Тензометрические преобразователи

Воснове работы тензорезисторов лежит тензоэффект, заклю­чающийся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности к, определяемый как отношение изменения сопротив­ления к изменению длины проводника

к = e_R/e_l

гдеe_R = ΔR /R — относительное изменение сопротивления про­водника; е₁ = Δl/l— относительное изменение длины проводни­ка.

Основными требованиями, предъявляемыми к материалу тен­зорезисторов, являются:

высокий коэффициент тензочувствительности γ, определяю­щий разрешающую способность преобразователя;

высокое удельное электрическое сопротивление для упроще­ния построения измерительных цепей;

низкий температурный коэффициент сопротивления (слабая зависимость сопротивления от температуры) в рабочем диапазоне температур;

линейная зависимость сопротивления от деформации (стабильность γ) в возможно более широком диапазоне деформаций;

химическая стойкость к материалу, обеспечивающему крепеж датчика, стойкость к окислению и механическая прочность. При изготовлении тензорезисторов чаще других материалов применяют константан для обычных и нихром для высоких температур.

Конструктивно тензорезистор (рис. 3.8, а) состоит из лаковой или бумажной подложки 2, на которой при помощи связующего (клея) укреплен чувствительный элемент 1, к нему присоединены выводные проводники 3. Чувствительный элемент представляет собой обычно проволочную (толщина проволоки составляет 0,02...0,05 мм) петлевую решетку или ленту из фольги толщиной 0,004... 0,012 мм. Сверху чувствительный элемент защищен тонкой бумагой.

Существуют так называемые пленочные тензорезисторы, по­ручаемые вакуумной возгонкой тензочувствительного материала (например, титаноалюминиевого сплава или полупроводников гер­мания или кремния) и последующей конденсацией его на под­ложку.

Важнейшим параметром чувствительного элемента, определя­ющим разрешающую способность датчика, является его длина (база) l, составляющая обычно 5...30 мм. Номинальное сопротив­ление тензодатчиков составляет 50...400 Ом, коэффициент тензочувствительности к = 2±0,2, номинальный рабочий ток 30 мА, максимально допустимые деформации не превышают +0,3 %, га­бариты от 17x8 до 42 х 10 мм.

Тензорезисторы применяются для определения относитель­ной деформации e = Δl/l и механического напряжения σ = Ее (где Е — модуль упругости) и элементах конструкции. Для этого датчики наклеиваются на поверхность элемента, элемент под­вергается нагружению, возникающие деформации элемента пе­редаются тензорезистору. Контроль за изменением его сопро­тивления по времени и несложный пересчет его в деформа­ции, перемещения, напряжения и другие параметры позволя­ет сравнительно просто получать достоверную информацию о напряженно-деформированном состоянии локальных областей объекта.

Текущее сопротивление тензорезистора определяется как его де­формацией (естественной входной величиной) ΔR/R = γе = γΔ1/1 или ΔR = γΔl/l, так и приращением, возникающим при измене­нии температуры:

где α — температурный коэффициент сопротивления; Т₀, — тем­пература, при которой проводилось уравновешивание измеритель­ного моста.

В случае, когда температурные коэффициенты линейного рас­ширения тензорезистора β_т и материала испытываемого объекта β_м не совпадают, происходит деформация чувствительного эле­мента за счет неодинакового температурного расширения датчика и поверхности объекта:

Во время эксперимента замеряется температура, по которой рассчитываются составляющие ΔR_α и ΔR_β систематической тем­пературной погрешности, вычитаемые из полученного при заме­ре значения R. Можно также контролировать изменение сопро­тивления тензорезистора, наклеенного на участке конструкции, имеющем ту же температуру, но не испытывающем деформаций. Показания этого тензодатчика будут содержать только система­тическую температурную погрешность, которую нужно вычесть из показаний основного датчика.

Особенностью тензорезисторов является их разовое использо­вание. Поэтому перед испытаниями они подвергаются тарирова­нию — деформированию и нагреву конструкции с наклеенными датчиками на известную величину, замеру изменения сопротивлений и точному расчету тензочувствительности и других пара­метров.

Риc. 3.8. Тензорезистор (а), схемы расположения тензорезисторов (б) и измерительной цепи (в)

Помимо тензодатчиков, использующих тензоэффект в спла­вах, существуют полупроводниковые тензодатчики, использую­щие изменение удельного сопротивления полупроводникового кристалла при деформации. Эти датчики обладают:

высокой тензочувствитсльностью (примерно в 100 раз выше, чем у проволочных);

большим выходным сигналом, что позволяет обходиться без усилителя.

К недостаткам этих датчиков следует отнести:

- малую механическую прочность (хрупкость);

- сильное влияние окружающей температуры;

- большой разброс параметров датчиков внутри партии (до 20 %).

Оптические преобразователя

Оптический преобразователь входной величины X₁ или Х₂ (рис. 3.9) в выходную величину I содержит источник излуче­ния, характеризующийся потоком Ф₁, некоторый оптический канал и приемник излучения, воспринимающий поток Ф₂ на выходе канала и преобразующий его в выходной электрический сигнал I. Воздействие входной величины Х на поток излучения Ф₂ может осуществляться двумя путями.

В первом случае измеряемая величина X воздействует непо­средственно на источник и изменяет тот или иной параметр излу­чения. Например, горящая сигнальная лампочка или светодиод свидетельствуют о включенном состоянии прибора. Во втором слу­чае измеряемая величина X воздействует на оптический канал, меняя непосредственно поток Ф₂. Например, по исчезновению потока Ф₂ при неизменном потоке Ф) можно судить о том, прошел человек через турникет метро или нет.

Рис. 3.9. Оптический преобразователь

Источники оптического излучения бывают тепловыми и лю­минесцентными. В тепловых источниках в результате нагрева ве­щества часть тепловой энергии переводит атомы в возбужденное состояние, когда электроны переходят на внешние орбиты с боль­шей энергией. Возбужденное состояние является неустойчивым, так что через некоторое время электрон излучает избыток энер­гии ввиде кванта света (фотона), переходя при этом на одну из внутренних орбит.

Тепловым источником является лампа накаливания, состоя­щая из цоколя с электродами, стеклянного баллона, наполненного инертным газом, и тела накала. Если лампа служит источником излучения оптических преобразователей, то повышен­ное требования предъявляются к качеству стекла баллонов, к расположению и форме тела накала, которое должно быть малым по величине и равномерным по яркости. Например, спи­раль (тело накала) свивается таким образом, чтобы ее витки накладывались друг на друга и казались сплошным светящимся кругом.

В люминесцентных источниках энергия возбуждения берется ато­мами из нетепловых источников. При электролюминесценции элек­троны, разогнанные до большой скорости в электрическом поле, сталкиваются с атомами газа и возбуждают их. При катодолюминесценции разогнанные электроны возбуждают атомы твердого тела (люминесцентного слоя электронно-лучевых трубок). При фотолюминесценции атомы твердого тела поглощают кванты света, переходя в возбужденное состояние, после чего излучают кван­ты, но уже меньшей энергии и большей длины волны.

К люминесцентным источникам относятся газоразрядные лам­пы, светодиоды, оптические квантовые генераторы (лазеры). По­лупроводниковый светодиод — удобный миниатюрный источник света определенной частоты, яркость которого зависит от прохо­дящего через него тока. В качестве полупроводника используются арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния, работающие при температурах не выше 70 °С.

Лазер является когерентным излучателем, т.е. все излучаемые кванты имеют одинаковую длину волны, фазу и поляризацию. Ла­зеры способны излучать остронаправленные интенсивные пучки света заданной длины волны. Это в свою очередь технически уп­рощает прием излучения (при параллельном пучке размер источ­ника совпадает с размером приемника), что позволяет передавать излучение на большие расстояния с малыми потерями.

На практике применяют в основном газовые (гелиево-неоновая смесь), твердоттельные (рубин) и полупроводниковые (арсе­нид галлия, кремний с примесями индия, фосфид галлия) лазеры.

Для газовых лазеров угол расходимости составляет 10', для твер­дотельных — 20... 30', для полупроводниковых — 6... 10°.

Наиболее широко распространены полупроводниковые лазе­ры в силу их сравнительной простоты и высокого КПД. Приемни­ки излучения можно разделить на две группы: тепловые и фото­электрические.

К тепловым приемникам относятся термоэлементы (рис. 3.19), в которых энергия излучения преобразуется в тепловую энергию на металлическом диске 2, покрытом слоем черни (черной краски) 2, и оценивается термопарами 3 по температуре диска. Энергия излучения, поглощенная диском, рассеивается излучением, кон­вективным теплообменом с газом окружающей среды и тепло­проводностью через термопары. Для уменьшения конвекции и по­вышения чувствительности прибора преобразователь помешают в вакуум (кварцевый или стеклянный баллон с откачанным возду­хом). При снижении давления в баллоне до 10~⁶ бар (нормальное атмосферное давление составляет 1 бар) чувствительность возрастает более чем в 10 раз. Следует отметить, что приемник поглощает обычно энергию всех падаю­щих квантов, независимо от их длины вол­ны, т.е. выходная величина пропорцио­нальна интегральной, суммарной мощно­сти излучения, падающего на приемную площадку.

Фотоэлектрические приемники (фотоэле­менты) используют явление фотоэффек­та: энергия квантов потока света поглоща­ется электронами твердого тела, в резуль­тате чего они покидают свои атомы. В элек­трическом поле освободившиеся электро­ны движутся упорядоченно, т. е. возникает электрический ток. Чем больше квантов нужной энергии упадет на поверхность эмиттера, тем больше электронов покинет атомы и тем больше будет фототок.

Фотоэлементы обычно способны поглощать кванты в узком диапазоне длин волн, и их выходная величина определяется мощ­ностью излучения на конкретной длине волны, характерной для данного фотоэлемента. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (рис. 3.11) (вакуумные и газозаполненные фотоэлементы и фото­умножители) используют эффект выбивания квантами света элек­тронов из катода 1, которые под действием электростатического поля устремляются к аноду 2, создавая фототок I. Катоды изготав­ливаются из щелочных металлов: лития, натрия, цезия, калия, рубидия. Напряжение между электродами составляет 70...300 В. Превращение светового потока в фототок практически безынер­ционно. Однако реактивное сопротивление цепей соединения снижает быстродействие при­бора до обычного для электро­преобразователей.

При высокой яркости изме­ряемого потока происходит эф­фект усталости светочувстви­тельного слоя вследствие не­хватки электронов в атомах на поверхности, способных поки­нуть тело при поглощении фо­тонов. Если яркость света была не очень велика, то световая чувствительность восстанавли­вается после пребывания фото­элемента в темноте.

В вакуумных фотоэлементах электроды помещены в вакуум для исключения влияния газа на движение выбитых фотонами электронов. Это делает линейной характеристику прибора (за­висимость фототока от яркости излучения).

Рис. 3.10. Тепловой при­емник света:

/ — слой черни; 2 — диск; 3 — термопара

Рис. 3.11. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом:

I — катод; 2 — анод

В газонаполненных фотоэлементах электроны, выбитые фото­нами, ускоряются электрическим полем и, сталкиваясь с молеку­лами газа, ионизируют их, увеличивая тем самым число носите­лей зарядов и фототок в несколько раз (до 7) по сравнению с вакуумным фотоэлементом. Однако характеристика таких фото­элементов нелинейна. Кроме того, эти фотоэлементы инерцион­ны: фототок стабилизируется только через некоторое время после изменения интенсивности светового потока по мере стабилиза­ции газового разряда.

К недостаткам этих фотодатчиков следует отнести:

- высокое напряжение питания (сотни и тысячи вольт);

- низкую механическую прочность (хрупкость стеклянного бал-она. непрочность электродов);

- старение и утомляемость фотоэлементов.

В целом следует отметить универсальность фотодатчиков, отсут­ствие обратного воздействия датчика на контролируемый объект вледствие бесконтактности.

Недостатками оптических датчиков является чувствительность к ударам и вибрациям, плохая работа в условиях таких оптических помех, как запыленность, загазован­ность, высокая влажность, помехи от осветительных приборов общего освещения. В устройствах автоматики фотодатчики используются в основном как дискрет­ные двухуровневые (есть/нет потока света), например, в уст­ройствах считывания перфолен­ты (есть/нет отверстия), фото­реле, когда при попадании све­та на фотодатчик возникает ток, замыкающий реле (турникеты метро).

Рис. 3.12. Световод:

1 — стеклянная нить; 2 — вещество;3 — оболочка

С развитием полупроводни­ковой техники все шире при­меняются в качестве источника и приемника излучения свето- и фотодиоды, способы включения которых в измерительные цепи детально разработаны, а в каче­стве канала передачи — волоконно-оптический световод (рис. 3.12). в котором гибкая тонкая (от нескольких микрон до нескольких миллиметров) прозрачная стеклянная нить 1 помещена в оболоч­ку из оптически менее плотного вещества 2 и в защитную оболоч­ку 3. Световой пучок подается на один торец световода.

Так как оптическая плотность световода выше плотности обо­лочки, а угол падения пучка на боковую поверхность световода близок к 90°, то происходит явление полного отражения света от поверхности. Свет распространяется вдоль искривленного волок­на, что позволяет проводить оптические измерения в труднодо­ступных местах и на больших расстояниях.

Фотоэлектрические датчики получили очень широкое распро­странение в системах автоматики. Наиболее часто они использу­ются в схемах релейного действия, где выдают сигнал «освещено» или «затемнено».

Фотореле состоит из источника и приемника излучения. Пос­ледний включен в цепь обмотки электромагнитного реле (напря­мую или через усилитель). При попадании светового потока на приемник в нем возникает ток, приводящий к срабатыванию элек­тромагнитного реле, управляющего каким-либо устройством. Та­кие фотореле используются для чтения перфоленты, на которой информация закодирована наличием или отсутствием отверстий в определенных местах. Перфолента протягивается сквозь ряд фо­тореле, и при наличии отверстий в ней в ЭВМ пойдут импульсы, соответствующие дорожкам перфоленты с отверстиями. Фотореле применяют для фиксации достижения предметом заданного по­ложения.

Например, в автоматических устройствах защиты об­служивающего персонала от производственных травм фотодатчик при попадании руки рабочего в опасную зону выдает предупреди­тельный сигнал или выключает механизм. Линейку фотодиодов используют для определения размера детали: по числу диодов, затененных деталью, и по расстоянию между ними рассчитывается размер. Проецируя увеличенный контур детали на линейку, можно значительно повысить точность определения размера. Су­ществуют устройства определения шероховатости поверхности по интенсивности отраженного от поверхности светового потока.

Фотодатчики используются для контроля за перемещением суп­порта металлорежущих станков (рис. 3.13). Источник света направ­ляет полосу света на прозрачный диск, на который нанесена ко­довая шкала с прозрачными и непрозрачными участками. За дис­ком расположена линейка фотодиодов. Каждому кодовому кольцу диска соответствует один двоичный разряд числа, кодирующего угол поворота. Сигналы с фотоэлементов попадают на логичес­кую схему контроля поворота диска (выходом является код угла поворота, т.е. это абсолютный датчик положения). Инкрементный датчик положения построен аналогично, но имеет всего один фотодатчик и подвижную прозрачную линейку или диск с нане­сенными на них непрозрачными штрихами (до тысячи штрихов на 1 мм). При перемещении линейки или повороте диска фото­элемент выдает импульсы, а логическая схема их считает.

В рассмотренных примерах использовался дискретный фото­датчик. Однако существуют и аналоговые датчики. Например, для измерения температур более 1500 К широко применяются яркостные пирометры, в которых температура или цвет источника света кодируется током через фотоэлемент.

Контрольные вопросы

1. Каково главное преимущество электрических элементов?

2. Каков главный недостаток пневматических элементов?

3. Почему измеряемый параметр, как правило, сразу преобразуют в Электрический сигнал?

4. Чем отличается датчик от измерительного прибора?

5. В чем отличие требований к конструкции датчика и указателя?

6. В чем отличие генераторного и параметрического измерительных преобразователей?

7. Почему элементы автоматики следует проектировать с соблюдением стандарта на диапазоны входного и выходного сигналов?

8. Какова область применения цифровых первичных преобразователей?

9. Что является входным и выходным параметром индукционного дат­чика перемещения?

10. В каких случаях удобнее использовать абсолютную, а в каких — относительную погрешность?

11. Чем отличается систематическая погрешность от случайной?

12. Какой вид погрешности обработки свидетельствует об износе станка?!

13. Какой вид имеет характеристика контактного преобразователя, реостата?!

14. Почему для электромагнитных и емкостных датчиков используются, измерительные цепи переменного тока?

15. Назовите главный недостаток емкостных датчиков по сравнению c электромагнитными.

16. Перечислите основные источники погрешности при использовании тензодатчика.

17. Каков принцип действия термопары?

18. Каков принцип действия терморезистора?