Применяемые датчики

Электрические датчики принято классифицировать с использованием признаков, отражающих разные группы свойств:

- вид измеряемой величины (механическая сила и крутящий момент, положение и перемещение, скорость и ускорение, давление, температура, влажность, электрические ток, напряжение и мощность, индукция магнитного поля и др.);

- тип преобразования входной величины (генераторные, параметрические);

- преобладающий характер электрических явлений, заложенных в принцип действия (резистивный, индуктивный, емкостный, волоконно-оптический);

- вид выходного электрического сигнала (аналоговый, цифровой).

Резистивные преобразователи

Резистивные преобразователи, принцип действия которых основан на зависимости их сопротивления от длины, площади сечения проводника и удельного электрического сопротивления его материала, имеют множество разновидностей (тензорезисторы, терморезисторы, фоторезисторы), обусловленных влиянием разных физических величин на указанные параметры. К резистивным относятся также генераторные преобразователи (например, термопары, преобразователи Холла), принцип действия которых базируется на создании токов и напряжений в материале при воздействии измеряемой величины.

К достоинствам резистивных преобразователей следует отнести независимость коэффициента преобразования от частоты сигнала, а также возможности их изготовления с использованием технологии интегральных микросхем, что позволяет легко совмещать в единой конструкции чувствительные элементы и средства обработки сигналов.

Для измерения механических величин нашли применение различные типы тензорезисторов, принцип действия которых основан на изменении при механической деформации их сопротивлений

,

вследствие вариации размеров резистора и удельного сопротивления. Здесь ρ – удельное электрическое сопротивление; l – длина проводника; s – площадь сечения.

Свойства терморезисторов зависят от конструкции преобразователя и его материала. В качестве материалов в тензорезисторах используются металлы и сплавы (константан, нихром, манганин, хромель) или полупроводники (кремний, германий, арсенид галлия).

Изготавливают металлические тензорезисторы методами нанесения материала на диэлектрическую основу (стеклоткань). Для крепления тензорезистора на поверхности детали используется особый клей, обеспечивающий передачу деформации и отвод тепла. Фольговые тензорезисторы при толщине проводящего слоя 5...10 мкм и базе 5...10 мм имеют сопротивления от десятков до сотен Ом.

К достоинствам полупроводниковых тензорезисторов следует отнести высокую чувствительность, которая может превышать на два порядка аналогичный параметр металлических преобразователей.

Примеры тензорезисторов (тензодатчиков)

В качестве измерительной цепи, преобразующей изменение сопротивления в напряжение, нашли применение преобразователи, использующие схему неуравновешенного моста (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Мостовая схема измерительного преобразователя сопротивления в напряжение: ЛС – линия связи; ПУ – предварительный усилитель; Ф – частотный фильтр; НУМ – нормирующий усилитель мощности.

Напряжение и пропорционально напряжению источника электропитания V (U₀).

Перед передачей сигнала в линию связи (ЛС) целесообразно включить предварительный усилитель напряжения (ПУ), частотный фильтр (Ф) и нормирующий усилитель мощности (НУМ). Электропитание измерительного моста, как правило, осуществляется от источника постоянного или синусоидального напряжения. Применение источников постоянного напряжения связано с необходимостью использования сложного предварительного усилителя постоянного тока.

Мостовая схема находится в равновесии (и=0) пока выполняется соотношение

R₁/R₂ = R₃/R₄.

При изменении сопротивления R₁ на величину ∆R появляется напряжение и:

и = 1/4 U₀∙∆R/R

Крутящий момент М дает ∆R₁ и (-∆R₂). В результате u ~ M

Cила F дает ∆R₁ и ∆R₂. В результате u = 0

Вопрос для самопроверки: как можно расположить тензодатчики, чтобы мерить F и не реагпровать на М?

Конструктивные реализации устройств на базе тензодатчиков