факторов затруднен.

К динамическим характеристикам относятся: передаточная характеристика (передаточная функция), переходная характеристика, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), фазочастотная характеристика (ФЧХ).

Когда о законе изменения входной величины за время измерения могут быть высказаны достаточно обоснованные предположения и СИ является линейной системой, то СИ может быть охарактеризовано линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами

a_n(dⁿy/dtⁿ) + a_n-1 (d^n-1 y/dt^n-1) + ^… + a₀y = x(t), (1.1)

где а_n, а_n-1 …, а₀ - постоянные коэффициенты.

При нулевых начальных условиях, т.е. t = 0; x = const, уравнение (5.1) в операторной форме можно записать в виде: (а_n pⁿ + а_n-1 p^n-1 + ^… + а₀) y = x(t).

Отношение изображений по Лапласу выходной величины Y(p) к входной X(p) - есть передаточная функция К(p) = Y(p)/X(p).

Зная K(p) средства измерения, можно определить его реакцию Y(t) на заданное изменение X(t) и определить динамическую погрешность Y(t)

Y(t) =Y(t) - Y_СТ, (1.2)

где Y(t) - значение Y в момент t; Y_СТ - значение Y, заданное статической функцией преобразования.

Реакция Y(t) на воздействие в виде единичного скачка - это переходная характеристика (функция) h(t)

h(t) = L^-1[K(p)/p]. (1.3)

Комплексная чувствительность S (j) - отношение комплексных амплитуд выходной и входной величин

S (j)=Y (j)/X (j) = [b_m(j) + ^… + b₀] / [a_n(j) + ^… + a₀]. (1.4)

Выражение для S (j) можно записать в виде

S (j) = А + jB. (1.5)

АЧХ - зависимость модуля комплексной чувствительности от частоты. Из (5.5) получим

S (i) = A² + B². (1.6)

ФЧХ - зависимость аргумента комплексной чувствительности от частоты



= arctg (B/A). (1.7)

Классификация измерительных преобразователей

Одним из важнейших элементов любого прибора, предназначенного для измерения неэлектрических величин, является измерительный преобразователь (датчик), входной величиной (естественной входной величиной) которого является измеряемая величина. Такой преобразователь можно назвать первичным измерительным преобразователем (ПИП). Рассмотрим классификацию первичных измерительных преобразователей.

Классификация ПИП может быть проведена по нескольким классификационным признакам.

По виду естественной выходной электрической величины ПИП подразделяются на генераторные (энергетические) и параметрические.

Генераторные - это такие ИП, которые под действием входной величины сами генерируют электрическую энергию (ИП с выходной величиной - напряжение, или ток). Генераторные ИП могут включаться в измерительную цепь, где отсутствует источник энергии. Примерами генераторных ИП являются термоэлектрические и фотоэлектрические ИП.

Параметрические ИП - это такие ИП, которые под действием измеряемой величины изменяют значение выходной величины в зависимости от принципа действия (например, ИП с выходной величиной в виде изменения сопротивления, емкости и т.д. в зависимости от значения входной величины), к ним относятся терморезистивные, емкостные ИП.

По физической закономерности, на которой основано действие преобразователя, все ИП можно разделить на следующие группы: резистивные; тепловые; электромагнитные; электростатические; электрохимические; пьезоэлектрические; фотоэлектрические; электронные; квантовые.

Рассмотрим первичные измерительные преобразователи в соответствии с этой классификацией.

1.3 Резистивные измерительные преобразователи

Резистивные измерительные преобразователи (РИП) в настоящее время являются самыми распространенными.

Общие вопросы построения РИП

Принцип действия РИП основан на изменении их электрического сопротивления при изменении входной величины.

Уравнение преобразования в обобщенном виде:

R = F(Х_Э, Х_МАГ, Х_МЕХ, Х_Т, Х_ОП, Х_ХИМ, Х_РАД, Х_ПР, Х_ВР). (1.8)

Откуда полный дифференциал dR резистивного ИП в общем случае

dR = (R/Х_Э)dX_Э + (R/Х_МАГ)dX_МАГ + ^… + (R/Х_ВР)dX_ВР, (1.9)

где R/Х_i - чувствительности РИП к различным по физической природе входным величинам.

При построении РИП стремятся к тому, чтобы изменение сопротивления R происходило под действием одной входной величины (реже двух).

Для этого влияние остальных входных величин, выступающих как паразитных, сводят к требуемому минимуму технологическим, конструктивным или схемотехническим путем.

РИП состоит из чувствительного элемента с электродами и выводами и различного рода конструктивных элементов.

Чувствительный элемент (ЧЭ) РИП выполняется из:

1) проводниковых материалов: <10^-6 Омм;

2) полупроводниковых материалов: 10^-6 Омм < <10⁸ Омм;

3) диэлектрических материалов: >10⁸ Омм.

Материалом ЧЭ может служить как электрически изотропное вещество, имеющее одинаковое электрическое сопротивление по всем направлениям, так и электрически анизотропное вещество, имеющее в разных направлениях различное сопротивление.

Чувствительные элементы могут быть выполнены:

1) твердыми - в виде различных брусков, трубок, проволок, пленок с определенными размерами и формой сечения;

2) жидкими;

3) газообразными - в виде объема, заключенного в камеру с определенными размерами и конструкцией.

Электроды ЧЭ выполняются в виде колпачков, выводов из высоко электропроводных материалов (серебро, медь, платина, золото и др. - это так называемые омические электроды) и полупроводниковых материалов (германий, кремний легированных примесями - инжекционные электроды). Для электрической изоляции токоведущих частей и ЧЭ используются изоляционные материалы: асбест, слюда, фарфор, кварц, стекло и др.

Обычно ЧЭ размещается на базовом элементе - каркасе. Для защиты от внешних влияющих факторов используются защитные элементы в виде чехлов и специальных покрытий, кожухов, оболочек.

Основные характеристики РИП:

1) уравнение преобразования R = f(x);

2) чувствительность к входной величине S = dR/dx;

3) начальное значение сопротивления R₀ (обычно при Т = 0 или 20 ⁰С);

4) диапазон преобразования;

5) погрешность.

Рассмотрим наиболее часто применяемые группы резистивных преобразователей.

Реостатные преобразователи

Реостатные преобразователи представляют собой регулируемые омические сопротивления специального изготовления. Естественной входной величиной реостатного ИП является перемещение (линейное или угловое), выходной - сопротивление.

По конструкции реостатные ИП можно разбить на три группы:

1) реохордные ИП;

2) ИП со ступенчатой характеристикой;

3) нелинейные ИП.

Реохордные преобразователи (рис 5.3 а) представляют собой натянутую проволоку 1, по которой перемещается движок 2. Характеристика преобразования такого ИП линейная.

а) б) в) г)

Реостатные ИП со ступенчатой характеристикой выполняются из провода 1 диаметром 0,02 - 0,1 мм, намотанного с равномерным шагом на каркас 2, по которому перемещается подвижная токосъемная щетка 3 (движок) (рис.).

Число витков реостатного ИП обычно не менее 100 [3].

Каракасы могут выполняться в виде пластин, цилиндра, кольца и др.

Изменение сопротивления реостатного преобразователя при перемещении подвижного контакта достигает 90% от номинального сопротивления.

Выходное сопротивление R реостатного преобразователя в зависимости от перемещения движка Х может быть определено из выражения



_Х

R = R₁n₀p dx, (1.10)

⁰

где R₁ - сопротивление одного метра провода; n₀ - число витков на единицу длины преобразователя; р - периметр каркаса.

Нелинейные реостатные ИП можно получить, выбирая соответствующую форму каркаса (рис. 5.3 в). Например, для получения определенной нелинейной зависимости можно применить фигурные каркасы, сечение которых изменяется по длине, а толщина b каркаса остается постоянной.

Нелинейную зависимость позволяют получить преобразователи со ступенчатым каркасом. Такое выполнение каркаса обеспечивает кусочно-линейную аппроксимацию требуемой зависимости.

Для изготовления реостатных ИП используются провода из манганина, константана, нихрома, фехраля. Использование микропровода позволяет получить реостатные ИП размером 5 х 5 мм. В ответственных случаях используются провода из сплава платины с иридием (90% Pt + 10% Ir). Каркасы выполняются из текстолита, пластмассы, алюминия. Движок (щетка) выполняется либо из двух-трех проволочек из сплава платины с иридием или с бериллием, или в виде пластинчатых щеток из серебра или фосфористой бронзы.

Погрешности реостатных преобразователей

1. Погрешность дискретности (квантования)

Сопротивление большинства реостатных ИП изменяется ступенчато (кроме реохордных), что приводит к погрешности дискретности (квантования). Погрешность дискретности определяется по формуле

= R₁/2 R = 1/2n, (1.12)

где R₁ - сопротивление одного витка; R - полное сопротивление ИП; n - число витков.

Реально полоса неопределенности реостатного ИП определяется не только погрешностью квантования, но и шумом, «генерируемым» движком при его движении (вариации контактного сопротивления, временное разъединение движка и контактной дорожки, ЭДС трения и т.д.). В целом погрешность нуля реостатных ИП равна (2/n - 1/n) [10].

2. Температурная погрешность

При изменении температуры преобразователя изменяется его сопротивление. Величина температурной погрешности определяется, прежде всего, температурным коэффициентом сопротивления материала чувствительного элемента. Обычно ТКС материалов провода реостатного ИП не превышает 0,1% на 10 ^ОС.

Области применения реостатных ИП

Реостатные преобразователи применяются для измерения линейных и угловых перемещений и величин с ними связанных (давлений, сил, уровней и т.д., а также в качестве обратных преобразователей автоматических мостов и компенсаторов).

Тензорезистивные ИП

Принцип действия тензорезистивных ИП основан на явлении тензоэффекта, который заключается в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их деформации (т.е. при изменении размеров).

Зависимость удельного сопротивления материала тензорезистора от деформации _l выражается формулой

= ₀(1+ _Пl), (1.13)

где ₀ - удельное сопротивление при _l = 0; _П - деформационный коэффициент сопротивления определяемый как:

_П = /_l = (/)/(l/l). (1.14)

При линейной деформации образца квадратного или круглого сечения происходит изменение его размеров и в поперечном направлении, причем изменение длины связано с изменением поперечного размера и эта связь характеризуется коэффициентом Пуассона

= - _b/_l = - (b/b)/(l/l), (1.15)

где b - поперечный размер; _b - относительная поперечная деформация.

Изменение удельного сопротивления материала и размеров образца при деформации _l вызывает изменение его сопротивления, которое находится по формуле

R = R₀(1 + 2+ _П)_l, (1.16)

где R₀ - начальное сопротивление.

Одной из характеристик тензорезистивного ИП является коэффициент тензочувствительности К, который представляет собой отношение относительного изменения сопротивления R/R₀ тензопреобразователя к величине относительной деформации l/l. Используя (5.16) получим

K =_R/_l = (R/R)/(l/l) = 1 + 2 +_П. (1.17)

Для металлов коэффициент Пуассона 0,24 0,5, деформационный коэффициент _П 0,2-0,6 [12] и коэффициент тензочувствительности К 2.

Для жидкостей _п = 0 (объем не изменяется в процессе деформации), = 0,5, поэтому К_ЖИД = 2.

Для проводниковых тензорезистивных ИП, так как (1 + 2) значительно больше, чем _П, можно считать, что К = (1 + 2) [10].

Для образцов из полупроводниковых материалов _П >> , поэтому К _П и коэффициент тензочувствительности достигает значения 120 и более, причем знак К может быть как положительным, так и отрицательным. Тензочувствительность полупроводниковых тензодатчиков в 50-100 раз больше, чем у металлических.

Материалы тензорезистивных ИП и требования к ним

Материалы тензорезистивных ИП (тензопреобразователей) должны характеризоваться: большим значением коэффициента тензочувствительности; большим значением удельного сопротивления; малым значением ТКС; отсутствием термоЭДС в контактах; линейностью зависимости R = f(_l).

В качестве материалов используются проводниковые и полупроводниковые материалы. Характеристики некоторых наиболее часто применяемых твердых проводниковых и полупроводниковых материалов приведены в табл. 1.1 [1].

Таблица 1.1

Материалы	К	ТКС, 110-6/K	, мкОмм	ТермоЭДС в паре с медью, мкВ/К
Манганин	0,47-0,5	10	0,40-0,45	+1… +2
Константан	1,9-2,1	50	0,46-0,5	-40
Нихром	2,1-2,3	22	0,9-1,7	+22
Никель	-12	6000	0,11	-22,6
Висмут	22	300	1,16	-
p - Ge	55	610-3	-	-
n - Si	-100	610-3	-	-
n - Ge	-100 (до -150)	-	-	-
p - Si	110 (до 170)	1,310-3	-	600

Классификация и конструкции тензорезистивных ИП

В зависимости от фазового состояния материала чувствительного элемента различают твердотельные и жидкостные тензорезистивные ИП.

К твердотельным относятся: проволочные, фольговые, пленочные.

Проволочные бывают ненаклеиваемые и наклеиваемые.

а) б) в)

Ненаклеиваемые (свободные) тензорезистивные ИП выполняются в виде одной или ряда проволок 1, закрепленных на концах между подвижной 2 и неподвижной 3 деталями и выполняющих роль упругого элемента (рис. 5.4 а). На рис. 5.4 б показано устройство наклеиваемого проволочного тензорезистора. На основу 1 (полоска бумаги или пленка) наклеивается решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 2 диаметром 0,02 - 0,05 мм, к концам которой присоединяются медные выводы 3. Сверху преобразователь покрывают слоем лака.

Недостатком проволочных тензопреобразователей является то, что участки скругления воспринимают деформацию слабее (более жесткие), чем линейные участки, поэтому коэффициент тензочувствительности образца материала К_ПР (0,7 0,96) К. Наличие протяженных участков скругления приводит к возникновению поперечной чувствительности. Для проволочных тензорезисторов отношение поперечной и продольной чувствительности определяется отношением b/L. Поперечная чувствительность составляет 0,25-1% от продольной.

Фольговые тензорезисторы изготавливают фотомеханическим способом. На заготовку из фольги толщиной 4 12 мкм (константан, золотосеребряные сплавы) на одну сторону наносится слой лака, а на другую - светочувствительный слой, на который проектируется рисунок чувствительного элемента тензорезистора. Затем этот рисунок проявляе, тся и закрепляется (покрывается кислотоупорным лаком). После травления остаются участки фольги, соответствующие рисунку (рис. 5.4 в). У фольговых тензорезисторов поперечная чувствительность значительно меньше за счет расширения поперечных участков.

Пленочные ИП изготавливают путем вакуумной возгонки тензочувствительного материала с последующей конденсацией его на подложку через маску. Для пленочных тензорезисторов используются как металлические материалы, например титаноалюминиевые сплавы, так и полупроводниковые материалы, например, германий, кремний. Пленочные тензорезисторы имеют толщину меньше 1 мкм [10].

Достоинством фольговых и пленочных тензорезисторов является возможность их получения заданной формы, определяемой маской.

Жидкостные тензопреобразователи представляют собой резиновый капилляр с внутренним диаметром 0,1-0,5 мм, заполненный ртутью или электролитом.

Жидкостные тензопреобразователи позволяют преобразовывать большие относительные деформации до 30-50% [13].

Недостатками этих ИП являются низкое начальное сопротивление, например, ртутные преобразователи имеют начальное сопротивление единицы Ом, и большой ТКС.

Полупроводниковые тензопреобразователи изготавливают обычно из германия или кремния, легированных до значений удельного сопротивления (210^-4 210^-3) Омм в виде тонких полосок, которые вырезаются вдоль определенных кристаллографических осей. Например, полоски из кремния р-типа вырезаются в направлении [111], а из кремния n-типа - в направлении [110]. Для изготовления тензорезисторов используется также германий р и n-типов. Полупроводниковые тензорезисторы имеют длину 2-12 мм и ширину 0,15-0,5 мм.

Отличительными особенностями полупроводниковых тензопреобразователей являются: высокая чувствительность и нелинейность.

В настоящее время выпускаются интегральные полупроводниковые тензорезисторы, которые выращиваются непосредственно на упругом элементе из кремния или сапфира. Эти упругие элементы обладают упругими свойствами, близкими к идеальным, и существенно меньшими погрешностями гистерезиса и линейности по сравнению с металлическими. На одном упругом элементе обычно выращивается несколько резисторов соединенных в полумост или мост и компенсирующие элементы. Такая технология позволяет существенно уменьшить погрешности, обусловленные неидентичностью тензорезисторов и внешних условий. Интегральные тензодатчики выпускаются в виде КНК-структур (кремний на кремнии) и КНС-структур (кремний на сапфире) [10].

Основные характеристики тензорезисторов

К характеристикам тензорезистивных преобразователей относятся: коэффициент тензочувствительности, измерительная база, начальное сопротивление, погрешности. Параметры тензорезисторов общего назначения регламентирует ГОСТ 21616-91 «Тензорезисторы. Общие технические условия».

Измерительная база L определяется как длина детали, занимаемая преобразователем (см. рис 5.4 б).

Базы преобразователя лежат в пределах 1,0 100 мм, и начальные сопротивления от 10 до 1000 Ом. Наиболее часто используются проволочные преобразователи базами 5-20 мм и начальным сопротивлением 30-500 Ом. Уменьшение базы достигается применением специальных конструкций. Например, в двухслойных тензорезисторах база может составлять 1,5-3 мм. [10].

Измерительная база фольговых преобразователей может составлять 0,8 мм.

Полупроводниковые тензорезисторы имеют длину 2-12 мм и начальные сопротивление лежит в диапазоне 50-10000 Ом.

Погрешности тензорезистивных ИП

Погрешностями тензорезистивных ИП являются: температурная погрешность; погрешность градуировки; погрешность линейности; погрешность, обусловленная ползучестью клея.

Температурная погрешность возникает из-за изменения начального сопротивления тензорезистора и коэффициента тензочувствительности при изменении температуры, т.е. тензорезистору присущи температурные погрешности нуля и чувствительности.

Погрешность нуля наклеенного тензорезистора возникает в результате изменения его сопротивления, происходящего вследствие неравенства температурных коэффициентов линейного расширения материала тензорезистора и детали, на которую наклеен тензорезистор, и наличия ненулевого ТКС тензорезистора.

Погрешность чувствительности обусловлена зависимостью коэффициента тензочувствительности от температуры.

Температурная погрешность нуля описывается зависимостью

_lТ = [_R /К + (_Д - _ТР)] Т, (1.18)



где _R - температурный коэффициент сопротивления тензорезистора; _Д и _ТР - температурные коэффициенты линейного расширения материалов детали и тензорезистора.

Для получения погрешности _lТ = 0 необходимо выполнить равенство

_R /К = (_ТР - _Д). (1.19)

Некоторые материалы для тензорезисторов могут иметь значение температурного коэффициента удельного сопротивления, лежащее в широких пределах, причем знак ТК может быть как положительным, так и отрицательным (например, константан может иметь любое значение в пределах 30^.10^-6 К^-1). Это свойство позволяет для многих материалов (например, для стали, алюминия и др.) изготавливать термокомпенсированные тензорезисторы, которые существенно уменьшают температурную погрешность нуля до 0,015%/К. Для полупроводников такая компенсация невозможна, например, для кремниевого преобразователя, наклеенного на сталь, эта достигает 1,6%/К.

Температурная погрешность чувствительности зависит от материала тензорезистора и лежит в очень широких пределах от тысячных долей процента на градус Кельвина для проводниковых тензорезисторов и до сотых долей - для полупроводниковых [10].

Температурная погрешность проводниковых тензорезисторов носит преобладающий аддитивный характер, и для ее уменьшения очень широко используются дифференциальный метод измерения. Для этого могут использоваться схемы с двумя или четырьмя тензорезисторами. Рассмотрим включение с двумя тензорезисторами. Рабочий тензорезистор R_Т1 наклеивают вдоль измеряемой деформации _l, а компенсирующий R_Т2 - поперек нее (рис. 5.5 а). Тензорезисторы включаются в смежные плечи моста (рис. 5.5 б) и R_Т1 = R_Т2.

Температурные изменения сопротивления тензорезисторов R_Т1 и R_Т2 одинаковы по знаку и значению (одинаковый материал, находятся в одинаковых условиях) поэтому выходное напряжение моста

U_M k(K_ll - K_bb), (1.20)

где K_l - коэффициент продольной тензочувствительности; K_b - коэффициент поперечной тензочувствительности; _l - продольная деформация; _b - поперечная деформация.

Таким образом, из уравнения (5.18) видно, что в идеальном случае температура не влияет на результат измерения.

В основном тензорезисторы являются преобразователями разового действия, так как они наклеиваются на деталь и не могут быть сняты без повреждения. Поэтому на практике градуировке подвергают определенное число тензорезисторов из партии. Полученные цифры средних значений R₀ и К принимаются для всех преобразователей данной партии. В этом случае погрешность градуировки может быть 1-5%. При индивидуальной градуировке непосредственно рабочего преобразователя эта погрешность может быть уменьшена до десятых долей процента.

Погрешность линейности определяется зависимостью деформационного потенциала и коэффициента тензочувствительности полупроводниковых тензорезисторов от приложенных механических напряжений [10]. Погрешность линейности может достигать единиц процентов.

Для наклеиваемых тензорезисторов нарушение технологии может привести к существенным погрешностям. Характеристики отвердевшего клея и основы датчика вызывают эффекты ползучести. Ползучесть - явление изменения сопротивления тензорезистора при _l 0 = const во времени. При более высоких температурах этот эффект выражен более сильно [14]. Значение погрешности, обусловленной ползучестью, составляет 0,05-0,2%.

Рабочий температурный диапазон тензорезисторов определяется, прежде всего, клеями и ограничен температурой 350-600 ⁰С при статических деформациях и 600-800 ⁰С (при специальных методах крепления до 1000 ⁰С) при динамических деформациях.

Крепление тензорезистивных ИП

Для соединения тензорезисторов с объектом измерения может быть использовано несколько способов:

1. Приклеивание осуществляется с помощью бакелитофенольных клеев, лаков на основе органических смол и др. (при нормальных и повышенных температурах), при высоких температурах используются специальные цементы на основе жидкого стекла или полисилоксанов с различными наполнителями и др.

Применяются также цементы типа клея Котинского, которые позволяют многократное использование тензорезистивных ИП путем отклейки при нагревании детали. Клей Котинского - термопластичный материал, размягчающийся при температуре 140 ⁰С.

2. Соединение по полупроводниковой технологии:

а) диффузная технология - тензорезисторы образуются диффузией выбранной примеси в тонкий слой поверхности упругого элемента (балки мембраны), выполненной из монокристаллического Si с высоким , или противоположной проводимости для создания изолированного р-n перехода;

б) автоэпитаксиальная технология - тензорезистор образуется наращиванием монокристаллического слоя полупроводника, кристаллическая решетка которого является продолжением кристаллической решетки упругого элемента, выполненного из полупроводникового материала того же типа, что и наращиваемый слой. Изоляция тензорезистора от упругого элемента осуществляется р-n переходом;

в) гетероэпитаксиальная технология - тензорезистор образуется наращиванием монокристаллического слоя полупроводника на поверхности упругого элемента, выполненного из монокристаллического диэлектрика (сапфир). Здесь кристаллическая решетка тензорезистора является продолжением кристаллической решетки упругого элемента, но иной кристаллографической системы.

3. Вплавление: упругий элемент выполняется из кварца, а кремниевый нитевидный тензорезистор с платиновыми выводами вплавлен в поверхность упругого элемента низкотемпературной (Т_ПЛ = 300-350 ⁰С) свинцовистой стеклоэмалью. Достоинство - стабильная и малая ползучесть < 0,5%.

Области применения тензорезистивных ИП

Резистивные тензопреобразователи применяются в устройствах, измеряющих статические и динамические деформации. Большинство проволочных, фольговых и пленочных металлических тензорезисторов применяются для измерения относительных статических деформаций _l 0,005 - 1,5-2%. Следует отметить, что пленочные тензорезисторы из некоторых металлических сплавов, например, из титаноалюминиевых, позволяют измерять статические деформации до 12%. Проволочные ненаклеиваемые (свободные) тензорезисторы также позволяют измерять деформацию до 5-10%. Проводниковые жидкостные (эластичные) тензорезисторы позволяют измерять большие деформации материалов (до 30-50%) [1].

Полупроводниковые тензорезисторы позволяют измерять статические деформации до 0,1-0,2% [4].

При измерении динамических деформаций частотный диапазон определяется соотношением между длиной волны и базой L тензорезистора, в следствие чего должно выполняться отношение L/ 0,1. Величина максимальной деформации для проволочных тензорезисторов обычно не должна превышать 0,1%, а для полупроводниковых - 0,02% [6].

Тензорезисторы применяются также для измерения величин, преобразуемых в деформацию (рис 5. 6): а) механических сил; б) давлений; в) ускорений.

Теплорезистивные ИП

Теплорезистивные (терморезистивные) ИП по приведенной ранее классификации могут быть отнесены к группе тепловых преобразователей.

Принцип действия и материалы терморезистивных ИП

Принцип действия терморезистивных ИП основан на изменении удельного сопротивления проводников, полупроводников и диэлектриков под действием температуры.

Чувствительность материалов к температуре Т характеризуется величиной температурного коэффициента удельного электрического сопротивления материала ТК, который в общем случае определяется как ТК = = /T, [1/K].

Материалы терморезистивных ИП (в дальнейшем терморезисторов) должны обладать: большим значением ТК; стабильностью ТК во времени и в диапазоне рабочих температур; большим значением удельного сопротивления; инертностью к воздействию различных сред.

В качестве материалов для терморезисторов используют:

1. Проводники: платину, медь, никель, вольфрам и др.

2. Полупроводниковые соединения: медно-марганцевые и др.

3. Мононокристаллические полупроводники: Ge и др.

4. Диэлектрики - тугоплавкие окислы: BeO, MgO, ZrO₂, SiO₂ и др.

В прововодниковых металлических терморезисторах (их называют термометрами сопротивления) эффект изменения удельного сопротивления под действием температуры обусловлен рассеянием электронов тепловыми колебаниями кристаллической решетки. Рассеяние пропорционально амплитуде колебаний решетки, которая в свою очередь пропорциональна температуре.

ТК () большинства химически чистых металлов в интервале температур 0-100 ⁰С составляет величину = (3 - 6,8) 10^-3 К^-1. ТК повышается с уменьшением величины внутренних напряжений в материале и с увеличением степени чистоты.

Изменение удельного сопротивления полупроводниковых материалов под действием температуры обусловлено, главным образом, изменением концентрации носителей заряда.

Рассмотрим наиболее широко распространенные терморезистивные измерительные преобразователи.

Проводниковые терморезистивные ИП

В широком интервале температур сопротивление металлического проводника определяется выражением

R_Т = R₀ (1 + ₁ Т + ₂Т² + ₃Т³ + ₄Т⁴ +…), (1.21)

где R₀ - сопротивление образца при Т = Т₀, например, 0 ⁰C; ₁, ₂, ₃… - степенные температурные коэффициенты сопротивления материала.

Наиболее широкое распространение получили медные и платиновые термометры сопротивления.

Уравнение преобразования медных терморезистивных ИП в интервале температур от -50 до +180 ⁰С может выражаться линейной зависимостью

R_Т = R₀ (1 + _RТ), (1.22)

где _R = 4,26 10^-3 К^-1 - температурный коэффициент сопротивления меди; R₀ - сопротивление при 0 ⁰С.

Чувствительность медного РИП находится как S = _RR_0.

Медные термометры сопротивления (ТС) применяются в диапазоне температур от -200 до +200 ⁰С. При индивидуальной градуировке их можно использовать до температуры -260 ⁰С.

Недостатком медных терморезисторов является их сильная окисляемость при температурах Т > 180 ⁰С, что ограничивает их температурный диапазон.

Уравнение преобразования платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до 650 ⁰С определяется выражением:

R _Т= R₀ (1 + ₁Т + ₂Т²), (1.23)

где R₀ - cопротивление при 0 ⁰С; ₁ = 3,90784 10^-3 К^-1; ₂ = 5,7841^.10^-7 К^-2, Т - температура в ⁰С.

Чувствительность в этом диапазоне находится как S = R₀(₁ + ₂Т).

В диапазоне температур от 0 до -200 ⁰С зависимость сопротивления платинового терморезистора от температуры имеет вид

R_Т = R₀ [1 + ₁Т + ₂Т² + ₃(Т - 100) Т³], (1.24)

где ₃ = -4,482^.10^-12 К^-4.

Платиновые термометры сопротивления применяются в диапазоне температур от - 263 до +1100 ⁰С.

Никелевые терморезисторы характеризуются высоким значением ТКС = 6,28^.10^-3 К^-1, практически линейной зависимостью сопротивления от температуры в диапазоне от -200 до +300 ⁰С.

Недостатком является сильная окисляемость никеля при высоких температурах, что ограничивает диапазон рабочих температур до +250 ⁰С.

В соответствии с ГОСТ 6651-94 выпускаются термометры сопротивления трех классов точности с номинальными статическими характеристиками преобразования: платиновые - 1П, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П; медные - 10М, 50М, 100М. Число в обозначении показывает сопротивление при 0 ⁰С.

Основные параметры наиболее распространенных термометров сопротивления приведены в табл. 1.2.



Таблица 1.2

Тип термометра	Градуировка	Сопротивление при 0 0С, Ом	Диапазон Температур, 0C	Класс допуска
Медный (ТСМ)	10М	10	-50 … +200	В; С
	50М	50	-50 … +200	В; С
	100М	100	-200 … +200	В; С
Платиновый (ТСП)	10П	10	0 … +1100	А; В
	50П	50	-263 … +1000	А; В
	100П	100	-263 … +1000	А; В
	500П	500	-263 … +300	А; В
Никелевый (ТСН)	-	-	-	С

В табл. 1.3 приведены допускаемые отклонения сопротивления термометров сопротивления при температуре, равной 0 ⁰С (R₀) от номинального значения.

Таблица 1.3

Тип ТС	Допускаемое отклонение от номинального значения сопротивления при 0 0С (R0) для классов допуска, %
	А	В	С
Медный (ТСМ)	0,05	0,1	0,2
Платиновый (ТСП)	-	0,1	0,2
Никелевый (ТСН)	-	-	0,24

Недостатками промышленных термометров сопротивления являются: большое значение тепловой постоянной времени и большие размеры.

Для измерения температуры в высокоскоростных газовых потоках используются терморезисторы из вольфрама, характеризующиеся близкой к линейной зависимостью сопротивления от температуры. Диапазон измерения ограничивается температурой до +600 ⁰С.

Достоинством вольфрамовых терморезисторов является бескаркасная намотка чувствительного элемента.

В области низких температур до 3,5 К применяются индиевые терморезисторы, сопротивление которых зависит от температуры как

R = A + BT⁵, (1.25)

где А и В-постоянные, получаемые эталонированием терморезистора в реперных точках.

Для измерения высоких температур вплоть до +2000 ⁰С могут применяться терморезисторы на основе сплавов золото-серебро и платина-палладий.

К достоинствам металлических терморезисторов можно отнести высокую стабильность и воспроизводимость характеристик.

Устройство проводниковых термометров сопротивления

В чувствительных элементах большинства проводниковых терморезисторов используется металлическая проволока диаметром (0,05-0,1) мм с длиной, определяемой значением начального сопротивления.

Промышленностью выпускаются платиновые и медные термометры сопротивления, которые в общем случае состоят из чувствительного элемента, защитной арматуры и головки преобразователя с зажимами.

Существуют различные варианты конструктивного исполнения чувствительного элемента металлических термометров сопротивления. Например, чувствительный элемент медного терморезистора (рис. 5.7 а) представляет собой пластмассовый цилиндр 1, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока 2 диаметром 0,1 мм. Катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода [9], цилиндр помещается в защитный чехол 4. Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления (рис. 5.7 б) может быть выполнен из нескольких (например, двух или четырех) соединенных последовательно платиновых спиралей 1, к которым припаиваются выводы 3. Спирали размещаются в каналы двух- или четырех канального керамического каркаса 2, помещенного в защитный корпус 4.



а) б)

Полупроводниковые терморезисторы

Температурная зависимость полупроводниковых терморезисторов достаточно хорошо описывается выражением

R = R_oexp(_ТT) = R_o (1 - _ТT + _Т²T/2 +…), (1.26)

...