2.3.1. Чувствительные элементы с электрическим выходным сигналом

Пьезоэлектрические чувствительные элементы. Относятся к классу активных чувствительных элементов. Основаны на использовании пьезоэффекта: возникновении электрических зарядов под действием упругой деформации кристаллов кварца, турмалина, титанита бария и других сегнетоэлектриков. При нагреве выше температуры Кюри пьезоэффект исчезает.

Входная величина: усилие, давление.

Выходная величина: электрический заряд, напряжение.

Погрешность:  (1 – 3)% предела измерения.

Быстродействие: очень высокое.

Преимущества: высокая чувствительность, практически безынерционность, большой диапазон входных величин.

Недостатки: очень высокое сопротивление, непригодность для статических измерений.

Электродинамические чувствительные элементы. Относятся к классу активных. Основаны на индуцировании напряжения в катушке при изменении магнитного потока, пронизывающего обмотку:

,

где Ф – магнитный поток

N – число витков

Могут применяться для измерения линейных и угловых скоростей.

Входная величина: скорость

Выходная величина: напряжение

Частотный диапазон: 0 – 10³ Гц

Преимущества: малые погрешности, возможность индикации направления вращения.

Недостатки: конструктивная сложность реализации тахогенераторов (контактные кольца, тяжелые постоянные магниты).

Термопары. Относятся к классу активных преобразователей. Основаны на возникновении э.д.с. на свободных концах двух соединенных разнородных проводников. Величина э.д.с. зависит от материала проводников и температуры горячего спая. Практическое значение имеют пары материалов: медь-константан, платина-платинородий, копель-хромель, нихром-никель.

Величина термо э.д.с. составляет единицы микровольт на один Кельвин.

Входная величина: температура

Выходная величина: напряжение

Диапазон измерений от 0 до 1500 ⁰С

Погрешность: 2% от предела измерения

Постоянная времени: от секунд до минут

Преимущества: широкий диапазон измерений, малая погрешность.

Недостатки: тепловая инерционность, необходимость обеспечения постоянной температуры свободных концов термопары, малая чувствительность.

Фотодиоды. Относятся к классу активных элементов. Используют эффект возникновения электрического напряжения на выходах и одновременного снижения внутреннего сопротивления при освещении. При подключении внешнего сопротивления в цепи возникает фототок. Различные полупроводниковые материалы позволяют обеспечить максимум чувствительности в требуемом диапазоне спектра.

Входная величина: освещенность

Выходная величина: постоянный ток

Чувствительность: 0,25 – 1,0 мА/лм

Погрешность: проценты

Температурная погрешность: 0,2% / ⁰С

Частотный диапазон: 0 – 500 Гц

Преимущества: малые габариты, выбор любой области спектра.

Недостатки: малая точность, инерционность.

Резистивные датчики. Относятся к пассивным чувствительным элементам. Меняют свое электрическое сопротивление под воздействием перемещения движка (скользящего контакта). В проволочных датчиках существует минимальный уровень чувствительности, обусловленный дискретным изменением сопротивления при переходе движка с витка на виток. Линейная зависимость между перемещением и сопротивлением обеспечивается только при очень высоком входном сопротивлении измерителя. Поэтому в основном пользуются компенсационными методами измерения.

Входная величина: линейное или угловое перемещение

Выходная величина: сопротивление

Диапазон измерения: линейный до 60 мм, угловой до 350⁰

Погрешность нелинейности: 0,1 – 0,3%

Динамические характеристики: 5 – 1000 Гц

Преимущества: высокое разрешение, возможность реализации нелинейного функционального преобразования.

Недостатки: ненадежность скользящего контакта.

Тензорезисторы. Относятся к пассивным элементам. Изменяют свое сопротивление в зависимости от величины упругой деформации. Изготавливают из константановой проволоки, наклеенной на подложку или в виде дорожки фольги, протравленной на фольгированном диэлектрике. В рабочем состоянии наклеивается на контролируемую поверхность.

Входная величина: перемещение

Выходная величина: сопротивление

Диапазон измерения: 5 мкм

Погрешность нелинейности 0,05%

Частотный диапазон: 0 – 10 Гц

Преимущества: малая погрешность, дешевизна, универсальность применения.

Недостатки: очень низкая чувствительность, влияние температуры и влажности.

Датчик Холла. Активный чувствительный элемент, основанный на возникновении э.д.с. Холла на противоположных гранях полупроводниковой пластины, через которую пропускают ток и на которую действует магнитное поле в направлении, нормальном к направлению тока:

где U_Н – э.д.с. Холла;

В – нормальная составляющая индукции магнитного поля;

I – сила тока;

S – толщина пластины;

R_H – коэффициент Холла.

С помощью зонда с элементом Холла, расположенного в магнитном поле, можно преобразовать угловое перемещение в напряжение.

Фоторезисторы и фотодиоды в пассивном диодном режиме. Полупроводниковые элементы, содержащие электронно-дырочный переход, сопротивление которого зависит от освещенности. Увеличение освещенности от нуля до 100 лк уменьшает сопротивление прибора на 3 – 4 порядка. Предельная частота фотодиодов составляет 100 кГц и значительно превышает частоту фоторезисторов.

Применяют также фототранзисторы, в которых за счет усилительных свойств транзистора заметно увеличена (по сравнению с фотодиодами) чувствительность к свету.

Входная величина: освещенность

Выходная величина: электрическое сопротивление

Чувствительность: фотодиоды до 30 мА/лм, фототранзисторы до 130 мА/лм

Частотный диапазон: фотодиоды до 5*10⁴ Гц

Преимущества: хорошая чувствительность, малая инерционность.

Недостатки: неблагоприятная спектральная характеристика в области видимого спектра, зависимость темнового тока от температуры.

Терморезисторы. Используют явление зависимости сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов от температуры.

Температурный коэффициент металлических терморезисторов близок к 0,004⁰С^-1. Наилучшим материалом для изготовления металлических термосопротивлений является платина, позволяющая охватить температурный диапазон от –200 до +850⁰С. При температурах до 150⁰С используют никель. Погрешность от 0,1 до 1,0%. Основной недостаток металлических терморезисторов – большая инерционность.

Полупроводниковые терморезисторы по сравнению с металлическими обладают более высокой чувствительностью, хотя работают в меньшем диапазоне температур. При этом термисторы обладают отрицательным, а иозисторы положительным коэффициентом сопротивления. Терморезисторы на полупроводниках имеют малые размеры, поэтому менее инерционны и могут использоваться для определения температурных полей по результатам точечных координатных размеров. Основной недостаток полупроводниковых терморезисторов – нестабильность характеристик, в связи с чем перед употреблением их подвергают искусственному старению.

Индуктивные датчики. Индуктивность обмотки с магнитным сердечником зависит от магнитного сопротивления магнитной цепи. На величину магнитного сопротивления влияют площадь сечения магнитопровода, длина магнитной цепи, магнитная проницаемость материала магнитопровода. Длина и сечение являются геометрическими размерами, магнитная проницаемость может быть изменена, например, путем механической деформации (магнитоуправляемые датчики).

Индуктивные чувствительные элементы с подвижным ферромагнитным якорем используются наиболее часто. Перемещение якоря меняет магнитное сопротивление датчика. Изменение индуктивности от перемещения якоря зависит нелинейно. Обычно, применяют устройство, показанное на рис. 2.3, состоящее из двух дифференциально включенных катушек. При движении якоря индуктивность одной катушки увеличивается на L, а другой уменьшается на L. С помощью мостовой схемы измерения разность суммы изменений индуктивностей 2L может быть преобразована в электрическое напряжение. За счет определенных конструктивных решений можно обеспечить линейную зависимость напряжения от перемещения в пределах до 80% длины катушки.

Индуктивные элементы дифференциально-трансформаторного типа позволяют получить выходной сигнал непосредственно в виде напряжения – рис. 2.4. Внутри первичной катушки S_р симметрично расположены две

Рисунок 2.3 Индуктивный датчик

Рисунок 2.4 Индуктивный дифференциально-трансформаторный датчик

вторичные обмотки S_р, включенные встречно. Напряжение на выходах встречно включенных обмоток зависит от хода якоря.

Входная величина: перемещение

Выходная величина: изменение индуктивности, переменное напряжение

Диапазон измерения: 80% длины катушки

Погрешность нелинейности: 1 – 3%

Частотный диапазон: 0 – 10⁴ Гц

Преимущества: высокая чувствительность, простота конструкции.

Недостатки: нелинейность характеристики, чувствительность к внешним магнитным полям.

Магнитоупругие индуктивные датчики основаны на изменении магнитной проницаемости  ферромагнитных сердечников. Некоторые ферромагнетики, особенно с высоким (более 70%) содержанием никеля под действием приложенных механических напряжений изменяют  почти в полтора раза, причем зависимость  от усилия близка к линейной. Магнитоупругие датчики используются в качестве силоизмерительных. Их точность хуже тензометрических датчиков, но они могут выдавать выходной сигнал большой мощности без дополнительного усиления.

Входная величина: сила

Выходная величина: изменение магнитной проницаемости

Диапазон измерений: от 100 Н и выше

Погрешность нелинейности: 4 – 5%

Частотный диапазон: 0 – 10³ Гц

Преимущества: простота конструкции, большая мощность выходного сигнала.

Недостатки: нелинейность характеристики.

Емкостные датчики. Относятся к категории пассивных. Очень широко используются при технологических измерениях для контроля различных параметров. Емкость плоскопараллельного конденсатора определяется выражением:

,

где - диэлектрическая постоянная;

- относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами;

А - площадь пластин конденсатора;

d - расстояние между ними.

Следовательно, емкость конденсатора может изменяться от изменения площади перекрытия пластин, расстояния между пластинами и диэлектрической проницаемости вещества, находящегося между пластинами.

Емкостные датчики с изменяющимся зазором используются для измерения малых перемещений. Величина емкости конденсатора зависит от перемещения d нелинейно:

.

При d/d = 0,1 нелинейность составляет 10%, при d/d = 0,01 уменьшается до 1%. Для расширения зоны линейности применяют дифференциальный конденсатор.

Входная величина: перемещение

Выходная величина: изменение емкости

Диапазон измерения: до 1 мм

Погрешность нелинейности: 1 – 3%

Частотный диапазон: 0 – 10⁵ Гц

Преимущества: малые габариты, высокая чувствительность.

Недостатки: нелинейность чувствительности, очень большое внутреннее сопротивление, чувствительность к помехам, необходимость применения коротких подводящих проводов.

Емкостные датчики с изменяющейся площадью пластин используют для измерения угловых и линейных перемещений. Зависимость емкости от перемещения прямоугольных пластин линейна. Использование пластин специальной формы позволяет получить специальные нелинейные зависимости. Конденсатор переменной емкости, состоящий из поворотных пластин, применим для измерения угла поворота.

Входная величина: линейное и угловое перемещение

Выходная величина: изменение емкости

Диапазон измерения: несколько сантиметров, до 180⁰

Погрешность нелинейности: незначительна

Частотный диапазон: 0 –10⁴ Гц

Преимущества: линейность, простота получения необходимой нелинейности.

Недостатки: высокоомность, сложность реализации, чувствительность к помехам.

Емкостные датчики с изменяющейся диэлектрической проницаемости среды применяют для измерения состава вещества, влажности, уровня заполнения, толщины изоляционных пленок и покрытий. Они работают в частотном диапазоне до 10⁴ Гц. Для обеспечения хорошей точности измерения необходимо устранить влияние всех факторов, сказывающихся на величине .