Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Аналоговая и цифровая схемотехника. Средства измерения. Учебное пособие
.pdf
21
полном облучении составляет, в общем случае, 100…200 Ом, а в полной темноте это сопротивление составляет порядка МОм.
Фотогенерирующие преобразователи. Солнечные элементы представ-
ляют собой фотоэлектрические преобразователи, которые превращают поглощаемую электромагнитную энергию в электрическую. Изменение интенсивности излучения преобразуется в изменение выходного напряжения (рис. 2.9).
Они используют эффект генерации пар носителей в зоне обыкновенного или
вырожденного p-n перехода.
фотоэлектрический
слой
электромагнитное
излучение
прозрачный
электрод
электрод
изменение
напряжения
Рис. 2.9. Солнечный элемент
Конструкция преобразователя включает в себя слои фоточувствительного
высокоомного материала, размещенного между двумя проводящими электродами. Один из электродов выполнен из прозрачного материала, через который
проходит излучение и попадает на фоточувствительный материал. При полном
освещении один элемент вырабатывает выходное напряжение между электродами около 0,5 В.
Фотоумножители
9
. Фотоумножители — это приборы, использующие
свойство лавинообразной вторичной эмиссии электронов под действием ускоряющего электрического поля. Они обладают очень высокими значениями коэффициентов чувствительности. Применяются для регистрации слабых оптических излучений.
–
+
электроны
электромагнитное
излучение
Рис. 2.10. Фотоумножители
9
URL: https://myrepititor.ru/sau/non-electric-conversation/fotoumnozhiteli (дата обращения: 11.08.2025).
22
Фототранзисторы
10
. Фототранзисторы представляют собой полупро-
водниковые приборы, управление которыми производится по оптическому каналу. Фототранзистор отличается от обычного полупроводникового триода тем,
что он выполняется в прозрачном корпусе, который пропускает световое излучение. Свет, падающий на переход коллектор-база фототранзистора (p-n переход с отрицательным смещением), вызывает в базе фототок, который усиливается с коэффициентом усиления транзистора, что приводит к весьма большому
току эмиттера.
Ток эмиттера фототранзистора определяется из следующего соотношения:
IЭ = (1 + hФ) IФ, (2.5)
где hФ — коэффициент усиления транзистора по постоянному току;
IФ — фототок базы.
2.7. РЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ11
Большим классом измерительных преобразователей являются резистивные преобразователи, принцип действия которых основан на преобразовании
значения измеряемой величины в изменение сопротивления. Это преобразование может быть вызвано различными эффектами в преобразующем элементе,
например, нагреванием или охлаждением, механическим напряжением, воздействием светового потока (как в фотопроводящих преобразователях), увлажнением, осушением, механическим перемещением контактной щетки реостата.
Выделяют три вида резистивных датчиков:
• потенциометрические датчики;
• тензодатчики;
• термосопротивления.
Потенциометрические датчики12. Одним из вариантов резистивного
преобразователя является потенциометрический преобразователь, в котором
изменение измеряемой величины преобразуется в изменение отношения
напряжений вследствие изменения положения контактной щетки на резистивном материале (рис. 2.11). Определенный механический элемент преобразует
изменение измеряемой величины в перемещение щетки.
10
URL: https://myrepititor.ru/sau/non-electric-conversation/fototranzistory (дата обращения: 11.08.2025).
11
URL: https://lk.dvgups.ru/public/upload/img_tpls/aaf6a0dfb9ac47fc476dc20d25a94213/images/Petrova_Jakovleva_
UP_8537F.pdf (дата обращения: 11.08.2025).
12
URL: https://myrepititor.ru/sau/non-electric-conversation/potenciometricheskie-datchiki (дата обращения:
11.08.2025).
23
Потенциометр, изображенный на рис. 2.11, можно представить в виде эквивалентной электрической схемы, представленной на рис. 2.12. Его выходное
напряжение определяется выражением
IЭ = (1 + hФ) IФ. (2.6)
x
U
U
R
резистивный
элемент
Рис. 2.11. Потенциометрический датчик
R1
R2
U
U
R
Рис. 2.12. Эквивалентная схема потенциометрического датчика
Когда прикладываемое на вход прибора напряжение является постоянным и измеряемое значение определяется положением щетки потенциометра,
выходное напряжение является функцией измеряемой величины. Некоторые
преобразователи имеют непроволочные сопротивления, такие, как металлокерамическая подложка или проводящая пластиковая пленка. Встречаются потенциометры, в которых полный диапазон изменения положений щетки равен
270°, в то время как другие конструкции имеют диапазон в 10 или даже 20 полных оборотов (3 600о или 7 200°).
Тензодатчики и термосопротивления13. Поскольку сопротивление про-
водника определяется соотношением
R =
S
L
, (2.7)
13
URL: https://myrepititor.ru/sau/non-electric-conversation/tenzodatchiki-i-termosoprotivleniya (дата обра-
щения: 11.08.2025).
24
где — удельное сопротивление материала;
L — длина проводника;
S — площадь сечения проводника, сопротивление может изменяться при
любом колебании измеряемой величины, которая влияет на один или несколько
входящих в это выражение аргументов.
Приведенная зависимость используется в тензодатчиках. Тензодатчики
представляют собой тонкопленочный резистор, при механическом воздействии
на который меняется величина его активного сопротивления за счет изменения
сечения или длины резистивного слоя. Тензорезисторы используются при измерениях момента, веса и в других измерениях, связанных с изменением механической напряженности конструкций.
L
резистивный
элемент
S
изменение
сопротивления
Рис. 2.13. Тензодатчик
Сопротивление иногда также изменяется при колебании температуры
(термосопротивления). Для металла это изменение имеет линейную зависимость:
R = R0 (1 + to), (2.8)
где R0 — сопротивление при исходной температуре;
to — изменение температуры;
— температурный коэффициент сопротивления (ТКС).
В качестве материалов для изготовления металлических терморезисторов
наиболее часто используются медь и платина. Типичными номиналами сопротивлений датчиков при 0 оС являются 50 и 100 Ом. Учитывая, что ТКС меди и
платины близки, можно считать, что 50-омные датчики изменяют свое сопротивление примерно на 0,2 Ом/оС, а 100-омные — на 0,4 Ом/оС. Эта зависимость
25
может быть использована для определения сопротивления датчика при интересующей температуре.
При использовании в качестве материала, из которого изготовлен терморезистор, полупроводника, за счет увеличения подвижности носителей с повышением температуры ТКС будет иметь отрицательное значение. В общем случае зависимость сопротивления полупроводниковых терморезисторов от температуры нелинейна, поэтому они, чаще всего, используются в приборах
компарирующего типа.
В
Рис. 2.14
На рис. 2.14 представлены графики зависимости сопротивления от температуры при различных значениях ТКС.
2.8. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДАТЧИКИ14
В качестве простейшего полупроводникового датчика обычно используется p-n переход, конструктивно исполненный в виде полупроводникового диода. При этом p-n переход может использоваться в качестве детектора различных воздействий окружающей среды: температуры, оптического или жесткого
излучения и т. д.
В режиме прямого смещения p-n перехода прямое падение напряжения
при фиксированном протекающем токе снижается линейно с коэффициентом
пропорциональности примерно 2 мВ/оС.
В режиме обратного включения зависимость обратного тока от температуры нелинейна, поэтому в таком режиме p-n переход используется в приборах
компарирующего типа.
14
URL: https://myrepititor.ru/sau/non-electric-conversation/poluprovodnikovye-datchiki (дата обращения:
11.08.2025).
26
Датчиками оптического инфракрасного и ультрафиолетового диапазона
p-n переход является в составе фотодиода, датчиком жесткого излучения —
в режиме обратного включения при лавинном пробое.
2.9. ДАТЧИКИ ХОЛЛА
15
Датчики Холла используют свойство воздействия магнитного поля на
направленно движущиеся заряженные частицы. Когда проводник с протекающим по нему током помещается в магнитное поле так, что направление тока
оказывается перпендикулярным магнитным силовым линиям, образуется поперечное электрическое поле, напряженность которого пропорциональна произведению плотности магнитного потока на силу электрического тока. Этот эффект возникает в проводниках, однако наиболее существенен он в полупроводниках, где известен под названием эффекта Холла. На рис. 2.15 показана
полупроводниковая пластина, к которой приложено магнитное поле с индукцией B, перпендикулярное протекающему через нее току I, и возникающее при
этом электрическое поле с напряженностью E. Отношение между магнитной
индукцией, током и напряженностью электрического поля определяется следующим образом:
E = K B I, (2.9)
где K — коэффициент пропорциональности; зависит от геометрии проводника.
I
B
E
Рис. 2.15. Датчик Холла
Эффект Холла используется во многих типах преобразователей, предназначенных для измерения магнитного поля, а также в бесконтактных переключающих приборах.
15
URL: https://lektsiopedia.org/lek-13463.html?ysclid=me6pfqw13m117093765 (дата обращения: 11.08.2025).
27
2.10. СЧЕТЧИКИ ГЕЙГЕРА16
Счетчики Гейгера используются в качестве детекторов интенсивности
ионизирующих излучений. Конструктивно они представляют собой газонаполненный цилиндр, внутри которого расположена осевая проволока, являющаяся
одним из электродов. Другим электродом служит боковая поверхность цилиндра, представляющая собой трубку. На электроды подается внешнее напряжение, которое создает в газе напряженность электрического поля, близкую к
критической. При попадании в объем газа кванта ионизирующего излучения
происходит лавинообразный разряд между электродами. Информацией об интенсивности потока ионизирующего излучения может служить либо частота
разрядов, либо суммарный ток, протекающий в цепи счетчика.
I
U
Рис. 2.16. Счетчик Гейгера
2.11. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ17
Термоэлектрические преобразователи при своей работе используют эффект Зеебека, который заключается в том, что при создании контура из разнородных металлов (например, платина и платинородий) в нем возникает ЭДС,
зависящая от разности температур между холодным и горячим спаями.
Термоэлектрический преобразователь больше известен под названием
термопары, в которой зонд состоит из двух спаев. Один из них размещается в
точке, где производится измерение температуры, а второй — в точке опорной
температуры (рис. 2.17). Разность потенциалов U1 – U2 образуется между двумя
спаями (известна как контактная разность потенциалов), зависит от температуры спаев и измеряется вольтметром. Таким образом, показания вольтметра
отображают разность температур между спаями.
На практике не так просто достигнуть необходимой точности температурных измерений с помощью термопар, как это может показаться из приведенных выше рассуждений, поскольку соединение вольтметра с термоэлектри-
16
URL: https://lektsiopedia.org/lek-13463.html?ysclid=me6pfqw13m117093765 (дата обращения: 11.08.2025).
17
URL: https://lektsiopedia.org/lek-13464.html?ysclid=me6ppxcjmw984127258 (дата обращения: 11.08.2025).
28
ческой схемой само по себе образует новый спай в схеме. Кроме того, объект,
температура которого измеряется, может находиться на некотором расстоянии
от вольтметра, что затрудняет процесс формирования стабильной опорной температуры.
U
2
U
1
спай при
опорной
температуре
спай при
неизвестной
температуре
V
Pt, Ro
Pt
Рис. 2.17. Термопара
Для достижения максимальной точности применяются специальные таблицы наиболее распространенных типов термопар, в которых разность температур (обычно по отношению к опорной температуре 0 °С) сопоставляется со
значениями генерируемой ЭДС.
29
3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ В ТОК (ПНТ)18
При передаче по линии связи аналоговой информации об измеряемой величине наибольшее распространение получили токовые сигналы, так как значение протекающего тока одинаково во всех точках контура и, соответственно,
на передаваемую информацию не оказывает влияние сопротивление линии связи. Это условие выполняется, если линия связи не имеет токов утечки.
Нормализованными токовыми сигналами являются значения токов:
0…5 мА, 0…10 мА, –5…5 мА, –10…10 мА, 4…20 мА.
Последний стандарт позволяет передавать информацию об измеряемой
величине непосредственно по шинам питания измерительного преобразователя
и, поэтому, в настоящее время получил наибольшее распространение.
3.1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ В ТОК
ДЛЯ НЕЗАЗЕМЛЕННОЙ НАГРУЗКИ19
Преобразователь напряжения в ток для незаземленной нагрузки может
быть представлен следующей схемой:
Операционный усилитель DA будем считать идеальным:
• коэффициент усиления по напряжению KU → ;
• входное сопротивление усилителя RВХ → ;
• выходное сопротивление усилителя R
ВЫХ
→ 0;
• U+ = U–;
• I
ВХ
+
= I
ВХ
–
= 0.
Линия передачи используется в качестве обратной связи.
Запишем уравнения для узла данной схемы:
R0
UU
ВХ
−
−
= IОС + I
ВХ
–
, (3.1)
поскольку
U+ = U– = 0 и I
ВХ
–
= 0,
IОС =
R0
U
ВХ
. (3.2)
18
URL: https://tech-school.info/voltage-to-current-converters/ (дата обращения: 11.08.2025).
19
URL: https://myrepititor.ru/sau/voltage-to-current/preobrazovateli-napryazheniya-v-tok-dlya-nezazemlennoy-nagruzki
(дата обращения: 11.08.2025).
30
DA
R
Н
R
L
R1
R0
U
ВХ
RL I
ОС
Рис. 3.1. ПНТ для незаземленной нагрузки
Недостатки такой схемы преобразователя:
1. Схема может быть использована только для незаземленных линий
связи (приемник и источник имеют гальваническое разделение).
2. Должно выполняться условие:
|U
ВЫХ ОУ
| < U
ВЫХm
. (3.3)
учитывая, что
U
ВЫХ ОУ
=
R0
U
ВХ
−
(2RL + RН), (3.4)
получим следующее условие преобразования напряжения в ток:
2 RL + RH <
ВХ
mВЫХ
U
R0U
, (3.5)
где U
ВЫХ m
— максимальное выходное напряжение усилителя.
3.2. СХЕМА С УВЕЛИЧЕНИЕМ ВЫХОДНОГО ТОКА20
Схема ПНТ с увеличением выходного тока представлена на рис. 3.2. Операционный усилитель DA будем считать идеальным. Запишем уравнения для
данной схемы:
U+ = UВХ, (3.6)
20
URL: https://tech-school.info/voltage-to-current-converters/ (дата обращения: 11.08.2025); URL: https://
lektsiopedia.org/lek-13466.html (дата обращения: 11.08.2025).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]