5.2. Классификация измерительных преобразователей

Одним из важнейших элементов любого прибора, предназначенного для измерения неэлектрических величин, является измерительный преобразователь (датчик), входной величиной (естественной входной величиной) которого является измеряемая величина. Такой преобразователь можно назвать первичным измерительным преобразователем (ПИП). Рассмотрим классификацию первичных измерительных преобразователей.

Классификация ПИП может быть проведена по нескольким классификационным признакам.

По виду естественной выходной электрической величины ПИП подразделяются на генераторные (энергетические) и параметрические.

Генераторные - это такие ИП, которые под действием входной величины сами генерируют электрическую энергию (ИП с выходной величиной - напряжение, или ток). Генераторные ИП могут включаться в измерительную цепь, где отсутствует источник энергии. Примерами генераторных ИП являются термоэлектрические и фотоэлектрические ИП.

Параметрические ИП - это такие ИП, которые под действием измеряемой величины изменяют значение выходной величины в зависимости от принципа действия (например, ИП с выходной величиной в виде изменения сопротивления, емкости и т. д. в зависимости от значения входной величины), к ним относятся терморезистивные, емкостные ИП.

По физической закономерности, на которой основано действие преобразователя, все ИП можно разделить на следующие группы: резистивные; тепловые; электромагнитные; электростатические; электрохимические; пьезоэлектрические; фотоэлектрические; электронные; квантовые.

Рассмотрим первичные измерительные преобразователи в соответствии с этой классификацией.

5.3. Резистивные измерительные преобразователи

Резистивные измерительные преобразователи (РИП) в настоящее время являются самыми распространенными.

5.3.1. Общие вопросы построения рип

Принцип действия РИП основан на изменении их электрического сопротивления при изменении входной величины.

Уравнение преобразования в обобщенном виде:

R = F(Х_Э, Х_МАГ, Х_МЕХ, Х_Т, Х_ОП, Х_ХИМ, Х_РАД, Х_ПР, Х_ВР). (5.8)

Откуда полный дифференциал dR резистивного ИП в общем случае

dR = (R/Х_Э )dX_Э + (R/Х_МАГ )dX_МАГ + ^… + (R/Х_ВР )dX_ВР, (5.9)

где R/Х_i - чувствительности РИП к различным по физической природе входным величинам.

При построении РИП стремятся к тому, чтобы изменение сопротивления R происходило под действием одной входной величины (реже двух).

Для этого влияние остальных входных величин, выступающих как паразитных, сводят к требуемому минимуму технологическим, конструктивным или схемотехническим путем. В этом случае РИП можно представить в виде, показанном на рис. 5.2:

X₁

Х РИП R X₂ РИП R

Рис. 5.2

РИП состоит из чувствительного элемента с электродами и выводами и различного рода конструктивных элементов.

Чувствительный элемент (ЧЭ) РИП выполняется из:

1) проводниковых материалов: <10^-6 Омм;

2) полупроводниковых материалов: 10^-6 Омм <  <10⁸ Омм;

3) диэлектрических материалов: >10⁸ Омм.

Материалом ЧЭ может служить как электрически изотропное вещество, имеющее одинаковое электрическое сопротивление по всем направлениям, так и электрически анизотропное вещество, имеющее в разных направлениях различное сопротивление.

Чувствительные элементы могут быть выполнены:

1) твердыми - в виде различных брусков, трубок, проволок, пленок с определенными размерами и формой сечения;

2) жидкими;

3) газообразными - в виде объема, заключенного в камеру с определенными размерами и конструкцией.

Электроды ЧЭ выполняются в виде колпачков, выводов из высоко электропроводных материалов (серебро, медь, платина, золото и др. - это так называемые омические электроды) и полупроводниковых материалов (германий, кремний легированных примесями - инжекционные электроды). Для электрической изоляции токоведущих частей и ЧЭ используются изоляционные материалы: асбест, слюда, фарфор, кварц, стекло и др.

Обычно ЧЭ размещается на базовом элементе - каркасе. Для защиты от внешних влияющих факторов используются защитные элементы в виде чехлов и специальных покрытий, кожухов, оболочек.