Лекция №10 - измерительные преобразователи – часть 1

Бедарев Эдвард Александрович, преподаватель кафедры ЭиТФ

Лекции по дисциплине «Информационно-измерительная техника»

ЛекЦИЯ №10 - Измерительные преобразователи – ЧАСть 1

10.1 Общие сведения и характеристики ИП

Неэлектрических измеряемых величин во много раз больше электрических и магнитных. К ним относятся: 1. Тепловые (температура, количество тепла). 2. Механические и геометрические (силы, деформации, перемещения, скорости, размеры, количества, расходы, уровни). 3. Промежутки времени. 4. Характеризующие излучения (потоки излучения, спектральный состав). 5. Энергия и мощность (неэлектрические), КПД. 6. Характеризующие свойства и состав материалов, веществ и т. д.

Причины применения электрических приборов для измерения неэлектрических величин:

1. Лучше для измерений на расстоянии. 2. Их легче автоматизировать.

3. Отслеживают как очень медленно, так и быстро меняющиеся величины.

4. Имеют широкий диапазон измерения величин.

Измерительный преобразователь (ИП) - техническое устройство, отражающее значение какой-то одной неэлектрической величины через функциональную связь с электрической. Например, естественная входная величина терморезистивного ИП - температура, а естественная выходная величина - сопротивление.

Характеристики ИП - статические (при постоянстве искомой величины – функция преобразования, чувствительность) и динамические (при изменении величина меняется – передаточная функция, амплитудно - и фазочастотная характеристика (АЧХ, ФЧХ)).

Функция преобразования (ФП) – одна из основных - зависимость выходной величины от входной, которая может быть задана аналитически, графически или таблично Обычно стремятся получить линейную ФП. ФП делится на номинальную yн = fн(x), (по Госстандартам в паспорте на ИП), и реальную, yр = fр(x) (в действительности). Они отличаются друг от друга на погрешность ИП.

Чувствительность преобразователя (ЧП) - это показатель относительного наклона характеристики преобразования. Единица ЧП именованная - например, Ом/K. Для линейной функции чувствительность S = DY/DX (DY и DX - изменение выходной величины Y и вызвавшее его изменение входной величины DХ).

10.2 Классификация измерительных преобразователей

По виду естественной выходной - энергетические и параметрические.

Энергетические (генераторные) под действием входной величины сами вырабатывают электроэнергию. У них выходная величина – напряжение/ток, потому они включаются в измерительную цепь без источника энергии. Это термоэлектрические и фотоэлектрические ИП. Параметрические - входная величины изменяет значение выходной величины (сопротивление, ёмкость и т. д.) в зависимости от принципа действия.

По физической закономерности принципа действия: резистивные, тепловые, электромагнитные, электростатические, электрохимические, пьезоэлектрические, фотоэлектрические, электронные, квантовые.

10.3 Резистивные измерительные преобразователи (РИП)

Они - самые распространенные. Принцип действия - изменение электрического сопротивления при изменении одной входной величины. Уравнение преобразования: R = F(ХЭ, ХМАГ, ХМЕХ, ХТ, ХОП, ХХИМ, ХРАД, ХПР, ХВР)

.

РИП состоит из чувствительного элемента (ЧЭ) (с электродами) из: 1) проводников: r<10-6 Ом×м; 2) полупроводников: 10-6 Ом×м < r <108 Ом×м; 3) диэлектриков: r>108 Ом×м.

ЧЭ могут быть: 1) твердыми - в виде брусков, трубок, проволок; 2) жидкими; 3) газообразными - в виде объема, заключенного в камеру. Электроды ЧЭ - выводы из высоко проводных материалов (серебро, медь, золото и др. - омические электроды) и полупроводников (германий, кремний). Электрическая изоляции токоведущих частей и ЧЭ - асбест, слюда, фарфор, кварц, стекло и др. Обычно ЧЭ размещается на каркасе. Для защиты от внешних влияющих факторов используются чехлы, кожухи, оболочки.

Основные характеристики резистивных ИП: 1) уравнение преобразования R = f(x); 2) чувствительность к входной величине S = dR/dx; 3) начальное сопротивление R0 (обычно при Т = 0 или 20 0С); 4) диапазон преобразования; 5) погрешность.

10.3.1 Реостатные измерительные преобразователи (РИП)

РИП - регулируемые омические сопротивления. Входная величина РП - перемещение (линейное или угловое), выходная - сопротивление.

По конструкции РП: 1) реохордные; 2) со ступенчатой характеристикой; 3) нелинейные.

Реохордные (рисунок 9.1 а) - натянутая проволока 1, по которой перемещается движок 2. Его характеристика - линейная. Со ступенчатой характеристикой (рисунок 9.1 б) выполняются из провода 1 диаметром 0,02 - 0,1 мм, намотанного с равномерным шагом на каркас 2, по которому перемещается подвижная токосъемная щетка 3. Нелинейные – в, г.

а) б) в) г)

Рисунок 9.1 - Реохордные преобразователи

Число витков РИП обычно не менее 100. Каркасы - пластины, цилиндра, кольца и др. Сопротивления РИП при перемещении движка разнится до 90 % от номинала: R = R1np, где R1 - сопротивление 1 метра провода; n - число витков; р - периметр каркаса.

Провод РИП - из манганина, константана, нихрома, фехраля. Минимальный размер РП - 5 х 5 мм. Каркасы - из текстолита, пластмассы, алюминия. Движок (щетка) - из сплава платины с иридием, или из серебра или фосфористой бронзы.

Погрешности реостатных преобразователей

1. Погрешность квантования – обусловлена ступенчатостью изменения сопротивления: g = R1/2, R = 1/2n, где R1 - сопротивление 1 витка; n – их число, R - полное сопротивление. Её также даёт шум движка при его движении (изменение контактного сопротивления, временное разъединение движка и контактной дорожки, ЭДС трения).

2. Температурная погрешность – температура меняет сопротивление. Обычно она не превышает 0,1 % на 10 ОС.

Области применения РИП - измерение линейных и угловых перемещений и величин с ними связанных (давлений, сил, уровней и т. д.).

10.4 Тензорезистивные ИП (ТИП)

Принцип действия ТИП основан на явлении тензоэффекта - изменение электрического сопротивления проводников и полупроводников при их деформации, т. е. при изменении размеров. Зависимость удельного сопротивления r материала тензорезистора от деформации el выражается формулой: r = r0(1+aПel), где r0 - удельное сопротивление при el = 0; aП - деформационный коэффициент сопротивления. Коэффициент тензочувствительности К - отношение относительного изменения сопротивления DR/R0 тензопреобразователя к относительной деформации Dl/l. K = eR/el = (DR/R)/(Dl/l).

Для металлов aП » 0,2-0,6 и К » 2. Для жидкостей aп = 0 (объем не изменяется в процессе деформации), К = 2. Для полупроводников К » aП.

Материалы ТИП должны быть: с большим K и r, без термоЭДС в контактах, линейностью зависимости R = f(el). В качестве материалов - проводники и полупроводники.

По фазовому состоянию материала ЧЭ есть твердотельные и жидкостные ТИП.

1) К твердотельным относятся: проволочные, фольговые, пленочные.

Проволочные бывают ненаклеиваемые и наклеиваемые.

Ненаклеиваемые (свободные) ТИП - одна или ряд проволок 1, закрепленных на концах между подвижной 2 и неподвижной 3 деталями и выполняющих роль упругого элемента (УЭ) (рисунок 9.2 а). В наклеиваемых (рис. 9.2 б) на основу 1 (полоска бумаги или пленка) наклеивается решетка из зигзагообразно уложенной тонкой (0,02 - 0,05 мм) проволоки 2, к концам которой присоединяются медные выводы 3. Сверху преобразователь покрывают слоем лака. На рисунке 9.2 в показан фольговый ТИП.

а) б) в)

Рисунок 9.2 - Устройство ТИП

2) Жидкостные ТИП – тонкий резиновый капилляр, заполненный ртутью или электролитом. Недостаток их - низкое начальное сопротивление.

3) Полупроводниковые ТИП - из германия или кремния с r » (2×10-4¸2×10-3) Ом×м в виде тонких полосок. Их длина 2-12 мм и ширину 0,15-0,5 мм.

Особенности полупроводниковых ТИП - высокая чувствительность и нелинейность, начальные сопротивления в диапазоне 50-10000 Ом.

Погрешности ТИП – температурная, градуировки, линейности, ползучести клея.

Соединения ТИП с объектом измерения:

1. Приклеивание (бакелитофенольные клеев, лаки на основе органических смол)

2. Соединение по полупроводниковой технологии – диффузия выбранной примеси в поверхность УЭ, наращивание монокристаллич. полупроводника на поверхности УЭ.

3. Вплавление: упругий элемент выполняется из кварца, а кремниевый нитевидный тензорезистор с платиновыми выводами вплавлен в поверхность упругого элемента низкотемпературной (ТПЛ = 300-350 0С) свинцовистой стеклоэмалью.

Достоинство - стабильная и малая ползучесть < 0,5%.

Области применения ТИП - датчики силы (измеряет усилия и нагрузки), давления, ускорения, перемещения, крутящего момента.

Величины измеряемых деформаций –

у проволочных ненаклеиваемых (свободных) тензорезисторов - до 5-10 %,

у жидкостных (эластичные) тензорезисторы - до 30-50 %,

у полупроводниковых - до 0,1-0,2 %.