Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физические основы методов контроля и испытания. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 103 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

– 21 –

)exp(

1



 TRR



)](exp[

212



 TTRR



1.4.6. Термисторы

Существуют термисторы и с положительным, и с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Наиболее часто при-

меняются термисторы с отрицательным температурным коэффициен-

том. В качестве материалов для таких датчиков применяют окислы

элементов группы железа такие, как хром, марганец, железо, кобальт,

никель. Эти материалы обладают высоким удельным сопротивлением,

но становятся полупроводниками при добавлении небольшого коли-

чества ионов, имеющих иную валентность, например небольшое число ионов железа в окиси железа замещается титаном.

Применяются термисторы различной формы и размеров; их сопротивление, которое обычно определяется при 25 °C, составляет от 0,1 Ом до 100 МОм. Они могут быть сконструированы для работы в диапазоне от – 100 до +600 °C, одиночный прибор может работать в диапазоне примерно 200 °C, при этом сопротивление изменяется в 1000 раз. Приборы выпускаются серийно в форме от очень малых

шайб диаметром менее 0,2 мм и до стержней или дисков диаметром

более 25 мм. Шайбы имеют очень быстрый тепловой отклик и изго-

товляются путем спекания капли термисторной пасты, нанесенной на

две проволоки из платинового сплава. Затем шайбы покрываются

стеклом, чтобы обеспечить герметичность, или монтируются в вакуумные или газонаполненные колбы.

Зависимость сопротивления термистора от температуры записывается в виде

, (1.12)

где Rt – сопротивление при температуре Т в Кельвинах, R – сопро-

тивление при бесконечно высокой температуре, а



– постоянная при-

бора. Уравнение (1.12) можно переписать в виде

, (1.13)

где R1 и R2 – сопротивления при Т1 и Т2 в Кельвинах соответственно.

Постоянная



может достигать 104 и зависит от материала термистора;

она изменяется с температурой, так что уравнения термистора пригодны только в определенном температурном диапазоне.

– 22 –

SnC)1(0





Термисторы имеют температурный коэффициент сопротивления

между 3 % и 6 % на 1 °C по сравнению с 0,4 % на 1 °C для платины,

т.е. термисторы очень чувствительные преобразователи. Термисторы

имеют также такие преимущества, как малые размеры, низкая стоимость и вариации от одного прибора к другому менее чем ±0,2 °C в диапазоне 0 – 70 °C. Недостатки термисторов состоят в том, что они

имеют нелинейную зависимость сопротивления от температуры и малую стабильность, которая может составлять ±0,5 °C за год при температуре 300 °С.

1.5. Емкостные преобразователи

Емкость конденсатора, образованного параллельными пластина-

ми, равна

, (1.14)

где п – число пластин, S – площадь одной стороны пластины, d – тол-

щина диэлектрика,  – относительная диэлектрическая проницаемость



– диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,85·10

–11

Ф/м.

Емкостный преобразователь работает на измерении изменения

емкости конденсатора под действием внешних факторов. Изменение емкости может происходить за счет:

− изменения расстояния между пластинами;

− изменения эффективной площади (перекрытия) пластин кон-

денсатора;

− изменения диэлектрической проницаемости под действием

измеряемой величины.

На рис. 1.17 показано устройство некоторых емкостных преобра-

зователей. На рис. 1.17, а приложенная сила изменяет расстояние ме-

жду пластинами и показана зависимость емкости от расстояния между

пластинами. Максимальная чувствительность получается, когда пла-

стины близки друг к другу, так что предпочтительны большие пла-

стины с малым расстоянием между ними. Расстояние обычно выби-

рают больше 100 мкм, так как пластины могут быть не плоскими и не

параллельными, следовательно, существует опасность соприкоснове-

– 23 –

Рис. 1.17. Емкостные преобразователи и изменения емкости: а – параллельные пластины с переменным расстоянием, б – параллельные пластины с изменяемым перекрытием, в – пластины с перемещаемым диэлектриком

Рис. 1.18. Емкостные преобразователи: а – концентрические трубки, б – емкостный микрофон

ния. Зависимость емкости от расстояния можно сделать линейной с

помощью электронных цепей. Преобразователь с плоскими пластинами используется для точных измерений малых величин, ниже 1 мм.

На рис. 1.17, б приведен преобразователь, в котором эффектив-

ная площадь пластин изменяется путем изменения их частичного пе-

рекрытия. График изменения емкости для такой конструкции от перекрытия пластин линейный. Изменять емкость датчика можно, изменяя диэлектрическую проницаемость между обкладками (см. рис. 1.17, в). Другие методы преобразования проиллюстрированы на рис. 1.18, а и

б. Эти методы используются для измерения относительно больших смещений.

Для получения выходного сигнала переменный емкостный пре-

– 24 –

Рис. 1.19. Емкостный преобразователь для акселерометра

образователь может быть подключен в цепь постоянного тока со сме-

щением или в мост переменного тока. Изменения емкости невелики,

порядка нескольких пикофарад, но современные мосты обладают чувствительностью на уровне менее 10–5 пФ.

Емкостные преобразователи имеют отличную частотную харак-

теристику и могут применяться как для статических, так и для динамических измерений. Они чувствительны к температурным колебаниям и могут выдать неправильный сигнал, если провода длинные и имеют значительную емкость. Емкостные преобразователи имеют точность в пределах 0,5 % и разрешение порядка 1/20000.

На рис. 1.19 приведен емкостный акселерометр, в котором сейс-

мическая масса движется относительно неподвижной пластины, что

вызывает изменение расстояния между двумя пластинами конденсатора.

1.6. Индуктивные преобразователи

Индуктивные преобразователи работают по принципу изменения

собственной или взаимной индуктивности катушек. На рис. 1.20, а

показано простое устройство, в котором ферромагнитный сердечник

соединен с воспринимающей усилие диафрагмой и движется относи-

тельно катушки. Индуктивность катушки изменяется в зависимости от

положения сердечника, и это изменение может измеряться с помощью

индуктивного моста переменного тока или по изменению частоты, если индуктивность составляет часть контура генератора.

– 25 –

а б в г

Рис. 1.20. Преобразователь с переменной индуктивностью: а – конструкция с одной обмоткой, б – диафрагменный тип, в – двухобмоточная конструкция, г – измерительный мост двухобмоточного преобразователя

На рис. 1.20, б показано другое устройство, в котором ферромаг-

нитная диафрагма движется под действием силы и вызывает измене-

ние индуктивности катушки из–за изменения воздушного зазора.

Ферромагнитная диафрагма может быть частью воспринимающей

усилие мембраны, но качество работы всего устройства ухудшается,

так как приходится выбирать между механическими и магнитными свойствами диафрагмы. Можно использовать две катушки (рис. 1.20, в), при этом индуктивность одной катушки увеличивается, а другой – уменьшается. Две катушки могут образовать плечи моста (рис. 1.20,

г), при этом мост будет сбалансирован, когда сердечник находится в центре, между катушками.

Для измерений смещений применяется линейный дифференци-

альный трансформатор (ЛДТ), конструкция которого приведена на рис. 1.21. Принцип работы ЛДТ основан на изменении взаимной индуктивности между магнитосвязанными катушками. Три катушки

наматываются на общий каркас, питание переменного тока приклады-

вается к первичной катушке, при этом на двух вторичных индуциру-

ется напряжение. Вторичные катушки соединяются последовательно в противофазе, так что выходное напряжение равно разности напряже-

ний, индуцированных в двух катушках. Когда сердечник находится в

– 26 –

Рис. 1.21. Линейный дифференциальный трансформатор: а – конструкция, б – электрическая схема, в – характеристика

центре между катушками, напряжения, индуцированные в двух вто-

ричных катушках, компенсируют друг друга и выходное напряжение

равно нулю: имеет место баланс или нулевое положение. Когда сер-

дечник смещается, напряжение, индуцированное во вторичной обмот-

ке, ближайшей к сердечнику, преобладает и определяет напряжение на выходе. На рис. 1.21, в приведена зависимость выходного напря-

жения от положения сердечника. Для малых смещений напряжение

изменяется линейно с перемещением сердечника и претерпевает изменение фазы на 180, когда сердечник проходит через центральное

положение, указывая на направление смещения сердечника. Линей-

ный дифференциальный трансформатор помещен в экранированный

корпус для исключения влияния внешних магнитных полей.

Индуктивный преобразователь имеет преимущество перед по-

тенциометрическим преобразователем, так как в нем отсутствуют

трение и износ движущихся частей; он не вносит в систему дополни-

тельных потерь на трение. Индуктивный преобразователь применяет-

ся для статических и динамических измерений. Его частотная харак-

теристика лимитируется конструкцией силой мембраны и может под-

вергаться воздействию внешних магнитных полей, поэтому в некоторых случаях требуется экранирование. Преобразователь чувствителен

также к ударам и вибрациям, имеет низкую тепловую стабильность и

ограниченный температурный диапазон, так что в основном используется в системах с низкой точностью.

– 27 –

Преимущество дифференциального выхода в системах типа ЛДТ

состоит в том, что такие системы характеризуются большим выход-

ным сигналом при равных смещениях и уменьшенными вариациями

выходного сигнала при изменениях температуры, магнитного поля,

напряжения и частоты питания. Обычно частотный диапазон возбуждения ЛДТ простирается от 40 Гц до 200 кГц, хотя может достигать и 1 МГц. В общем случае частота должна по крайней мере в 10 раз пре-

вышать максимальную частоту измеряемых механических движений.

Чувствительность и коэффициент полезного действия преобразовате-

ля растут с частотой и достигают оптимальных значений между 1 и 5 кГц.

ЛДТ может быть сконструирован для работы при перемещениях

от ±0,01 до ±30 см. Напряжение возбуждения изменяется в диапазоне от 5 до 100 В, а выходное напряжение – от 50 до 500 мВ на 1 мм перемещения с линейностью порядка 0,025 %.

Серийные ЛДТ – преобразователи выпускаются с внутренними

генераторами, работающими от источника постоянного тока и обес-

печивающими возбуждение преобразователя переменным током. Вы-

ход от вторичных обмоток демодулируется в самом преобразователе

для получения постоянного напряжения, которое пропорционально

перемещению. Поскольку выходной сигнал ЛДТ пропорционален

первичному напряжению, это напряжение должно регулироваться с

высокой точностью. Источник частоты должен также иметь низкий

выходной импеданс, чтобы уменьшить изменения выходного напря-

жения из–за вариаций импеданса ЛДТ при различных положениях сердечника и температуры.

1.7. Преобразователи на магнитных эффектах

Преобразователи, измеряющие магнитное поле, применяют два

эффекта: эффект изменения сопротивления от напряженности маг-

нитного поля и эффект Холла. Первый вид преобразователей рассмотрен в разделе потенциометры (см. раздел 1.4.3). В этом разделе рассмотрим только датчики на основе эффекта Холла.

– 28 –

tIBRV



1][

 neR

Рис. 1.22. Принцип работы преобразователя на эффекте Холла

Эффект Холла наблюдается в ряде материалов, он не очень ярко

проявляется в проводниках, поэтому все серийные приборы изготовляются из полупроводников. Рис. 1.22 поясняет их принцип действия датчика. Если тонкая пластина полупроводника (толщиной t) помещается в магнитное поле B, а ток I течет вдоль нее так, что электриче-

ское поле составляет прямой угол с магнитным полем, то на боковых торцах пластины возникает напряжение за счет действия силы Лорен-

ца на движущиеся заряженные частицы. Значение напряжения Холла на боковых клеммах в разомкнутой цепи определяется выражением

, (1.15)

RH называется постоянной Холла для материала и рассчитывается по

формуле

, (1.16)

где n – концентрация электронов в материале, е – заряд электрона. У полупроводника п = 1022 м

–3

, что почти в 10

раз меньше, чем у про-

водников, так что из выражений (1.15) и (1.16) видно, что у полупро-

водников напряжение Холла соответственно больше. Эффективная длина l и ширина w холловской пластины должны быть такими, чтобы l/w = 2 – 3, так как для меньших значений этого отношения напряжение Холла будет меньше, чем по (1.15). Пластина должна быть как можно тоньше (малые значения t).

Материалы, используемые для преобразователей Холла, должны

иметь высокую подвижность электронов и широкую запрещенную

– 29 –

зону. В основном используются два материала: арсенид индия и фосфид – арсенид индия. Легированный арсенид индия имеет электронную концентрацию (5 – 7)·106 см

пературе 20000 см

/B·с и постоянную Холла 100 см3/°С. Фосфид –

–3

, подвижность при комнатной тем-

арсенид индия имеет примерно в два раза меньшую подвижность, но

более широкую запрещенную зону и может работать при более высо-

ких температурах. Антимонид индия также применяется для преобра-

зователей Холла, но он имеет высокий температурный коэффициент RH, порядка 2 %/°С.

Полупроводниковая пластина изготовляется по одной из трех

технологий. В первом методе пластина полупроводника отрезается от бруска материала и травится до получения толщины 5–100 мкм. Она

затем приклеивается к подложке слоем 1–2 мкм эпоксидной смолы,

которая заполняет трещины и обеспечивает хороший теплоотвод. Во

втором методе полупроводниковый материал осаждается из паров на

подложку толщиной 2–3 мкм. Этот прибор удобен для использования

при очень низких и очень высоких температурах. В третьем варианте

слой арсенида галлия толщиной около 10 мкм выращивается методом

эпитаксии из газовой фазы на полуизолирующем арсениде галлия.

При этом получается прибор с высокой стабильностью и низким тем-

пературным коэффициентом очень удобный для прецизионных измерений.

Электрический контакт может быть припаян к пластине Холла,

хотя обычно металл напыляется на полупроводник и затем сплавляет-

ся с ним при нагревании. Электрические контакты располагаются вдоль торцов пластины Холла, так что линии тока – параллельные

прямые. Материал, используемый для контактов Холла, имеет более

высокую проводимость, чем полупроводник, что вызывает искривле-

ние линий тока вблизи холловских электродов и приводит к нелинейности отношения между B и V0 в соотношении (1.15). Нелинейность можно уменьшить, если длина электрода будет составлять менее 10 %

длины холловской пластины или если генератор Холла будет нагружен линеаризующим сопротивлением Rl. Однако это уменьшает чувствительность S устройства, которая определяется выражением

– 30 –

][



 IBVS

. (1.17)

Постоянная Холла RH изменяется с изменением температуры и

напряженности магнитного поля, однако эти изменения незначительны для полей вплоть до 15 Тл (5 Тл для антимонида индия). Преобра-

зователь Холла не боится сильных магнитных полей, но с ростом поля

увеличивается его внутреннее сопротивление, так что управляющий

ток должен поддерживаться ниже предельного значения, чтобы избежать разрушения устройства.

Напряжение Холла уменьшается с нагрузкой, а оптимальная ли-

нейность достигается при значении нагрузочного сопротивления Rl,

которое приводится в спецификации прибора. Можно принять, что генератор Холла имеет внутреннее сопротивление R1 на клеммах электрического тока и R2 – на клеммах холловского напряжения. Сопротивление R1 измеряется между управляющими проводами, когда

цепь Холла разомкнута. В спецификации даются значение сопротивления при B = 0(R10) и кривая зависимости R1 от напряженности магнитного поля. Сопротивление R2 определяется как сопротивление,

измеряемое между контактами Холла при разомкнутой управляющей цепи. Оно также является функцией B и определяется при B = 0(R20).

Как результат процессов, используемых при изготовлении хол-

ловских датчиков, на холловское напряжение накладывается малая резистивная составляющая. При B = 0 напряжение определяется как R0I, где I – управляющий ток, R0 – резистивная нулевая компонента датчика Холла. Напряжение, обусловленное R0, может быть компенсировано в устройстве на эффекте Холла с помощью внешней цепи.

1.8. Пьезоэлектрические преобразователи

Электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическо-

му кристаллу, вызывает его механические деформации; и наоборот,

механическое воздействие на кристалл порождает электрическое напряжение на нем.

Пьезоэлектричество наблюдается в кристаллах, которые не име-

ют центра симметрии. Пьезоэлектричество наблюдается как в моно-

кристаллических материалах, например кварце, так и в поликристал-

<<< < Предыдущая 1 23 / 103 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]