Ревин В.Т. Преобразователи и преобразование измерительной информации. Учеб. пособие. В 5-ти частях. Часть 2 - файл n1.doc

приобрести
Ревин В.Т. Преобразователи и преобразование измерительной информации. Учеб. пособие. В 5-ти частях. Часть 2
скачать (2411 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2411kb.07.07.2012 03:03скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6
Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра метрологии и стандартизации
В.Т. Ревин

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Учебное пособие

для студентов БГУИР специальности 54 01 01

«Метрология, стандартизация и сертификация»

всех форм обучения

В 5-ти частях


Часть 2

Минск 2003

УДК 621. 317.7 + 389.1 (075.8)

ББК 30. 10 я 73

Р 32

Рецензент :

науч. сотрудник ИМАФ НАН Беларуси, канд. физ.-мат. наук

А.В. Исаевич


Р 32
Ревин В.Т.

Преобразование и преобразователи измерительной информации: Учеб. пособие для студентов спец. 54 01 01 «Метрология, стандартизация и сертификация» всех форм обучения. В 5 ч. Ч. 2 / В.Т. Ревин. — Мн.: БГУИР, 2003. — 103 с.: ил.
ISBN 985-444-461-9 (ч. 2).

Во второй части учебного пособия рассматриваются параметрические измери- тельные преобразователи, используемые для преобразования неэлектрических вели- чин в электрические сигналы измерительной информации. Рассмотрены также вопро- сы преобразования основных магнитных величин и характеристик магнитных мате- риалов в электрические сигналы с помощью различных измерительных преобразова- телей, приводится их классификация, рассматриваются устройство и принцип дейст- вия и схемы включения в измерительные цепи. Приводятся основные характеристики измерительных преобразователей, определяющие область их применения, функции преобразования, чувствительность, и оценивается погрешность преобразования.

Первая часть настоящего пособия издана в БГУИР в 2002 г.


УДК 621. 317.7 + 389.1 (075.8)

ББК 30. 10 я 73

СОДЕРЖАНИЕ


Введение

1 Параметрические преобразователи неэлектрических величин в элек-

трические

1.1 Резистивные преобразователи

1.1.1 Контактные преобразователи

1.1.2 Реостатные преобразователи

1.1.3 Тензорезистивные преобразователи

1.1.4 Терморезистивные преобразователи

1.1.5 Фоторезистивные преобразователи

1.2 Цифровые измерительные преобразователи

1.2.1 Абсолютные цифровые преобразователи

1.3 Емкостные измерительные преобразователи

1.4 Электромагнитные параметрические преобразователи

1.4.1 Индуктивные преобразователи

1.4.2 Трансформаторные (взаимоиндуктивные) преобразователи

1.4.3 Магнитоупругие преобразователи

2 Измерительные преобразователи магнитных величин

2.1 Основные магнитные величины и их меры

2.2 Основные характеристики магнитных материалов

2.2.1 Статические характеристики магнитных материалов

2.2.2 Динамические характеристики магнитных материалов

2.3 Физические основы преобразования магнитных величин

2.3.1 Классификация измерительных преобразователей

2.4 Индукционные магнитоизмерительные преобразователи

2.5 Ферроиндукционные измерительные преобразователи

2.6 Сверхпроводниковые преобразователи

2.7 Измерительные преобразователи, основанные на гальваномагнит-

ных эффектах

2.7.1 Измерительные преобразователи Холла

2.7.2 Измерительные преобразователи Гаусса

2.8 Измерительные преобразователи, основанные на силовом воздей-

ствии магнитного поля

2.8.1 Квантовые измерительные преобразователи

2.9 Измерение основных характеристик магнитных материалов

2.9.1 Магнитные цепи, используемые при измерениях

2.9.2 Измерение статических характеристик магнитных материалов

2.9.3 Измерение динамических характеристик магнитных мате-

риалов

3 Основные тенденции в развитии техники измерительных пре-

образователей

Литература

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время возрастает роль измерений в научном эксперименте, на производстве при выпуске высококачественной продукции, в учебном процессе при подготовке специалистов радиотехнического профиля. Усложнение техно- логических процессов приводит к необходимости одновременного определения большого числа параметров и физических величин, возрастает роль динамиче- ских измерений. Автоматизация сложных производственных процессов нераз- рывно связана с применением большого числа измерительных преобразовате- лей, обеспечивающих получение оперативной измерительной информации в должном объеме и эффективное управление течением технологического про- цесса.

Особое внимание в настоящее время уделяется проведению испытаний сложных устройств, требующих контроля большого количества параметров. Примером может служить испытательный стенд (рисунок 1) для проведения испытаний двигателей внутреннего сгорания.



Рисунок 1 — Испытательный стенд контроля параметров двигателей внутреннего сгорания

При проведении испытаний одновременно контролируется большое коли- чество параметров — температура, давление, ускорение, крутящий момент, расход топлива, расход воздуха и т.д. Наиболее целесообразно, с точки зрения решения поставленной задачи, преобразовать указанные неэлектрические вели- чины в электрические сигналы измерительной информации. Для этой цели в состав испытательного стенда включены: 1 — преобразователь крутящего мо- мента; 2 — акселерометр (преобразователь ускорения); 3 — преобразователи с цифровым интерфейсом; 4 — преобразователи давления; 5 — термопары; 6 — преобразователи расхода топлива; 7 — преобразователи расхода воздуха.

Кроме того, в состав испытательного стенда, при необходимости, могут быть включены следующие преобразователи и дополнительные устройства: тензорезисторы, термопары, термометры сопротивления, источники напряже- ния и тока, индуктивные преобразователи, формирователи частотных и им- пульсных сигналов, переменные сопротивления, пьезорезистивные и пьезо- электрические преобразователи.

В соответствии с классификацией, приведенной в части 1 учебного посо- бия «Преобразование и преобразователи измерительной информации», выше- перечисленные преобразователи подразделяются на генераторные и парамет- рические. Нами уже были рассмотрены основные виды генераторных измери- тельных преобразователей. Основной задачей настоящего учебного пособия является рассмотрение устройства и принципа действия параметрических изме- рительных преобразователей, их основных технических и метрологических ха- рактеристик, схем включения в измерительную цепь. Поскольку параметриче- ские преобразователи являются пассивными элементами измерительной цепи, в данной участи учебного пособия уделяется внимание источникам напряжения и тока.

В заключительной части пособия рассматривается большая группа преоб- разователей, предназначенных для преобразования магнитных величин и ха- рактеристик магнитных материалов в электрические сигналы измерительной информации.

Перечень использованных сокращений

ВИП — взаимоиндуктивный преобразователь

ЕП — емкостный преобразователь ИНП — индуктивный преобразователь ИП — измерительный преобразователь ИУ — индикаторное устройство

ИЦ — измерительная цепь

КП — контактный преобразователь МУП — магнитоупругий преобразователь НЭВ — неэлектрическая величина

ОС — обратная связь

ПИП — первичный измерительный преобразователь

РП — реостатный преобразователь

СИ — средство измерений

СО — статистическая обработка

ТКС — температурный коэффициент сопротивления

ТМРП — терморезистивный преобразователь ТРП — тензорезистивный преобразователь ФП — функция преобразования

ФРП — фоторезистивный преобразователь

ЭДС — электродвижущая сила

1 ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

По виду выходной величины параметрические измерительные преобразо- ватели (далее — ИП) подразделяются на резистивные, емкостные (электроста- тические), электромагнитные, электрохимические, ионизационные и ряд дру- гих. Их классифицируют также по виду естественной входной величины, по физическому явлению, положенному в основу их работы, и по другим призна- кам. Так как в пределах конкретной области техники применяемость ИП по ви- дам ограничена, рассмотрим лишь те из них, которые нашли наибольшее при- менение в области автоматики и радиоэлектроники.

1.1 Резистивные преобразователи

Принцип действия резистивных преобразователей основан на зависимости сопротивления постоянному току от измеряемой неэлектрической величины. Проводник длиной l с площадью поперечного сечения s и удельным сопротив- лением ? имеет сопротивление

R = ? l . (1.1)

s

При нормальных условиях и отсутствии мешающих факторов сопротивле- ние резистивного ИП, определенное по формуле (1.1), называется номинальным сопротивлением и является его основным параметром.

При включении резистивного ИП в электрическую цепь на нем рассеива- ется мощность, определяемая протекающим током и падением напряжения на нем. При подаче на него большой мощности может произойти перегрев преоб- разователя и выход его из строя. Поэтому для резистивных преобразователей нормируется допустимая рассеиваемая мощность Рдоп. Зная значение Рдоп, мож- но определить допустимый рабочий ток (при максимальном сопротивлении) или допустимое рабочее падение напряжения (при минимальном сопротивле- нии). При небольших значениях собственного сопротивления преобразователей приходится учитывать сопротивление подводящих проводников и сопротивле- ние утечки (изоляции), а при питании преобразователя переменным током - и паразитные реактивности. Поэтому для некоторых резистивных ИП нормирует- ся допустимая рабочая частота или постоянная времени, что позволяет учесть паразитные параметры. Иногда приходится учитывать также собственные шу- мы и паразитные ЭДС.

В более общем случае на резистивный преобразователь воздействуют разнообразные по физической природе величины: электрические — XЭ, маг- нитные — XМ, тепловые — XТ и т.д. При этом изменение сопротивления ИП, обусловленное этими величинами, составит



R= ¶R

¶R ¶R


Э Мx + ∆x +...+ ∆xТ ... . (1.2)

¶xЭ М¶x ¶xТ

Частные производные в формуле (1.2) определяют чувствительность пре- образователя к конкретному влияющему фактору, а функциональная зависи- мость

R =f (XЭ М, X , XТ , ...) (1.3) используется для построения разнообразных резистивных ИП. При этом другие величины считаются мешающими и служат источниками погрешности.

На практике широко используются резистивные ИП с проводящим эле- ментом не только из металлов, но и из полупроводников и различных компози- ционных материалов. Рассмотрение резистивных преобразователей начнем с наиболее простых — контактных измерительных преобразователей.

1.1.1 Контактные преобразователи




Контактными (КП) называются преобразователи, в которых входная не- электрическая величина преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью. Естественной входной величи- ной КП является механическое перемещение.
а б

Рисунок 1.1 — Однопредельный (а) и многопредельный (б) контактные изме-

рительные преобразователи

Различают одно- и многопредельные КП. На рисунке 1.1,а схематически показано устройство простейшего однопредельного КП. Замыкание или размы- кание контактов 1 происходит в функции механического перемещения Х, на- пример, при изменении размера изделия 2. При этом изменяется положение штока 3, который передвигается в направляющих 4. Сопротивление между клеммами «Выход» изменяется в идеальном случае от нуля до бесконечности. Примером многопредельного КП является ртутный термометр (рису- нок 1.1,б), в котором изменение температуры окружающей среды преобразует- ся в пространственное изменение высоты столбика ртути 6. В результате кон- такт 1 последовательно соединяется с контактами 2–5, чем обеспечивается мно-

гопредельность преобразования.

Основными параметрами КП являются сопротивление между контактами

в замкнутом и разомкнутом состоянии и мощность управляемой ими цепи. Па- раметры КП определяются в первую очередь материалом контактных групп. Наиболее широко для этих целей применяют серебро, платину, вольфрам, спла- вы платины с иридием и др. Основные достоинства: простота и низкая стои- мость. Недостатками контактных преобразователей являются дискретность преобразования при малом количестве уровней и низкая надежность.

Область применения: допусковый контроль механических и теплотехни- ческих параметров деталей и процессов. При коммутации цепей, потребляю- щих мощность до 50–100 мВт, контактные преобразователи можно включать непосредственно в измерительную цепь, при большей мощности - через усили- тели.

Источники погрешности: электрический и механический износ контакт- ных групп и штока, а также риск возникновения электрической дуги (особенно в парах ртути). Погрешность срабатывания обычно не лучше 1–2 мкм.

1.1.2 Реостатные преобразователи

Реостатным преобразователем (РП) называется резистор переменного со- противления (потенциометр, реостат, реохорд), движок которого перемещается по резистивному элементу в соответствии со значением измеряемой неэлектри- ческой величины. Естественной входной величиной РП является угловое или линейное перемещение движка, а выходной — изменение активного сопротив- ления.

По типу проводящего элемента РП подразделяются на проволочные, пле- ночные, композиционные и т.д. В проволочных в качестве резистивного эле- мента используется проволочная обмотка из специальных сплавов, в пленоч- ных - слой металлической или угольной пленки, в композиционных — слой из смеси проводящего компонента и связующего вещества. В технике измерений неэлектрических величин (НЭВ) наибольшее распространение получили про- волочные РП.

Реостатный преобразователь — это прецизионный реостат, движок кото- рого перемещается под действием измеряемой величины. Входной величиной преобразователя является угловое линейное перемещение движка, выходной - изменение его сопротивления.

На рисунке 1.2 схематически показано устройство проволочного РП с уг- ловым перемещением движка. На каркас 1 из изоляционного материала намо- тана с равномерным шагом или виток к витку проволока 2. На верхней грани обмотки изоляция очищена, и по металлу проволоки скользит щетка 3. С ней жестко связана дополнительная щетка 5, которая, в свою очередь, скользит по токосъемному кольцу 4. Щётки 3, 5 изолированы от вала 6. Таким образом, в зависимости от углового перемещения вала токосъемное кольцо через щетки оказывается подключенным к той или иной части обмотки преобразователя.

В РП с линейным перемещением каркас не изогнут в виде цилиндра, и вместо кольца используется токосъемный стержень. В остальном их конструк- ции идентичны.

В реохордных РП проволока резистивного элемента линейно вытянута в

пространстве и каркас отсутствует.




Каркас реостатного преобразователя обычно изготавливается из текстоли- та, керамики, пластмасс и т.д. Высота каркаса по длине может быть как посто- янной, так и переменной, что обеспечивает требуемую функциональную зави- симость между пространственным перемещением движка и выходным сопро- тивлением. Толщина каркаса обычно в пределах 0,3…1,5 мм.
Рисунок 1.2 — Конструкция реостатного преобразователя с угловым пере-

мещением движка

Для реостатных преобразователей применяют провод из специальных сплавов: манганина, константана, нихрома, фехраля, а в особо ответственных случаях — из сплава платины с иридием. Для изоляции витков обмотки провод покрывается изолирующим слоем эмали или окислов. Диаметр применяемых проводов 0,03...1 мм и выбирается в зависимости от допустимой плотности тока и рассеиваемой мощности.

Щетки (движок) выполняются в виде пластин или двух-трех проволочек из сплава платины с иридием или бериллием, из серебра или фосфористой бронзы. Материал щеток и контактного кольца (стержня) выбирается из усло- вий минимума контактного сопротивления и контактного давления при высо- кой износо- и вибростойкости. Для обеспечения хорошего контакта движок должен прижиматься к обмотке с силой 10–3–10–4 Н. Сила создается благодаря упругости движка. При измерении переменных величин при переходе движка с одного витка на другой он «подскакивает», возникает пульсирующая сила, ко- торая может нарушить контакт. По этой причине если преобразователь служит для измерения переменных величин или работает при вибрации, то сила прижа- тия должна быть увеличена. Большая сила нежелательна, поскольку при ее уве- личении возрастает сила трения, препятствующая перемещению движка и уве- личивающая износ обмотки и контактирующей поверхности движка.

В измерительной технике требуются реостатные преобразователи как с линейной, так и с нелинейной функцией преобразования. Одним из способов построения преобразователей с нелинейной функцией преобразования R = f(Х) является использование каркаса с переменной высотой (рисунок 1.3,а). При пе- ремещении движка вдоль каркаса на шаг обмотки ∆Х = ? сопротивление пре- образователя изменяется на значение ∆R

∆R = dR ? , (1.4)

dx

где dR/dx — производная требуемой функции преобразования R = f(Х) по пе-

ремещению движка Х.

Функция преобразования (ФП) такого преобразователя показана на рисун- ке 1.3,б. При перемещении движка с одного витка на другой сопротивление изменяется на значение

∆R = ?1?lпр = 2 ?1(b+h) , (1.5) где ?1 — сопротивление единицы длины провода; lпр — длина одного витка провода; h — высота каркаса; b — его толщина.

Из (1.4) и (1.5) можно определить зависимость высоты каркаса h от задан-

ной функции преобразования

? dR

h b= ? . (1.6)

2 1? dX




Если требуется линейная функция преобразования, то dR/dx = const и вы-




сота каркаса h должна быть постоянной.
а б

Рисунок 1.3 — Конструкция реостатного преобразователя с линейным перемещением движка (а) и его функция преобразования (б)

Изготовление каркаса с непрерывно изменяющейся высотой более сложно, чем изготовление каркаса с постоянной высотой. Для упрощения технологии прибегают к кусочно-линейной аппроксимации заданной нелинейной функции

преобразования (рисунок 1.4,а).

Для каждого интервала перемещения движка Х, на котором аппроксими- рующая функция линейна, высота каркаса постоянна. Каркас преобразователя получается ступенчатым, как показано на рисунке 1.4,б. Число ступеней равно числу интервалов кусочно-линейной аппроксимации.




Индуктивное и емкостное сопро- тивление РП стремятся сделать мини- мальным для уменьшения погрешно- сти преобразования на переменном то- ке.


а

б

Рисунок 1.4 — Функция преобразова- ния (а) и форма каркаса преобразова- теля (б) с линейно-кусочной аппрок- симацией

При непрерывном движении щет- ки по обмотке происходит скачкооб- разное изменение выходного сопро- тивления на значение сопротивления одного витка. Следовательно, прово- лочные РП, так же как и КП, являются дискретными, т.е. имеют погрешность квантования. Эту погрешность можно уменьшить увеличением числа витков и уменьшением диаметра провода. От этого недостатка свободны непрово- лочные и реохордные РП.




Основные параметры РП: номи- нальное сопротивление, максимальная рассеиваемая на резистивном элементе мощность при номинальном сопро- тивлении, вид функциональной зави- симости, чувствительность, погреш- ность преобразования.

РП включаются в основном в потенциометрические (делитель напряжения) и мостовые измерительные цепи. Питание осуществляется постоянным, а при необходимости переменным током. Напряжение питания обычно стабилизиру- ют, а его значение выбирают из допустимой рассеиваемой мощности и номи- нального сопротивления. При включении РП в потенциометрическую цепь из- за ненулевого сопротивления источника и конечного сопротивления нагрузки возникает дополнительная погрешность нелинейности. Для ее уменьшения не- обходимо усложнить измерительную цепь (ИЦ).

Достоинства РП: высокая точность и возможность получения сложной функции преобразования. Недостатки: наличие механических подвижных час- тей, низкая износо- и вибростойкость, сложность конструкции.

Область применения: точное преобразование угловых и линейных пере- мещений в измерителях давления, веса, уровня и т.п., а также в следящих сис- темах, генераторах функции и т.д.

Погрешности реостатных преобразователей. С изменением температуры изменяется сопротивление преобразователя. В основном это обусловливается

температурным изменением удельного сопротивления провода. Сопротивление преобразователя определяется известной формулой

R?= R0(1 + ??). (1.7) Погрешность преобразования (изменение напряжения на нагрузке) можно рассчитать исходя из схемы включения, номинальных значений входящих в нее сопротивлений и их температурных коэффициентов. При включении преобра- зователя по потенциометрической схеме в режиме холостого хода изменение температуры не меняет распределения напряжений на элементах схемы и тем-

пературная погрешность отсутствует.

Реостатному преобразователю присуща также погрешность дискретности.

Она обусловлена скачкообразным изменением сопротивления преобразователя

∆R при переходе движка с одного витка на другой. Если в качестве номиналь- ной функции преобразования принять функцию, проходящую посредине "сту- пенек", то максимальное значение приведенной погрешности, обусловленное дискретностью,



R? R , (1.8)

2

Rp

где RP — полное сопротивление преобразователя.

Если преобразователь имеет пропорциональную функцию преобразова- ния, то «скачки» сопротивления будут одинаковы по всему диапазону переме- щения движка. В этом случае RP = n?∆R и

1

? R
где n — число витков в обмотке.

n =± , (1.9)

2



Трение в реостатном преобразователе вызывает случайные гистерезисные изменения силы и момента, необходимых для перемещения движка по обмот- ке. Это может привести к возникновению погрешности преобразователя, предшествующего реостатному.

Для уменьшения погрешности, обусловленной нелинейностью потенцио-


метрической схемы включения преобразователя, следует уменьшать ? =
R p

R Н

(коэффициент нагрузки), т.е. увеличивать RH. Однако практически значения со- противления нагрузки часто невелики. В этом случае для уменьшения погреш- ности можно более рационально выбрать номинальную функцию преобразова- ния.

Если в качестве номинальной функции преобразования принять зависи- мость, представленную прямой 1 на рисунке 1.5,а, то абсолютная погрешность вследствие нелинейности будет определяться выражением ∆U = UН + UХ. Для уменьшения погрешности следует уменьшать ?, т.е. увеличивать RН. Однако практически значения сопротивления нагрузки часто невелики. В этом случае для уменьшения погрешности можно более рационально выбрать номинальную функцию преобразования. Пусть действительной функцией преобразования яв- ляется кривая 2 (рисунок 1.5,а). В качестве номинальной функции преобразо-

вания более целесообразно принять прямую 3. При этом, как видно из графика, на интервалах 0–а, а–b, b–с погрешность значительно уменьшена. Уменьшена она и на интервале с–d, хотя остается довольно большой. Для уменьшения по- грешности преобразования диапазон изменения сопротивления преобразовате- ля следует ограничить значением R'Р, а добавочное сопротивление RД = Rp – R'p выполнить на отдельном резисторе и включить его последовательно с измери- тельным преобразователем (рисунок 1.5,б).




а б





Рисунок 1.5 — Выбор функции преобразования (а) и схема включения реостатного преобразователя (б)

1.1.3 Тензорезистивные преобразователи

Знание механических напряжений, возникающих в конструкции при опре- деленных условиях эксплуатации, является главным условием обеспечения на- дежности ее функционирования. Напряжения в материале вызывают его де- формацию, а соотношения между этими двумя величинами — напряжениями и деформацией — определяются из теории сопротивления материалов.

Деформация ? — это отношение приращения ∆l размера к первоначально- му значению этого размера l, ? = ∆l/l. Различают упругую деформацию — де- формацию, которая исчезает после удаления вызывающей ее силы, и предел упругости — максимальное напряжение, не вызывающее остаточной деформа- ции, большей 0,2 %. Порядок значения предела упругости, Н/мм2: для стали

200…800; для меди 30…120; для свинца 5…10.

Напряжение ? — сила на единицу площади сечения, ? = F/s.

Закон Гука. В области упругости деформация пропорциональна напряже-

нию.

Модуль Юнга Y определяет деформацию в направлении действия силы:

1 1F

?= = . (1.10)

?||
Y s Y

Порядок значений модуля Юнга (Н/мм2): для стали 180…290; для меди

99…140; для свинца 5…18.

Коэффициент Пуассона k определяет деформацию, перпендикулярную на-

правлению действия силы:

?? = k ?||? ? . (1.11)

В области упругости коэффициент Пуассона k обычно близок к 0,3.

Для преобразования деформации в электрический сигнал используются тензорезистивные преобразователи. Известно, что удельное сопротивление большинства металлов уменьшается с увеличением приложенного к ним давле- ния. Действительно, сокращение объема и, следовательно, межатомных рас- стояний, вызванное давлением, приводит к уменьшению ?. В самом деле, удельное сопротивление металла — это, в частности, диффузионный отток сво- бодных электронов сквозь атомную решетку. Возможность диффузии тем вы- ше, чем больше амплитуда колебаний атомов. С уменьшением атомной решет- ки при сближении атомов возрастают силы их взаимного притяжения и, следо- вательно, уменьшаются амплитуды атомных колебаний. При этом вероятность диффузии свободных электронов снижается; то же происходит и с удельным сопротивлением.

Принцип действия тензорезистивных преобразователей (ТРП) основан на явлении тензоэффекта, заключающегося в изменении активного сопротивления проводника или полупроводника при его механической деформации.

Тензорезистивный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия — рас- тяжения. При деформации проводника изменяются его длина ? и площадь по- перечного сечения s. Деформация кристаллической решетки приводит к изме- нению удельного сопротивления ?.

Естественной входной величиной такого преобразователя является меха- ническая деформация, а выходной — активное сопротивление. Продифферен- цировав выражение (1.1), можно получить

dR= p p1 l

dl-
2 ds+ dp , (1.12)

s s

относительное изменение сопротивления проводника при этом


? dR dl ds dp

R 1= = - + =? +?? -?s , R l s p
(1.13)


где ?1,?s — относительное изменение длины и сечения (продольная и попереч-

ная деформация); ?? — относительное изменение удельного сопротивления.

На практике тензоэффект в материалах характеризуют коэффициентом от-

носительной тензочувствительности (или тензочувствительностью)

K = ?sR P? ?

T =1+ - =1+k+2µ,

l 1 1? ? ?

(1.14)


где ?1/?s = –2µ характеризует изменение поперечных размеров проводника при его удлинении; µ — коэффициент Пуассона; ?1/?s = k — относительное измене- ние удельного сопротивления материала при продольной деформации.

В зависимости от материала и конструкции различают следующие виды

ТРП:
— металлические (проволочные, фольговые, пленочные);

— полупроводниковые;



вые;


— эластичные с жидким проводником (ртуть, электролиты) и изоэластико-

— ТРП объемного сжатия.

Так как в жидких и текучих материалах (ртуть, электролиты в эластичной

изоляционной оболочке, пластически деформируемые металлы) механические напряжения отсутствуют, то ?Р = 0. Следовательно, k = 0, µ = 0,5 и КТ = 2. В твердых металлах ? зависит от деформации и k ? 0, а µ = 0,24…42. Поэтому kт = 1,48…1,84. Для полупроводников 1 + 2µ ? k. Значит, kТ = k. При этом тен- зочувствительность может превышать 50…200 в зависимости от типа полупро- водника и условий вырезания тензорезистора из монокристалла.

К материалам, используемым для изготовления ТРП, предъявляются сле- дующие основные требования: высокая тензочувствительность, малый темпе- ратурный коэффициент (ТКС), большая механическая прочность и воспроизво- димость свойств (повторяемость).

Для изготовления металлических тензорезистивных преобразователей обычно используются сплавы на основе никеля. В таблице 1.1 приведены наи- более часто используемые составы и соответствующие коэффициенты преобра- зования.

Таблица 1.1 — Характеристики сплавов для металлических тензорезистивных преобразователей

Сплав Состав Коэффициент преобразования

Константан 45 % Ni, 55 % Cu 2,1

Изоэластик 52 % Fe, 36 % Ni, 8 % Cr, 4 5 (MnMo) 3,5

Карма 74 % Ni, 20 % Cr, 3 % Cu, 3 % Fe 2,1

Нихром V 80 % Ni, 20 % Cr 2,5

Платина-вольфрам 92 % Pt, 8 % W 4,1

Проволочные тензорезистивные преобразователи (рисунок 1.6) представ- ляют собой обмотку из тонкой проволоки 3 (диаметр 0,02–0,05 мм), зигзагооб- разно уложенную и наклеенную на изолирующее основание 2 из тонкой бумаги или лаковой пленки. Сверху обмотка покрывается слоем лака 1, а к концам ее припаиваются или привариваются медные проводники 4. Полученная таким образом обмотка называется решеткой, а ее длина ? — базой тензорезистора. Преобразователь наклеивается на поверхность исследуемой детали с помощью специального клея и воспринимает ее поверхностную деформацию. Причём витки решетки должны быть параллельны вектору измеряемой деформации. При удлинении проводника происходит изменение его сопротивления.

Если при растяжении объем остается неизменным, то в соответствии с предпоследним выражением µ = 0,5. Для многих материалов µ ? 0,3. Удельное сопротивление большинства металлов не зависит от растяжения; константа с очень мала. Следовательно, для большинства металлов эта чувствительность приблизительно равна 2, например, у нихрома 2,1–2,3, у константана 2,0–2,1, у хромеля 2,5 (правда, у манганина 0,5, а у никеля — 12).

Для большинства металлов можно предположить, что объем проводника и

удельное сопротивление не изменяются при наличии растягивающих или сжи- мающих усилий (отсутствует пьезорезистивный эффект). Поэтому для метал- лических тензорезистивных преобразователей получаем:

dR R=S

dl =2 dl , (1.15)


где R

lR l l



lS — чувствительность тензорезистивного преобразователя.




Полупроводниковые материалы обычно имеют значение величины R lS

много больше 2. Это связано с тем фак-

том, что больше не выполняется условие

d? ? 0 . В этих материалах доминирует

dl

пьезорезистивный эффект.

Под действием деформации в попе- речном направлении сопротивление ТРП хотя и незначительно, но изменяется из- за наличия в решетке поперечных участ- ков длиной b (см. рисунок 1.6). Отноше-


Рисунок 1.6 — Проволочный тензо-

резистивный преобразователь
ние поперечной и продольной чувстви- тельности определяется отношением b/? и является одним из параметров.

Недостатками проволочных ТРП являются малый рабочий ток (рассеивае- мая мощность), невысокая надежность работы из-за небольшой поверхности крепления чувствительного элемента. На практике используются проволочные ТРП с базой 5–20 мм и номинальным сопротивлением 300–500 Ом.

Фольговые тензорезистивные преобразователи изготавливаются методом травления тонкой фольги (толщина 1…12 мкм) из тензочувствительного мате- риала, которая предварительно наносится на изоляционную основу из лаковой пленки. Характерные типы фольговых тензорезистивных преобразователей по- казаны на рисунке 1.7.

ТРП (рисунок 1.7,а), аналогично проволочным, предназначен для измере- ния линейных деформаций. На рисунке 1.7,б изображен преобразователь, со- стоящий из четырех тензорезисторов, составляющих плечи моста. При этом центральная часть испытывает растяжение, а периферийная - сжатие. К выво- дам 4 подключается дополнительный резистор R, подбором которого уравно- вешивается измерительный мост. ТРП (рисунок 1.7,в) состоит из трех тензоре- зисторов и применяется в тех случаях, когда неизвестно направление действия механических напряжений. Тензорезистивный преобразователь (рисунок 1.7,г) состоит из двух тензорезисторов и используется для измерения деформации ва- лов при скручивании.

Фольговые ТРП обладают в сравнении с проволочными рядом досто- инств, обусловленных технологией изготовления. Это прежде всего высокая степень повторяемости параметров практически при любой форме и размерах решетки, значительно меньшие габариты (может быть получен размер базы до

0,6 мм), меньшая поперечная чувствительность за счет более широких попе-

речных участков решетки. Допустимая плотность тока у них выше вследствие большей площади теплового контакта плоской решетки с поверхностью иссле- дуемой детали, а следовательно, лучшей теплоотдачи. По этой причине крепле- ние фольговых ТРП к детали более надежно.







Пленочные ТРП имеют те же свойства, что и фольговые, и отличаются прежде всего технологией их изготовления. Они изготавливаются путем ваку- умного напыления пленки из тензочувствительного материала на изоляцион- ную основу через маску. Толщина тензорезистивного слоя меньше 1 мкм.







а б

в г

Рисунок 1.7 — Характерные типы фольговых тензорезистивных преобразователей

Как показано на рисунке 1.7,б, в тензорезистивном преобразователе полос- ки металлической фольги, выполненные в виде меандра, сделаны значительно шире в местах поворота для того, чтобы уменьшить чувствительность этого преобразователя к деформации, направленной перпендикулярно к рабочей оси. Если кроме значения деформации мы хотим также измерить направление де- формации, то применяется комбинация тензорезистивных преобразователей, образующих определенную геометрическую структуру, например, три тензоре- зистивных преобразователя, ориентированные под углом 120° один по отноше- нию к другому. Эта конструкция известна под названием розеточный тензоре- зистивный преобразователь.

Общим для всех металлических ТРП является одноразовое использование

(будучи наклеенными на объект исследования, они не могут использоваться вторично). Поэтому градуировка ТРП осуществляется на нерабочих образцах и требования к воспроизводимости их параметров весьма жесткие. В последнее время разработаны специальные термопластичные цементы, способные размяг- чаться при нагревании. Применение таких цементов позволяет отклеивать тен- зорезисторы и использовать повторно.

Полупроводниковые ТРП дискретного типа (рисунок 1.8) представляют собой тонкую пластину полупроводникового материала 1, вырезанную из мо- нокристалла в направлении одной из полуосей. На концах пластины располо- жены контактные площадки длиной 0,25–0,6 мм, к которым привариваются вы- воды 2. Пластина приклеивается на подложку 3 клеевым или лаковым слоем 4. Полупроводниковые ТРП имеют длину 2–30 мм, ширину 0,15–3 мм. Начальные сопротивления лежат в пределах от 50 Ом до 10 кОм, тензочувствительность




50–200.
Рисунок 1.8 — Полупроводниковый тензорезистивный преобразователь

Для полупроводника с примесями типа р справедливо следующее соотно-

шение: р = 1 , где n — концентрация примеси; q — заряд; u — подвижность

nqu

носителей заряда. Так как u = q? , находим, что

m

p= m , где m — эффективная

nq2?

масса, а ? — среднее время жизни носителей заряда. Эффективная масса опре- деляется из взаимодействия между носителями заряда и кристаллической ре- шеткой. Когда материал подвергается механическому воздействию, взаимодей- ствие, а поэтому и эффективная масса, изменяются. Кремниевый тензорези- стивный преобразователь при благоприятной ориентации кристалла может иметь настолько сильный пьезорезистивный эффект, что коэффициент чувстви- тельности будет превосходить 200.

Достоинствами дискретных полупроводниковых ТРП являются высокая тензочувствительность, возможность изготовления преобразователей с малой базой (по сравнению с проволочными), функционирование в широком диапазо- не температур. Недостатки: значительная температурная зависимость пара- метров, малая механическая прочность, трудность воспроизводимости пара- метров от образца к образцу, нелинейность характеристик.

Вследствие очень больших температурных погрешностей дискретные по-

лупроводниковые ТРП находят применение только для измерения малых дина- мических деформаций, когда решающим фактором становится высокая тензо- чувствительность.

В последние годы совершенствование планарной технологии позволило создавать ТРП путем выращивания полупроводниковых тензорезисторов непо- средственно на упругом элементе из кремния или сапфира. В соответствии с этим различают два вида интегральных ТРП: с КНК-стуктурой (кремний на кремнии) и КНС-структурой (кремний на сапфире). У ТРП с КНК-структурой электрическая изоляция осуществляется за счет р-n-перехода, что обусловлива- ет его недостаточно высокую надежность. Второй вид интегральных ТРП обла- дает лучшей стабильностью характеристик и надежностью.

Интегральные ТРП в сравнении с дискретными обладают следующими достоинствами: их упругие кристаллы имеют свойства, близкие к идеальным, поэтому погрешности гистерезиса и линейности незначительны, особенно в сравнении с металлическими ТРП. Интегральные тензорезисторы удерживают- ся на упругом элементе за счет внутримолекулярных сил, что исключает по- грешности, связанные с передачей деформации от упругого элемента к тензоре- зистору. Технология позволяет на одном упругом элементе выращивать струк- туры в виде моста или полумоста с термокомпенсирующими элементами. Этим обеспечивается более высокая идентичность параметров, а благодаря малым геометрическим размерам обеспечивается большая идентичность внешних ус- ловий, что ведет к снижению погрешностей нуля и температурных.

Хотя полупроводниковые ТРП обладают очень высокой чувствительно- стью, они, кроме того, характеризуются большой нелинейностью и значитель- ным температурным коэффициентом. Возьмем, к примеру, тензорезистивный преобразователь из металлической фольги: материал — константан; коэффици- ент чувствительности k = 2,00 ± 1 %; сопротивление 120 Ом ± 1 %; диапазон измерения 10–6 ? ∆l ? 10–2; нелинейность 10–3 при ∆l/l < 10–3; температурный ко- эффициент 2?10–5 К–1; коэффициент теплового расширения 1,4?10–5 К–1; термо- электрический потенциал контакта константана с медью 43 мкВ/К. Сравним этот тензорезистивный преобразователь с полупроводниковым, имеющим сле- дующие параметры: R

lS ? 50–200; нелинейность 10–2 для диапазона измерения

l/l ? 103; температурный коэффициент k приблизительно равен 10–3 К–1. Металлические и полупроводниковые ТРП позволяют измерять незначи- тельные деформации (до десятых долей процента). Для измерения больших де- формаций (30–50 %) используют эластичные (жидкостные) тензорезистивные преобразователи. Они представляют собой тонкие (диаметр 0,1–1,5 мм) резино- вые капилляры, заполненные ртутью или электролитом. При деформации изме- няется диаметр жидкого проводника при неизменном объёме, а следовательно,

и его сопротивление.

Достоинства эластичных ТПР: большой допустимый ток и значительный диапазон измеряемых деформаций. Недостатки: малое значение номинального сопротивления и ограниченные температурный и частотный диапазоны.

Общими достоинствами ТРП в сравнении с другими ИП являются малые

габариты и вес, простота изготовления и низкая стоимость, сравнительно высо- кая линейность преобразования, возможность измерений с их помощью как статических, так и динамических нагрузок в широком частотном диапазоне де- формаций, а также на криволинейных поверхностях и по заданным направле- ниям. Недостатки: малая мощность полезного сигнала и сравнительно невы- сокая точность (погрешность преобразования около 1 %).

Комплекс основных параметров ТРП включает номинальное сопротивле- ние, коэффициент тензочувствительности, предельно допустимую деформацию решетки, длину базы, ширину решетки, погрешность преобразования и пре- дельно допустимый ток (рассеиваемую мощность).

При всем многообразии задач, решаемых с помощью ТРП, можно выде- лить две основные области их применения: исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях; измерения механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента (дав- ление, вес и т.п.). Для первой области применения характерно большое количе- ство точек тензометрирования, широкие диапазоны изменений параметров сре- ды и невозможность градуировки измерительных каналов.

Для измерения линейной деформации в механической конструкции ТРП приклеивают к этой конструкции в направлении ожидаемого воздействия. Ха- рактеристики отвердевшего клея и основы преобразователя вызывают эффекты ползучести. Если деформация долговременна, то металлическая фольга или проволока будут медленно возвращаться к первоначальному ненапряженному состоянию (релаксация напряжений). При более высоких температурах этот эффект выражен особенно сильно. Кроме того, клей и основа преобразователя могут привести к появлению гистерезиса. После снятия воздействия металли- ческая фольга или проволока не сразу возвращаются к своему первоначальному состоянию, и будет казаться, будто все еще имеется небольшое остаточное воз- действие. Для того чтобы ослабить эффекты ползучести и гистерезиса, клей и основа преобразователя должны быть тонкими, твердыми и иметь большие мо- дули Юнга.

Металлический проводник ТРП, его основа и материал конструкции, к ко- торой прикреплен преобразователь, должны иметь один и тот же коэффициент теплового расширения. Если соответствующие коэффициенты не равны, то вследствие изменения температуры будет наблюдаться кажущаяся деформация. Кроме того, дополнительно появится кажущаяся деформация, вызванная от- личным от нуля температурным коэффициентом сопротивления используемого материала проводника. Поэтому часто применяют второй тензорезистивный преобразователь, компенсирующий эти эффекты.

Второй преобразователь расположен так, чтобы подвергаться тем же са- мым (например тепловым) возмущениям, но не испытывать никаких усилий в направлении деформации (так называемый пассивный, или фиктивный, тензо- резистивный преобразователь, представленный на рисунке 1.9). Преобразовате- ли включены в измерительный мост в местах расположения резисторов R1 и R4




(рисунок 1.12).

Таким образом, влияние большинст-


Рисунок 1.9 — Компенсация при измерении линейной деформации

Рисунок 1.10 — Измерение дефор- мации изгиба, компенсация при измерении изгиба

ва мешающих воздействий может быть значительно уменьшено. Рисунок 1.10 иллюстрирует метод измерения изгиба консольной балки. Рисунок 1.11 показы- вает способ измерения скручивания вала с помощью четырех тензорезистивных преобразователей, прикрепленных к валу под углом 45° к оси скручивания.

При измерениях ТПР включаются как в потенциометрические, так и в мос- товые измерительные цепи. Потенциоме-




трические из-за низкой чувствительно- сти на практике используются редко, мостовые — значительно чаще, так как позволяют достичь более высокой чувст- вительности и добиться компенсации температурного дрейфа.




Так, при дифференциальном вклю- чении тензорезисторов в соседние плечи моста достигается снижение темпера- турной погрешности нуля в 10–20 раз в сравнении с погрешностью собственно ТРП. Повышения чувствительности в 10 раз можно достичь питанием моста им- пульсным напряжением.




Рисунок 1.11 — Схема расположе- ния преобразователей при измере- нии крутящего момента

Рисунок 1.12 — Измерительный мост


На рисунке 1.12 представлена схема измерительного моста для компенса- ции мешающих воздействий. Если тензорезистивные преобразователи R1, R2, R3 и R4 соединены так, как показано на рисунке 1.12, то измерение линейной деформации будет нечувствительно к температуре, измерение изгиба - к растя- жению и температуре, а измерение скручивания — даже к растяжению, изгибу, температуре и температурному градиенту вдоль вала. В случаях, проиллюстри- рованных рисунками 1.9 и 1.10, резисторы моста R2 и R3 являются постоянны-

ми резисторами, сопротивление которых выбирается из соображений макси-

мальной чувствительности моста.

Погрешность тензорезистивных преобразователей. Тензорезисторы мо- гут использоваться либо для измерения механических напряжений и деформа- ций, либо для измерения других механических величин: сил, давлений, ускоре- ний и т.п., когда деформация является промежуточной величиной преобразова- ния.

В первом случае для градуировки тензорезисторов из партии отбирают не- сколько штук и они наклеиваются на образцовую балку. С помощью гирь в балке создают определенные деформации. По значениям деформаций и соот- ветствующим им сопротивлениям рассчитывается чувствительность наклеен- ных тензорезисторов. Это значение принимается в качестве номинального для всей партии. Чувствительность других тензорезисторов той же партии может отличаться от номинальной на 2–10 %.

Во втором случае тензорезисторы являются постоянными преобразовате- лями. Отклонение их чувствительности от номинального значения учитывается при градуировке прибора, и результирующая погрешность прибора значитель- но меньше, чем в первом случае, и находится в пределах 0,2–0,5 %.

Наиболее существенным источником погрешности ТРП является темпера- турная зависимость сопротивления и коэффициента линейного температурного расширения, который обычно не равен коэффициенту линейного расширения исследуемой детали. В результате возникают дополнительные деформации ре- шетки, служащие источником погрешности. Погрешность может возникнуть и вследствие температурных изменений сопротивления преобразователя. При изменении температуры оно изменяется как вследствие изменения удельного сопротивления материала, так и вследствие изменения натяжения из-за различ- ных температурных коэффициентов удлинения тензорезистора ?Т и детали ?Д, на которую он наклеен. Полное изменение сопротивления
∆Rt = R0 [? + S(?Д – ?Т)] ∆?, (1.16) где R0 — сопротивление тензорезистора при нормальной температуре; S — его чувствительность; ? — температурный коэффициент сопротивления; ∆? — из- менение температуры.

Температурный коэффициент сопротивления константана можно изме- нять, изменяя его термообработку. Благодаря этому тензорезисторы можно из- готавливать так, чтобы при наклейке на определенный материал его сопротив- ление не зависело от температуры. Такие тензорезисторы называются термо- компенсированными.

Температурная погрешность проводниковых тензорезисторов в основном имеет аддитивный характер. Для ее компенсации используются дифференциаль- ные схемы. При измерении механических напряжений применяют схему первого типа с двумя или четырьмя тензорезисторами. Рабочие тензорезисторы наклеи- вают 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 пружи-

ну с разных сторон наклеивают два тензорезистора. При изгибе пружины под действием прикладываемой силы один из них растягивается, другой — сжимает- ся. В обоих случаях температурные условия и температурные изменения сопро- тивлений тензорезисторов одинаковы. Тензорезисторы включаются в смежные плечи моста, и это компенсирует температурную погрешность. Для увеличения чувствительности на силоизмерительную пружину можно наклеить четыре тен- зорезистора, причем преобразователи, воспринимающие деформации одного знака, должны включаться в противоположные плечи моста.

К другим источникам следует отнести «ползучесть» характеристики вследствие остаточных деформаций решетки, гистерезисные явления, измене- ние характеристик вследствие старения, снижение чувствительности с ростом частоты измеряемых деформаций.







В тензорезистивных приборах высокой точности и для получения преобра- зователей с унифицированными характеристиками, чтобы обеспечить их взаи- мозаменяемость, применяются мостовые схемы с нормирующими резисторами

(рисунок 1.13,а).







RБ, RT1, RT2 RT3, RT4 R1-R4 RS


а б

Рисунок 1.13 — Измерительный мост с нормирующими резисторами (а) и примеры используемых в нем тензорезистивных преобразователей (б)

На приведенной схеме R1–R4 — тензорезисторы; RБ1 и RБ2 — резисторы, служащие для балансировки моста; RТ1 и RT2 — термозависимые резисторы для компенсации аддитивной температурной погрешности; RS1 и RS2 — резисторы, изменяя сопротивления которых, можно регулировать чувствительность преоб- разователя; RT3 и RT4 — термозависимые резисторы, с помощью которых ком- пенсируется температурное изменение чувствительности; Rш и Rвых — резисто- ры, служащие для регулирования входного и выходного сопротивлений моста. Фольговые нормирующие резисторы показаны на рисунке 1.13,б. Они вы- полнены таким образом, что, обрывая ту или иную перемычку на фольговой решетке, можно изменять значение сопротивления и тем самым регулировать параметры и характеристики измерительного моста и прибора в целом. Рези- сторы RБ и RS изготовлены из константановой фольги, RT1 и RT2 — из медной,

RT3 и RT4 — из никелевой. При использовании мостовых схем с нормирующими резисторами погрешность преобразования с фольговыми тензорезисторами снижается до 0,03–0,05 %, а у преобразователей с полупроводниковыми тензо- резисторами — до 0,1 %.

1.1.4 Терморезистивные преобразователи

Электрическое сопротивление любого материала в той или иной степени зависит от температуры. Если эта зависимость точно известна и достаточно воспроизводима, то ею можно воспользоваться, переходя от измерения темпе- ратуры к измерению сопротивления.

Сопротивление чистых металлов можно записать в виде степенного ряда

R(?) = R(?0) [1 + ?(? – ?0) + ?(? – ?0)2 + ?(? – ?0)3 + … , (1.17) где R(?) — сопротивление преобразователя при температуре ?, а R(?0) — его сопротивление при определенной эталонной температуре ?0.

Если температурный диапазон не очень велик, то достаточно оставить пер-

вые два члена ряда и преобразователь можно считать почти линейным.

Сопротивление чистого металла, кристаллическая решетка которого не имеет примесей или нарушений, имеет положительный температурный коэф- фициент ?. Сопротивление обусловлено взаимодействием свободных электро- нов проводимости с колеблющимися атомами кристаллической решетки. С по- вышением температуры увеличивается амплитуда колебаний кристаллической решетки, что приводит к увеличению средней длины свободного пробега элек- тронов и сокращению среднего времени ? (времени релаксации) между столк- новениями. Можно показать, что время релаксации ? обратно пропорционально абсолютной температуре и поэтому сопротивление пропорционально абсолют- ной температуре.

В полупроводниках, как чистых, так и с примесями, этот эффект скрыт другим, более сильным эффектом: число свободных носителей заряда зависит от абсолютной температуры. Чем выше температура, тем большее число элек- тронов из валентной зоны преодолевает запрещенную зону и попадает в зону проводимости (в случае чистых полупроводников) или возрастает число акти- вированных донорных или акцепторных атомов (в случае примесных полупро- водников). Число свободных носителей заряда увеличивается согласно сле- дующему соотношению:

- Eg

2k?

n=n0e , (1.18) где Еg — энергия, необходимая для преодоления запрещенной зоны; k — по- стоянная Больцмана.

Таким образом, сопротивление полупроводника уменьшается при повы- шении температуры. Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления (отрицательный ТКС).

Принцип действия терморезистивных преобразователей (ТМРП) основан на зависимости активного сопротивления проводников и полупроводников от

температуры. Следовательно, их естественной входной величиной является температура, а выходной — изменение электрического сопротивления.

Величиной, численно характеризующей степень влияния температуры на сопротивление резистивного элемента, как известно, является температурный коэффициент сопротивления (ТКС):


? =?
R , (1.19)

R ? ∆?

где ∆R — абсолютное изменение сопротивления при изменении температуры на ?° по Цельсию или Кельвину; R — сопротивление при начальной темпера- туре ?o (обычно при нормальных условиях или при температуре 0 °С).

ТКС может быть положителен (для чистых металлов), отрицателен (для полупроводников), практически независимым либо иметь линейную, квадра- тичную или более сложную зависимость от температуры для других материа- лов. К материалам, из которых изготавливаются ТМРП, предъявляются требо- вания высокой стабильности ТКС и возможно большего его значения, линей- ной зависимости сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимости свойств и инертности к воздействию окружающей среды.

К материалам, наиболее удовлетворяющим этим требованиям, относятся медь, платина, вольфрам, никель; полупроводники на основе окислов переход- ных металлов титана, кобальта, никеля и такие полупроводники, как титанат бария, двуокись ванадия и т.п. Металлические ТМРП принято называть термо- резисторами, а полупроводниковые — термисторами.

Терморезисторы изготавливаются обычно в виде проволочных резисторов




(рисунок 1.14) с бифилярной обмоткой 1, расположенной на изоляционном каркасе 2. К обмотке привариваются выводы 3. Для защиты от агрессивной среды вся конструкция покрывается слоем стекла 4. Каркас, обычно цилиндри- ческой или прямоугольной формы, изготавливается из материала с малым тем- пературным коэффициентом линейного расширения: слюды, стекла, керамики. Выводы — из меди или серебра. Основное требование к выводам — значитель- но меньшее их сопротивление в сравнении с обмоткой. В противном случае по- грешность из-за сопротивления выводов станет чрезмерно большой.
Рисунок 1.14 — Конструкция терморезистивного преобразователя

Благодаря своей дешевизне и линейной зависимости сопротивления от температуры, широкое применение получили медные ТМРП. Как известно, для меди


?R = 0 RR (1+?
M Ч?), (1.20)

где ?RM = 4,26?10–3 1/град — ТКС меди; Ro — сопротивление при 0° С.

При известном сопротивлении R?1 при температуре ?1 сопротивление

ТМРП при температуре ?2 можно определить как

R = 1+?R 2Ч?

2? ?1R .

1+?R 1Ч?

(1.21)


Обмотка медных терморезисторов изготавливается из изолированного провода диаметром до 0,1 мм.

Область применения — измерение температуры в химически инертной среде при отсутствии влаги. Верхний предел преобразования температуры мед- ных терморезисторов — плюс 200° С (при более высокой температуре медь бы- стро окисляется), нижний — минус 200° С, а при индивидуальной градуиров- ке — до минус 260° С. К числу недостатков медных ТМРП относится малое удельное сопротивление проводящего материала. Промышленностью выпус- каются медные ТМРП марки ТСМ.

Очень широкое распространение получили платиновые ТМРП. Их сопро-

тивление в области температур от 0 до + 650° С выражается соотношением

2

t 0R =R (1+A?+B? ), (1.22)

в области температур от минус 200 до 0 °С — соотношением

2 3

?R = 0R [1+A?+B? +C(?-100)Ч? ], (1.23)

где А, В, С — постоянные величины, принимающие для платины значения:

А = 3,908?10–3(1/° С);

В = 5,9784?10–7(1/° С)2;

С = 4,482?10–12(1/° С)4.

Обмотки платиновых терморезисторов выполняются из провода диамет- ром 0,02 мм. Область применения платиновых ТМРП находится в диапазоне температур от –260 до +1100° С. Благодаря химической инертности платины, допускается использование их в химически агрессивных средах, за исключени- ем восстановительной среды с углеродом, парами кремния, калия и т.д. Про- мышленностью выпускаются миниатюрные платиновые терморезисторы, при- меняемые для измерения температурного градиента. Несмотря на достаточно высокую точность аппроксимации уравнениями (1.22), (1.23) температурной зависимости платиновых ТМРП, для них требуется индивидуальная градуиров- ка. Это является их основным недостатком. Серийные, платиновые ТМРП имеют марку ТСП.

На практике, хотя и значительно реже, используются также вольфрамовые и никелевые ТМРП.

Термисторы отличаются меньшими габаритами, весом, большими значе- ниями ТКС и более сложной (экспоненциальной) зависимостью сопротивления от температуры:

R =A exp B

⎛ ⎞

?? ?⎝ ⎠

- ,
(1.24)



где А, В — коэффициенты с размерностями сопротивления и температуры, оп-

ределяемые конкретным типом термистора; ? — температура по Кельвину.

На рисунке 1.15 показаны для сравнения температурные зависимости медного терморе- зистора 1 и полупроводникового термистора 2, приведенные к температуре 20 °С. Из зависи- мости 2 (см. рисунок 1.15) видно, что ТКС для полупроводника отрицателен и обратно про- порционален квадрату температуры. При неиз- вестных А и В, но известных сопротивлениях R?1, R?2 при температурах ?l, ?2 для любой температуры ?0 можно определить:

B

R =R exp , (1.25)

где

? ?1 ?


?2 1?? ln R? 1 .

B = ?

1 1

-

? ?0 1



2 1? ??

R? 2





Рисунок 1.15 — Зависимости сопротивления от температу- ры терморезистора (1) и тер- мистора (2)

Конструктивно термисторы имеют разно- образную форму. На рисунке 1.16 показаны в качестве примера некоторые разновидности се- рийных полупроводниковых ТМРП. ММТ-1 и КМТ-1 изготовлены в виде полупроводниково-




го цилиндрического стержня с контактными колпачками и выводами, с эмале- вым защитным покрытием. Предназначены для работы в сравнительно узком диапазоне температур в сухой инертной среде.
Рисунок 1.16 — Примеры терморезистивных преобразователей

Термисторы ММТ-4 и КМТ-4а помещены в металлический герметизиро- ванный корпус, и их можно использовать в более суровых условиях, в том чис- ле в жидкостях, химически инертных к материалу корпуса.

Термисторы СТ1-19 — каплевидной формы в миниатюрном исполнении. Чувствительный элемент оплавлен стеклом. В СТ4-16 термочувствительный элемент бусинкового типа также оплавлен стеклом. Обладает повышенной ста-

бильностью и хорошей повторяемостью параметров (не хуже 5 %).

Недостатками термисторов являются нелинейность функции преобразо- вания, значительный разброс параметров от образца к образцу, сравнительно небольшой диапазон рабочих температур.

В таблице 1.2 приведены характеристики для некоторых типов терморези-

стивных преобразователей, взятые из соответствующих стандартов. В столбце

«Номинальное сопротивление» приведены крайние значения рядов номиналь-

ных сопротивлений.
Таблица 1.2 — Характеристики терморезистивных преобразователей


Тип преобра-
Номинальное сопротивле-

Постоян-

ная В, 102
Диапазон рабочих
Мощность рассеяния


ТКС при

20° С,
Посто-

янная


зователя
ние при 20°

С, кОм

К температур
Pmin,

мВт
Pmax,

Вт
Pдоп,

мВт
К–1
време-

ни, с

КМТ-1

КМТ-8

22–1000

0,1–10 36–72

–60…+180

–45…+70

1,0

3,0

1,0

0,8

0,3

1,0

–0,043…

…–0,084

85

115

ММТ-1 1–220 2,06–43 –60…+125 1,3 0,6 0,4 –0,024… 85

…–0,05

0,001–0,047 20,6–27,5 –0,024…

…–0,032


ММТ-8

0,056–0,100 22,3–29,2 –0,024…


0,120–1,000 22,3–34,3
–45…+70 10 0,6 2,0


…–0,034

–0,026…

…–0,04

ММТ-9 0,01–4,7 20,6–43 –60…+125 –0,024…

…–0,05

СТ3-23 2,2; 2,7; 3,3;

3,9; 4,7 Ом 26–32 –60…+125 10 — 2,0

–0,0305…

…–0,0375


СТ3-17

СТ1-17
0,023–0,330

0,330–22
25,8–38,6

36–80
–60…+100 0,8

0,5

0,2 –0,03… 30

…–0,045

–0,042…

…–0,07


В последнее время появился еще один тип ТМРП на основе композицион- ных смесей, стабильно работающий при высоких (600–700 °C) температурах, а также ТМРП с положительным ТКС на основе титанатбариевой керамики, ко- торые получили название позисторы.

Недостатками ТМРП является низкая повторяемость параметров даже в пределах одной технологической партии, малая мощность полезного сигнала, нелинейность ФП. Достоинства: малые габариты и вес, простота конструкции, надежность, возможность использования в любой среде. В настоящее время практически все виды ТМРП стандартизованы. Все более широкое применение находят терморезисторы с косвенным подогревом, а также терморезистивные преобразователи на основе диодных и транзисторных структур.

Кроме измерения температур ТМРП применяются для измерений скорости и плотности потока вещества, для анализа состава газов, в автоматических ре- гуляторах температуры.

С ТМРП применяют преимущественно мостовые ИЦ. Основное отличие их от мостов, используемых с другими резистивными ИП, обусловлено необхо- димостью учета сопротивления подводящих проводов. Поэтому терморезисто-

ры, особенно металлические, включаются в мост по трех- и четырехпроводной схеме. Иногда кроме ТМРП в ИЦ включается ещё ряд резисторов, позволяю- щих линеаризовать результирующую функцию преобразования. С развитием микроэлектроники ТМРП часто стали включать в ИЦ с операционными усили- телями, как для линеаризации ФП, так и для преобразования сопротивления в напряжение. Особенно часто это делают в цифровых измерителях и регулято- рах. В частности, применяя такие цепи, удается уменьшить погрешность нели- нейности платинового терморезистора до 0,1...0,2 в диапазоне температур от 0 до +400° С.

Погрешности терморезистивных преобразователей. Погрешности преоб- разования ТМРП обусловлены нестабильностью во времени начального сопро- тивления и ТКС, сопротивлением проводов, соединявших преобразователь с измерительным устройством (ИУ), нелинейностью функции преобразования, тепловой инерционностью, нагревом преобразователя измерительным током.

Наиболее существенной погрешностью терморезистивных преобразова- телей является погрешность, обусловленная изменением сопротивления линии передачи вследствие колебаний температуры окружающей среды. Сопротивле- ние линии передачи при больших расстояниях (до нескольких сотен метров) от преобразователя до измерительного прибора может достигать 5 Ом, тогда как начальное сопротивление самого преобразователя составляет 46 Ом. В этом случае при использовании медной линии передачи погрешность преобразова- ния может составить +3,26° С.

Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления линии переда- чи при колебании температуры окружающей среды применяют так называемые многопроводные линии передачи, когда к преобразователю подводится более двух проводов.

Кроме погрешности от колебаний температуры линии передачи следует учитывать также погрешность, обусловленную нагревом преобразователя про- текающим по нему током. Для уменьшения этой погрешности значение тока, протекающего через преобразователь, следует снижать до минимума. С другой стороны, желательно допустить возможно большее значение рабочего тока, по- скольку при этом повышается чувствительность измерительной цепи и оказы- вается возможным использовать менее чувствительный измерительный прибор. В технических характеристиках терморезистивных преобразователей кро- ме допустимой мощности рассеяния приводится коэффициент рассеяния — мощность рассеяния, при которой нагрев преобразователя изменяется на 1 гра- дус. Таким образом, считая температуру нагрева прямо пропорциональной мощности рассеяния, можно при известном значении термосопротивления най- ти приемлемое значение рабочего тока для допустимого значения погрешности преобразования. Обычно в проводниковых преобразователях значение тока не

превышает 1–15 мА.

При помещении терморезистивного преобразователя в рабочую среду, температура которой подлежит измерению, необходимо учитывать, что темпе- ратура его термочувствительного элемента будет отличаться от температуры рабочей среды вследствие потерь тепла на излучение и на защитных элементах

преобразователя (защитные трубы, эмали, оболочки). Это неизбежно приведет к возникновению погрешности преобразования. Поскольку конструктивно тер- морезистивные и термоэлектрические преобразователи аналогичны, то для оп- ределения погрешности преобразования, обусловленной тепловыми потерями, можно воспользоваться выводами части 1 настоящего учебного пособия, сде- ланными для термопар. Там же приведены соображения по установке термопар при измерении температуры различных сред, которые полностью применимы и к терморезистивным преобразователям.

1.1.5 Фоторезистивные преобразователи

Сопротивление фоторезистора, являющегося резистивным преобразовате- лем, испытывает воздействие потока излучения с определенным распределени- ем энергии по спектру. Соединенный с соответствующей схемой формирования сигнала фоторезистор является одним из самых чувствительных оптических преобразователей. Физическое явление, на котором основано действие преоб- разователя, — фотопроводимость — представляет собой внутренний фотоэф- фект, т.е. освобождение в материале преобразователя электрических зарядов под действием света и обусловленное этим увеличение проводимости.

Таким образом, принцип действия фоторезистивных преобразователей

(ФРП) основан на явлении внутреннего фотоэффекта, присущем только полу- проводникам и некоторым диэлектрикам и заключающемся в уменьшении со- противления постоянному току при освещении источником света.

Значение темнового сопротивления ФРП зависит от формы, размеров, температуры и физико-химической природы фоточувствительного слоя фото- резистора. Очень высоким темновым сопротивлением (от 104 до 109 Ом при

25° С) обладают полупроводники: PbS — сернистый свинец (фоторезисторы типа ФС-А), CdSe — селенид кадмия (фоторезисторы типа ФС-Д), поликри- сталлический (фоторезисторы типа ФС-К) и монокристаллический (фоторези- сторы типа ФС-КМ) CdS — сернистый кадмий и др. Невелико (от 10 до 103 Ом при 25 °С) темновое сопротивление у InSb, InAs, CdHgTe. С увеличением ос- вещенности темновое сопротивление быстро падает.

Свойства фоторезистора можно описать эквивалентной электрической схемой, в которой темновое сопротивление RT включено параллельно сопро- тивлению RC, определяемому фотоэлектрическим действием падающего свето- вого потока:

RC = ?Ф-

?, (1.26)

где ? зависит от конкретного материала, температуры и от спектра падающего излучения, а ? обычно имеет значение от 0,5 до 1.

При этих условиях сопротивление фоторезистора RФ определяется в соот-

ветствии с формулой

-?

T CR R R T

ФR = = -?

(1.27)


T CR +R

TR +?Ф

?.

и в обычных случаях, когда RC << RT, имеем RФ = ?Ф-

Конструктивно ФРП представляют собой однородную полупроводнико-

вую пластину с контактами, помещенную в корпус с жесткими или гибкими




выводами (рисунок 1.17). Фоторезисторы изготавливаются в виде дифференци- альных преобразователей, позиционно-чувствительных бесконтактных реохор- дов или потенциометров, управляемых перемещением светового пятна.
Рисунок 1.17 — Примеры конструкции фоторезисторов

1 — сапфировое стекло толщиной 0,12 — 1,18 мкм; 2 — фотопроводящий слой;

3 — чувствительная поверхность; 4 — электроды

Сопротивление фоторезистивного преобразователя нелинейно зависит от падающего потока (рисунок 1.18), однако эту функцию можно линеаризовать в ограниченном диапазоне с помощью постоянного сопротивления, включаемого параллельно с фоторезистором (шунтирование фоторезистора).

Сопротивление RC освещенного фоторезистора зависит от температуры,

однако чувствительность к температуре с ростом освещенности ослабевает. Значение сопротивления может испытывать медленный дрейф в экстре- мальных условиях применения — при больших значениях тока и приложенного напряжения. Заметим, что эффект старения более ярко выражен у материалов с

высоким температурным коэффициентом.



Рисунок 1.18 — Пример зависимости сопротивления фоторезистора от его освещенности

Фоточувствительность ФРП зависит от длины волны светового излучения и определяется материалом, из которого изготавливается преобразователь. На- пример, монокристаллы сернистого кадмия имеют максимальную чувствитель- ность к свету с длиной волны около 0,5 мкм, селенид кадмия — около 0,75 мкм, сернистый свинец — 2,0 мкм.

Вольт-амперные характеристики ФРП линейны в пределах допустимых рассеиваемых мощностей, световые характеристики могут считаться линейны- ми только при малых уровнях светового потока (освещенность до 200–300 лк). Основными параметрами фоторезисторов являются темновое сопротивле- ние (от десятков кОм до единиц МОм), кратность изменения сопротивления под действием света (отношение темнового сопротивления к сопротивлению ФРП при освещенности 200 лк лежит в пределах от 1,2 до 10), удельная чувст- вительность, рабочее напряжение и допустимая мощность рассеивания, верхняя граничная частота, рабочая длина волны и некоторые другие. Порог чувстви- тельности ФРП определяется дрейфом темнового сопротивления и собствен- ными шумами. Для ФРП характерна сильная зависимость параметров от темпе- ратуры. Диапазон рабочих температур лежит в пределах от минус 60 до плюс

60° С.

Применение фоторезисторов. Достоинства фоторезисторов заключаются прежде всего в высоких значениях статического коэффициента преобразования

(функции преобразования) и чувствительности, что позволяет использовать

простые схемы (например, непосредственное управление с помощью реле).

Основные недостатки фоторезисторов следующие:

— нелинейность энергетической характеристики (зависимости ток — поток);

— значительное время запаздывания и ограниченная полоса пропускания;

— нестабильность характеристики (старение);

— зависимость характеристики от температуры;

— необходимость охлаждения для некоторых типов преобразователей. Фоторезисторы находят применение в таких исследованиях, когда не тре- буется прецизионных измерений, а делается оценка уровня принимаемого по- тока (регистрируется, например, ситуация свет — темнота или наличие свето- вого импульса). Однако возможно использование фоторезисторов и в фотомет- рии при условии, что их характеристики стабилизированы и определены с вы-

сокой степенью точности.

Измерение сопротивления фоторезисторов или обнаружение изменения его значения осуществляется с помощью различного типа схем формирования сигналов, соединенных с резистивными преобразователями: потенциометриче- ской схемы, питаемой постоянным током, мостом Уитстона, операционного усилителя и RC-генератора.

При использовании фоторезисторов для управления, например, поток из- лучения, превышающий определенный порог, вызывает достаточное для воз- никновения тока уменьшение сопротивления, а этот ток либо непосредственно, либо после усиления осуществляет переключение устройства с двумя устойчи- выми состояниями: включение и выключение реле, блокировка или открытие тиристора и т.п.

При использовании фоторезистора в качестве приемника оптических сиг- налов фоторезистор и его электрическая схема преобразуют в форму электри- ческих импульсов оптические импульсы, которые получаются, когда световой пучок попеременно прерывается или пропускается в ритме, несущем требуе- мую информацию (счет предметов, измерение скорости вращения диска). Им- пульсы напряжения, получаемые на выходе электрической схемы, из-за сравни- тельно большой постоянной времени фоторезистора часто приходится предва- рительно преобразовывать с помощью триггера Шмитта для последующей об- работки. Кроме того, максимальная частота световых импульсов должна быть меньше граничной частоты фоторезистора.

Кроме рассмотренных типов резистивных ИП, в практике применяются магниторезисторы, принцип действия которых основан на эффекте Гаусса, за- ключающемся в зависимости удельного сопротивления проводника или полу- проводника от напряженности внешнего магнитного поля. Эти преобразователи широко используются в магнитных измерениях и рассматриваются в следую- щем разделе настоящего пособия.

  1   2   3   4   5   6


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации