6.3. Электрические чувствительные элементы.

Электрические чувствительные элементы подразделяют на две группы: параметрическе и генераторные. Параметрические - преобразуют входную физическую величину в изменение одного из параметров электрической цепи: сопротивления, емкости, индуктивности, взаимоиндуктивности.

Для обеспечения работы параметрических элементов требуется источник питания.

Генераторый чувствительный элемент преобразует входную физическую величину в ЭДС. Для генераторных элементов в большинстве случаев не требуется источника питания.

Параметрические чувствительные элементы делятся на три основных группы: омические, емкостные и электромагнитные.

К омическим чувствительным элементам относятся: реостатные, тензометрические, терморезисторные, электрохимические, электронные, ионные, ионизационные и другие.

Реостатные элементы хорошо известны из курса общей физики. Их применяют в основном для измерения перемещений и сил, под действием которых изменяется сопротивление элемента.

Тензометрические элементы (тензорезисторы) представляют собой проводники или полупроводники в виде полосок фольги или проволок, которые при деформации меняют свое сопротивление. Их обычно накле­ивают на упругие элементы (например, мембраны), подвергающиеся ме­ханическим деформациям. При этом тензорезистор, наклеенный на уп­ругий элемент, получает одинаковую с ним деформацию. Величина де­формации обычно пропорциональна величине сопротивления тензорезистора.

На рис. 7 приведена схема тензорезистора, наклеенного на мембрану. Такая конструкция позволяет измерять силу или давление, получая на выходе электрический сигнал.

Рис. 7. Мембрано-тензорезисторный датчик силы или давления

Сопротивление тензорезистора в значительной степени зависит от температуры. Поэтому в большинстве случаев для измерения приме­няют не менее двух тензорезисторов, один из которых является ком­пенсационным (который не воспринимает деформацию, а фиксирует толь­ко температурные изменения).

Терморезисторы представляют собой металлические проволоки из отдельных видов металлов в виде обмоток на каркасах из изоляцион­ных материалов (фарфора, слюды, пластмассы). Принцип дейс­твия терморезисторов основан на том, что сопротивление проводника или полупроводника, по которому протекает электрический ток зави­сит от различных характеристик окружающей среды: температуры, ско­рости движения, плотности, состава и других. В большинстве случаев терморезисторы изготавливают из различных комбинаций сплавов и окислов теллура, серебра, никеля, марганца.

Электрохимический чувствительный элемент представляет собой ячейку, заполненную электролитом с двумя или несколькими электродами. При приложении напряжения к электродам возникает электрический ток, величина которого зависит от параметров электрохимической ячейки. Если связать измеряемую величину, с каким либо из этих па­раметров и нейтрализовать влияние других факторов, то электрохими­ческие элементы можно использовать для измерения состава и кон­центраций жидких сред, давлений, скоростей, деформаций и других величин. На рис. 8. приведена схема электрохимического элемента для измерения концентрации растворов. В стеклянный корпус вплавле­ны пластинчатые платиновые электроды 1. Сменные измерительные со­суды 2, которые надевают на основание 3, могут обеспечить выполне­ние измерений в различных объемах, в том числе и в проточной жид­кости.

Рис.8. Электрохимический элемент для измерения концентраций

растворов

Принцип действия электронных электромагнитных и ионных чувс­твительных элементов основан на том, что электронный или ионный ток зависит не только от напряжения, но и от расстояния между электродами, плотности, состава и скорости движения среды в межэ­лектродном пространстве, а также от параметров источников светово­го излучения.

Особый интерес с точки зрения конструирования современных приборов, контролирующих качественные параметры природных и сточ­ных вод, приобретает разновидность электронных и ионных элементов:

• оптико-электрические (фотоэлектрические) чувствительные элементы

• оптроны.

Принцип действия оптронов основан на электрооптических эффектах. В зависимости от вида эффекта бывают прямые и обратные оптроны.

Прямой параметрический оптрон преобразует измеряемую величину в сопротивление. Обратный параметрический оптрон преобразует электрическую энергию в электромагнитные излучения. Прямые и об­ратные оптроны используются как раздельно, так и совместно. Все параметрические оптроны разделяют на фотоэлементы и фоторезисторы.

Фотоэлемент представляет собой вакуумный баллон с двумя электродами. Анодом является металлический стержень, а катодом - светочувствительный слой на внутренней поверхности баллона. К электродам подводится напряжение постоянного тока. Под влиянием потока света из катода выбиваются электроны, вследствие чего резко уменьшается внутреннее сопротивление цепи анод-катод и появляется ток. Таким образом существует зависимость силы тока I от светового потока Ф: I = f(Ф), которая называется световой характеристикой фотоэлемента.

Принцип действия фоторезисторов основан на использовании яв­ления внутреннего фотоэффекта. Это явление заключается в следую­щем. При освещении полупроводника (селен, сернистый висмут, сер­нистый кремний и др.) в нем увеличивается количество электронов проводимости.

Рис.9. Конструктивная схема фоторезистора

Электроны, сталкиваясь с атомами кристаллической решетки, вызывают вторичный поток электронов, что приводит к уменьшению сопротивления фоторезистора в сотни раз. Это позволяет получить на выходе электрический ток до нескольких миллиампер. Конструктивная схема фоторезистора показана на рис.9. На стеклянной пластинке 1 нанесены две группы штрихов, связанных с элект­родами 2. Эти электроды подсоединяются к источнику постоянного то­ка U.

Пластина покрывается светочувствительным слоем 3 из полупро­водника. В зависимости от освещения светочувствительного слоя ме­няется сопротивление фоторезистора.

Принцип действия ионизационных чувствительных элементов осно­ван на том, что ионизационный ток, возникающий под действием ради­оактивного или рентгеновского излучений, зависит не только от пос­тоянства напряжений на электродах, но и от плотности, скорости и неоднородности среды в междуэлектродном пространстве. Поэтому ио­низационные элементы применяют для измерения разрежений, уровней, перемещений и т.д.

Емкостные чувствительные элементы применяют для измерения пе­ремещений, усилий, давлений, уровней, расходов, температуры, кон­центраций растворов и других физических величин. Принцип действия емкостного элемента заключается в том, что измеряемая величина связана с одним из параметров, определяющих емкость конденсатора (диэлектрическая постоянная среды, площадь электродов, расстояние между электродами и др.). В большинстве случаев один из электродов является подвижным, а в пространстве между электродами находится диэлектрик (например, жидкость). Основным недостатком емкостных элементов является их малая мощность, что вызывает необходимость применения усилителей.

Электромагнитные чувствительные элементы применяют для изме­рения давлений, усилий, перемещений, скоростей и т.д. Их принцип действия основан на том, что индуктивность и сопротивление обмотки зависят от параметров магнитной цепи. Поэтому измеряемую величину связывают обычно с одним из параметров этой цепи.

К генераторным чувствительным элементам относятся: индукцион­ные, термоэлектрические пьезоэлектрические, вентильные фотоэлект­рические и электрокинетические.

Индукционные элементы в основном используются для измерения частоты вращения валов, параметров вибрации, расхода жидкости и т.д. В этих элементах измеряемая величина превращается в индукти­рованную ЭДС.

Термоэлектрические элементы (термопары) представляют собой спаи двух различных металлических или полупроводниковых электро­дов.

Принцип действия термопары основан на том, что энергия свободных электронов в различных проводниках не одинакова и по - разно­му возрастает с повышением температуры. Термопары применяют для измерения температур и других величин, связанных с температурой (скорость, расход и другие).

Пьезоэлектрические чувствительные элементы применяют для из­мерения быстроменяющихся усилий, давлений, скоростей и других фи­зических величин. Принцип действия таких элементов основан на использовании пьезоэффектов, которые проявляются в некоторых диэлектриках (например, в естественном кварце) и выра­жаются в расположении электрических зарядов на их поверхности. В ре­зультате одна часть поверхности заряжается положительно, а другая - отрицательно. При снятии механических напряжений заряд исчезает.

К вентильным фотоэлектрическим элементам относятся преиму­щественно фотодиоды и фототранзисторы. Их принцип действия состоит в следующем. Если на железную или алюминиевую пластину нанести слой полупроводника, а затем тонкий полупрозрачный слой золота, то на границе между полупроводником и золотом образуется "запирающий слой". При освещении кванты отдают свою энергию электронам. Осво­бодившиеся электроны переходят в проводник, заряжая его отрица­тельно. Если замкнуть выводные концы железной пластинки и золо­того покрытия, то в цепи появится ток. Такие элементы широко при­меняются для измерения различных физических величин.

Электрокинетические элементы находят широ­кое применение при контроле процессов очистки вод и параметров, характеризующих их состояние в водных источниках. Принцип действия электрокинетических элементов основан на использовании ЭДС, возни­кающей на границах растворов, разделенных пористыми перегородками. На рис. 10 приведена схема электрокинетического чувствительного элемента давления.

Рис.10. Схема электрокинетического чувствительного элемента

В корпусе 1, заполненном жидкостью, располагается перегородка 2 из

мелкопористого материала, например, фарфора. Электроды 3 в виде металлических сеток располагают по обеим сторонам вдоль по­верхности перегородки. Давление Р подается с одной стороны перего­родок. На границе жидкость-перегородка возникает разность потенци­алов, направленная вдоль течения жидкости. Зависимость этой раз­ности потенциалов от давления является статической характеристикой электрокинетического элемента. На этом эффекте, называемом элект­роосмосом, основаны чувствительные элементы, позволяющие кроме давления измерять скорость и расход жидкости.