16.1.1 Реостатные преобразователи

Параметрические преобразователи, выходной величиной которых является электрическое сопротивление, называются резистивными. В том случае, когда входной величиной является перемещение, используют реостатные преобразователи, в которых движок реостата перемещается в соответствии со значением измеряемой величины. На рисунке 16.2 схематически показаны конструкции реостатных преобразователей угловых (рисунок 16.2 а) и линейных (рисунок 16.2 б) перемещений. Преобразователь состоит из обмотки, намотанной на каркас, и подвижной щетки. Форма каркаса зависит от характера преобразуемого перемещения (линейное, угловое) и от вида необходимой функции преобразования (линейная, нелинейная). Используют каркасы в виде пластины, цилиндра, кольца и т. д. Они изготовляются из диэлектрика (гетинакс, керамика) или металла (дюралюминий с анодированной поверхностью). Проволока для обмотки выполняется из различных сплавов платины, обладающих повышенной коррозионной стойкостью и износоустойчивостью; применяются также манганин, константан, фехраль. Реостатные преобразователи с проволочной обмоткой являются ступенчатыми (дискретными) преобразователями, поскольку непрерывному изменению перемещения соответствует дискретное изменение сопротивления. Дискретный характер выходной величины определяет возникновение соответствующей погрешности дискретизации, которая уменьшается с увеличением числа витков обмотки. Поэтому реостатные преобразователи обычно имеют не меньше 100-200 витков обмотки. Указанная погрешность дискретизации отсутствует в реохордных преобразователях, в которых щетка скользит вдоль оси калиброванной проволоки.

16.1.2 Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы)

Другим типом резистивных преобразователей являются широко используемые тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы).

В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления резисторов, выполненных из проводников или полупроводников, при их механической деформации.

Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности вычисляемый по формуле (16.3) /14/

Рисунок 16.3 - Тензочувствительный преобразователь.

, (16.3)

где - относительное изменение сопротивления резистора;

- относительное изменение линейного размера резистора.

В настоящее время наиболее широко используются наклеиваемые тензопреобразователи (рисунок 16.3). Преобразователь представляет собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к полоске бумаги (подложке 1) проволоку 2 (проволочную решетку). Преобразователь включается в схему с помощью привариваемых или припаиваемых выводов /8/. Преобразователь наклеивается на поверхность исследуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с продольной осью решетки.

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

Применяются также фольговые и пленочные тензорезисторы, габаритные размеры которых меньше габаритных размеров проволочных тензорезисторов.

Изменение температуры вызывает изменение функции преобразования тензорезисторов, что объясняется температурной зависимостью сопротивления преобразователя и различием температурных коэффициентов линейного расширения материала тензорезистора и исследуемой детали. Влияние температуры устраняется обычно путем применения соответствующих методов температурной компенсации. Для измерения выходной величины тензорезисторного преобразователя чаще всего применяют мостовые схемы.

Существенно более высокой тензочувствительностью обладают полупроводниковые тензорезисторы. Так, полупроводниковые тензорезисторы из кристаллов кремния или германия имеют коэффициент тензочувствительности k = 50 - 200.

В последние годы появились конструктивно новые полупроводниковые тензорезисторные датчики, в которых полупроводник выращивается непосредственно на упругом элементе из кремния или сапфира. Такие чувствительные элементы обладают хорошими упругими свойствами, в частности малой погрешностью гистерезиса. На одном упругом элементе выращивается обычно не один, а несколько тензорезисторов, образующих измерительную цепь в виде моста (или полумоста). Это обеспечивает малые габаритные размеры преобразователя и лучшую температурную компенсацию. Тензорезисторы всех типов находят широкое применение для измерения деформаций, усилий, давлений, моментов и т. п.

16.1.3 Термопреобразователи сопротивления. Они были подробно рассмотрены в главе 14 – «Измерение тепловых величин», поэтому, считаем повторение излишне.