книги из ГПНТБ / Барсуков Ф.И. Элементы и устройства радиотелеметрических систем

Для повышения чувствительности преобразователь изготовляется из тонкой проволоки (диаметром 0,02— 0,05 мм) с высоким удельным сопротивлением.

Проволочные тензорезисторы используются при из­ мерении малых перемещений, деформаций, механиче­ ских напряжений, усилий и вибраций.

Ошибки преобразования с помощью проволочных тензорезисторов обусловливаются зависимостью сопро­ тивления проволоки преобразователя от температуры, нагревом проволоки при протекании по ней измеритель­ ного тока, нарушением крепления преобразователя на исследуемой детали и неточностью его градуировки. Погрешность преобразования может быть 1—5%.

С изменением преобразуемой величины сопротивле­ ние тензопреобразователя изменяется незначительно (менее 1%), поэтому необходимо усиление выходных сигналов тензопреобразователя. Применяются также полупроводниковые тензопреобразователи (тензолиты) в виде лент и проволок из полупроводников, содержа­ щих связующие вещества, наполнитель (мел, тальк, кварц) и проводящие вещества (уголь, сажу, графит). Отрезок тензолита с отводами наклеивается на бумагу (рис. 2-5,в), а затем все вместе на испытуемую деталь.

Тензолитовые преобразователи весьма перспективны. Они дают значительно большие относительные измене­

Однако тензолитовые преобразователи имеют большой температурный коэффициент и недостаточно стабильны, что пока ограничивает их применение.

Наиболее известный тип полупроводникового тензопреобразователя представляет собой монокристалличе­ ский кремниевый элемент в виде тонкой (20—30 мкм) полоски, к концам которой присоединяются выводные проводники. Подобные тензопреобразователи называют гедисторами, они обладают на два порядка большей тензочувствителы-шстыо по сравнению с обычными про­ волочными: Благодаря высокой- тензочувствителы-юсти гедисторы могут использоваться без усилителей при исследовании незначительных деформаций.

В последнее время широко используются также фольговые тензопреобразователи, у которых проводя­ щий элемент делается из фольги толщиной 4—12 мкм. Такие преобразователи имеют большую теплоотдачу,

40

через них могут проходить большие токи, в результате чего они применяются без усилителей'.

Достоинства тензометрических преобразователей: ма­ лая масса и габариты, практическая безынерционность, возможность размещения в труднодоступных местах, простота и дешевизна.

Существенными недостатками этих преобразователей являются малая величина относительного изменения сопротивления, что требует применения измерительных схем высокой чувствительности, и большая температур­ ная погрешность.

Преобразователи контактного сопротивления. Извест­ но, что контактное сопротивление между соприкасающи­ мися поверхностями двух твердых тел зависит от вели­ чины давления одного тела па другое, от ^материала этих тел и качества обработки соприкасающихся поверхно­ стей. Эта зависимость в общем виде представляется выражением

взаимного перемещения контактов при их деформации (сжатии).

Из приведенного выражения следует, что с увеличе­

41

сопротивления столба шайб зависит от плотности Изме­ рительного тока, температуры, влажности и т. п. К. недо­ статкам преобразователей этого типа следует отнести наличие гистерезиса. .

С целью компенсации температурного влияния при­ меняются угольные преобразователи с двумя столбика­ ми, которые включаются в смежные плечи мостовой измерительной схемы.

Во всех случаях угольный преобразователь в прин­ ципе можно применить для измерения усилий и малых перемещений (деформаций). Вместе с тем при соответ­ ствующей конструкции преобразователи этого вида мо­ гут использоваться для измерения давления, сил, уско­ рений, вращающих моментов и параметров звуковых колебаний (микрофоны) и т. п.

Терморезисторы. Терморезистором называют провод­ ник или полупроводник, который нагревается проходя­ щим через него током до температуры, зависящей от условий теплоотвода.

Зависимость сопротивления проводника и полупро­ водника электрическому току от температуры не явля­ ется линейной. Например, для платиновой проволоки в диапазоне температур от 0 до +660°С эта зависимость выражается формулой

Для медной проволоки зависимость сопротивления от температуры является линейной и выражается извест­

где Ro — сопротивление проводника при температуре U; do— температурный коэффициент электрического сопро­ тивления, показывающий относительное увеличение со­ противления проводника при нагревании его на 1 °С (в интервале температур, начинающемся от to).

Температура проводника t зависит от интенсивности его теплообмена с окружающей средой.

42

На интенсивность теплообмена влияют: геометриче­ ские размеры и форма проводника; физические свойства среды, окружающей проводник (плотность, теплопровод­ ность, вязкость и др.), и состояние этой среды (непо­ движная, перемещающаяся относительно датчика).

Зная зависимость сопротивления проводника от пе­ речисленных выше факторов, его можно использовать как соответствующий преобразователь. Естественно, при конструировании такого преобразователя необходимо стремиться к тому, чтобы он реагировал только на из­

Чувствительность может быть повышена путем вы­ бора материала с большим температурным коэффициен­ том и сопротивлением (с меньшим диаметром и большей длиной проволоки).

Коэффициент ао остается приблизительно постоянным в небольшом интервале температур. Его величина опре­ деляется не только материалом проволоки преобразо­ вателя, но и величиной сопротивления Ro, измеренного при некоторой начальной (условно) температуре U (U~ = 20 или 0°С). Указанные обстоятельства необходимо учитывать при расчетах и конструировании терморези­ сторов. В противном случае при измерениях возможны серьезные ошибки.

Терморезисторы могут иметь различную конструк­ цию. В зависимости от назначения они выполняются в виде проволочной нити, катушки, спирали или диска.

Основные приборные погрешности температурных преобразователей обусловливаются нестабильностью электрических свойств материала сопротивления и усло­ виями применения.

Существенным недостатком терморезисторов являет­ ся их инерционность. Постоянная времени тд для термо­ резисторов в зависимости от диаметра проволоки и кон­ струкции преобразователя может быть от 0,05 до 5 сек и более. В соответствии с величиной постоянной времени преобразователя и в зависимости от характера измене­ ния во времени входной величины возникает динамиче­

43

ская погрешность преобразования. Точность термодатчи­ ков составляет 1 —1,5%.

В настоящее время в качестве датчиков температуры

никель и др. Термисторы обладают большей чувстви­ тельностью и менее инерционны по сравнению с про­ волочными термосопротивлениями и имеют сравнительно высокое внутреннее сопротивление при малых габаритах, что делает их удобными при совместном использовании с электронными усилителями.

Зависимость сопротивления ПТР от температуры

Приведенную зависимость называют температурной характеристикой ПТР.

Относительное значение производной dR/dt-1/R, вы­ раженное в процентах, характеризует изменение абсо­ лютного значения сопротивления ПТР с изменением его

Коэффициент а называется температурным коэффи­ циентом ПТР и, как видно из выражения (2-15), сильно зависит от температуры.

У известных типов ПТР величина температурного коэффициента находится в пределах от —2,5 до —6% на 1 °С, что в 6—10 раз больше температурного коэффи­ циента металлов.

Наибольшее распространение получили медно-мар­ ганцевые ПТР типов ММТ и кобальто-марганцевые ти­ пов КМТ. Используются они в основном для измерения и регулирования температуры различных сред в преде­ лах 20Ö—900 °С (КМТ-1 до 453 °С, УМТ-11 до 673 °С, ТКП-20 до 873 °С).

Эти термисторы выпускаются на номинальные значе­ ния сопротивления от 1 000 до 200 000 ом (при +20°С)

44

и пригодны для работы в диапазоне температур от —100 до +120°С.

Полупроводниковые термисторы имеют значительный разброс по величине сопротивления между отдельными однотипными экземплярами (до 20%), что является их существенным недостатком.

Диодные преобразователи для измерения температу­ ры (термодиоды). Одной из особенностей полупроводни­ ковых диодов является то, что величина их обратного тока / обр существенно зависит от температуры, так как с изменением температуры резко изменяется обратное сопротивление диода. Эта зависимость представляется выражением

Наличие указанной зависимости позволяет исполь­ зовать полупроводниковый диод в качестве преобразо­

зывается также переменным, поэтому его удобно усили­ вать.

Вследствие значительной инерционности диодные пре­ образователи для измерения температуры могут вносить

45

существенные динамические погрешности при измерении меняющейся во времени температуры.

Магнитоомические преобразователи. Действие пре­ образователей этого типа основано на свойстве некото­ рых материалов изменять электрическое сопротивление под действием магнитного поля. Величина электрическо­ го сопротивления при этом зависит от напряженности магнитного поля.

При перемещении проводника из такого материала в неоднородном магнитном поле будет соответственно изменяться его омическое сопротивление.

Наиболее употребительным материалом для магни­ тоомических преобразователей является висмут. Кроме

имеют большую чувствительность.

Основная погрешность преобразователей этого типа вызывается влиянием температуры на величину сопро­ тивления преобразователя и на чувствительность его материала к изменению напряженности магнитного поля. Для уменьшения этой погрешности применяются термокомпенсирующие схемы.

Магнитоомические преобразователи могут приме­ няться для измерения напряженности магнитных полей, линейных и. угловых перемещений (при постоянном гра­ диенте магнитного поля) и других целей.

Электролитические преобразователи. Водные раство­ ры солей, кислот и оснований (электролитов) изменяют свою проводимость с изменением концентрации раствора.

Если в электролит постоянной концентрации внести электроды и изменять расстояние между ними, то про­ водимость (сопротивление) между электродами также будет изменяться. Указанные особенности электролитов используются при построении электролитических пре­ образователей.

46

Сопротивление R электролита между двумя электро­ дами может быть найдено из следующего выражения:

характеризующий конструкцию и геометрические раз­ меры преобразователя.

Электролитические преобразователи используются для определения концентрации растворов электролитов (рис. 2-8,а). При этом применяются преобразователи жесткой конструкции с определенным коэффициентом А. Величина этого коэффициента для готового преобразо­ вателя может быть определена опытным путем с по­ мощью образцового раствора известной концентрации. Величина удельной проводимости раствора берется из

няются также для измерения линейных и угловых пере­ мещений, давления и других неэлектрических величин. Концентрация раствора проводящей жидкости в таких преобразователях берется постоянной. Конструкции же преобразователей при этом определяются условиями из­ мерений и могут быть самыми разнообразными.

Преобразователь с переменной площадью зазора между подвиж­ ным и неподвижными электродами (рис. 2-8,6) используется для измерения углов пово­ рота оси 0, с которой связан подвижный электрод. При пере-

Рис. 2-8. Электролитические преобразователи.

а — для измерения концентра­

спеременной глубиной погру­

47

мещенин подвижного электрода изменяется электриче­ ское сопротивление преобразователя (между выходными зажимами)- Преобразователь с Переменной глубиной погружения (рис. 2-8,в) применяется для измерения малых углов поворота оси 0.

Основным достоинством таких преобразователей яв­ ляется то, что для перемещения электрода требуется незначительное усилие.

Преобразователь на рис. 2-8,г представляет собой

скими преобразователями появляются при изменении температуры электролита. Для уменьшения влияния изменений температуры на точность преобразования электролитического преобразователя в измерительную схему включаются компенсирующие терморезисторы.

Контактные преобразователи. Контактным преобра­ зователем называется устройство, служащее для замы­ кания и размыкания электрических цепей.

Контактные преобразователи относятся условно к резистивным преобразователям. Они используются для фиксации (регистрации) определенных положений элементов при взаимных механических перемещениях, сигнализации исполнения различного рода команд, из­ мерения числа оборотов и т. д.

48

По своей конструкции контактные преобразователи весьма разнообразны. Они могут выполняться в виде механических, электромагнитных и электронных реле, скользящих контактов и т. п. Все контактные преобра­ зователи можно разделить на две большие группы: однопредельные с одной парой контактов и многопре­ дельные с несколькими парами контактов, На рис. 2-9 приведены примеры механических однопредельных и многопредельных контактных преобразователей. Для увеличения чувствительности контактных преобразова­ телей в них используется рычажная передача. Порог чувствительности этих преобразователей определяется минимальной величиной зазора между контактами и за­ висит от величины приложенного к контактам напряже­ ния. Величина этого напряжения не должна превышать значения, при котором начинается произвольный разряд через междуконтактный зазор.

Индуктивные преобразователи. Большое распростра­ нение имеют индуктивные преобразователи, действие ко­ торых основано на изменении индуктивности электромаг­ нитной системы под воздействием входной преобразуе­ мой величины.

Индуктивность электромагнитной системы, содержа­ щей катушку и ферромагнитный сердечник, можно ме­ нять путем воздействия на активное сопротивление сер­ дечника, величину воздушного зазора магнитопровода,

методы могут быть использованы при строении индук­ тивных преобразователей.

Схема простейшего индуктивного преобразователя с изменяющимся зазором представлена на рис. 2-10,а. Так как магнитное сопротивление сердечника и перемещаёмого якоря мало, индуктивность обмотки резко из­ меняется при изменении величины зазора б.

Если пренебречь магнитными потоками рассеяния и потерями в сердечнике, то индуктивность обмотки L преобразователя можно определить из выражения

где А — коэффициент, зависящий от выбора системы единиц; W — число витков обмотки; Іс, 5С— длина й