6.6.Датчики сил и механических передвижений.

1. Магнитоупругие датчики

• суть магнитоупругого эффекта состоит в том, что при деформации ферромагнитного тела в нём изменяется ориентация областей спонтанного намагничивания, что приводит к магнитной проницаемости тела

• явления обратное магнитной упругости называется магнитострикцией

Простейший датчик:

• Функция преобразования f – нелинейна

• для уменьшения нелинейности используют магнитоанизотропные материалы (получаемые ковкой растяжкой) и дополнительно нагружают датчик некоторой постоянной ямой

• подобные меры позволяют уменьшить погрешность до 1,5 – 2 %

• f отличается при увеличении и уменьшении нагрузки, это связано с магнитным и механическим гистерезисом материала датчика

• для уменьшения магнитного гистерезиса используют материал с наиболее узкой петлёй магнитного гистерезиса

• max механическое напряжения должно быть на порядок < упругости материала

2. Пьезоэлектрические датчики

• пъезоэффект – эффект возникновения поляризации некоторых веществ, при определённых упругих деформациях

• наблюдается у некоторых монокристаллов, не имеющих центра симметрии (турмалин, кварц, сигнетовая соль и др.)

• поляризация max если сила направлена вдоль одной из полярных (электр.) осей

• в кварце существует 3 такие оси

y

x

• если сила вдоль x, то продольный пьезоэффект

• если сила вдоль y, то поперечный пьезоэффект

• если деформируем вдоль х

• остаточная деформация отсутствует

• внутренне трение очень мало

• покрытие гранит Ag – получаем конденсатор

• δ – толщина кварцевой пластинки

• U может достигать нескольких вольт, но измерить сложно, так как заряд стекает очень быстро.

• используют на частоте

• рабочая частота определяется размерами и может достичь 100 МГц

w – круговая частота вынужденных колебаний

τ - 1÷100 с

• на погрешность пьезоэлектрических преобразователей существенно влияет нестабильность параметров кабеля, соединяющего датчик с измеряемой схемой

• при изменении температуры или изгиба кабеля – меняется его ёмкость, а расслоение изоляции кабеля приводит к генерации зарядов, вследствие трения

• поскольку входная цепь очень высокоомная, то увеличение влажности воздуха приводит к уменьшению сопротивления, на которое нагружен датчик

• наибольшую стабильность обеспечивает кварц, но на практике чаще используется менее стабильная, но более чувствительная пьезокерамика (чувствительность превышает в 20÷40)

3. Тензорезисторы – измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при деформации сжатия/растяжения

Различают:

• проводниковые тензорезисторы

• полупроводниковые тензорезисторы

• проводниковые – плёночные, проволочные и тензорезисторы из фольги

R0 – сопротивление недеформированного транзистора

ST – тензочувсвительность материала

ή – относительная деформация

• лучший материал – константан (S = 2÷2.1)

• нелинейность константановых преобразователей не более 1%, если относительная деформация не превышает 1 %

• рабочая температура t – l до 180 С

х

d = 4÷12 мкм - толщина

a = 5÷20 мм - длина

b = 3÷10 мм – ширина

20÷50 мкм – диаметр проволочного датчика – проволочные датчики менее чувствительны

• полупроводниковые тензорезисторы представляют собой миниатюрную пластинку из Si или Ge

Недостатки:

1. сопротивление полупроводникового транзистора существенно зависит от температуры

2. допустима гораздо меньшая деформация

• сопротивления меняется не за счёт изменения длины или площади, а за счёт изменения удельной электропроводности ρ

• сопротивление тензодатчика измеряют с помощью мостовых схем

• при измерении механических напряжений → дифференциальные схемы 1 типа → деформация только одного знака (сжатие или растяжение)

• при измерении механических сил используется дифференциальная схема 2 типа → и сжатие и растяжение

4. Фоточувствительные датчики (приёмники оптического излучения)

Подразделяют на:

1. фотоэлектронные преобразователи

2. фотоэлектрические преобразователи

3. тепловые приёмники излучения

• фотоэлектронные датчики основаны на внешнем фотоэффекте (фотоэлектронная эмиссия): вакуумные и газонаполненные фотоэлементы; фотоэлектрические умножители (ФЭУ); электроннооптические преобразователи (ЭОП) и различные передающие телевизионные трубки (суперортиконы, диссекторы, видикон)

• диапазон спектральной чувствительности 0,17÷1,2 мкм

• фотоэлектрические датчики – приборы на основе внутреннего фотоэффекта (фоторезисторы, приборы на основе p – n перехода)

• обычно это полупроводники с одним типом проводимости

• p – n переход – тиристоры, фототранзисторы, фотодиоды

• у фотодиода под действием света изменяется ВАХ → возрастает обратный ток

• фототранзисторы обладают свойством усиления электрического тока, возникающее при освещении базы

• при освещении базы транзистора в ней генерируются пары – электрон – дырка; электроны уходят на положительный заряд базы; увеличение положительного заряда эквивалентно увеличению отпирающего транзистора тока → ток коллектора увеличивается

к фотоэлектрическим преобразователям относятся также полупроводниковые фотоэлементы (состоят из 2 контактирующих материалов Me и п/п) – в зоне контакта возникает запирающая разность потенциалов, аналогичная p – n переходу

• фотоприёмное устройство (ФУ) представляет собой матрицу их фоточувствительных элементов (фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов, фоточувствительных МДП структур) плюс схемы предварительной обработки сигналов (усилители, коммутаторы и другие); к фотоприёмникам относят фотоприёмники с переносом заряда – 2 вида: приборы с зарядовой связью или приборы с зарядовой инжекцией

• тепловые приёмники излучения – к ним относятся болометры и пироэлектрические преобразователи

Болометры:

• работа болометров основана на изменении сопротивления чувствительного элемента, при повышении его температуры под действием падающего излучения (используются плёночные и п/п терморезисторы)

• если плёночный терморезистор – Ni, Bi, Au, Pl; толщина ≈ 0,1 мкм; R – несколько Ом

• п/п транзистор изготавливают из пластинки из Si или Ge толщиной 10-20 мкм или из смеси окисных металлов, тогда сопротивление пластинки может достигать нескольких мега Ом

• в болометре имеется 2 элемента (существуют болометры, в которых имеется не 2, а 4 чувствительных элемента):

- измерительный

- компенсационный

• многие болометры имеют встроенный каскад на полевом транзисторе

Пироэлектрические преобразователи:

• их работа основана на пироэлектрическом эффекте; его суть состоит в том, что при изменении температуры некоторые кристаллы и керамики поляризуются, т.е. на их гранях возникают заряды разного знака

• поскольку пироэлектрический эффект имеет место только при изменении температуры, то подобные датчики используются для регистрации только импульсного или модулированного излучения (кристаллический пироэлектрик – неонат натрия)