книги из ГПНТБ / Основы теории и конструкции контрольно-проверочной аппаратуры авиационных управляемых ракет учебник

Угольный тензорезистор представляет собой столбик из уголь­ ных шайб или из угольного порошка с изолирующим лаком. Стол­ бик состоит из 10—15 угольных шайб диаметром 5—10 мм и тол­ щиной 1—2 мм. При сжатии столбика происходит уменьшение контактного сопротивления между шайбами вследствие некото­ рого смятия отдельных зерен на их поверхности. Если исполь­ зуется смесь из угольного порошка с лаком, то при деформации датчика изменяется плотность контакта между частицами угля в лаке, что приводит к изменению сопротивления.

Чувствительность тензорезисторов

относительном изменении длины А1/1.

Значение S у угольных тензорезисторов составляет 20 и более единиц, т. е. они характеризуются высокой чувствительностью. Недостаток угольных датчиков заключается в значительном изме­ нении их сопротивления при изменении температуры.

Проволочный тензорезистор состоит из проволоки диаметром 0,012—0,05 мм, которая укладывается петлями и приклеивается к тонкой полоске прочной бумаги или пленки. Тензорезистор наклеи­ вается на деформируемую деталь. Под действием воспринимаемых деформаций происходит изменение длины /, поперечного сечения q и удельного сопротивления проволоки р. В исходном положении при определенной температуре электрическое сопротивление про­ волоки

При растяжении проволоки I и q изменяются, так что изменение сопротивления

41

Чувствительность проволочного тензорезистора

(2. 12)

Величину S называют также коэффициентом тензочувствительности. Эта величина зависит от свойств материала проволоки и технологии изготовления тензорезистора, качества подложки и клея. Для изготовления датчиков используют проволоку из Кон­ стантина, сплавов никеля и хрома. Коэффициент тензочувствительности современных проволочных датчиков равен 2 ± 0 ,2 .

Фольговые тензорезисторы по конструкции и принципу дейст­ вия аналогичны проволочным. В них вместо проволоки исполь­ зуется фольга толщиной несколько микрометров. Тензочувствительность этих датчиков такая же, как у проволочных, но благо­ даря большой площади соприкосновения фольги с деталью, т. е. большей теплоотдаче, через них можно пропускать больший ток, что ведет к увеличению чувствительности тензорезистора.

Полупроводниковые тензорезисторы изготовляются в виде лент или проволок из полупроводников. Наиболее распространены тен­

никовых тензорезисторов относится их малая гибкость и невысо­ кая прочность.

Значение ДR при деформации тензорезисторов колеблется от нескольких миллиом до десятых долей ома. Измерение этих незна­ чительных изменений производится обычно мостовыми схемами, причем тензорезисторы включаются во все четыре плеча моста. Такие схемы обеспечивают максимальную чувствительность изме­ рений и полную температурную компенсацию.

Термодатчики (терморезисторы)

В терморезисторах используется свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от их теплооб­ мена с окружающей средой. На интенсивность теплообмена влияет большое число факторов, поэтому терморезисторы могут приме­ няться для измерения температуры окружающей среды, плотности и скорости газового (жидкостного) потока и др. В качестве основ­ ных материалов для изготовления терморезисторов используются чистые металлы (в виде проволоки) или полупроводники.

Проволочные терморезисторы изготовляются в виде нити или катушки, намотанной на слюдяной, фарфоровый или кварцевый каркас, который закрывается защитным экраном или герметизи­ руется. При изменении температуры терморезистора At его сопро­ тивление изменится:

42

где R0— начальное сопротивление датчика;

« — температурный коэффициент сопротивления. Коэффициент а показывает относительное изменение сопротив­

ления проводника при изменении его температуры на 1 °С.

условиями работы терморезистора и диапазоном измеряемых тем­ ператур.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) представ­ ляют собой смеси окислов некоторых металлов, спеченные при высокой температуре. Сопротивление термистора R зависит от тем­

т. е. при увеличении температуры термистора его сопротивление уменьшается по нелинейному закону. Это обстоятельство затруд­ няет использование термисторов в автоматической аппаратуре.

По сравнению с проволочными терморезисторами термисторы более чувствительны, имеют меньшие размеры и меньшую инер­ ционность.

Индуктивные датчики

Действие индуктивных датчиков основано на изменении индук­ тивного сопротивления их катушки под влиянием измеряемого па­ раметра. Известно, что полное сопротивление катушки индуктив­ ности

где R — активное сопротивление катушки; L — индуктивность катушки;

о)— круговая частота питающего напряжения.

Индуктивность катушки с сердечником, имеющим небольшой

43

Из формулы (2.17) следует, что индуктивность является функ­ цией нескольких параметров. Изменение одного из этих парамет­ ров под влиянием изменения измеряемой^величвны приводит к из­ менению индуктивности датчика.

Простейший индуктивный датчик состоит из сердечника П-об- разной формы с надетой на него катушкой и якоря, подвешенного на пружинах (рис. 2.6, а). С изменением воздушного зазора Д/ из­ меняется магнитное сопротивление цепи, что приводит к измене­

V(R + Rh)2+ ( « £ ) 2

В индуктивных датчиках рассматриваемого типа магнитное со­ противление зазора значительно больше магнитного сопротивле­

и формула для выходного напряжения принимает следующий вид:

Статическая характеристика индуктивного датчика, рассчитан­

нуля, а с напряжения холостого хода Ux.x и содержит участок на­ сыщения, определяемый напряжением насыщения [/н. Для устра­ нения нелинейности статической характеристики и напряжения Ох,х используют два датчика, включенные по дифференциальной (рис. 2.6, в) или мостовой (рис. 2 .6 , г) схеме. Статическая харак­ теристика этих датчиков (рис. 2 .6 , д) представляет собой алгеб­ раическую сумму ординат характеристик простейших датчиков (кривые 1 и 2 ).

Диапазон измерений перемещений индуктивными датчиками с изменяемым воздушным зазором составляет 0,1— 1 мм. При боль­ шем зазоре статическая характеристика становится нелинейной.

44

Широкое распространение получили трансформаторные датчики, использующие изменение взаимной индуктивности обмоток при пе­ ремещении ферромагнитного сердечника (рис. 2.6, е). Изменение воздушного зазора приводит к изменению взаимной индуктивности между обмотками и к изменению выходного напряжения UB.

Р и с . 2.6. И н д у к т и в н ы е д а т ч и к и и и х х а р а к т е р и с т и к и :

а — д а т ч и к с п е р е м е н н ы м з а з о р о м ; б — с т а т и ч е с к а я х а р а к т е р и с т и к а д а т ч и к а с п е р е ­ м е н н ы м в о з д у ш н ы м з а з о р о м ; в — д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы й и н д у к т и в н ы й д а т ч и к ; г — м о ­ с т о в о й и н д у к т и в н ы й д а т ч и к ; д — с т а т и ч е с к а я х а р а к т е р и с т и к а д и ф ф е р е н ц и а л ь н о г о и м о с т о в о г о и н д у к т и в н ы х д а т ч и к о в ; е — т р а н с ф о р м а т о р н ы й и н д у к т и в н ы й д а т ч и к

Фотоэлектрические датчики

■Принцип действия фотоэлектрических датчиков основан на фо­ тоэлектрическом эффекте, т. е. на явлении возбуждения электро­ нов вещества под воздействием оптического излучения. Возбуж­ денные электроны либо покидают вещество (внешний фотоэффект), образуя под действием приложенного внешнего электрического поля поток свободных зарядов в газе или вакууме, либо остаются в ве­ ществе (внутренний фотоэффект), что приводит к возникновению свободных зарядов, способных перемещаться внутри вещества и изменять его электропроводность.

Датчик с внешним фотоэффектом, называемый фотоэлементом (рис. 2.7), представляет собой стеклянный баллон, внутри кото­ рого размещаются фотокатод 1 и анод 2. Лучистый поток, падаю­ щий на фотокатод, «выбивает» из него электроны, которые под действием электрического поля устремляются к аноду. Во внеш­ ней цепи возникает электрический ток, называемый фотогоком г,

45

который пропорционален падающему на фотокатод лучистому по­ току Ф:

где k — коэффициент, характеризующий чувствительность фотока­ тода к падающему излучению.

Лучистый

1 — ф о т о к а т о д ; 2 — а н о д

Для увеличения чувствительности фотоэлемента между фотокатодом и анодом размещают дополнительные электроды (диноды) D1 , D2 ... (рис. 2.8). Датчики этого типа называются ф о т о у м н о ­

щих минимальную работу выхода электронов. К таким материа­ лам относятся цезий и его соединения.

46

Датчики с внешним фотоэффектом реагируют на лучистый по­ ток видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра

(0,4—1,2 мкм).

Датчики с внутренним фотоэффектом выполняются в виде фо­ торезисторов, фотодиодов и фототриодов. Фоторезистор (рис. 2.9) представляет собой стеклянную пластинку 1 с нанесенным на нее слоем полупроводникового материала 2 и электродами 3, 4, вы­ полненными путем напыления на полупроводник слоя серебра или золота. При поглощении лучистой энергии электроны полупровод­ ника возбуждаются, переходят в зону проводимости и под воздей­ ствием положительного потенциала перемещаются к электроду 3, создавая фототок

где От— проводимость при отсутствии облучения;

к— постоянный коэффициент;

Ф— лучистый поток, падающий на фоторезистор.

Для изготовления фоторезисторов применяются такие полупро­ водниковые материалы, как сернистый кадмий (CdS), сернистый свинец (PbS), антимонид индия (InSe), германий (Ge), легирован­ ный золотом, ртутью и другими элементами. Фоторезисторы вос­ принимают лучистый поток от 0,5 до 10 мкм и более. Однако длин­ новолновые фоторезисторы, реагирующие на лучистый поток с длиной волны более 3 — 4 мкм, требуют охлаждения чувствительного слоя до низких температур ( ~ 7 0 К).

Фотодиоды и фототриоды по конструкции напоминают обычные полупроводниковые диоды и транзисторы. Они имеют прозрачные окна, через которые излучение поступает на^ полупроводник. Прин­ цип их действия аналогичен принципу действия фоторезисторов.

Термоэлектрические датчики (термопары)

Работа термоэлектрических датчиков (термопар) основана на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в возникновении электродвижущей силы Е на концах двух разнородных металличе­

Электроизмерительный прибор Я (рис. 2.11, а), с помощью которого измеряется ЭДС, соединяется с термопарой

проводами 3 и 4. Если эти провода выполнены из другого металла, чем провода 1 и 2, то в точках Л и в возникает дополнительная

47

электродвижущая сила, вносящая погрешность в измерение тем­ пературы. Для устранения этого явления термопары с прибором соединяют так, как показано на рис. 2.11,6. Провода 3 и 5 здесь из такого же материала, что и материал электрода 1 термопары, а материал провода 4 аналогичен материалу электрода 2. Про­ вода 4 и 5 опаивают в точке Л, этот спай помещают в среду с по­ стоянной температурой Т2 (термостат).

и з м е р е н и й ; / , 2 — п р о в о д а т е р м о п а р ы ; 3 , 4 , 5 — с о е д и н и т е л ь н ы е п р о в о д а

Наибольшее распространение получили термопары из следую­ щих материалов: медь-копель, медь-константан, алюмель-хромель, платина-платинородий,- вольфрам-молибден.

Пьезоэлектрические датчики

' Работа пьезоэлектрических датчиков основана на использова­ нии явления прямого пьезоэлектрического . эффекта, кот.орый за­ ключается в возникновении на поверхности пластин, изготовлен­ ных из кварца, турмалина, титаната ба­ рия и некоторых других веществ, элек­ трического заряда при сжатии или рас­

тяжении этих пластин.

где d — пьезомодуль, характеризующий величину заряда при дей­ ствии на пьезоэлемент единицы силы;

С— емкость конденсатора, образуемого электродами и пьезо­ элементом;

С0 — емкость измерительной схемы датчика.

48

Пьезоэлектрические датчики практически безынерционны и мо­ гут применяться для измерения быстроизменяющихся сил, давле­ ний и других параметров, в которых проявляются силовые воз­ действия.

§ 9. П Е Р В И Ч Н Ы Е П Р Е О Б Р А З О В А Т Е Л И Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Х В Е Л И Ч И Н В Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Е . Н О Р М А Л И З А Т О Р Ы

Измерение многих электрических величин автоматическими ме­ тодами затруднено, поэтому их необходимо предварительно пре­ образовать в другие электрические величины, которые более удоб­ ны для выполнения измерений. Такое преобразование выполняется устройствами, называемыми датчиками электрических параметров.

Статистические исследования показывают, что большая часть (примерно 60%) контролируемых сигналов представляет собой по­ стоянное и синусоидальное переменное напряжение. Около 30% контролируемых сигналов составляют временные и частотные па­ раметры. Аппаратура контроля получается наиболее простой, если все контролируемые параметры преобразованы в унифицирован­ ный сигнал. Наиболее просто электрические величины преобразо­ вать в напряжение постоянного тока.

Преобразователи переменного напряжения в постоянное

Для преобразования переменного напряжения в постоянное ис­

через диод Д почти до амплитудного значения Um входного напря­ жения UBx- В течение отрицательных полупериодов конденсатор разряжается через резистор R, но вследствие большой постоянной времени разрядатр=ДС уменьшение заряда незначительно. Через несколько периодов напряжение на обкладках конденсатора, а сле­ довательно, и выходное напряжение детектора UB становятся почти равными амплитуде Um переменного входного напряжения. Рас­ смотренные пиковые детекторы измеряют амплитудные значения напряжения положительной полярности. Если необходимо изме­

рить напряжение отрицательной полярности, диод Д включают в направлении, противоположном указанному на рис. 2.14.

Для повышения выходного напряжения детектора при малых значениях входного напряжения используются пиковые детекторы

Р и с . 2 .14 . П и к о в ы е д е т е к т о р ы :

а — п о с л е д о в а т е л ь н ы й ; б — п а р а л л е л ь н ы й

саторы С1 и С2, емкость которых одинакова, заряжаются до на­ пряжения, равного 0,5 Um. Во время действия отрицательного полупериода открывается диод Д1 и конденсатор С1 заряжается до напряжения Um, причем знак заряда изменяется на противополож­

ен

Р и с . 2.15 . П и к о в ы е д е т е к т о р ы :

а — с у д в о е н и е м н а п р я ж е н и я ; б — с у с и л и т е л е м п о с т о я н н о г о то к а ? в — с у с и л и т е л е м п е р е м е н н о г о т о к а

ны& по сравнению с зарядом, полученным этим конденсатором в предыдущий полупериод. Напряжение на конденсаторе С2 в это время не изменяется.

В следующий положительный полупериод измеряемое напря­ жение оказывается включенным последовательно по отношению к конденсатору С2 и совпадает со знаком напряжения на конден­ саторе С1. Под действием этого суммарного напряжения, равного 2Um, диод Д2 открывается, и конденсатор С2 оказывается заря­ женным до значения, примерно равного 2Um.

60