7. ИЗМЕРЕНИЕ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

При электрических измерениях неэлектрических величин измеряемая неэлектрическая величина через специальный преобразователь (ранее был принят термин «датчик») воздействует на электрическую схему. В этой схеме изменяется какой-либо электрический параметр, измеряемый электрическим прибором, шкала которого градуируется в единицах неэлектрической величины. Пример – измерение температуры термопарой с милливольтметром в качестве указателя, шкала которого отградуирована не в милливольтах, а в градусах Цельсия.

Следовательно, преобразователь преобразует измеряемую неэлектрическую величину Х в электрическую выходную величину Y. Зависимость

Y = f(X)

называется функцией преобразования данного преобразователя. Чувствительностью преобразователя называется величина

S = ∂∂YX .

В зависимости от вида функции преобразования чувствительность может быть постоянной величиной (функция преобразования линейна), либо переменной по диапазону измерения Х.

Преобразователь неэлектрической величины в электрическую воздействует как на электрическую схему по своему прямому назначению, так и на неэлектрическую систему, изменяя её режим по сравнению со случаем, когда система находилась бы без преобразователя. Пример – электрический тахометр, требуя определённый вращающий момент, изменит режим нагрузки маломощной механической системы.

При применении преобразователей существенными факторами являются погрешность и разрешающая способность. Допустимая погрешность преобразователей в процессах регулирования обычно составляет 1…2%, а в задачах контроля технологических процессов до 2…3%.

Разрешающая способность характеризует возможности и условия применения преобразователя. Она показывает, в каком диапазоне можно практически пользоваться функцией преобразования, и в каком режиме при этом должен работать преобразователь, чтобы погрешность преобразования оставалась в допустимых пределах.

Преобразователей неэлектрических величин в электрические существует огромное количество, рассмотреть их все не предоставляется возможным. Это и не нужно, так как большинство преобразователей представляет собой конструктивные разновидности, использующие хорошо известные принципы преобразования. Ниже будут рассмотрены только преобразователи механических величин и термоэлементы.

7.1. Преобразователи механических величин

Преобразователи в электрический сигнал механических величин наиболее часто используются для измерения в следующих случаях:

измерение положения тела относительно других тел; измерение размеров; измерение усилия и давления; определение деформации;

измерение веса, массы и плотности.

Преобразователи механических величин необычайно разнообразны, зачастую они конструируются именно под данную механическую систему. Однако их всё же можно классифицировать по принципу воздействия на электрическую схему. Можно различать их так:

генераторные преобразователи; моторные преобразователи; контактные преобразователи; параметрические преобразователи.

Генераторные преобразователи – обычно небольшие электрические машины постоянного или переменного тока. Входная величина – число оборотов в минуту, выходная – напряжение, иногда ток. К генераторным преобразователям иногда причисляют термоэлектрические преобразователи (термопары).

Моторные преобразователи – любой электропривод. Измеряя электрические величины (ток, напряжение, сдвиг фаз), можно вычислить значения механических величин.

Контактные преобразователи – импульсные устройства, преобразующие линейное или угловое перемещение в состояние контактов. С помощью соответствующих логических устройств с их помощью можно измерять перемещение, частоту, время.

51

Параметрические преобразователи преобразуют входную механическую величину в изменение параметра электрической схемы – сопротивления, ёмкости, индуктивности, которые измеряются, в свою очередь, с помощью соответствующих измерительных схем. Такие преобразователи – наиболее распространённые из всех.

7.1.1. Преобразователи перемещения в активное сопротивление

Простейший преобразователь этого типа – реостат, движок которого механически связан с перемещающимся объектом. Если его включить последовательно с источником тока и амперметром, его функция преобразования будет нелинейной и, кроме того, не знакопеременной. При включении преобразователя в потенциометрическую схему функция преобразования будет аналогичной. Если преобразователь выполнить по схеме рис.7.1а, то с использованием одного источника тока можно получить смену знака выходного напряжения при смещении движков потенциометров со среднего положения

(рис. 7.1б).

Рис. 7.1. Резистивный преобразователь перемещения (а) и его функция преобразования (б)

Устройства, применяемые для измерения удлинения, называются тензометрами, а соответствующие измерения – тензометрией. Для этих целей служат различные преобразователи удлинения в какую-либо легко измеряемую величину, например, в перемещение стрелки-указателя, в изменение ёмкости или индуктивности, в изменение активного сопротивления.

Устройство для преобразования удлинения – тензопреобразователь – в изменение активного сопротивления называется тензорезистором. В основе работы тензорезистора лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводника при его механической деформации.

Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности Sм (сокращённо – коэффициент тензочувствительности материала), определяемый как частное от деления относительного изменения сопротивления на относительное изменение длины проводника:

Sм = εεR ,

l

где εR = ∆R / R – относительное изменение сопротивления проводника; εl = ∆l / l – относительное изменение длины проводника.

При деформации проводника происходит изменение его длины и площади поперечного сечения, а также изменение его электрических свойств, в частности, удельного сопротивления, разное для разных металлов и полупроводников. Полученные в опытах значения коэффициента тензочувствительности металлических и полупроводниковых материалов колеблются в широких пределах:

В технике измерений тензорезисторы используют по двум направлениям.

Первое направление – использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии всестороннего сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окру-

52

жающего проводник газа или жидкости. На этом принципе строятся манометры для измерения высоких давлений.

мация поверхности элемента на длине базы.

При деформации поверхности элемента тензорезистор воспринимает не только продольную деформацию (вдоль базы), но и поперечную, воспринимаемую закруглёнными концами проволочной решётки. Поперечная чувствительность к деформации в значительной степени устранена в конструкции фольгового тензорезистора (рис. 7.2б). Фольговый тензорезистор представляет собой тонкую ленту из металлической фольги толщиной 0,004…0,012 мм, приклеенную к подложке, из которой часть металла травлением выбрана так, что оставшаяся часть образует решётку. Концы петель решётки для уменьшения доли сопротивления, приходящегося на них в общем сопротивлении тензорезистора и, следовательно, для уменьшения поперечной чувствительности к деформации, делают значительно шире проводников продольной части. В качестве подложки в фольговых тензорезисторах используют лаковую плёнку, покровным элементом решётки также является лаковая плёнка.

Покровный элемент 3 в обеих конструкциях тензорезистора зачастую отсутствует, что увеличивает податливость тензорезистора и способствует более полной передаче деформации от поверхности исследуемого элемента к решётке.

Для изготовления тензорезисторов помимо металлических материалов используют ряд полупроводниковых материалов на основе германия и кремния в виде поликристаллических плёнок или тонких срезов по определённым кристаллографическим направлениям монокристаллов (рис. 7.2в). Тензорезисторы такой конструкции, как правило, не имеют подложки, а наклеиваются на элемент через промежуточный изолирующий слой высушенного клея.

При изготовлении тензорезисторов и для приклеивания их к объекту измерения применяют различные клеящие составы (клеи или цементы) в зависимости от условий работы (температура, влажность, характеристики среды).

Из-за влияния клея и неравномерного распределения деформаций и напряжений по слоям между поверхностью детали и проводником тензорезистора на проводник передаётся только часть деформации с поверхности детали. Так что тензочувствительность тензорезистора S получается меньше, чем тензочувствительность материала проводника Sм. Она вычисляется по аналогичной формуле

S= εR ,

εl

где εR – относительное изменение сопротивления тензорезистора; εl – относительная деформация поверхности детали.

Часто в литературе вместо S применяют обозначение k.

Если измерить тензорезистором деформацию элемента с известными геометрическими размерами и модулем упругости его материала, можно определить усилие, воздействующее на элемент, т.е. использовать элемент в качестве измерительного преобразователя усилия в электрическое сопротивление.

Ограничимся рассмотрением лишь некоторых конструкций упругих элементов для измерения сосредоточенной силы. На рис. 7.3 схематически изображены наиболее употребительные упругие преобразователи.

Для восприятия больших усилий используют сплошные или полые стержни (рис . 7.3а,б), для небольших – плоские пружины (рис. 7.3 в,г) или балки на двух опорах (рис. 7.3д).

Для сплошного или полого стержня размеры рассчитывают, исходя из формул:

53

где σ – нормальное напряжение; Р – сила;

F – площадь поперечного сечения;

Е – модуль упругости материала преобразователя; ε – относительная продольная деформация;

ε1 – относительная поперечная деформация; µ – коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона).

7.1.2. Преобразователи перемещения в ёмкость

Ёмкостный преобразователь представляет собой конденсатор. Для плоского однослойного конденсатора функция преобразования будет такой:

C = ε Fd ,

где ε – диэлектрическая проницаемость среды между обкладками, Ф/м; F – площадь обкладок, м2;

d – расстояние между обкладками, м.

Для изменения ёмкости С можно воздействовать на ε , F, d. Для измерения перемещения изменяют, как правило, d.

Ёмкость конденсатора измеряют обычно с помощью мостовых схем. Если диапазон изменения ёмкости мал, приращение ёмкости ∆С измеряют в резонансных схемах. Измерительные схемы работают на частотах от звуковых до десятков мегагерц.

7.1.3. Преобразователи перемещения в индуктивность

В индуктивных преобразователях вследствие перемещения меняется какой-либо параметр магнитной цепи. Так как конструктивных исполнений индуктивных преобразователей очень много, невозможно привести общую формулу функции преобразования. Приведём несколько примеров типичных конструкций преобразователей.

На рис.7.4 изображён преобразователь со стальным сердечником для измерения больших перемещений и графически представлены его функции преобразования, т.е. зависимости L, Z и R от перемещения сердечника.

Обычно такой преобразователь выполняется с двумя катушками с общим сердечником (рис.7.5), так что при увеличении полного сопротивления Z одной из катушек Z другой катушки уменьшается. Преобразователь включается в мостовую схему. Измерительный диапазон перемещения располагают на линейной части кривой.

На рис.7.6 изображено устройство для измерения малых перемещений, например, в профилометрах для измерения шероховатости поверхностей изделий. Обмотки двух преобразователей на Ш- образных сердечниках включаются в мостовую или дифференциальную схему. Часто преобразователь такой конструкции работает на фазочувствительный выпрямитель, нагруженный измерительным прибором, шкала которого градуируется в единицах перемещений (рис.7.6).

Частота питающего напряжения измерительных схем обычно лежит в звуковом диапазоне, начиная с промышленной частоты 50 Гц. Так как Z зависит от частоты, частота должна быть стабильной.

54