Sb94859

Если в качестве материала тензочувствительного ИП используется полупроводник (обычно в виде тонкой пластины), то S m , т. е. основной вклад в изменение сопротивления полупроводника под действием деформации вносит изменение удельного сопротивления [4].

Для металлов в зоне действия упругих деформаций K П 0,24...0,6 . Коэффициент тензочувствительности может быть от 1,48 до 2,2. Коэффициент тензочувствительности полупроводников значительно выше и может достигать S 100 .

На рис. 3.1 представлен тензочувствительный проволочный преобразователь, представляющий собой тонкую зигзагообразную уложенную и приклеенную к подложке 1 проволоку 2. Преобразователь включают в цепь с помощью припаиваемых или привариваемых выводов 3. ИП наклеивают на поверхность детали, деформацию которой определяют так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с осью

Основным требованием к материалу проволочных тензочувствительных преобразователей, кроме достаточного коэффициента S, является возможно меньший температурный коэффициент сопротивления материала. Это объясняется сравнительно малым относительным изменением сопротивленияR / R , так как относительная деформация l / l в пределах упругих

деформаций не превышает для металлов 2,5 103 , что при значении S 2

приводит к R / R , не превышающему 5 10 3 , т. е. 0,5 %, даже при значительных деформациях. Важным требованием к материалу преобразователя является также возможно большее удельное сопротивление, так как при заданном номинальном сопротивлении R необходимо стремиться к возможно меньшей площади, занимаемой преобразователем.

Наиболее широкое применение нашел сплав константан, имеющий коэффициент тензочувствительности S 1,9...2,1. В качестве подложки используется тонкая бумага, а также пленка лака или клея, а при высоких температурах – слой цемента. В зависимости от назначения преобразователи выполняют различных размеров. Длина (база) бывает от 0,5 до 150 мм, ширина 0,5…60 мм. Начальное сопротивление преобразователя от 50 до

200 Ом.

31

Полупроводниковые тензочувствительные преобразователи изготавливают в виде узкой полоски из охлажденного расплава германия (гедистор) или кремния (кредистор). Наиболее перспективным материалом считается кремний, отличающийся хорошим сочетанием механических и электрических свойств и отработанной технологией изготовления. Особенностью тензочувствительных преобразователей является то, что преобразователь, размещенный (наклеенный) на объекте, невозможно переместить и использовать повторно. В связи с этим для определения градуировочной характеристики R S l приходится прибегать к выборочной градуировке. Невозможность непосредственной градуировки рабочего преобразователя приводит к появлению погрешности от неидентичности преобразователей и различного качества наклейки на уровне 3…5 %. Для полупроводниковых тензочувствительных ИП из-за их плохой взаимозаменяемости невозможна даже выборочная градуировка, и их применяют только в случае, если возможна индивидуальная градуировка рабочего преобразователя.

Предельная частота изменения измеряемой деформации зависит от величины базы ИП. Так, при базе 5 мм предельная частота составляет 100 кГц, а при базе 100 мм – 5 кГц [4].

3.2.4. Индуктивные преобразователи

Принцип действия индуктивных преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток от

Коэффициент самоиндукции (индуктивность) обмотки, расположенной

реактивная составляющие магнитного сопротивления магнитопровода.

32

Активная составляющая определяется по формуле:

где i , li , si – относительная магнитная проницаемость, длина и площадь поперечного сечения i-го участка магнитопровода соответственно; – длина воздушного зазора; s – площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода; 0 4 10 7 Гн/м – магнитная постоянная.

Реактивная составляющая магнитного сопротивления определяется по формуле XM P Ф2 , где P – потери мощности в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи; ω – угловая частота; Ф – магнитный поток в магнитопроводе.

Взаимная индуктивность двух обмоток может быть найдена из выражения M w1w2 ZM .

Приведенные соотношения показывают, что индуктивность и взаимную индуктивность можно изменять, меняя значения и s, перемещая подвижный сердечник в том или ином направлении, а также воздействуя на потери в магнитопроводе, перемещая немагнитную металлическую пластину.

Полное электрическое сопротивление Z преобразователя связано с длиной воздушного зазора зависимостью, близкой к гиперболической. Линейный участок характеристики преобразования с начальным зазором 0 ограничен значением (0,1…0,2) 0 с погрешностью линейности 1 %. Относительное изменение полного сопротивления ZZ из-за наличия активного сопротивления обмотки, потока утечки и магнитного сопротивления магнитопровода в 2...5 раз меньше относительного изменения длины воздушного зазора / 0 .

Расширить линейный участок характеристики преобразования можно, если в качестве выходной величины выбрать не сопротивление Z, а проводимость Y 1/ Z [4]. При этом зависимость изменения проводимости Y будет линейно связана с относительным изменением длины воздушного

зазора / 0 (эта величина должна быть много меньше единицы).

При включении индуктивного преобразователя в цепь переменного тока преобразователь превращается в электромагнит с подвижным якорем. Сила притяжения якоря со стороны электромагнита и, соответственно, дополнительное перемещение якоря должны быть пренебрежимо малы по

33

сравнению с измеряемыми значениями, что необходимо учитывать при

преобразователи (рис. 3.3), в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два

преобразователи (на самом деле это взаимно-индуктивные преобразователи).

По типу магнитной цепи индуктивные преобразователи делят на ИП с разомкнутой магнитной цепью и ИП с замкнутой магнитной цепью.

ИП с разомкнутой магнитной цепью представляют собой катушку 1, внутри которой помещен стальной сердечник 2 (рис. 3.5). Такие ИП отличаются малыми габаритами и массой, но подвержены сильному влиянию внешних магнитных полей. Данные преобразователи используются для измерения относительно больших перемещений (до 100 мм).

ИП с замкнутой магнитной цепью (рис. 3.2–3.4) имеют сердечники, набранные из листов или стали, иногда из пермаллоя (магнитомягкого сплава

34

электротехническая сталь, то частота напряжения питания должна находиться в диапазоне 50…800 Гц. При использовании пермаллоевых сердечников частота питания может быть повышена до 2000 Гц. ИП с ферритовыми сердечниками могут иметь частоту питания до 100…300 кГц.

Частота питания ИП непосредственно связана с частотным диапазоном преобразуемого процесса. Если частота f x исследуемого процесса задана, то частота fп питания (рабочая частота) должна быть fп (5...10) fx .

Индуктивные ИП с замкнутой магнитной цепью обычно используются для измерения относительно малых перемещений, не превышающих нескольких миллиметров.

3.2.5. Емкостные преобразователи

Принцип действия емкостных преобразователей основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между обкладками.

Для плоского конденсатора с двумя обкладками (пластинами) электрическая емкость определяется выражением: C s 0 / d , где 0 – электрическая постоянная, ε – относительная диэлектрическая проницаемость; s – активная площадь обкладок; d – расстояние между обкладками.

На рис. 3.6 схематично показано устройство различных емкостных преобразователей. В преобразователе на рис. 3.6, а измеряемая неэлектрическая величина x приложена к подвижной пластине конденсатора, которая перемещается относительно неподвижной пластины, т. е. в этом случае изменяется расстояние d между пластинами. Зависимость емкости конденсатора от изменения расстояния между пластинами, т. е. C f (d) ,

35

Рис. 3.6

нелинейна (гиперболическая), а чувствительность резко возрастает с уменьшением расстояния между пластинами. В связи с этим такие преобразователи используются для измерения перемещений до 1 мм.

В схеме дифференциального емкостного преобразователя (рис. 3.6, б) преобразуемая величина прикладывается к подвижной пластине, которая перемещается между двумя неподвижными пластинами, что приводит к одинаковому изменению емкостей конденсаторов C1 и C2 , но с разными знаками. Зависимость относительного изменения разности емкостей C1 и C2 от относительного изменения расстояния между подвижной и неподвижной пластинами становится линейной при относительном изменении расстоянияd / d 0,4...0,5 , где d0 – начальное расстояние между неподвижной и подвижной пластинами. В дифференциальном преобразователе увеличивается также чувствительность.

Дифференциальный емкостный преобразователь с переменной активной площадью пластин (рис. 3.6, в) может использоваться для измерения как линейных (значительно больших 1 мм), так и угловых перемещений. Хотя в формуле плоского конденсатора емкость C пропорциональна активной площади обкладок (пластин) s, на практике емкость непропорциональна площади из-за так называемого краевого эффекта, когда электростатическое поле на краях пластины перестает быть равномерным.

На рис. 3.6, г приведена упрощенная схема емкостного преобразователя, используемого для измерения уровня некоторой жидкости с относительной диэлектрической проницаемостью ε.

36

Емкостные ИП применяются в измерительных цепях, питающихся напряжением высокой частоты (до десятков мегагерц). Как указано в [5], номинальное значение емкости ИП обычно не превышает 100…500 пФ и на низких частотах емкостное сопротивление будет значительным. Для

увеличения выходной мощности P U 2 C , где U – напряжение, подаваемое на ИП; ω – круговая частота питающего напряжения; C – емкость ИП, выгодно повышать напряжение U, но только до определенного предела. Этот предел определяется опасностью пробоя диэлектрика (воздух) при малом расстоянии между пластинами и возникновением силы электростатического притяжения между пластинами, которая пропорциональна квадрату приложенного напряжения U и обратно пропорциональна квадрату расстояния между пластинами d.

3.3.Генераторные измерительные преобразователи

Вотличие от параметрических преобразователей, выходной величиной генераторных измерительных преобразователей являются ЭДС или заряд, функционально связанные с преобразуемой неэлектрической величиной.

3.3.1. Термоэлектрические преобразователи

Принцип действия термоэлектрических преобразователей состоит в использовании термоэлектрического эффекта, возникающего в цепи термопары (ТП).

На рис. 3.7 показаны термопара и способ ее подключения к измерительному прибору. При разности температур между точками 1 и 2

Соединение термоэлектродов называют горячим (рабочим) спаем, а соединения термоэлектродов с измерительным прибором 2 и 2' называют холодными (свободными) концами термопары. Для того чтобы подключение

37

третьего проводника (измерительного прибора) не изменяло термоЭДС ТП, необходимо, чтобы температура точек подключения 2 и 2' была одинаковой.

Материалы, применяемые для изготовления ТП, должны отвечать требованиям высокой чувствительности при широком диапазоне измеряемых температур, постоянства статической характеристики ЕТП = f (t), обладать антикоррозийной способностью, хорошей электропроводностью, химической и термической стойкостью. Используемые материалы делятся на три группы: сплавы на основе неблагородных металлов, сплавы на основе благородных металлов и полупроводниковые материалы. Наиболее широко используются ТП из металлов первой группы. Эта группа ТП отличается относительно узким температурным диапазоном (до 1000…1100 ºC), но имеет повышенную чувствительность.

При подборе материалов термоэлектродов пользуются данными так называемого термоэлектрического ряда [6]. В нем термоэлектрические свойства различных материалов выражены по отношению к нормальному термоэлектроду, за который принимают химически чистую платину. Термоэлектроды из материалов первой группы чаще всего изготавливаются из сплавов на основе меди, никеля, железа, хрома, алюминия. Сложный состав сплавов и трудность получения в химически чистом виде некоторых из перечисленных элементов затрудняют изготовление идентичных термоэлектродов и приводят к погрешности отклонения характеристик ТП от градуировочной [6].

При измерении температур выше 1100 ºC используется группа ТП из благородных металлов, в основном с применением платины. Такие ТП характеризуются высокой стабильностью свойств, расширенным температурным диапазоном (до 2000 ºC), однако чувствительность их примерно на порядок ниже, чем у ТП из неблагородных металлов. Недостатком термопар из материалов второй группы является их высокая стоимость.

При измерении температур выше 2000 ºC используются особо термостойкие материалы: вольфрам, молибден, рений, иридий, тантал. Современные ТП, изготовленные из этих материалов, позволяют производить кратковременные измерения температуры порядка

2500…3000 ºC.

Основной недостаток ТП из тугоплавких материалов – неидентичность характеристик за счет отклонения процентного состава сплавов, плохие

38

механические свойства и высокая стоимость входящих в их состав элементов.

ТП с термоэлектродами из полупроводниковых материалов или с термоэлектродами, состоящими из пары «металл–неметалл» (кремний, теллур), отличаются повышенной чувствительностью, но практическое их применение ограничивается узким температурным диапазоном, разбросом параметров и низкой механической прочностью.

При измерении температур выше 3000 ºC применяются термоэлектрические ИП, использующие лучистую энергию нагретых тел [4].

Для обеспечения большего перепада температур между горячим (рабочим) и свободным концами ТП и удобства поддержания температуры свободных концов постоянной их удаляют из зоны действия высокой (измеряемой) температуры с помощью так называемых удлинительных проводов (УП). Материалы УП должны выбираться с учетом возможного возникновения паразитных термоЭДС в местах их соединения с термоэлектродами.

УП для ТП из неблагородных материалов изготавливаются из тех же материалов, что и сами термоэлектроды. УП для ТП из благородных материалов делают из специальных более дешевых сплавов, подбирая их состав таким образом, чтобы они в паре образовывали ТП, идентичную рабочей ТП в диапазоне температуры свободных концов (обычно 0…100 ºC).

В зависимости от назначения ТП градуируется различным образом. Образцовые ТП, предназначенные для измерения температуры с высокой точностью, градуируются по так называемым реперным точкам, технические ТП, применяемые для измерения температуры с ограниченной точностью, – с помощью образцовых термометров. В обоих случаях термоЭДС измеряется компенсатором постоянного тока. Температура свободных концов ТП в процессе градуировки поддерживается постоянной и равной 0 ºC. Интерполяция промежуточных точек характеристик производится согласно аналитическим зависимостям, представленным для стандартных ТП [6].

Основными источниками погрешности ТП являются погрешности за счет изменения температуры свободных концов, отклонения характеристики ТП от градуировочной и ее нелинейность, а также изменение параметров ТП во времени.

39

3.3.2. Пьезоэлектрические преобразователи

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов под влиянием механических напряжений. Обратный пьезоэффект состоит в возникновении механических деформаций пьезоэлектрика, помещенного в электрическое поле. Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т. е. меняются знаки заряда при замене сжатия растяжением и знак деформации при изменении направления поля.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электрическом поле пьезокерамики: титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и т. д. [3]. В пьезоэлектрических ИП чаще всего применяется кварц, обладающий более высокой механической прочностью по сравнению с другими пьезоэлектриками, высокими изоляционными свойствами и независимостью пьезоэлектрической характеристики от температуры в широких пределах.

Известно, что в монокристалле кварца можно выделить три оси: OX, OY и OZ, называемые соответственно электрической, механической и оптической осями [4]. Если из кристалла кварца вырезать пластину, грани которой будут перпендикулярны осям OX, OY и OZ, и подвергнуть ее действию механической силы FX , направленной вдоль оси OX, то на гранях, перпендикулярных этой оси, появится заряд q x , пропорциональный действующей силе (продольный пьезоэффект), т. е. qx kFX , где k –

возникают снова на тех же гранях, но значение их, оставаясь пропорциональным FY , зависит от длины и ширины пластины (поперечный пьезоэффект). Воздействие на пластину вдоль оптической оси OZ не вызывает появления зарядов.

Разность потенциалов, возникающая на гранях пластины, определяется зарядом q и собственной емкостью преобразователя C0 по формуле U q / C0 . Для увеличения заряда, а следовательно, и разности потенциалов

40