2. Дослідження індуктивних датчиків Основні теоретичні положення

Принцип дії індуктивних датчиків базується на зміні індуктивності або взаємоіндуктивності котушки з магнітопроводом при ппереміщенні якоря.

Індуктивні датчики (рис.2) класифікують на датчики з рухомим якорем, рухомим сердечником, поворотним якорем та магнітопружнього типу.

Індуктивні датчики в основному використовують для вимірювання кутових та лінійних переміщень, а також сили тиску. Вони прості , відносно надійні, безконтактні, у них порівняно велика вихідна потужність, працюють вони на змінному струмові частотою від 50Гц до 5кГц (на частотах менше 50Гц зменшується доля індуктивного опору датчика, а на частотах більше 5кГц зростають втрати на перемагнічування та зростає індуктивний опір датчика).

Для індуктивного датчика з рухомим якорем (рис.2,а) вхідним сигналом δ є переміщення якоря відносно середнього положення, а вихідним - напруга Uвих . Нехтуючи магнітним опором сталевого осердя та активним опором котушки, можна вважати, що струм , протікаючий в обмотках, пропорційний значенню повітряного зазору:

I = kδ,

де: k=U10/(0,2·π·ω·W·S)- коефіцієнт; δ – значення повітряного зазору; U – напруга, прикладена до обмотки; ω – кутова частота, пропорційна лінійній частоті напруги живлення f (ω=2·π·f); W – число витків обмотки; S - переріз сталевого сердечника.

Індуктивні датчики з рухомим якорем забезпечують вимірювання механічних лінійних переміщень в межах від декількох мікрометрів до декількох міліметрів.

Для вимірювання великих переміщень використовують індуктивні датчики з рухомим сердечником (рис.2,б).

Індуктивні датчики з поворотним якорем (рис.1,в) використовують для вимі рювання кутових переміщень, а індуктивні датчики магнітопружнього типу – для визначення сили тиску (рис.2,г).

Рис.2. Схеми індуктивних датчиків:

а) з рухомим якорем; б) з рухомим сердечником; в) з поворотним якорем; г) магнітопружнього типу.

Залежність між вихідною та вхідною величинами датчика у статичному режимі називають статичною характеристикою датчика. Статична характеристика індуктивного датчика простого типу представлена на рис.7,а. Лінійність характеристики індуктивного датчика простого типу зберігається у межах деякої зони (А-В-С) і порушується, коли активний опір котушки r стає рівним з індуктивним опором XL. Нелінійність при малих повітряних зазорах зумовлена споживанням струму на покриття втрат у активному опорі котушки та у сталі.

Робочу точку індуктивного датчика вибирають на середині прямолінійної частини АС характеристики (точка В, рис.7,а). Цій точці відповідає початковий струм I_по та початковий повітряний зазор δ_во.

Загальний недолік індуктивних датчиків - залежність точності вимірювань від стабільності частоти напруги живлення.

3. Дослідження дротяних тензорезисторних датчиків Основні теоретичні положення

В основу роботи тензорезисторів покладена властивість деяких провід- никових та напівпровідникових матеріалів змінювати активний опір при деформації за рахунок зміни геометричних розмірів та питомого опору.

Провідникові матеріали підрозділяють на дротяні та фольгові. Дротяні тензорезистори представляють собою петлеподібний дріт 2 із константа діаметром 0,01…0,05 мм, укладений між двома електроізоляційними гнучкими прокладками 1 (Рис.3,а), до кінців дроту припаяні вивідні кінці 3. Фольгові тензорезистори (Рис.3,б) мають вид решітки зі стрічки товщиною 0,004…0,012 мм, яка закріплюється між плівками з лаку.

Напівпровідникові тензорезистори представляють собою тонку (до 0,01мм) пластинку з германію або кремнію, до кінців якої спеціальним методом прикріплюються вивідні провідники.

Чутливість тензорезисторів до деформації визначається за формулою

,

де: R, l – опір та довжина дротяного елементу тензорезистора; ΔR,Δ l – добутки опору та довжини; λ = ΔR/R – відносна зміна питомого опору дроту при його деформації; ε = Δ l / l – відносна деформації; μ – коефіцієнт Пуассона (для металів - 0,24…0,4); ρ, Δρ – питомий опір тензочутливого матеріалу та приріст питомого опору.

Характеристика тензодатчика ΔR/R = f(Δ l / l) близька до лінійної, тому чутливість тензодатчика майже постійна.

Тензорезистори наклеюють безпосередньо на об’єкт дослідження, який контролюється, або до пружного елементу, деформація якого є відомою

функцією контролюємого параметру. Вибір конструкції та матеріалу пружного елементу здійснюють за характером та діапазоном зміни контролюємої величини, конструктивними та експлуатаційними особливостями об’єкту контролю, допустимою похибкою.

Чутливість тензорезисторів практично постійна та залежить від властивостей матеріалу, технології виготовлення, якості основи та наклейки тензорезисторів (товщини та суцільності шари клею, його однорідності, значення адгезії, повзучості, вологостійкості та ін.).

Для підвищення чутливості тензорезисторів використовують спеціальні вимірювальні схеми, у яких зміна опору тензодатчиків перетворюється у зміну електричного струму, напруги, частоти або кодового сигналу. Одночасно вимірювальні схеми дозволяють додавати або віднімати відносні зміни опорів декількох тензодатчиків, виключати (послаблювати) вплив температури та деяких інших факторів на вихідний сигнал датчика.

Чутливість вимірювальних схем залежно від характеристики перетворень визначається одним з виразів:

; ; ,

де: ΔI,ΔU, Δf- відповідно зміна струму, напруги, частоти вихідного сигналу.

Найбільше розповсюдження отримали потенціометричні та мостові вимірювальні схеми з тензодатчиками.

На схемі рис.2,а наведена типова потенціометрична схема. Послідовно включені пасивний резистор R1 та тензорезистор R2 отримують живлення від джерела постійного струму з напругою Uст. При R2<< Rн напруга між точками А і Б

Максимальна чутливість схеми досягається при R1 = R2 = R. Вважаючи, що ΔR/R = ST· ε, отримуємо:

Більш досконалими є мостові вимірювальні схеми з тензодатчиками (рис.4,б). Працюють вони на постійному та змінному струмі (невисокої частоти – до кГц). Живлення моста здійснюється від джерела, що під”єднується до точок А і Б – однієї діагоналі моста. До іншої діагоналі моста (точки В і Г) під”єднується навантаження . Тензорезистори можуть включатися у одне, два суміжних, або в усі чотири плеча. Якщо всі тензорезистори, що включають у вимірювальний міст, є активними, то зміна опорів тензорезисторів в суміжних плечах повинна бути протилежною за знаком при позитивних та від’ємних деформаціях.

Рис.3.Схеми тензорезисторних перетворювачів: а) – дротяного; б) – фольгового.

Рис.4.Вимірювальні схеми тензорезисторних перетворювачів: а) – потенціометрична; б) – мостова.

Рис.5.Схеми врівноважування тензорезисторних мостів: а) – регульованим конденсатором; б) – регульованим резистором.

Використання двох або чотирьох активних тензорезисторів збільшує чутливість датчика у 2 або 4 рази відповідно. Також при цьому відбувається безпосередня (пряма) компенсація негативного впливу на точність вимірювання коливань температури та напруги живлення.

Для мостової вимірювальної схеми , живлення якої здійснюється напругою постійного струму, можна визначити :

1.Баланс моста - за умови: ; різниця потенціалів вимірювальної діагоналі Uн = 0.

2.Розбаланс моста – за умови: ; різниця потенціалів вимірювальної діагоналі: а) Uн < 0; б) Uн > 0.

Якщо живлення моста здійснюється змінним струмом, тоді активні опори у плечах моста слід замінити повними опорами – комплексними величинами Z=R+jx, де R-активний опір; x – реактивний опір. Реактивна складова з”являється як результат реактивної асиметрії елементів моста (впливу індуктивного та ємнісного опорів елементів , в тому числі впливу паразитних ємкостей та ємкостей асиметрії з’єднувальних ліній). Рівновага моста досягається при виконанні умови: Врівноважування активної та реактивної складових опорів моста здійснюють за допомогою регульованих резисторів та конденсаторів RБЛ, СБЛ (рис.3а,б).

Сигнал на виході вимірювальних схем з тензодатчиками невисокої потужності і тому для його підсилення застосовують підсилювачі, до яких вимогами є стабільність характеристик, точність, високий коефіцієнт підсилення. Таким вимогам відповідають сучасні диференційні підсилювачі постійного струму.

На рис.5,а представлена схема вмикання вимірювального моста з активним R1 та компенсаційним R2 тензорезисторами. Резистором R3 врівноважують міст при відсутності деформації. Живлення моста здійснюють від джерела стабілізованої напруги постійного струму. Допоміжним балансним опором мостової схеми є резистор R4. Сигнал з виходу моста подається на підсилювач постійного струму на базі операційного підсилювача на інтегральній мікросхемі (ІМС). Захист вхідного кола від можливого пробою при ушкодженні тензорезисторів здійснюють діодами VD1, VD2. Резистор R5 забезпечує регулювання коефіцієнта підсилення. Ємкість С створює додатковий зворотній зв’язок, що охоплює операційний підсилювач та може скоректувати нелінійність, що властива неврівноваженим мостам та нелінійність тензорезисторів. Транзистор VT1 призначений для збереження працездатності підсилювача при випадковому замиканні вихідної клеми.

На рис.6,б представлена вимірювальна схема з підсилювачем змінного струму. Вхідний трансформатор Тр забезпечує узгодження малого опору тензорезисторів з великим вхідним опором підсилювача, що дозволяє збільшити відношення корисний сигнал/шум. Конденсатори С2, С3 зменшують послаблення сигналу на виході каскада через опори R7, R8.

Для підсилення сигналу, що отримують на виході тензометричного моста, використовують операційнї підсилювачі постійного струму у мікроінтегральному виконанні. Вимірювальна схема забезпечує вимірювання дуже малих струмів (10^-6…10^-9А).

Рис.6.Вимірювальні тензорезисторні схеми з підсилювачами: а) постійного струму;б) змінного струму