- •Методы и средства измерений
- •5. Измерительные преобразователи температуры. Терморезисторы. Принцип работы, основное уравнение терморезистора, типы, способы подключения в измерительную цепь. Специфика применения терморезисторов.
- •7. Измерительные преобразователи светового потока. Фотоэлектрические измерительные преобразователи: фэу, фоторезисторы и фотодиоды.
5. Измерительные преобразователи температуры. Терморезисторы. Принцип работы, основное уравнение терморезистора, типы, способы подключения в измерительную цепь. Специфика применения терморезисторов.
Термосопротивлением называется проводник или полупроводник с большим температурным коэффициентом сопротивления, находящийся в теплообмене с окружающей средой, вследствие чего его сопротивление резко зависит от температуры и поэтому определяется режимом теплового обмена между проводником и средой.
Имеется 2 вида терморезисторов: металлические (медь, платина, никель) и полупроводниковые (окислы различных металлов).
ТКС металлов положительный, характеристика линейная, например медь:

Основное уравнение:
,

Где
–ТКС,
- сопротивление при 0⁰С.
Для
2 формулы
должно соответствовать начальной
температуре того интервала температур,
для которого задано значение
.
![]()
Рассмотрим
2 и 3 формулы, из них следует
,
т.о.
определяется
не только углом наклона, но и значением
.
Tmax=180⁰C, Tmin=-50⁰C.
ТКС полупроводников больше, чем у металлов, отрицательный, характеристика нелинейная. Основное уравнение:
,![]()
Где А – постоянная, зависящая от физических свойств п/п, размеров и формы термосопротивления.
В – const, зависящая только от физических свойств.
Т – температура в градусах абсолютной шкалы (К).

Д
ля
того, чтобы линеаризовать характеристику
необходимо параллельно термистору
включить термонезависимое сопротивление.
T1, T2 – диапазон температур для наиболее линейной части характеристики.

,
где Т – средняя температура в измеряемом
диапазоне.

![]()
Где
-
проводимость термистора.
Специфика применения: выбор того или иного термрсопротивления зависит от среды применения и от измеряемой температуры (медный преобразователь можно применять только до температур порядка 180°С в атмосфере, свободной от влажности и корродирующих газов, никель, при условии хорошей изоляции от воздействия среды, можно применять до 250-300°С, платиновую проволоку нельзя применять в восстановительной среде (углерод, пары кремния, калия, натрия и т. д.). Платиновые термометры сопротивления используют обычно от — 200 до +650°С.

Схема включения:
R1R2= R3Rt, Uвых=0. При изменении температуры изменяется Rt, R1R2≠ R3Rt Uвых≠0. Дополнительные механизмы служат для уравновешивания моста. Электродвигатель перемещает движок реостата изменяя его сопротивление, одновременно отрабатывая на стрелочном указателе величину пропорциональную Uвых.
6. Измерительные преобразователи деформации. Тензорезисторы. Конструкция, принцип работы и основное уравнение, типы тензорезисторов, измерительные цепи для включения тензорезисторов, компенсация влияния температуры окружающей среды.
Принцип действия, устройство. В основе работы тензосопротивлений (тензопреобразователей) лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации.
Характеристикой
тензоэффекта материала является
коэффициент относительной
тензочувствительности
,
определяемый как отношение изменения
сопротивления к изменению длины
проводника:

Где
- относительное изменение сопротивления
проводника,
- относительное изменение длины
проводника.
Для жидких материалов, практически не меняющих своего объема в процессе деформации, — ртути, электролитов — коэффициент тензочувствительности к = 2.
;
Откуда

Где S – площадь поперечного сечения проводника;
V – объем проводника;
- удельное сопротивление материала
проводника.
При деформации твердых тел изменение их длины связано с изменением объема, причем величина изменения объема в зоне упругих деформаций для каждого материала постоянна и характеризуется коэффициентом Пуассона

где
— относительная величина поперечной
деформации;
— поперечный размер проводника
квадратного сечения (или радиус для
круглого).
![]()
![]()
Учитывая,
что ![]()
Получаем
(*)
А коэффициент тензочувствительности
![]()
При
практических изменениях формула (*) не
работает. Необходимо учесть изменение
структуры материала
при его деформации.


У п/п коэффициент тензочувствительности в 50-70 раз больше, чем у металла.
При использовании п/п на результат измерения влияет температура.
Типы тензосопротивлений. Наиболее широкое распространение в настоящее время находят проволочные тензосопротивления, а также появившиеся в последние годы фольговые и пленочные тензосопротивления.
Проволочные тензосопротивления в технике измерений неэлектрических величин используются по двум направлениям.
Первое направление – использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объемного сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего его газа или жидкости.
Второе направление — использование тензоэффекта растягиваемой проволоки из тензочувствительного материала. При этом тензосопротивления применяются в виде «свободных» преобразователей и в виде наклеиваемых.
Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензосопротивления. На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку наклеивается уложенная зигзагообразно тонкая проволока. К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники. Сверху преобразователь покрывается слоем лака, а иногда заклеивается бумагой или фольгой. Такой преобразователь, будучи приклеенным к испытуемой детали, воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Т.о., естественной входной величиной наклеиваемого тензопреобразователя является деформация поверхностного слоя детали, на которую он приклеен, а выходной – изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации.

«
Свободные»
тензопреобразователи
выполняются в виде одной или ряда
проволок, закрепленных по концам между
подвижной (1) (измеряемый объект) и
неподвижной (2) деталями, и, как правило,
выполняющих одновременно роль
упругого элемента. Естественной входной
величиной таких преобразователей
является весьма малое перемещение
подвижной детали.
Еще одна разновидность «мощных» тензосопротивлений – эластичные преобразователи. Они представляют собой резиновый капилляр с внутренним диаметром 0,1 – 0,5 мм, заполненный ртутью (иногда электролитом) и снабженный проволочными выводами.наклеенный на объект измерения, такой преобразователь, деформируясь вместе с этим объектом, изменяет свое сопротивление.

Измерительные цепи.
Чаще
всего измерительной цепью является
делитель напряжения либо мостовая цепь.
Делитель напряжения с питанием постоянным
током (рис. 1) применяют лишь в том случае,
когда интересуются только переменной
составляющей измеряемой величины, при
этом постоянная составляющая падения
напряжения на сопротивлении
тензопреобразователя, в сотни раз
превышающая переменную составляющую,
отфильтровывается разделительным
конденсатором С. Во всех других случаях
в качестве измерительной цепи используется
цепь моста (рис. 2), питаемого постоянным
или переменным током.
В мостовой цепи тензорезисторные приборы строятся по дифференциальной схеме первого или второго типа.

При
использовании дифференциальной схемы
первого типа, т.е. при
и
,
выходное напряжение и чувствительность
в режиме холостого хода
,
![]()
Где
и
одинаковые тензорезисторы, при отсутствии
деформации их сопротивления равны
.
При
использовании дифференциальной схемы
второго типа, когда
и
,
выходное напряжение и чувствительность
в режиме холостого хода
,![]()
Компенсация влияния температуры окружающей среды.
Погрешность может возникнуть вследствие температурных изменений сопротивления преобразователя. При изменении температуры оно изменяется как вследствие изменения удельного сопротивления материала, так и вследствие изменения натяжения из-за различных температурных коэффициентов удлинения тензорезистора βт и детали βД, на которую он наклеен. Полное изменение сопротивления
![]()
где
-
сопротивление тензорезистора при
нормальной температуре;
- его чувствительность;
- температурный коэффициент сопротивления;
- изменение температуры.
Температурная погрешность проводниковых тензорезисторов в основном имеет аддитивный характер. Для ее компенсации используются дифференциальные схемы. При измерении механических напряжений применяют схему первого типа с двумя или четырьмя тензорезистора-ми. Рабочие тензорезисторы наклеивают на исследуемую деталь вдоль ожидаемой деформации, а компенсационные - поперек нее. При измерении других величин, например силы, используется дифференциальная схема второго типа. При этом на силоизмерительную пружину с разных сторон наклеивают два тензорезистора, так что при изгибе пружины под действием силы один из них растягивается, другой - сжимается. В обоих случаях температурные условия и температурные изменения сопротивлений тензорезисторов одинаковы. Тензорезисторы включаются в смежные плечи моста, и это компенсирует температурную погрешность. Для увеличения чувствительности на силоизмерительную пружину можно наклеить четыре тензорезистора, причем преобразователи, воспринимающие деформации одного знака, должны включаться в противоположные плечи моста.
Измерительная схема – мост Уитстона – 1тензорезистор.

![]()
Где
- тензорезистор, сопротивление которого
изменяется пропорционально (1+Х);
Х – относительное отклонение сопротивления от номинального значения как функция деформации (R1 – номинальное при деформации равной 0).
![]()
2 тензорезистора.
![]()
4 тензорезистора.
![]()
Данный тип включения предпочтительнее, т.к.чувствительность на одну и ту же деформацию здесь выше.
