Параметрические измерительные преобразователи

Выходной величиной в параметрических преобразователях является параметр электрической цепи – электрическое сопротивление или его со­ставляющие (R, L, C). Для использования параметрического преобра­зователя необходим дополнительный источник питания, обеспечиваю­щий образование выходного сигнала преобразователя.

К наиболее часто применяемым параметрическим преобразователям относятся реостатные, тензочувствительные (тензорезисторы), термочувствительные (терморезисторы или термометры сопротивления), индуктивные, емкостные, оптоэлектронные (фоторезисторы, фотодиоды и др.), ионизационные и др.

Принцип действия реостатных преобразователей основан на измене­нии электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины – механического перемещения. Реостатный преобразователь (рис.3.1) представляет собой реостат, подвижный контакт которого переме­шается под действием измеряемой неэлектрической величины. Обмотку преобразователя изготавливают из сплавов (платина с иридием, константан, нихром, фехраль и др.).

Подобные преобразователи об­ладают статической характеристикой преобразования со ступенчатым характером, поскольку сопротивление измеряется скачками, равными соп­ротивлению одного витка, что вызывает погрешность

где DR – сопротивление одного витка;

R – полное сопротивление преобразователя.

	Рисунок 3.1 − Реостатные преобразователи для угловых и линейных перемещений

Эта погрешность отсутствует в реохордных преобразователях, в ко­торых щетка скользит вдоль оси проволоки.

Для получения нелинейной функции преобразования приме­няют функциональные реостатные преобразователи. Нужный ха­рактер преобразования часто достигается профилированием кар­каса преобразователя (рис.3.1, в).

Достоинства реостатного преобразователя: относительная просто­та конструкции, возможность получения высокой точности преобразо­вания и значительных по уровню выходных сигналов. Основной недос­таток – наличие скользящего контакта.

Тензоэффект, положенный в основу работы тензорезисторов, заклю­чается в измерении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации.

Если проволоку подвергнуть механическому воздействию, на­пример, растяжению, то сопротивление ее изменится. Относитель­ное изменение сопротивления проволоки

DR/R = S ∙Dl/l ,

где S – коэффициент тензочувствительности;

Dl/l – относительная де­формация проволоки.

Изменение сопротивления проволоки при механическом воз­действии на нее объясняется изменением геометрических разме­ров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала.

Тензочувствительные проволочные преобразователи представляют собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к подложке проволоку. Преобразователь устанав­ливают таким образом, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с продольной осью проволочной решетки. В качестве материа­ла для преобразователя обычно используют константановую проволоку (у константана – малый температурный коэффициент сопротивления) и для подложки – тонкую бумагу (0,03…0,05 мм) и плёнку лака либо клея (БФ-2, БФ-4, бакелитовый и др.).

Распространение также получили фольговые преобразователи, у которых вместо проволоки используется фольга, и пленочные тензорезисторы, получаемые путем возгонки тензочувствительного матери­ала с последующим осаждением его на подложку.

Достоинства тензорезисторов: линейность статической характерис­тики преобразования, простота конструкции и малые габариты. Основной недостаток – низкая чувствительность.

В тех случаях, когда требуется высокая чувствительность, находят применение полупроводниковые тензочувствительные преобразователи (поли­кристаллические из порошкообразно­го полупроводника и монокристалли­ческие из кристалла кремния). Поскольку чувствительность полупровод­никовых тензорезисторов в десятки раз выше, чем у металлических, и, кроме того, интег­ральная технология позволяет в одном кристалле кремния формировать одно­временно как тензорезисторы, так и микроэлектронный блок обработки, то в последние годы получили преимущественное развитие интегральные полу­проводниковые тензочувствительные преобразователи. Такие элементы реализуются либо по технологии диффузионных резисторов с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки p-n-переходами – технология «крем­ний на кремнии», либо по гетероэпитаксиальной технологии «кремний на диэлектрике» на стеклокерамике, кварце или сапфире. Для тензочувствительных преобразователей, осо­бенно полупроводниковых, сущест­венно влияние температуры на их упругие и электрические характеристики, что требует применения специальных схем температурной компенсации по­грешностей (в частности, с этой целью в расширенной схеме тензомоста ис­пользуются компенсационные резис­торы и терморезисторы). Особенно широкое применение в изготовлении измерительных преобразователей давления в силу сво­их высоких механических, изолирую­щих и теплоустойчивых качеств полу­чила технология КНС – «кремний на сапфире».

Совершенствование технологии изготовления полупроводниковых тензорезисторов создало возможность изготавливать тензоре­зисторы непосредственно на кристаллическом элементе, выполнен­ном из кремния или сапфира. Упругие элементы кристаллических материалов обладают упругими свойствами, приближающимися к идеальным. Сцепление тензорезистора с мембраной за счет молекулярных сил позволяют отказаться от использования клеющих материалов и улучшить метрологические характеристики преобразователей. На рис.3.2, а показана сапфировая мембрана 3 с расположенными на ней однополосковыми тензорезисторами p-ти­па с положительной 1 и отрицательной 2 чувствительностями. По­ложительной чувствительностью обладает тензорезистор, у которо­го отношение >0, если же <0 – чувствительность отри­цательна.

Структура однополоскового тензорезистора приведена на рис.3.2, б. Здесь: 1 – тензорезистор; 2 – защитное покрытие; 3 – металлизирован­ные токоведущие дорожки; 4 – упругий элемент преобразователя (сапфировая мембрана). Тензорезисторы можно рас­полагать на мембране так, что при деформации они будут иметь разные по знаку приращения сопротивления. Это позволяет создавать мостовые схемы, в каждое из плеч которого вклю­чаются тензорезисторы с соответствую­щим значением и даже термоком­пенсационные элементы.

Тензорезисторы при­меняют для измерения деформаций и других неэлектрических величин – усилий, давлений, моментов и т.п.

Принцип действия терморезистора основан на зависимости электрического сопротивления проводников или полупроводников от температуры.По режиму работы терморезисторы различают перегревные и без преднамеренного перегрева. Перегревные ис­пользуют для измерения скорости, плотности, состава среды и др. В перегревных преобразователях электрический ток вызывает перегрев, зависящий от свойств среды. Последние применяются для измерения температуры окружающей среды.

Распространение получили терморезисторы, выполненные из медной или платиновой проволоки. Стандартные платиновые терморезисторы применяют для из­мерения температуры в диапазоне от –260 до +1100 °С, мед­ные – в диапазоне от –200 до +200 °С (ГОСТ 6651–78). Низкотемпературные платиновые терморезисторы (ГОСТ 12877–76) применяют для измерения температуры в пределах от –261 до –183°С.

На рис.3.3, а показано устройство платинового терморези­стора. В каналах керамической трубки 2 расположены две (или четыре) секции спирали 3 из платиновой проволоки, соединенные между собой последовательно.

Рисунок 3.3 − Устройство и внешний вид арматуры платинового

термометра сопротивления

К концам спирали припаивают выводы 4, используемые для включения терморезистора в изме­рительную цепь. Крепление выводов и герметизацию керамиче­ской трубки производят глазурью 1. Каналы трубки засыпают порошком безводного оксида алюминия, выполняющим роль изо­лятора и фиксатора спирали. Порошок безводного оксида алю­миния, имеющий высокую теплопроводность и малую тепло­емкость, обеспечивает хорошую передачу теплоты и малую инер­ционность терморезистора. Для защиты терморезистора от механических и химических воздействий внешней среды его по­мещают в защитную арматуру (рис.3.3, б) из нержавеющей стали.

Для медных терморезисторов зависимость сопротивления от темпера­туры выражается уравнением

R=R₀∙ (1+α t) при –50 ⁰С ≤ t ≤ +180 ⁰С,

где R₀ – сопротивление при t=0 ⁰С; α = 4,26∙10^–3 К^–1.Для платиновых –

R=R₀∙[1+А t+В t²] при 0 ⁰С ≤ t ≤ +650 ⁰С,

где А=3,968∙10^–3 К^–1; В=5,847∙10^–7 К^–2; С=–4,22∙10^–12 К^–4.

Помимо платины и меди, для изготовления терморези­сторов используют никель (в странах дальнего зарубежья).

Для измерения температуры применяют также полупровод­никовые терморезисторы (термисторы и позисторы) различных типов, кото­рые характеризуются большой чувствительностью (температурный коэффициент сопротивления ТКС термисторов отрицательный и при 20°С в 10–15 раз превышает ТКС меди и платины, ТКС позисторов положительный и несколько хуже) и имеют более высокие сопротивления (до 1 МОм) при весьма малых размерах. Недостаток термисторов – плохая воспроизводимость и нелинейность характеристики преобразования.

Термисторы используются в диапазоне температур от –60 до +120°C.

где R и R₀ – сопротивления терморезистора при температурах соответственно t и t₀;

t₀ – начальная температура рабочего диапазона;

В – коэффициент преобразования.

К термочувствительным преобразователям относят также термодиоды и термотранзисторы, у которых при изменении температуры изменяет­ся величина сопротивления р-n перехода. Эти приборы обычно приме­няются в диапазоне от –80° до +150° С. Чаще всего термодиоды и терморезисторы включают в мостовые цепи и измерительные схемы в виде делителей напряжения. К достоинствам таких преобразователей относят высокие чувствительность и надежность, малые габариты, невысокую стоимость и малую инерционность. Основные недостатки: уз­кий диапазон рабочей температуры и плохая воспроизводимость ста­тической характеристики преобразователя.

Принцип действия индуктивных преобразователей основан на зависи­мости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного сос­тояния элементов их магнитной цепи (рис.3.4). На рис.3.4 схематически показаны различные типы индук­тивных преобразователей. Индуктивный преобразователь (рис.3.4, а) с переменной длиной воздушного зазора δ характе­ризуется нелинейной зависимостью L = f (δ). Такой преобразова­тель обычно применяют при перемещениях якоря на 0,01—5 мм.

Рисунок 3.4 − Различные конструкции индуктивных преобразователей

Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимо­стью L = f (s) отличаются преобразователи с переменным сечениемвоздушного зазора (рис.3.4, б). Эти преобразователи используют при перемещениях до 10…15 мм.

Широко распространены индуктивные дифференциальные преобразователи (рис.3.4, в), в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора электромагнитов. Дифференциальные преобразователи в сочетании с соответствующей измерительной цепью (обычно мостовой) имеют более высокую чувствитель­ность, меньшую нелинейность характеристики преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов и сниженное результирующее усилие на якорь со стороны электромагнита, чем недифференциальные преобразователи.

На рис.3.4,г показана схема включения дифференциаль­ного индуктивного преобразователя, у которого выходными вели­чинами являются взаимные индуктивности. Такие преобразова­тели называют взаимно-индуктивными или трансформаторными. При питании первичной обмотки переменным током и при симмет­ричном положении якоря относительно электромагнитов ЭДС на выходных зажимах равна нулю. При перемещении якоря на выходных зажимах появляется ЭДС.

Для преобразования сравни­тельно больших перемещений (до 50…100 мм) применяют трансформаторные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью (рис.3.4, д).

В горной промышленности получили распространение магнитоупругие преобразователи (рис.3.4, е), действие которых основано на использовании эф­фекта зависимости магнитной проницаемости (магнитного сопротивле­ния цепи) от величины механического воздействия (сжатия или рас­тяжения) на ферромагнитный сердечник преобразователя. Различают магнитоупругие датчики дроссельного и трансформаторного типов. Последние могут контролировать только усилие сжатия, однако обладают большей чувствительностью.

Достоинствами индуктивных и магнитоупругих преобразователей яв­ляются простота и надежность в работе, значительная мощность вы­ходных сигналов. Основными недостатками – обратное воздействие преобразователя на исследуемый объект (воздействие электромагни­та на якорь) и влияние инерции якоря на частотные характеристики прибора.

Принцип действия емкостных преобразователей ос­нован на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от значения диэлектри­ческой проницаемости среды между ними. Они представляют собой конденсаторы различных конструкций, преобразующие механические линейные или угловые пе­ремещения, а также давление, влажность или уровень среды в изме­нение электрической емкости.

в)

Рисунок 3.5 − Различные конструкции емкостных преобразователей

Применяют также дифференциальные преобразователи (рис.3.5, б), у которых имеется одна подвижная и две непод­вижные пластины. При воздействии измеряемой величины ху этих преобразователей одновременно изменяются емкости С₁и С₂. Такие преобразователи используют для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм) и угловых перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемую характеристику преобразо­вания путем профилирования пластин.

Преобразователи с использованием зависимости C = f₁ ( ) применяют для измерения уровня жидкостей, влажности ве­ществ, толщины изделий из диэлектриков и т. п. Для примера (рис.3.5, в) приведем устройство емкостного уровнемера. Емкость между электродами, опущенными в сосуд, зависит от уровня жидкости, так как изменение уровня ведет к изменению средней диэлектрической проницаемости среды между электродами. Изменением конфигурации пластин можно получить желаемый характер зависимости показаний прибора от объема (массы) жидкости.

Для измерения выходного параметра емкостных преобразо­вателей применяют мостовые цепи и цепи с использованием резо­нансных контуров. Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, способные реагировать на переме­щения порядка 10^–7 мм. Цепи с емкостными преобразователями обычно питают током повышенной частоты (до десятков мега­герц), что вызвано желанием увеличить сигнал, попадающий в измерительный прибор, и необходимостью уменьшить шунтиру­ющее действие сопротивления изоляции.

Достоинства емкостных датчиков: простота конструкции, малые раз­меры и масса, высокая чувствительность и малая инерционность. Основные недостатки – необходимость в источниках питания повышенной частоты и вредное влияние паразитных емкостей, температуры, влажности и внешних электрических полей.

Полупроводниковые фоточувствительные преобразователи в качестве чувствительного элемента имеют светочувствительный слой, на­несенный на подложку (стеклянную пластинку). Сопротивление этого слоя обратно пропорционально интенсивности светового потока или мощности источника освещения. Фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы обладают сравнительно высокой стабильностью, хорошей чувствительностью, но их применение ограничивается при наличии пыли, например угольной, препятствующей нормальной работе.

Действие ионизационных преобразователей основано на явлении ио­низации газа или люминесценции некоторых веществ под действием ионизирующего излучения. В качестве ионизирующих агентов применяют a–, b– и g–лучи радиоактивных веществ, иногда рентгеновские лучи и нейтронное излучение. Выбор типа ионизационного преобразователя зависит во многом от ионизирующего излучения. Гамма–лучи (электромагнитные колебания малой длины волны – 10^–8…10^–11 см)об­ладают большой проникающей способностью.

Конструкции ионизационных камер и счетчиков разнообразны и зависят от вида излучения. В качестве источников ионизирующего излучения обычно используют кобальт-60, стронций-90, плутоний-239 и др.

Преимущества ионизационных преобразователей – в возможности бес­контактных измерений в агрессивных или взрывоопасных средах, сре­дах, имеющих высокою температуру или находящихся под большим дав­лением. Основной недостаток: необходимость применения биологической защиты при высокой активности источника излучения.

Генераторные преобразователи

В генераторных преобразователях выходной величиной является ЭДС или заряд, функционально связанный с измеряемой неэлектрической величиной.

Рассмотрим наиболее распространенные виды генераторных преобразователей.

Термоэлектрические преобразователи работают на термоэлектричес­ком эффекте, возникающем в цепи термопары: при разности температур в точках 1 и 2 (рис.3.6) соединения двух разнородных проводников в цепи термопары возникает термоЭДС.

Точку соединения проводников (электродов) 1 называют рабочим концом термопары, точки 2 и 2' – свободны­ми концами. Чтобы термоЭДС в цепи термопары однозначно определя­лась температурой рабочего конца, необходимо температуру свободных концов термопары поддерживать одинаковой и не­изменной. Градуировку термоэлектрических термометров произво­дят обычно при температуре сво­бодных концов 0°С. Градуировочные таблицы для стандартных термопар также составлены при условии равенства температуры свободных концов 0°С. При практическом применении термоэлектри­ческих термометров температура свободных концов термопары обычно не равна 0°С и поэтому необходимо вводить поправку.

Тахогенераторы предназначены для измерения угловой скорости вращающихся объектов. Ротор тахогенераторов механически связывают с валом испытуемого элек­тродвигателя или исполнительного механизма, а об угловой скорости w судят по выходной ЭДС генератора.

Из тахогенераторов наибольшее распространение получили тахогенераторы постоянного тока, выпускаемые с постоянными магнитами либо с независимым возбуждением. Область их применения весьма разнообразна: прецизионные тахогенераторы постоянного тока используются в авиации, судостроении, станкостроении, металлургической и других отраслях промышленности. К преимуществам этих датчиков относят достаточно высокую точность и наличие выходного сигнала постоянного тока, удобного для последующей обработки. Основным недостатком этих тахогенераторов является наличие коллекторно-щеточного узла, снижающего надежность работы и долговечность преобразователя.

Синхронные тахогенераторы имеют малое внутреннее сопротивление, что позволяет получить от них достаточно большие мощности. При изменении частоты вращения ротора в синхронных машинах изменяется не только амплитуда выходного напряжения, но и его частота. Благодаря механической устойчивости синхронные тахогенераторы нашли применение в трамваях, локомотивах, крановом хозяйстве и др.

Асинхронные тахогенераторы по конструкции подобны двухфазным асинхронным двигателям. Их роторы обычно выполняют в виде тонкостенного металлического цилиндра. Две обмотки статора тахогенератора сдвинуты на 90° относительно друг друга. К од­ной обмотке подводят напряжение питания, а с измерительной обмот­ки снимают ЭДС. При подаче напряжения питания постоян­ной величины и частоты пульсирующий магнитный поток, пересекая ротор, индуктирует в измерительной обмотке ЭДС, пропорциональную угловой скорости w ротора, приводимого в движение контролируемой машиной или механизмом. Основное достоинство асинхронных тахогенераторов состоит в том, что независимо от частоты вращения ротора ЭДС переменного тока на выходе такого тахогенератора имеет постоянную частоту.

К основным недостаткам тахогенераторов относят ог­раниченный частотный диапазон измеряемых величин. В последние годы тахогенераторы постепенно вытесняются фотоимпульсными и индукционными датчиками, а также специальными интеллектуальными преобразователями – шифраторами углового перемещения (положения).

В фотоимпульсных датчиках импульсы в оптоэлектронной паре источник излучения – приемник излучения (светодиод – фотопреобразователь) создаются при помощи дисков с прорезями или отверстиями, в некоторых приводах применяют вращающиеся детали машин. В подавляющем большинстве шифраторов положения также используют в качестве чувствительного элемента оптоэлектронную пару.

Импульсы индукционных датчиков создаются под влиянием пульсирующего или знакопеременного магнитного потока. В качестве тела, модулирующего поток, служат специальные зубчатые колеса либо вращающиеся ферромагнитные детали машин.

В пьезоэлектрических преобразователях используется эффект появ­ления электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) под влиянием механичес­ких напряжений.

Рисунок 3.7

Устройство пьезоэлектрического преобразователя для изме­рения переменного давления газа показано на рис.3.7. Давле­ние Рчерез металлическую мембрану 1 передается на зажатые между металлическими прокладками 2 кварцевые пластинки 3. Шарик 4 способствует равномерному распределению давления по поверхности кварцевых пластинок. Средняя прокладка соединена с выводом 5, проходящим через втулку из хорошего изоля­ционного материала. При воздействии давления Рмежду выводом 5 и корпусом преобразователя возникает разность потенциалов

Практическая работа №4