литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 6. Оптические элементы датчиков

В микродатчиках часто используется следующий прием: на верхнюю поверхность наносится слой из стекла, который не только обеспечивает защиту от негативных воздействий окружающей среды, но и обладает в дальней ИК области спектра коэффициентом излучения, равным 0,95 [12].

Литература

1.Афанасьев В.А. Оптические измерения. — М.: Высшая школа, 1981. — 230 с.

2.Вейнберг В.Б., Саттаров Д.К. Оптика световодов. М.: Машиностроение, 1977. — 320 с.

3.Заказнов Н.П. Прикладная геометрическая оптика. М.: Машиностроение, 1984. — 184 с.

4.Ишанин Г.Г., Панков Э.Д.,Челибанов В.П. Приемники излучения. Учебное пособие для вузов. — СПб: Папирус, 2003. — 527 с.

5.Ишанин Г.Г.,Козлов В.В. Источники оптического излучения. — СПб: Политехника, 2009. — 415 с.

6.Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. М.: Машиностроение, 1985. — 128 с.

7.Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. Радио, 1988. — 400 с.

8.Прикладная оптика: Учеб. пособие для приборостроительных специальностей вузов / Л.Г. Бебчук, Ю.В. Богачев, Н.П. Заказнов и др. / Под ред. Н.П. Заказнова. — М.: Машиностроение, 1988. — 312 с.

9.Справочник конструктора оптико-механических приборов/Под ред. В.А. Панова. — Л.: Машиностроение, 1980. — 742 с.

10.Справочник по лазерам/Под ред. А.М. Прохорова. В 2-х т. — М.: Сов. радио, 1978. — 400 с.

11.Теория и расчет элементов приборов / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, В.С. Радайкин, А.Э. Потемкин. — СПб.: Политехника, 1993. — 224 с.

12.Фрайден Дж. Современные датчики. — М.: Техносфера, 2005. — 592 с.

ГЛАВА 7

РЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ

7.1. Основные характеристики

Электрическое сопротивление является наиболее распространенным параметром измерительных цепей различных преобразователей [5]. В цепях с сосредоточенными параметрами электрическое сопротивление воспроизводится в виде самостоятельного конструктивно оформленного элемента — резистора, состоящего из изоляционного каркаса, на который нанесен чувствительный элемент в виде проволоки или тонкого слоя токопроводящего материала, обладающего определенным электрическим сопротивлением.

Диапазон номинальных значений сопротивлений современных резисторов чрезвычайно широк — от низкоомных (единицы и доли ома) до высокоомных (105…107 Ом и выше). Погрешности прецизионных резисторов сведены до сотых долей процента, а у резисторов общего назначения могут достигать нескольких десятков процентов.

Основными характеристиками резисторов являются: номинальное сопротивление Rном, допустимая погрешность и допустимая временная нестабильность, которые нормируются соответствующими стандартами в зависимости от класса точности и типа резистора. Важными параметрами, характеризующими качество резисторов или определяющими условия их работы, являются номинальная мощность Рном или предельное рабочее напряжение Umax, температурная нестабильность или температурный коэффициент сопротивления, уровень собственных шумов.

Под номинальной мощностью резистора понимают наибольшую активную мощность, которую резистор может длительное время рассеивать при условии, что его погрешность не будет превышать значений, регламентируемых классом точности резистора. Исходя из номинальной мощности резистора и номинального сопротивления устанавливается предельное рабочее напряжение

U max Rном Рном .

Температурная нестабильность, или температурный коэффициент сопротивления (ТКС) характеризует относительное изменение сопротивления, вызванное изменением температуры.

Собственные шумы резисторов складываются из тепловых и токовых. Причиной тепловых шумов являются флуктуационные изменения объемной концентрации электронов в проводящем материале, обусловленные тепловым движением. Тепловые шумы присущи всем видам резисторов, а их уровень

Глава 7. Резистивные датчики

определяется значением напряжения тепловых шумов, значение которого согласно уравнению Найквиста

U ? 4kTR f ,

где k — постоянная Больцмана; R — сопротивление резистора; Т — его абсолютная температура; f — рабочая полоса частот.

Токовые шумы возникают практически только в резисторах с зернистой структурой токопроводящего слоя, т.е. непроволочных резисторах, и являются следствием некоторой нестабильности контактов между проводящими зернами. Уровень токовых шумов определяется отношением действующего значения напряжения токовых шумов Um к значению напряжения U, приложенного к резистору, и может достигать единиц мкВ/В.

Временная нестабильность сопротивления резистора характеризуется относительным изменением сопротивления за определенное время (обычно за год) и определяется свойствами проводящего материала, конструкцией и, в значительной степени, технологией изготовления резистора.

Сопротивление резистора в общем случае не является чисто активным (рис. 7.1, а).

В зависимости от того, какой из остаточных параметров резистора преобладает, эту схему можно представить, как на рис. 7.1, б, где

На низких частотах, где членами, содержащими 2, можно пренебречь

Резисторы, предназначенные для работы не только в цепях постоянного, но и в цепях переменного тока, имеют уменьшенное значение остаточных реактивностей и носят название безреактивных. Основной характеристикой резистора для работы на переменном токе является постоянная времени резистора

T L (1 2 LC) RC L RC.

R R

В зависимости от вида токопроводящего материала резисторы могут быть проволочными и непроволочными. Проволочный резистор имеет чувствитель-

7.1. Основные характеристики

ный элемент из проводникового материала в виде проволоки, намотанной на круглый или плоский каркас из изоляционного материала или металлический изолированный каркас. Резисторы, изготовленные из проводов сравнительно большого диаметра (примерно от 0,005 мм и более), называют проволочными, а из более тонких — микропроволочными.

Основными параметрами, характеризующими свойства проводниковых материалов, являются удельное электрическое сопротивление, температурный коэффициент удельного сопротивления, термо-э.д.с в паре с медью, коэффициент линейного расширения.

Удельное сопротивление определяет размеры резистора. Поэтому с целью получения при прочих равных условиях минимальных размеров резистора удельное сопротивление материала чувствительного элемента должно быть большим. ТКС является характеристикой температурной нестабильности, следовательно, его значение должно быть ничтожно малым, а в идеальном случае равным нулю. Следует отметить, что ТКС резистора определяется главным образом ТКС материала чувствительного элемента. Однако на значении ТКС резистора сильно сказывается тензоэффект, т.е. изменение сопротивления чувствительного элемента из-за возникновения в нем механических напряжений, вызванных изменением температуры при неодинаковых температурных коэффициентах линейного расширения чувствительного элемента и каркаса. Возникающие при этом механические напряжения в проводе могут сильно сказываться и на временной нестабильности сопротивления резистора. Поэтому каркасы прецизионных резисторов делают обычно из алюминиевых сплавов или даже меди, температурные коэффициенты линейного расширения которых близки к температурному коэффициенту линейного расширения материалов чувствительных элементов. Из пластмасс наиболее подходящим является материал марки АГ-4. Однако он трудно поддается прессованию, когда каркас имеет сложную форму [6].

Наиболее типичным и распространенным материалом для изготовления резисторов является манганин — сплав меди (около 85%), марганца (12…13%)

и никеля (около 3%), имеющий удельное электрическое сопротивление =

=0,42…0,48 мкОм/м; ТКС (-3…+4) 10-5 1/К; термо-э.д.с. в паре с медью ет =

=1…2 мкВ/К. Манганин отличается высокой временной стабильностью, что достигается его специальной термообработкой — отжигом в вакууме при температуре 550...600 °С с последующим медленным охлаждением. Для снятия механических напряжений, возникающих в материале при намотке резисторов, готовые резисторы подвергаются искусственному старению, т.е. циклическому нагреву до 120...130 °С с последующим охлаждением до комнатной температуры. Годовая нестабильность состаренного манганинового проволочного резистора может составлять 0,001% и менее.

Другим сплавом высокого удельного сопротивления является константан

(около 60% меди и 40% никеля), имеющий = 0,48…0,52мкОм/м; = = (0,5…2,5) 10-5 1/К. Существенным недостатком константана является большая термо-э.д.с. в паре с медью ет = 45…55 мкВ/К, что значительно ограничивает его применение.

Весьма перспективными сплавами являются сплавы медь—марганец—гер- маний, золото—хром и др. Проволочные резисторы обладают заметной оста-

Глава 7. Резистивные датчики

точной реактивностью, для уменьшения которой применяют бифилярную намотку, специальной конструкции каркасы, в результате чего удается уменьшить их постоянную времени до (1…5)·10-9 с в резисторах, с плоскими каркасами и до (1…50)·10-7 с в резисторах с круглыми каркасами.

Диапазон номинальных значений, сопротивлений проволочных резисторов лежит в пределах от 0,001 (бескаркасная проволочная, петля) до 106 Ом. Более высокоомными бывают микропроволочные резисторы, изготовленные на базе литого манганинового микропровода. Следует отметить, что процесс литья микропровода сопровождается изменением химического состава исходного материала вследствие испарения и окисления основных его компонентов. В результате в готовом микропроводе в зависимости от его диаметра содержание марганца может колебаться в пределах 5…13%, а никеля 2…3%. Это приводит к сравнительно большому разбросу удельного сопротивления и ТКС, увеличению временной нестабильности, что ограничивает точность микропроволочных резисторов. Их погрешность обычно не меньше 0,01%.

Чувствительным элементом непроволочных резисторов является тонкий слой токопроводящего материала, нанесенного на изоляционный каркас. Основными видами непроволочных резисторов являются углеродистые, металлизированные (металлопленочные и металлоокисные) и композиционные. Проводящий слой последних представляет собой композицию проводящего и непроводящего материалов.

Нестабильность всех видов непроволочных резисторов лежит в пределах 1…5% в год. Исключение составляют металлопленочные резисторы, нестабильность которых не превышает 0,05…0,1% в год. ТКС большинства непроволочных резисторов равен (3…10)·10-4 1/К. Металлоокисные резисторы имеют на порядок меньший ТКС.

Отличительной особенностью непроволочных резисторов является незначительная остаточная реактивность. Постоянная времени специальных конструкций непроволочных резисторов может быть сведена до (0,2…2)·10-10 с.

Как проволочные, так и непроволочные прецизионные резисторы в измерительной технике находят широкое применение как элементы цепей резистивных делителей напряжения, универсальных шунтов, добавочных сопротивлений. Основные характеристики наиболее распространенных типов резисторов приведены в табл. 7.1

Таблица 7.1. Основные характеристики некоторых типов резисторов

7.2. Реостатные датчики перемещений

Продолжение табл. 7.1

Печатные резисторы являются одной из разновидностей непроволочных. Изготовляют их методом фотолитографии. Исходным материалом для чувствительных элементов таких резисторов является манганиновая или нихромовая фольга, наклеенная на плоскую изоляционную (обычно стеклотекстолитовую) или изолированную металлическую подложку. Номинальные значения сопротивлений прецизионных печатных резисторов находятся в пределах от 5·10-3 до 5·103 Ом. Низкоомные резисторы изготовляют обычно из манганина, высокоомные — из нихрома.

Особенность технологии печатных резисторов позволяет получать на одной печатной плате декады сопротивлений и даже измерительные устройства, например, делители напряжения. Идентичность параметров всех резисторов в пределах одной платы, одинаковые условия их работы, в частности температурные, обеспечивают высокую точность, временную стабильность и температурную независимость отношений сопротивлений. Годовая нестабильность отношения сопротивления обычно не превышает здесь 0,0005...0,001%.

7.2. Реостатные датчики перемещений

Реостатными называются датчики, выполненные в виде реостата, движок которого перемещается под действием входной преобразуемой величины. Выходной величиной является электрическое сопротивление, функционально связанное с положением движка. Следует отметить, что реостатные датчики применяются не только для преобразований перемещений. Так как в перемещения могут быть преобразованы с помощью механических упругих элементов многие неэлектрические величины, то реостатные преобразователи используются в датчиках давления, силы, расхода, уровня и т.п. [4].

В зависимости от материала чувствительного элемента реостатные преобразователи делятся на проволочные, непроволочные, фотоэлектрические, жидкостные и из проводящей керамики.

Проволочные реостатные датчики отличаются наивысшей точностью и стабильностью функции преобразования, имеют малое переходное сопротивление, низкий уровень шумов, малый ТКС. Их недостатком является низкая разрешающая способность, сравнительно невысокое сопротивление (до десятков килоом), ограниченная возможность применения на переменном токе, обусловленная остаточными индуктивностью и емкостью намотки. Указанные

Глава 7. Резистивные датчики

недостатки отсутствуют в непроволочных датчиках, однако они значительно уступают проволочным по точности.

Наиболее распространенными являются проволочные реостатные преобразователи, которые в зависимости от

К материалу проволоки реостатных преобразователей предъявляется ряд требований, в частности, он должен обладать высоким удельным электрическим сопротивлением, малым ТКС, обладать стабильностью характеристик во времени, высокой коррозионной стойкостью, большой прочностью на разрыв. В реостатных преобразователях широко используют обмотки из манганина, константана, а в случаях, когда преобразователь должен работать в условиях повышенных температур, обмотки изготовляют из железо-хромовых или нике- лево-хромовых сплавов.

В особо ответственных случаях и при специфических условиях работы применяют сплавы на базе благородных металлов. Так, в случае, когда к реостатному преобразователю предъявляются требования высокой износостойкости, применяется, в частности, платино-иридиевый сплав (90% платины и 10% иридия). Добавка иридия к платине увеличивает ее твердость, износостойкость, химическую стойкость. Удельное сопротивление этого сплава = 0,23 Ом·м, а диаметр провода может быть достаточно малым (от 0,01 мм), что позволяет изготовлять высокоомные преобразователи весьма малых габаритов.

Для обеспечения высокой стабильности характеристик реостатных преобразователей предъявляются определенные требования и к каркасам. Они должны сохранять свои размеры в широком температурном диапазоне, в условиях повышенной влажности. Кроме того, каркасы должны обладать высокой теплопроводностью, что позволит увеличить удельную рассеиваемую в преобразователе мощность. Поэтому каркасы прецизионных реостатных преобразователей изготовляют из алюминиевых сплавов АМг, Д1, Д16. В преобразователях, допускающих погрешность преобразования 1% и более, они могут изготовляться из изоляционных материалов, например, гетинакса, текстолита, стеклопластика и др.

7.2. Реостатные датчики перемещений

Конструкция контактных щеток в значительной степени определяет качество преобразователя и, в первую очередь, уровень так называемого контактного шума, генерируемого щеткой при ее движении по дорожке преобразователя. Контактный шум, возникающий в области контакта, вызывается вариациями контактного сопротивления, которые, в свою очередь, связаны с вариациями контактной площади и контактного давления, особенно при наличии на дорожке посторонних частиц. Контактный шум имеет тенденцию к росту во времени вследствие износа, загрязнения и окисления дорожки и щетки.

Контактные щетки прецизионных реостатных преобразователей выполняются в виде двух-трех проволочек диаметром 0,1...0,2 мм (несколько отличающихся одна от другой по длине), которые укреплены на щеткодержателе. Разная длина контактных проволочек обеспечивает их разные собственные частоты механических колебаний, что способствует устойчивой работе преобразователя в условиях вибраций. У менее точных преобразователей щетки делаются пластинчатыми, состоящими из одной профилированной пластины с одним или двумя надрезами, обеспечивающими различные собственные частоты вибраций отдельных ее выступов. Проволочные щетки рассчитаны на контактные усилия 0,003...0,005 Н, пластинчатые 0,05...0,1 Н. Ширина контактной поверхности щетки должна быть равной двум-трем диаметрам проволоки чувствительного элемента.

Изготовляют щетки либо из чистых металлов (платины, серебра), либо из сплавов (платины с иридием или бериллием, фосфористой бронзы, медно-се- ребряных сплавов и т. п.). При выборе материала щеток не следует забывать и о термоэлектрическом эффекте, особенно для преобразователей, предназначенных для работы на постоянном токе.

Вид функции преобразования Rвых = f(х) реостатного преобразователя определяется характером изменения шага намотки по длине каркаса, или профилем каркаса при равномерном шаге намотки (для упрощения конструкции прибегают обычно к ступенчатой форме каркаса), или шунтированием участков обмотки соответствующими сопротивлениями. Последний так называемый способ электрического профилирования благодаря ряду преимуществ (возможность получения различных функций преобразования на базе наиболее простого и технологичного линейного реостата, возможность коррекции погрешностей исходного линейного преобразователя и т.п.) получил наибольшее распространение [4].

Определив по графику отношения mi эквивалентных сопротивлений в узлах аппроксимации к соответствующим значениям сопротивлений линейного преобразователя, определяют сами значения эквивалентных сопротивлений.

Конструктивный расчет реостатного преобразователя сводится обычно к определению диаметра и длины намоточного провода, а также геометрических размеров каркаса. Исходными данными, как правило, являются полное сопротивление Rп, длина намотки l, материал намоточного провода и его удельное электрическое сопротивление , максимальная мощность, измерительный ток, допустимое значение погрешности.

Методику расчета реостатных преобразователей можно найти, например, в [6]. Источниками погрешностей реостатных преобразователей являются дискретность выходного сопротивления, отклонение функции преобразования от рас-

7.3. Тензорезистивные датчики

Рис. 7.3. Измерительные цепи реостатных преобразователей

Напряжение питания должно быть

U 7 I1min (R01 Rä1 R ) и U 7 I2 min (R02 Rä2 R ).

Реостатные преобразователи применяют в датчиках линейных и угловых перемещений и ускорений, а также статических давлений. Некоторые конструкции таких устройств приведены в [4].

7.3.Тензорезистивные датчики

Воснове принципа работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении электрического сопротивления проводящего материала при его механической деформации. Основной характеристикой чувствительности материала к механической деформации является коэффициент относительной тензочувствительности k, определяемый как отношение относительного изменения сопротивления к относительному изменению длины

проводника:

Так как сопротивление проводника связано с удельным электрическим сопротивлением материала, длиной l и площадью поперечного сечения Sq этого проводника зависимостью

R l , S q

то относительное изменение сопротивления, вызванное деформацией проводника под действием равномерного механического напряжения, равно