Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технические измерения и приборы. Часть I. Учебное пособие
.pdf
41
Пироэлектрический эффект. На двух
,
l
R
S
+
–
Рис. 2.15. Пироэлектри-
ческий эффект
противоположных поверхностях кристаллов
некоторых материалов, называемых пиро-
электриками, при повышении температуры
в результате поглощения кристаллом потока
излучения, возникают электрические заряды
противоположных знаков (рис. 2.15).
Этот эффект не аналогичен термоэлек-
трическому, так как здесь не возникает
постоянного напряжения. При резком воздействии инфракрасного излучения на пироэлектрический элемент напряжение или
ток изменяется лишь кратковременно и исчезает при сохраняющемся действии излучения.
Материалы: селенид свинца, сульфид свинца, арсенид индия, ан-
тимонид индия, германий.
Область применения: пироэлектрические преобразователи для дистанционного обнаружения тел, излучающих тепло (например, человека); в реле близости и наличия; охранные сигнализации; пожарные извещатели.
2.2.3.2. Пассивные преобразователи
Пассивные преобразователи – это преобразователи с выходными
сопротивлением, индуктивностью или емкостью, изменяющимися соответственно входной величине и которые могут быть измерены только при включении преобразователя в электрическую схему с источником питания и формирователем сигнала.
1. Резистивные преобразователи
Сопротивление проводника:
где ρ – удельное сопротивление материала; l – длина проводника; S –
площадь сечения.
Изменять сопротивление проводника можно тремя параметрами, и
соответственно резистивные преобразователи делятся на три группы.
42
Реостатные преобразователи
,
22
rR
R
w
R2
R1
x
R
R
0
х
R
1
R
2
а
б
x
ΔR
R
Рис. 2.16. Характеристика линей-
ного реостата
(потенциометры) состоят из каркаса, обмотки и подвижного контакта
(ползуна со щеткой) и служат для
измерения линейных и угловых перемещений. В них сопротивление
изменяется за счет изменения длины
проводника. Изолированная проволока плотно наматывается на каркас,
затем контактная дорожка для щетки
очищается от изоляции. Каркасы могут быть разными по форме, а перемещение щеток – продольными или
круговыми.
Материалы: манганин (Cu, Mn, Ni), константан, сплавы золота с
никелем, серебра с медью и др.
Диаметр проволоки точных преобразователей 0,03…0,1 мм, грубых – 0,3 мм. Щетка содержит 2–3 проволочки диаметром 0,1…0,2 мм.
Характеристика линейная, но дискретная (рис. 2.16).
Витковая погрешность:
где r – сопротивление одного витка – разрешающая способность; R –
сопротивление всего реостата; w – число витков.
Для получения нелинейной характеристики используют фигурные
каркасы (рис. 2.17).
Рис. 2.17. Нелинейный реостатный преобразователь (а) и его характе-
R1 + R2 = R0
ристики (б)
43
Достоинство реостатных преобразователей – малые погрешности
,
Rl
K
Rl
12K
dl
dl
нелинейности.
Недостатки: истирание обмотки и ползуна, наличие дискретности.
Тензорезисторы. В основе работы этих преобразователей лежит
явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их
механической деформации (растяжении или сжатии):
где K – коэффициент тензочувствительности. Он является основной
характеристикой тензорезистора и зависит от материала и технологий
изготовления:
,
где – коэффициент Пуассона, определяющий отношение поперечного сжатия к растяжению (деформация перпендикулярна к направлению
действия силы).
,
где d – диаметр проволоки.
Для большинства материалов = 0,3, а K = 1,5…2,5 для металлических тензорезисторов; 100…200 – для полупроводниковых (значительно изменяется удельное сопротивление).
Получили применение проволочные, фольговые, полупроводниковые тензоредисторы.
Проволочные тензопреобразователи конструктивно представляют
собой отрезок тонкой проволоки 1, которая зигзагообразно наклеена на
тонкую бумажную или пленочную основу 2. Для включения в измерительную схему к концам проволоки привариваются присоединительные провода 3 (рис. 2.18).
Измерительной базой преобразователя является длина петель решетки А, величина которой лежит в пределах 1,5…100 мм, ширина
решетки равна 5…10 мм. Номинальное сопротивление 10…1000 Ом,
номинальный ток 30 мА.
Лучшим материалом является манганин, так как обладает слабой
зависимостью сопротивления от температуры.
44
А
1
2
3
Рис. 2.18. Проволочный преобразователь:
1 – измерительная проволока диаметром
0,02…0,05 мм; материалы: манганин (Cu,
Mn, Ni), нихром, константан (Cu, Ni);
2 – подложка: бумага толщиной 0,1 мм; плас тик (полиамид) – 0,03 мм
Соединения проводов и измерительной проволоки не должны создавать термоэлектрический эффект (термопары).
Клей на основе синтетических смол является ответственным компонентом – он должен повторять деформации детали (чувствительного элемента датчика) и обладать механической и химической стойкостью.
Фольговые тензорезисторы (дальнейшее развитие проволочных)
получают фотохимическим травлением фольгированой пластины.
Толщина фольги 2…10 мкм. Погрешность из-за поперечной деформации в фольговых тензопреобразователях практически сводится к нулю.
Обычно относительное удлинение (не должно превышать упругой
деформации) проволочных и фольговых преобразователей составляет
около 1 %. Температурный диапазон работоспособности от – 40 до
+70 С.
Полупроводниковые тензорезисторы получают вырезанием тонких
пластин (0,03…0,2 мм) шириной 0,5…1 мм и длиной (базой) 3…15 мм
из кристаллов кремния или германия.
Преобразователи обладают большей тензочувствительностью, но
максимальное удлинение в пределах упругости составляет около
1 мкм. Поэтому реализовать высокую чувствительность в большом
диапазоне невозможно.
Температурный диапазон работоспособности преобразователей от
– 160 до +300 С.
45
Недостатками полупроводниковых тензорезисторов являются: ма-
V
R+ R(t)
1
2
R+ R( )+ R(t)
лая гибкость, небольшая механическая прочность, нелинейность характеристики, нестабильность параметров.
Основной погрешностью тензопреобразователей является температурная. Она может быть соизмерима с полезным сигналом.
Две причины изменения сопротивления тензорезисров: 1) температурные деформации материала, на который наклеен тензодатчик;
2) температурное изменение сопротивления материала самого тензорезистора. Влияние первой помехи может быть уменьшено подбором
тензорезистора, обладающего близким коэффициентом температурного расширения с исследуемым материалом. Влияние второй может
быть компенсировано дифференциальным включением двух тензорезисторов в смежные плечи моста сопротивлений (рис. 2.19).
сальность применения, невысокая стоимость, вибростойкость.
грузок больше 10 н), чувствительность к изменениям температуры и
влажности, необходимость тщательного приклеивания.
большом ассортименте. Пример обозначения: 2ПК Б-5-50Х, где 2 –
коэффициент тензочувствительности; П – проволочный (Ф – фольго-
Рис. 2.19. Схема дифференциального включения двух
тензорезисторов:
1 – активного (измерительного); 2 – пассивного (компенса-
ционного)
Общие достоинства тензорезисторов: малая погрешность, универ-
Недостатки: низкая чувствительность (пригодны для измерения на-
Отечественной промышленностью тензорезисторы выпускаются в
46
вый); К – константан; Б – бумажная основа (П – пленочная); 5 – величина базы (длина петли) в мм; 50 – номинальное сопротивление; Х –
температура наклейки не более 30 С (Г – не более 180 С).
Фоторезисторы. В основе фоторезисторов лежит внутренний фотоэффект – освобождение в материале электрических зарядов под действием света и обусловленное этим увеличение проводимости.
Материалы: селен; сульфиды цинка, олова, кадмия; германий;
кремний; закись меди и др.
Чувствительные элементы могут быть поликристаллическими или
монокристаллическими, с собственной проводимостью (чистые) или с
примесной проводимостью (легированные).
У разных материалов различные спектральные области.
Достоинством является высокая чувствительность, что позволяет
использовать простые схемы с непосредственным управлением.
Недостаток – зависимость характеристики от температуры.
Применяются фоторезисторы, когда не требуется точных измерений, а лишь делается оценка уровня светового потока, например регистрируется ситуация свет–темнота. Или для управления, когда поток
излучения, превышающий определенный порог, вызывает достаточное
для возникновения тока уменьшение сопротивления, а этот ток либо
непосредственно, либо после усиления осуществляет включение или
выключение реле.
Металлические термометры сопротивления – терморезисторы.
Электрическое сопротивление материала зависит от его температуры:
R2 = R1 [1+ (θ2 – θ1)],
где R1 – сопротивление при температуре θ1; R2 – сопротивление при
температуре θ2; – температурный коэффициент сопротивления. Для
твердых нелегированных металлов α ≈ 0,004 С–1.
Лучшим материалом является платина ( = 3,85 · 10–3 С–1). Температурный диапазон –200…+800 С. Никель дешевле (α = 6,17 · 10–3 С–1).
Температурный диапазон –60…+180 С.
Каркасы проволочных терморезисторов выполняют из слюды,
тугоплавкого стекла или специальной керамики. Чувствительный элемент помещают в защитный чехол из легированной стали или бронзы.
Каркас и чехол дают тепловую инерцию (постоянная времени
1–2 мин). Терморезисторы применяют только для статических измерений.
47
Погрешность преобразователей определяется нелинейностью ста-
exp ,
B
RA
T
2
.
RB
RT
T
тической характеристики и влиянием температуры на присоединение
провода. Линеаризация возможна путем параллельного или последовательного подключения постоянного линеаризующего резистора (шунта).
Полупроводниковые термометры сопротивления – термисторы.
Отличительной особенностью полупроводниковых преобразователей
от металлических является большой отрицательный температурный
коэффициент:
где А – константа материала, зависящая от концентрации и величины
носителей зарядов полупроводника; Т – абсолютная температура, К;
В – энергетический коэффициент, не является постоянной величиной и
заметно изменяется при более высоких температурах.
Температурный коэффициент сопротивления термистора в отличие
от терморезистора существенно зависит от температуры:
Это объясняется следующим физическим явлением: в металлах температура влияет на подвижность электронов, а концентрация (плотность)
остается постоянной. В полупроводниках температура влияет на концентрацию свободных зарядов. Здесь тепловое движение разрывает
межатомные связи и создает электронно-дырочные связи.
Материалы: оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди; кристаллы германия. Порошки оксидов спекаются в форме под давлением
и упрочняются поверхностным обжигом при температуре около
1000 С. Металлические выводы припаиваются к двум точкам металлизированной поверхности полупроводника.
Выпускают преобразователи разными по форме (диски, цилиндры,
шарики, кольца) с размерами порядка 1 мм.
Температурный диапазон термисторов –100…+300 С.
Достоинства: малые габариты и, как следствие, меньшая температурная инерционность; высокая чувствительность.
Недостатки: значительная нелинейность; невоспроизводимость
градуировочной характеристики – термисторы даже одного и того же
типа не взаимозаменяемы.
48
Угольные преобразователи состоят из собранных в столбики
,
2
m
W
L=
R
m
l
R
S
угольных дисков. При изменении давления, действующего на диски,
изменяется контактное сопротивление между ними. Характеристика
нелинейная. В области малых нагрузок большой разброс. Для повышения точности создают предварительный натяг.
Обладают высокой чувствительностью и мощным выходным сигналом, не требующим последующего усиления, а также хорошими динамическими свойствами: граничная частота около 30 кГц; погрешность измерения 3 – 5 %. Применяются для грубых измерений.
Термоанемометры – измерители скорости потока. Проводник, обладающий сопротивлением, по которому течет ток, рассеивает тепловую энергию:
N = I2 R.
При постоянной скорости потока, обтекающего проводник, устанавливается определенная разность температур проводника и окружающей среды (жидкость, газ). Изменение скорости потока вызывает
изменение температуры проводника, влияющее на его сопротивление.
В качестве чувствительного элемента используются тонкие вольфрамовые платинированные проволоки диаметром около 5 мкм и длиной 1 мм или фольговые датчики в виде каркаса из пирексного стекла с
наплавленной на него платиновой фольгой размером 0,2 1 мм.
Тарировочные графики отражают примерно линейную зависимость
потребляемой для нагрева чувствительного элемента мощности от
корня квадратного от скорости потока.
2. Индуктивные преобразователи
Основаны на принципе изменения индуктивности электромагнитной катушки от сопротивления магнитной цепи:
где W – число витков; Rm – магнитное сопротивление
.
Здесь – магнитная проницаемость; S – площадь поперечного сечения
магнитной цепи; l – длина магнитной цепи.
49
Тогда индуктивность
2
.
WS
L
l
Из уравнения следует, что изменять индуктивность L можно изменением длины l (воздушного зазора), поперечного сечения S и магнитной проницаемости μ.
Геометрические размеры l и S можно изменять, если якорь сделать
подвижным. Магнитную проницаемость μ можно изменить приложением механических усилий (магнитоупругие преобразователи). Изменение индуктивности L таких датчиков преобразуется с помощью
электрической схемы в напряжение, которое и является выходным
сигналом.
Измерительные преобразователи с подвижным якорем
На рис. 2.20 представлены схемы измерительных преобразователей
с подвижным якорем:
– с изменяющимся воздушным зазором. Линейный участок характеристики составляет 10–15 % от всего воздушного зазора. Диапазон
измерений перемещений 0,1…1 мм. Высокая чувствительность. Порог
чувствительности 0,1…0,5 мкм;
– с изменяющейся площадью поперечного сечения. Диапазон измерения 5–8 мм;
– соленоидного типа. Линейные перемещения могут быть
100…1000 мм.
Схема преобразователя представлена на рис. 2.21. Дифференциальное включение преобразователей по мостовой схеме увеличивает чувствительность и линейность характеристики. Линейный участок достигает 30–40 %.
Измерительные преобразователи трансформаторного типа различного исполнения (см. рис. 2.20 и 2.21) отличает достаточная мощ-
ность выходного сигнала – не требуется усилительных устройств.
На рис. 2.22 в качестве примера показан индуктивный измерительный преобразователь трансформаторного типа с изменяющимся зазором. Чаще применяются дифференциальные индуктивные преобразователи. В среднем положении сердечника (рис. 2.23) на вторичных
катушках индуцируются одинаковые напряжения, сумма которых ввиду их встречного соединения равна нулю. При смещении сердечника
суммарное напряжение пропорционально перемещению.
50
~
x
l
~
x
S
а б
x
~
V
R
1
R
2
~
x
U
1
2
сумма
x
в
Рис. 2.20. Индуктивные преобразователи:
а – с изменяющимся воздушным зазором; б – с изменяющейся
площадью поперечного сечения; в – соленоидного типа
а б
Рис. 2.21. Дифференциальное включение индуктивных преобразователей:
а – схема; б – характеристика
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]