8.1.1. Резистивные измерительные преобразователи

Реостатные измерительные преобразователи. Реостатный ИП пред­ставляет собой в простейшем случае реостат, щетка (движок) которого переме­щается под воздействием измеряемой неэлектрической величины (рис. 8.1). Преобразователь состоит из обмотки, нанесенной на каркас, и щетки. Форма каркаса зависит от характера измеряемого перемещения (линей­ное или уг­ловое) и от вида функции преобразования (линейная, нелинейная) и может иметь вид цилин­дра, тора, призмы и т. д. Для изготовления каркасов применя­ются диэлектрики (ге­тинакс, пластмасса, керамика) и металлы (дюралю­миний с анодированной поверхностью), покрытые изоляционным ла­ком.

Рис. 8.1. Устройство реостатного преобразователя для измерения

угловых перемещений

Проволока для обмотки выполняется из сплавов с малым температур­ным коэффициентом сопротивления. Дешевыми и часто используемыми мате­риалами служат константан и манганин. Сопротивление обмотки колеб­лется от десятков до нескольких тысяч Ом. Провод обычно изолируют эмалью или оксидной пленкой. После изготовления обмотки изоляция про­вода очищается в местах соприкосновения его со щеткой.

Температурная погрешность определяется, прежде всего, температур­ным коэффициентом сопротивления провода, который, как правило, меньше 0,1 % на 10 ^оС.

Достоинством реостатных ИП является большая выходная мощность. Не­достаток – наличие трущегося контакта.

Выходной параметр реостатных ИП – сопротивление – измеряется обычно с помощью мостовой схемы с логометром в измерительной диагонали. Применение автоматических самоуравновешивающихся мостов, как и мосто­вых схем с логометром, позволяет избежать влияния колебаний напряжения ис­точника питания и, кроме того, практически исключает влияние переход­ного контакта между движком и обмоткой ИП.

Реостатные ИП применяются для измерения угловых и линейных пе­ремещений и тех величин, которые могут быть преобразованы в эти перемеще­ния (усилия, давления, уровни и объемы жидкостей и т. д.). Реостат­ные ИП применяются также в качестве прецизионных регулируемых резисто­ров (реохордов) в автоматических мостах и компенсаторах.

Пример применения реостатного ИП измерения уровня или объема жидко­сти показан на рис. 8.2. В результате перемещения поплавка, определяе­мого уровнем или объемом жидкости, изменяется положение щетки ИП, что вызывает изменение сопротивлений резисторов R₁ и R₂, включенных че­рез добавочные резисторы R_д1 и R_д2 последовательно с рамками логометра. В результате изменяются отношение токов в рамках логометра и его показа­ния. Шкала логометра градуируется в значениях измеряемой величины объ­ема или уровня жидкости.

Тензочувствительные измерительные преобразователи (тензорези­сторы). Работа тензорезисторов основана на зависимости электрического сопро­тивления проводника или полупроводника от создаваемого в нем механиче­ского напряжения. Они подразделяются на металлические и полупро­водниковые. Из металлических тензорезисторов наиболее распростра­нены проволочные и фольговые. Если проволоку подвергнуть механи­ческому воздействию, например растяжению, то сопротивление ее изме­нится. Относительное изменение сопротивления проволоки

, (8.1)

где k – коэффициент тензочувствительности; l/l – относительная де­формация проволоки.

Рис. 8.2. Схема уровнемера

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

Проволочные тензорезисторы представляют собой тонкую зигзагообраз­ную проволоку 2, называемую решеткой, приклеенную к полоске бу­маги (подложке 1) (рис. 8.3).

В качестве подложки используется тонкая (0,03 – 0,05 мм) бумага, а также пленка лака или клея, а для работы при высоких температурах – слой це­мента. Проволока вместе с подложкой наклеивается на деталь. Сопротивление тензопреобразователя чаще всего составляет 50 – 200 Ом.

Относительная деформация проволоки тензопреобразователя l_Д/l_Д равна относительной деформации детали l_Д/l_Д, на которую наклеен тензопреобра­зователь. Последняя связана с механическим напряжением в де­тали  и модулем упругости материала этой детали Е соотношением

l_Д/l_Д = kσ/E (8.2)

Таким образом, уравнение преобразования тензопреобразователя можно представить в виде

kσE (8.3)

Рис. 8.3. Устройство проволочного тензорезистора

Основные требования, предъявляемые к материалу проволоки, следую­щие: возможно большее значение k, малый температурный коэффициент сопро­тивления (ТКС), высокое удельное электрическое сопротивление.

Для изготовления тензопреобразователей применяется главным обра­зом проволока диаметром 0,02 – 0,05 мм из константана, имеющего коэффици­ент k = 1,9 – 2,1.

У фольговых тензопреобразователей чувствительный элемент получают пу­тем травления фольги, одна сторона которой покрыта лаком или клеем. При травлении из фольги выбирается часть металла таким образом, что остав­шийся металл образует чувствительный элемент необходимой формы и сопротив­ления (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Контур решётки фольгового тензорезистора

Фольговые тензопреобразователи допускают большую мощность рассея­ния, так как металл тензопреобразователя имеет хороший тепловой кон­такт с объектом. Они имеют надежный механический контакт с поверхностью объекта и могут быть изготовлены практически любой формы и размеров.

В последнее время промышленностью выпускаются также тензопреобразо­ватели из монокристаллов полупроводников – кремния, герма­ния, арсенида галлия и др. Ценным свойством таких тензопреобразовате­лей является большое значение коэффициента k (от –200 до +850). Однако они имеют низкую механическую прочность и плохую воспро­изводимость характеристик.

Для измерения сопротивления тензопреобразователей в подавляющем большинстве случаев применяют неуравновешенные мостовые цепи с пита­нием постоянным или переменным током. Предпочтение отдается цепям с диф­ференциальным включением тензопреобразователей, в которых один тензо­резистор испытывает деформацию растяжения, а второй, включен­ный в смежное плечо моста, деформацию сжатия. При таком включе­нии практически исключается температурная погрешность и вдвое увели­чивается чувствительность.

Тензопреобразователи применяются для измерения сил, давлений, вращающих моментов, ускорений и других величин, преобразуемых в упру­гую деформацию. Тензопреобразователи широко применяются для измере­ния как статических, так и переменных во времени деформаций.