Основными элементами большинства применяемых средств измерений являются первичные измерительные преобразователи, назначение которых - преобразование измеряемой физической величины (входная величина) в сигнал измерительной информации (выходная величина), как правило, электрический, удобный для дальнейшей обработки.

Первичные преобразователи подразделяются на параметрические и генераторные. В параметрических преобразователях выходная величина представляет собой изменение какого-либо параметра электрической цепи {сопротивление, индуктивность, емкость и т.д.), в генераторных выходная величина - ЭДС, электрический ток или заряд, возникающие вследствие энергии измеряемой величины.

Существует большой класс измерительных преобразователей, у которых входными величинами являются давление, сила или крутящий момент. Как правило, в этих преобразователях входная величина воздействует на упругий элемент и вызывает его деформацию, которая затем преобразуется или в сигнал, воспринимаемый наблюдателями (механические показывающие приборы), или в электрический сигнал.

В значительной степени инерционные свойства преобразователя определяются частотой собственных колебаний упругого элемента: чем она выше, тем менее инерционным является преобразователь. Максимальное значение этих частот при использовании конструкционных сплавов составляет 50...100 кГц. Для изготовления упругих элементов особо точных преобразователей применяются кристаллические материалы (кварц, сапфир, кремний).

Резистивные преобразователи - это параметрические преобразователи, выходной величиной которых является изменение электрического сопротивления, которое может вызываться воздействием разнообразных по физической природе величин - механических, тепловых, световых, магнитных и др.

Потенциометрический преобразователь представляет собой реостат, движок которого перемешается под воздействием измеряемой величины (входная величина). Выходной величиной является сопротивление.

Потенциометрические преобразователи применяются для измерения положения регулирующих органов (линейных и угловых), в уровнемерах, в датчиках (например, давления) для измерения деформации упругого чувствительного элемента. Достоинство потенциометрических преобразователей - большой выходной сигнал, стабильность метрологических характеристик, высокая точность, незначительная температурная погрешность. Основной недостаток - узкий частотный диапазон (несколько десятков герц).

Работа тензорезисторов основана на изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации (тензоэффект). Проволочный (или фольговый) тензорезистор представляет собой зигзагообразную изогнутую тонкую проволоку диаметром 0,02...0,05 мм или ленту из фольги толщиной 4...12 мкм (решетка), которая наклеивается на подложку из электроизоляционного материала. К концам решетки присоединяются выводные медные проводники. Преобразователи, будучи приклеенными к детали, воспринимают деформацию ее поверхностного слоя.

При измерениях деформаций и напряжений в деталях и конструкциях, как правило, отсутствует возможность градуировки измерительных каналов и погрешность измерений составляет 2...10 %. В случае применения тензорезисторов в первичных измерительных преобразователях погрешность может быть снижена до 0.5...1 % путем градуировки. Основной недостаток тензорезисторов данного типа - малый выходной сигнал.

Для измерений малых деформаций упругих чувствительных элементов измерительных преобразователей используются полупроводниковые тензорезисторы, выращенные непосредственно на упругом элементе, выполненном из кремния или сапфира.

При измерениях динамических деформаций с частотой до 5 кГц должны применяться проволочные или фольговые тензорезисторы с базой не более 10 мм, причем максимальная деформация для них не должна превышать 0,1 % (0,02 % для полупроводниковых).

Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на возникновении электрических зарядов при деформации кристалла (прямой пьезоэффект).

Пьезоэлектрические преобразователи обеспечивают возможность измерения быстропеременных величин (собственная частота преобразователей достигает 200 кГц), отличаются высокой надежностью и имеют малые габаритные размеры и массу. Основной недостаток - трудность при измерении медленно изменяющихся величин и при проведении статической градуировки из-за утечек электричества с поверхности кристалла.

Электростатический преобразователь схематично можно представить в виде двух электродов (пластин) площадью F, параллельно расположенных на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью е.

Обычно эти преобразователи устроены таким образом, что их выходной величиной является изменение емкости (в этом случае они называются емкостными), а входными величинами могут быть механические перемещения, изменяющие зазор d или площадь F, или изменение диэлектрической проницаемости среды e вследствие изменения ее температуры, химического состава и т.п.

Кроме емкости, в качестве выходной величины электростатических преобразователей используется ЭДС. генерируемая при взаимном перемещении электродов, находящихся в электрическим поле (генераторный режим). Например, в генераторном режиме работают конденсаторные микрофоны, преобразующие энергию акустических колебаний в электрическую.

Достоинством электростатических преобразователей является отсутствие шумов и самонагрева. Однако с целью защиты от наводок соединительные линии и сами преобразователи должны тщательно экранироваться.

У индуктивных преобразователей выходной величиной является изменение индуктивности, а входными величинами могут быть перемещения отдельных частей преобразователя, приводящие к изменению сопротивления магнитной цепи, взаимоиндукции между контурами и т.д.

Достоинствами преобразователей являются: линейность характеристики, малая зависимость выходного сигнала от внешних воздействий, ударов и вибраций; высокая чувствительность. Недостатки - малый выходной сигнал и необходимость в питающем напряжении повышенной частоты.

Принцип действия вибрационно-частотных преобразователей основан на изменении частоты собственных колебаний струны или тонкой перемычки при изменении ее натяжения.

Входной величиной преобразователя является механическое усилие (или величины, преобразуемые в усилие. - давление, крутящий момент и др.). которое воспринимается упругим элементом, связанным с перемычкой.

Применение вибрационно-частотных преобразователей возможно при измерении постоянных или медленно изменяющихся во времени величин (частота не более 100...150 Гц). Они отличаются высокой точностью, а частотный сигнал - повышенной помехоустойчивостью.

В оптоэлектрических преобразователях используются закономерности распространения и взаимодействия с веществом электромагнитных волн оптического диапазона.

Основным элементом преобразователей являются приемники излучения. Простейшие из них - тепловые преобразователи - предназначены для преобразования всей падающей на них энергии излучения в температуру (интегральный преобразователь).

В качестве приемников излучения используются также различные фотоэлектрические преобразователи, в которых используется явление фотоэффекта. Фотоэлектрические преобразователи являются селективными, т.е. они обладают высокой чувствительностью в сравнительно узком диапазоне длин волн. Например, внешний фотоэффект (испускание электронов под действием света) используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах и фотоумножителях.

Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, на внутренней поверхности которого нанесен слой фоточувствительного материала, образующий катод. Анод выполняется в виде кольца или сетки из металлической проволоки. При освещении катода возникает ток фотоэмиссии. Выходные токи этих элементов не превышают нескольких микроампер. В газонаполненных фотоэлементах (для заполнения применяются инертные газы Ne, Аr, Кr, Хе) выходной ток увеличивается в 5...7 раз из-за ионизации газа фотоэлектронами.

В фотоумножителях усиление первичного фототока происходит вследствие вторичной электронной эмиссии - "выбивания" электронов из вторичных катодов (эмиттеров), установленных между катодом и анодом. Общий коэффициент усиления в многокаскадных фотоумножителях может достигать сотен тысяч, а выходной ток - 1 мА. Фотоумножители и вакуумные, элементы могут использоваться при измерениях быстро изменяющихся величин, так как явление фотоэмиссии практически безынерционно.

Измерение давлений

Для измерения полного или статического давления в поток помешают специальные приемники с приемными отверстиями, которые трубками небольшого диаметра (пневмомагистралями) соединяются с соответствующими первичными преобразователями или измерительными приборами.

Простейшим приемником полного давления является цилиндрическая трубка с перпендикулярно срезанным торцом, изогнутая под прямым углом и ориентированная навстречу потоку. Для уменьшения чувствительности приемника к направлению потока (например, при измерениях в потоках с небольшой закруткой) применяются специальные конструкции приемников. Например, приемники полного давления с протоком (рис. 3.3) характеризуются погрешностью измерения не более 1 % при углах скоса до 45° при числе М<0,8.

При измерении статических давлений вблизи стенок каналов приемные отверстия диаметром 0,5...1 мм выполняются непосредственно в стенках (дренажные отверстия). В месте дренажа не должно быть неровностей, а кромки отверстий не должны иметь заусенцев. Этот вид измерений весьма распространен при исследовании течений в трубах и каналах в камерах сгорания, диффузорах и соплах.

Рис. 3.3. Схема приемника полного давления:

Рис. 3.4. Схема приемника статического давления:

а - клиновидный;

б - дисковый;

в - Г-образный для измерений при М£1,5

Для измерений статических давлений в потоке применяются клиновидные и дисковые приемники, а также приемники в виде трубок Г-образной формы (рис. 3.4) с приемными отверстиями, расположенными на боковой поверхности. Указанные приемники хорошо работают при дозвуковых и небольших сверхзвуковых скоростях.

Для исследования распределения давлений в поперечных сечениях каналов получили распространение гребенки полного и статического давлений, содержащие несколько приемников, или комбинированные гребенки, имеющие приемник как полного, так и статического давлений. При измерениях в потоках со сложной структурой течения (камеры сгорания, межлопаточные каналы турбомашин) применяются ориентируемые и неориентируемые приемники давления, позволяющие определить значения полного и статического давлений и направление вектора скорости. Первые из них предназначены для измерений в двумерных потоках, и их конструкция позволяет путем поворота устанавливать приемник в определенном положении относительно вектора местной скорости потока.

Неориентируемые приемники снабжены несколькими приемными отверстиями (5...7), которые выполнены в стенках цилиндра или сферы небольшого диаметра (3...10 мм) или располагаются в концах срезанных под определенными углами трубок (диаметр 0,5...2 мм), объединенных в единый конструктивный узел (рис. 3.5). При обтекании приемника потоком вокруг него формируется определенное распределение давлений. Используя измеренные с помощью приемных отверстий значения давлений и результаты предварительной градуировки приемника в аэродинамической трубе, можно определить значения полного и статического давлений и местное направление скорости потока.

При сверхзвуковых скоростях течений перед приемниками давлений возникают скачки уплотнения, и это необходимо учитывать при обработке результатов измерений. Например, по измеренным значениям статического давления в потоке р и полного за прямым скачком уплотнения р*" можно определить с помощью формулы Релея число М, а затем и значение полного давления в потоке:

При испытаниях двигателей и их элементов для измерения давлений применяются различные приборы (стрелочные деформационные, жидкостные, групповые регистрирующие манометры), позволяющие оператору контролировать режимы работы экспериментальных объектов. В информационно-измерительных системах используются разнообразные первичные преобразователи. Как правило, давление, точнее разность давлений (например, между измеряемым и атмосферным, между полным и статическим и т.д.), воздействует на упругий чувствительный элемент (мембрану), деформация которого преобразуется в электрический сигнал. Наиболее часто для этого применяются индуктивные и тензочувствительные преобразователи при измерении постоянных и медленно изменяющихся давлений и пьезокристаллические и индуктивные преобразователи при измерении переменных давлений.

Рис. 3.5. Схема пятиканального приемника давлений:

С x , С y , С z - составляющие вектора скорости; р i - измеряемые значения давления

В качестве примера на рис. 3.6 представлена схема преобразователя «Сапфир-22ДД». Преобразователи этого типа выпускаются в нескольких модификациях, предназначенных для измерения избыточного давления, разности давлений, вакуума, абсолютного давления, избыточного давления и вакуума в различных диапазонах. Упругий чувствительный элемент представляет собой металлическую мембрану 2, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с напыленными кремниевыми тензорезисторами. Измеряемая разность давлений воздействует на блок, состоящий из двух диафрагм 5. При смещении их центра усилие с помощью тяги 4 передается на рычаг 3, что приводит к деформации мембраны 2 с тензорезисторами. Электрический сигнал от тензорезисторов поступает в электронный блок 4, где преобразуется в унифицированный сигнал - постоянный ток 0...5 или 0...20 мА. Электрическое питание преобразователя осуществляется от источника постоянного тока напряжением 36 В.

При измерениях переменных (например, пульсирующих) давлений целесообразно максимальное приближение первичного преобразователя к месту измерения, так как наличие пневмомагистрали вносит существенные изменения в амплитудно-частотную характеристику системы измерений. Предельным в этом смысле является бездренажный метод, при котором миниатюрные преобразователи давления крепятся заподлицо с поверхностью, обтекаемой потоком (стенкой канала, лопаткой компрессора и т.д.). Известны преобразователи, имеющие высоту 1,6 мм и диаметр мембраны 5 мм. Используются также системы с приемниками давления и волноводами (l~100 мм) (метод вынесенных приемников давления), в которых для улучшения динамических

характеристик используются корректирующие акустические и электрические звенья.

При большом числе точек измерения в измерительных системах могут применяться специальные быстродействующие пневмокоммутаторы, которые обеспечивают поочередное подключение к одному преобразователю нескольких десятков точек измерения.

Для обеспечения высокой точности необходимо в рабочих условиях периодически контролировать средства измерения давления с помощью автоматических задатчиков.

Измерение температур

Для измерения температур применяются разнообразные средства измерений. Термоэлектрический термометр (термопара) представляет собой два проводника из различных материалов, соединенные (сваренные или спаянные) между собой концами (спаи). Если температуры спаев будут различны, то в цепи потечет ток под действием термоэлектродвижущей силы, значение которой зависит от материала проводников и от температур спаев. При измерениях, как правило, один из спаев термостатируется (для этого применяется тающий лед). Тогда ЭДС термопары будет однозначно связана с температурой «горячего» спая.

В термоэлектрический контур можно включить разнородные проводники. При этом результирующая ЭДС не изменится, если все места соединений будут находиться при одинаковой температуре. На этом свойстве основано применение так называемых удлинительных проводов (рис. 3.7), которые присоединяются к термоэлектродам ограниченной длины, и таким образом достигается экономия дорогостоящих материалов. При этом необходимо обеспечить равенство температур в местах присоединения удлинительных проводов (Т с) и термоэлектрическую идентичность их основной термопаре в диапазоне возможного изменения температур Т с и Т 0 (обычно не более 0...200°С). При практическом использовании термопар возможны случаи, когда температура Т 0 отлична от 0°С. Тогда для учета этого обстоятельства ЭДС термопары следует определить как E=Е изм +DE(T 0) и по градуировочной зависимости найти значение температуры. Здесь Е изм - измеренное значение ЭДС; DE(T 0) – значение ЭДС, соответствующее величине T 0 и определенное по градуировочной завиcимости. Градуировочные зависимости для термопар получают при температуре «холодных» спаев Т 0 , равной 0°С. Эти зависимости несколько отличаются от линейных. В качестве примера на рис. 3.8 приведена градуировочная зависимость для термопары платинородий-платина.

Некоторые характеристики наиболее распространенных термопар даны в табл. 3.1.

На практике наиболее распространены термопары с диаметром электродов 0,2...0,5 мм. Электроизоляция электродов достигается путем обмотки их асбестовой или кремнеземной нитью последующей пропиткой термостойким лаком, помещением термоэлектродов в керамические трубки или нанизыванием на них кусочков этих трубок («бусы»). Получили распространение термопары кабельного типа, представляющие собой два термоэлектрода, помещенные в тонкостенную оболочку, изготовленную из жаропрочной стали. Для изоляции термоэлектродов внутренняя полость оболочки набивается порошком MgO или Al 2 О 3 . Наружный диаметр оболочки - 0,5...6 мм.

Таблица 3.1

Для правильного измерения температуры конструктивных элементов термопары должны заделываться таким образом, чтобы горячий спай и термоэлектроды вблизи него не выступали над поверхностью и чтобы условия теплоотдачи от термометрируемой поверхности не нарушались из-за установки термопары. Для уменьшения погрешности измерений вследствие оттока (или притока) тепла от горячего спая по термоэлектродам за счет теплопроводности термоэлектроды на некотором расстоянии вблизи спая (7...10 мм) должны прокладываться примерно по изотермам. Схема заделки термопары, удовлетворяющей указанным требованиям, приведена на рис. 3.9. В детали выполнена канавка глубиной 0,7 мм, в которую укладываются спай и прилегающие к нему термоэлектроды; спай приваривается к поверхности контактной сваркой; канавка закрывается фольгой толщиной 0,2...0,3 мм.

Вывод термоэлектродов из внутренних полостей двигателя или его узлов осуществляется через штуцера. При этом необходимо следить за тем, чтобы термоэлектроды не слишком сильно нарушали структуру течения и не повреждалась их изоляция из-за трения друг о друга и об острые кромки конструкции.

При измерении температур вращающихся элементов показания термопар выводятся с помощью щеточных или ртутных токосъемников. Разрабатываются также бесконтактные токосъемники.

Схемы термопар, применяемых для измерения температуры потока газа, приведены на рис. 3.10. Горячий спай 1 представляет собой сферу диаметром d 0 (термоэлектроды могут также свариваться встык); термоэлектроды 2 вблизи спая закрепляются в изолирующей двухканальной керамической трубке 3, а затем выводятся из корпуса 4. На рисунке корпус 4 показан водоохлаждаемым (охлаждение необходимо при измерениях температур, превышающих 1300...1500 К), подвод и отвод охлаждающей воды осуществляются через штуцера 5.

При высоких значениях температуры газа возникают методические погрешности, обусловленные отводом тепла от спая вследствие теплопроводности по термоэлектродам к корпусу термопары и излучением в окружающую среду. Потери тепла из-за теплопроводности практически полностью можно устранить, обеспечив вылет изолирующей трубки, равный 3...5 ее диаметрам.

Для уменьшения отвода тепла излучением применяется экранирование термопар (рис. 3.10, б, в). Этим обеспечивается также защита спая от повреждений, а торможение потока внутри экрана способствует повышению коэффициента восстановления температуры при измерениях в высокоскоростных потоках.

Разработан также метод определения температуры газа по показаниям двух термопар, имеющих термоэлектроды различного

Рис. 3.9. Схема заделки термопары при измерении температуры элементов камер сгорания

Рис. 3.10. Схемы термопар для измерения температуры газа:

а - термопара с открытым спаем: б, в - экранированные термопары; г - двухспайная термопара; 1 - спай: 2 – термоэлектроды; 3 - керамическая трубка; 4 - корпус; 5 - штуцера для подвода и отвода воды

диаметра (рис. 3.10, г), позволяющий учесть отвод тепла излучением.

От конструктивного выполнения зависит инерционность термопар. Так, постоянная времени изменяется от 1...2 с для термопар с открытым спаем, до 3...5 с для экранированных термопар.

При исследовании полей температур (например, за турбиной, камерой сгорания и т.д.) применяются гребенки термопар, причем в ряде случаев они устанавливаются во вращающихся турелях, что позволяет достаточно подробно определять распределение температур во всем поперечном сечении.

Действие термометра сопротивления основано на изменении сопротивления проводника при изменении температуры. В качестве электросопротивления применяется проволока диаметром 0,05... 0,1 мм, выполненная из меди (t=-50...+150°С), никеля (t=-50...200°С) или платины (t=-200...500°С).

Проволока наматывается на каркас и помещается в чехол. Термометры сопротивления обладают высокой точностью и надежностью, однако они характеризуются большой инерционностью и не пригодны для измерения локальных температур. Термометры сопротивления применяются для измерений температуры воздуха на входе в двигатель, температур топлив, масел и т.д.

В жидкостных термометрах используется свойство теплового расширения жидкости. В качестве рабочих жидкостей применяются ртуть (t=-30...+700°C), спирт (t=-100...+75°C) и др. Жидкостные термометры используются при измерениях температуры жидких и газообразных сред в лабораторных условиях, а также при градуировке других приборов.

Оптические методы измерения температуры основаны на закономерностях теплового излучения нагретых тел. На практике могут быть реализованы три типа пирометров: яркостные пирометры, работа которых основана на изменении теплового излучения тела с температурой при некоторой фиксированной длине волн; цветовые пирометры, использующие изменение с температурой распределения энергии в пределах некоторого участка спектра излучения; радиационные пирометры, основанные на зависимости от температуры общего количества излучаемой телом энергии.

В настоящее время при испытаниях двигателей для измерений температур элементов конструкции нашли применение яркостные пирометры, созданные на базе фотоэлектрических приемников лучистой энергии. В качестве примера схема установки пирометра при термометрировании лопаток турбины на работающем двигателе представлена на рис. 32.11. С помощью линзы 2 «поле зрения» первичного преобразователя ограничено небольшим (5...6 мм) участком. Пирометр «осматривает» кромку и часть спинки каждой лопатки. Защитное стекло 1, выполненное из сапфира, предохраняет линзу от загрязнения и перегрева. Сигнал по световоду 3 передается к фотодетектору. Благодаря малой инерционности пирометр позволяет контролировать температуру каждой лопатки.

Для измерения температур конструктивных элементов двигателя могут применяться цветовые индикаторы температуры (термокраски или термолаки) - сложные вещества, которые при достижении определенной температуры (температура перехода) резко изменяют свой цвет из-за химического взаимодействия компонентов или происходящих в них фазовых переходов.

Рис. 3.11. Схема установки пирометра на двигателе:

(а) (1 - подвод обдувочного воздуха; 2 - первичный преобразователь) и схема первичного преобразователя

(б) (1 - защитное стекло; 2 - линза; 3 - световод)

Термокраски и термолаки, будучи нанесенными на твердую поверхность, после высыхания затвердевают и образуют тонкую пленку, которая способна изменять свой цвет при температуре перехода. Например, термокраска ТП-560 белого цвета при достижении t=560 °С становится бесцветной.

С помощью термоиндикаторов можно обнаружить зоны перегрева в элементах двигателя, в том числе и в труднодоступных местах. Трудоемкость измерений невелика. Однако их применение ограничено, так как не всегда можно установить, на каком режиме была достигнута максимальная температура. Кроме того, окраска термоиндикатора зависит от времени воздействия температуры. Поэтому термоиндикаторы, как правило, не могут заменить других методов измерений (например, с помощью термопар), но позволяют получить дополнительную информацию о тепловом состоянии исследуемого объекта.

IV. Классификация преобразователей.

(вернуться к оглавлению)

Измерительная информация, получаемая от контролируемого объекта, передается в измерительную систему в виде сигналов какого-либо вида энергии и преобразуется из одного вида энергии в другой. Необходимость такого преобразования вызвана тем, что первичные сигналы не всегда удобны для передачи, переработке, дальнейшего преобразования и воспроизведения. Поэтому при измерении неэлектрических величин воспринимаемые чувствительным элементом сигналы преобразуются в электрические сигналы, являющиеся универсальными.

Та часть прибора, в которой неэлектрический измеряемый сигнал преобразуется в электрический, называется преобразователем.

Известно много электрических методов измерения неэлектрических величин. Для удобства изучения введем классификацию этих методов по виду связи между электрическими и неэлектрическими величинами:

Параметрические преобразователи , в которых измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в соответствующее изменение параметров электрической цепи, питаемых внешними источниками ЭДС. При этом сигналы, получаемые от измеряемого объекта, служат только для управления энергией постороннего источника, включенного в цепь.

Генераторные преобразователи , в которых сигналы, получаемые от измеряемого объекта, непосредственно преобразуются в электрические сигналы. При этом желательный эффект преобразования может быть получен без использования посторонних источников ЭДС.

К параметрическим относят методы, основанные на изменении сопротивления, емкости и индуктивности электрических цепей.

К генераторным относятся электромагнитный, термоэлектрический, пьезоэлектрический и другие методы.

Входом является некая величена X, а на выходе электрический сигнал(Y).

(*)

x => ΔF => Δх => ΔR

Преобразование физической величины х в электрический сигнал. Для визуализации параметров R, L, C, M к ним надо подвести генератор электрической мощности

(*) К таким цепям применимы законы расчета электроцепей.

1.1 Метод сопротивления .

В этом методе используется зависимость электрического сопротивления резисторов от различных неэлектрических величин.

Например, изменение омического сопротивления проволочного реостата при перемещении скользящего контакта под действием механических сил.

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

"Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники"

Кафедра метрологии и стандартизации

Параметрические измерительные преобразователи

Методические указания к лабораторной работе Э.5Б

для студентов специальности 54 01 01 ‑ 02

"Метрология, стандартизация и сертификация"

всех форм обучения

УДК 621.317.7 + 006.91 (075.8)

ББК 30.10я73

Составители В.Т. Ревин, Л.Е. Батай

Методические указания содержат цель работы, краткие сведения из теории, описание лабораторной установки, лабораторное задание и порядок выполнения работы, а также указания по оформлению отчета и контрольные вопросы для проверки знаний студентов. Рассмотрены основные виды параметрических измерительных преобразователей (реостатные, индуктивные и емкостные), их основные характеристики и схемы включения в измерительную цепь. Выполнение лабораторной работы предполагает определение основных метрологических характеристик (функция преобразования, чувствительность, основная погрешность, погрешность определения чувствительности) рассмотренных измерительных преобразователей, а также овладение методикой измерения неэлектрических величин с помощью измерительных преобразователей и нахождения погрешностей определения значений неэлектрических величин.

УДК 621.317.7 + 006.91 (075.8)

ББК 30.10 я 73

1 Цель работы

1.1 Изучение принципа действия, конструкции и основных характеристик реостатных, емкостных и индуктивных измерительных преобразователей неэлектрических величин в электрические.

1.2 Изучение методов измерения неэлектрических величин с помощью реостатных, емкостных и индуктивных измерительных преобразователей.

1.3 Практическое определение основных характеристик измерительных преобразователей и измерение с их помощью линейных и угловых перемещений.

2 Краткие сведения из теории

Особенностью современных измерений является необходимость определения значений множества физических величин, среди которых большую часть составляют неэлектрические величины. Для измерения неэлектрических величин широко используются электрические средства измерений, что обусловлено рядом их существенных достоинств. К ним относятся высокая точность измерения, высокие чувствительность и быстродействие средств измерений, возможность проведения дистанционных измерений, автоматического преобразования измерительной информации, автоматического управления процессом измерения и т.п. Особенностью электрических средств измерений, предназначенных для измерения неэлектрических величин, является обязательное наличие первичного измерительного преобразователя неэлектрической величины в электрическую.

Первичный измерительный преобразователь устанавливает однозначную функциональную связь между выходной электрической величиной Y и входной неэлектрической величиной Х: Y = f ( X ).

В зависимости от вида выходного сигнала первичные измерительные преобразователи подразделяются на параметрические и генераторные.

В параметрических измерительных преобразователях выходной величиной является параметр электрической цепи: сопротивление R, индуктивность L, взаимная индуктивность M или емкость C. При использовании параметрических измерительных преобразователей всегда необходим дополнительный источник питания, энергия которого используется для образования выходного сигнала преобразователя.

В генераторных измерительных преобразователях выходными величинами являются ЭДС, ток, напряжение, или заряд. При использовании генераторных измерительных преобразователей вспомогательные источники питания применяются только для усиления полученного сигнала.

По принципу действия параметрические измерительные преобразователи подразделяются на реостатные, тензочувствительные (тензорезисторы), термочувствительные (терморезисторы, термисторы), емкостные, индуктивные, ионизационные.

Зависимость выходной величины измерительного преобразователя Y от входной величины X, описываемая выражением Y = f (X ), называется функцией преобразования. Часто выходная величина преобразователя Y зависит не только от входной измеряемой величины X , но и от некоторого внешнего фактора Z . Поэтому в общем виде функцию преобразования можно представить функциональной зависимостью: Y = f (X , Z ).

При разработке измерительных преобразователей неэлектрических величин стремятся получить линейную функцию преобразования. Для описания линейной функции преобразования достаточно задать два параметра: начальное значение выходной величины Y 0 (нулевой уровень), соответствующее нулевому или иному начальному значению входной величины X, и параметр S, характеризующий наклон функции преобразования.

В этом случае функция преобразования может быть представлена в следующем виде:

Параметр S, характеризующий наклон функции преобразования, называется чувствительностью преобразователя. Чувствительность преобразователя  это отношение изменения выходной величины измерительного преобразователя ΔY к вызвавшему его изменению входной величины ΔX:

. (2)

Чувствительность преобразователя является величиной, имеющей размерность, причем размерность зависит от природы входной и выходной величин. Для реостатного преобразователя, например, чувствительность имеет размерность Ом/мм, для термоэлектрического преобразователя  мВ/К, для фотоэлемента  мкА/лм, для двигателя  об/(сВ) или Гц/В, для гальванометра  мм/мкА и т. д.

Важнейшей проблемой при проектировании и использовании измерительного преобразователя является обеспечение постоянства его чувствительности. Чувствительность должна как можно меньше зависеть от значений входной величины Х (в этом случае функция преобразования линейна), скорости изменения X, времени работы преобразователя, а также воздействия других физических величин, характеризующих не сам объект, а его окружение (такие величины называются влияющими). При нелинейной функции преобразования чувствительность зависит от значений входной величины: S = S (X ) .

Диапазон значений неэлектрических величин, преобразуемых с помощью измерительного преобразователя, ограничивается с одной стороны пределом преобразования, а с другой – порогом чувствительности.

Предел преобразования преобразователя – это максимальное значение входной величины, которое может быть воспринято преобразователем без его повреждения или искажения функции преобразования.

Порог чувствительности – это минимальное изменение значения входной величины, способное вызвать заметное изменение выходной величины преобразователя.

Соотношение Y = f (X) выражает в общей теоретической форме физические законы, положенные в основу работы преобразователей. На практике функция преобразования определяется экспериментально в численной форме в результате градуировки преобразователя. В этом случае для ряда точно известных значений X измеряют соответствующие значения Y, что позволяет построить градуировочную кривую (рисунок 1,а ). Используя построенную градуировочную кривую, по полученным в результате измерения значениям электрической величины Y можно найти соответствующие значения искомой неэлектрической величины X (рисунок 1,б ).

а – построение градуировочной кривой по измеренным значениям величин Х и Y;

б  использование градуировочной кривой для определения входной величины Х

Рисунок 1  Градуировочная характеристика измерительного преобразователя

Важнейшей характеристикой любого измерительного преобразователя является его основная погрешность , которая обусловлена принципом действия, несовершенством конструкции преобразователя или технологии его изготовления и проявляется при нормальных значениях влияющих величин или нахождении их в пределах области нормальных значений.

Основная погрешность измерительного преобразователя может иметь несколько составляющих, обусловленных:

Неточностью образцовых средств измерений, с помощью которых проводилось определение функции преобразования;

Отличием реальной градуировочной характеристики от номинальной функции преобразования; приближенным (табличным, графическим, аналитическим) выражением функции преобразования;

Неполным совпадением функции преобразования при возрастании и убывании измеряемой неэлектрической величины (гистерезис функции преобразования);

Неполной воспроизводимостью характеристик измерительного преобразователя (чаще всего чувствительности).

При градуировке серии однотипных преобразователей оказывается, что их характеристики несколько отличаются друг от друга, занимая некоторую полосу. Поэтому в паспорте измерительного преобразователя приводится некоторая средняя характеристика, называемая номинальной. Разности между номинальной (паспортной) и реальной характеристиками преобразователя рассматриваются как его погрешности.

Градуировка измерительного преобразователя (определение реальной функции преобразования) производится с использованием средств измерений неэлектрических и электрических величин. В качестве примера на рисунке 2 представлена структурная схема установки для градуировки реостатного преобразователя. В качестве средства измерения линейного перемещения (неэлектрической величины) используется линейка, а средства измерения электрической величины – активного сопротивления – цифровой измеритель L, C, R E7-8.

Рисунок 2 – Структурная схема установки для градуировки реостатного преобразователя

Процесс градуировки преобразователя заключается в следующем. С помощью механизма перемещения подвижный контакт (движок) реостатного преобразователя последовательно устанавливается на оцифрованные отметки шкалы линейки, и на каждой отметке производится измерение активного сопротивления преобразователя с помощью прибора Е7-8. Измеренные значения линейного перемещения и активного сопротивления заносятся в градуировочную таблицу 1.

Таблица 1

В этом случае получаем функцию преобразования измерительного преобразователя, заданную в табличной форме. Для получения графического изображения функции преобразования необходимо воспользоваться рекомендациями, приведенными на рисунке 1,а .

Следует, однако, иметь в виду, что измерение линейного перемещения и активного сопротивления произведено с погрешностью, обусловленной инструментальными погрешностями используемых средств измерений. В связи с этим и определение функции преобразования было произведено также с некоторой погрешностью (рисунок 3).

Рисунок 3 – Погрешности определения функции преобразования

Поскольку чувствительность преобразователя S , задаваемая наклоном функции преобразования, определяется по формуле (2), то расчет погрешности определения чувствительности преобразователя Δ S должен проводиться на основе алгоритма расчета погрешности результата косвенного измерения. В общем виде расчетная формула для Δ S выглядит следующим образом:

где
,

Δ y 1 и Δ y 2 – погрешности определения выходных величин y 1 и y 2 ,

Δ x 1 и Δ x 2 – погрешности определения входных величин x 1 и x 2 .

Дополнительные погрешности измерительного преобразователя, обусловленные его принципом действия, несовершенством конструкции и технологии изготовления, проявляются при отклонении влияющих величин от нормальных значений.

Кроме рассмотренных выше характеристик, измерительные преобразователи неэлектрических величин в электрические характеризуются: вариацией выходного сигнала, выходным полным сопротивлением, динамическими характеристиками . К важнейшим техническим характеристикам также относятся: габариты, масса, устойчивость к механическим, тепловым, электрическим и другим перегрузкам, надежность, удобство монтажа и обслуживания, взрывобезопасность, стоимость изготовления и т.п. .

Измерительные преобразователи различаются по принципу преобразования сигнала .

В случае аналогового прямого преобразования (рисунок 4) измеряемая неэлектрическая величина X подается на вход первичного измерительного преобразователя (ПИП). Выходная электрическая величина Y преобразователя измеряется электрическим измерительным прибором (ЭИП), в состав которого входят измерительный преобразователь и индикаторное устройство.

Рисунок 4  Блок-схема прибора с аналоговым прямым преобразованием измеряемой неэлектрической величины

В зависимости от рода выходной величины и требований, предъявляемых к прибору, электрический измерительный прибор может быть различной степени сложности. В одном случае это  магнитоэлектрический милливольтметр, а в другом  цифровой измерительный прибор. Обычно шкалу индикаторного устройства ЭИП градуируют в единицах измеряемой неэлектрической величины. Измеряемая неэлектрическая величина может неоднократно преобразовываться для согласования пределов ее измерения с пределами преобразования ПИП и получения более удобного для ПИП вида входного воздействия. Для выполнения подобных преобразований в прибор вводят предвари тельные преобразователи неэлектрических величин в неэлектрические.

При большом количестве промежуточных преобразователей в приборах прямого преобразования существенно возрастает суммарная погрешность. Для снижения погрешности применяют дифференциальные из мерительные преобразователи, которые имеют меньшую аддитивную погрешность, менее нелинейную функцию преобразования и более высокую чувствительность по сравнению с устройствами прямого преобразования.

На рисунке 5 показана структурная схема прибора с дифференциальным измерительным преобразователем (ДИП). Преобразователь включает в себя дифференциальное звено ДЗ с двумя выходами, два канала преобразования (П1 и П2) и вычитающее устройство ВУ. При изменении входной измеряемой величины x от начального значения x 0 до значения (x 0 + Δx) выходные величины x 1 и x 2 на выходе ДЗ получают приращения с разными знаками. После их преобразования в П1 и П2 значения на выходе преобразователей y 1 и y 2 вычитаются. В результате выходная величина ДИП (y = y 1 -y 2), поступающая на измерительный механизм ИМ, пропорциональна только приращению Δx измеряемой неэлектрической величины.

Рисунок 5 – Блок-схема прибора с дифференциальным преобразованием измеряемой неэлектрической величины

В приборах с преобразованием, основанным на принципе компенсации (уравновешивания) в устройстве сравнения УС преобразователя происходит сопоставление измеряемой величины и однородной ей изменяемой величины, создаваемой узлом обратной связи УОС (рисунок 6) Сравнение величин производится до их полного уравновешивания. В качестве узлов обратной связи используются обратные преобразователи, преобразующие электрическую величину в неэлектрическую (например, лампы накаливания, электромеханические преобразователи и др.).

Рисунок 6 – Блок-схема прибора с компенсационным измерительным преобразователем

Приборы компенсационного сравнения по сравнению с приборами прямого преобразования позволяют получить более высокую точность, большее быстродействие, меньше потребляют энергии от объекта исследования.

Электрические приборы для измерения неэлектрических величин могут быть как аналоговыми, так и цифровыми .

Реостатные преобразователи

Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины – линейного или углового перемещения. Реостатный преобразователь представляет собой реостат (каркас с нанесенной на него проволочной обмоткой), подвижный контакт которого совершает линейное или угловое перемещение под воздействием измеряемой неэлектрической величины. Схематические изображения некоторых конструкций реостатных преобразователей приведены на рисунке 6, а-в. Габариты преобразователя определяются предельными значениями измеряемого перемещения, сопротивлением обмотки и электрической мощностью, рассеиваемой в обмотке. Для получения нелинейной функции преобразования применяют функциональные реостатные преобразователи. Нужный вид функции преобразования достигается профилированием каркаса преобразователя (рисунок 6, в ).

В реостатных преобразователях статическая характеристика преобразования имеет ступенчатый характер, поскольку сопротивление изменяется скачками, равными сопротивлению одного витка. Это вызывает появление соответствующей погрешности, максимальное значение которой можно представить в виде:

, (4)

где R  максимальное сопротивление одного витка;

R  полное сопротивление преобразователя.

В реохордных преобразователях, в которых подвижный контакт скользит вдоль оси проволоки, этой погрешности можно избежать.

Реостатные преобразователи включают в измерительные цепи в виде равновесных и неравновесных мостов, делителей напряжения и т.д.

Рисунок 7 – Реостатные измерительные преобразователи

Основными недостатками реостатных преобразователей являются наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших его перемещений, а иногда и значительного усилия для перемещения. К достоинствам относятся простота конструкции и возможность получения значительных по уровню выходных сигналов.

Применяют реостатные преобразователи для измерения сравнительно больших линейных и угловых перемещений, а также других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (усилие, давление и т.п.).

Индуктивные преобразователи

Принцип действия индуктивных преобразователей основан на зависимости собственной или взаимной индуктивностей обмоток на магнитопроводе от взаимного положения, геометрических размеров и магнитного сопротивления элементов магнитной цепи. Из электротехники известно, что индуктивность L обмотки, расположенной на магнитном сердечнике (магнитопроводе), определяется выражением:

, (5)

где Z M  магнитное сопротивление магнитопровода;

w  число витков обмотки.

Взаимная индуктивность M двух обмоток, расположенных на одном магнитопроводе c магнитным сопротивлением Z M , определяется как

, (6)

где w 1 и w 2  число витков первой и второй обмоток.

Магнитное сопротивление определяется выражением:

, ` (7)

где	 активная составляющая магнитного сопротивления;
l i , S i ,  i	 соответственно длина, площадь поперечного сечения и относительная магнитная проницаемость i-го участка магнитопровода;
	 магнитная постоянная;
	 длина и площадь поперечного сечения воздушного участка магнитной цепи;
	 реактивная составляющая магнитного сопротивления;
	 потери мощности в магнитопроводе, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом;
	 угловая частота;
	 магнитный поток в магнитопроводе.

Приведенные соотношения показывают, что индуктивность и взаимную индуктивность можно изменять, меняя длину δ или сечение S воздушного участка магнитной цепи, потери мощности Р в магнитопроводе и т. д.

На рисунке 8 схематически показаны различные типы индуктивных преобразователей. Изменение взаимной индуктивности может быть достигнуто, например, перемещением подвижного сердечника (якоря) 1 относительно неподвижного сердечника 2, введением немагнитной металлической пластины 3 в воздушный зазор (рисунок 8 а ).

Рисунок 8 – Индуктивные измерительные преобразователи

Индуктивный преобразователь с переменной длиной воздушного зазора  (рисунок 8,б ) характеризуется нелинейной зависимостью L = f ( ). Такой преобразователь имеет высокую чувствительность и обычно применяется при перемещении якоря магнитопровода в пределах от 0,01  5 мм.

Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью функции преобразования L = f (S ) отличаются преобразователи с переменным сечением воздушного зазора (рисунок 8, в ). Такие преобразователи используют при измерении перемещений до 10  15 мм.

Широко распространение получили индуктивные дифференциальные преобразователи (рисунок 8, г ), в которых подвижный якорь помещен между двумя неподвижными сердечниками с обмотками. При перемещении якоря под воздействием измеряемой величины одновременно и с различными знаками изменяются длины δ 1 и δ 2 воздушных зазоров преобразователя, при этом индуктивность одной обмотки будет возрастать, а другой – уменьшаться. Дифференциальные преобразователи применяются в сочетании с мостовыми измерительными схемами. По сравнению с недифференциальными преобразователями они имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность функции преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов.

Для преобразования сравнительно больших перемещений (до 50 - 100 мм) применяют трансформаторные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью (рисунок 8, д ).

Если ферромагнитный сердечник преобразователя подвергать механическому воздействию силой F, то вследствие изменения магнитной проницаемости материала сердечника изменится магнитное сопротивление цепи, что также повлечет изменение индуктивности L и взаимной индуктивности М обмоток. На этой зависимости основан принцип действия магнитоупругих преобразователей (рисунок 8,е ).

Индуктивные преобразователи используют для измерения линейных и угловых перемещений, а также других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (усилие, давление, момент сил и т.п.). Конструкция преобразователя определяется диапазоном измеряемых перемещений. Габариты преобразователя выбираются, исходя из необходимой мощности выходного сигнала.

Для измерения выходного параметра индуктивных преобразователей наибольшее применение получили мостовые (равновесные и неравновесные) и генераторные измерительные цепи, а также цепи с использованием резонансных контуров, которые обладают наибольшей чувствительностью вследствие большой крутизны функции преобразования.

По сравнению с другими преобразователями перемещения индуктивные преобразователи отличаются значительными по мощности выходными сигналами, простотой и надежностью в работе.

Их основными недостатками являются: обратное воздействие на исследуемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотные характеристики прибора.

Емкостные преобразователи

Принцип действия емкостных измерительных преобразователей основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и диэлектрической проницаемости среды между ними.

Электрическая емкость плоского конденсатора с двумя обкладками описывается выражением:

, (8)

Из данного выражения видно, что емкостной преобразователь может быть построен на основе использования зависимостей С = f ( ), С = f (S ) или C = f ( ).

На рисунке 9 схематически показано устройство различных емкостных преобразователей.

Рисунок 9 – Емкостные измерительные преобразователи

Преобразователь на рисунке 9, а представляет собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины X относительно неподвижной пластины. Статическая характеристика преобразователя, использующего зависимость С = f ( ) является нелинейной. Чувствительность преобразователя возрастает с уменьшением расстояния между обкладками . Такие преобразователи используют для измерения малых перемещений (менее 1 мм).

Применяют также дифференциальные емкостные преобразователи (рисунок 9, б ), у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины. При воздействии измеряемой величины X у этих преобразователей одновременно изменяются емкости С1 и С2.

На рисунке 9, в показан дифференциальный емкостной преобразователь с переменной активной площадью пластин, в котором используется зависимость С = f (S ) . Преобразователи с такой конструкцией используют для измерения сравнительно больших перемещений. В этих преобразователях требуемая характеристика преобразования легко может быть получена путем профилирования пластин.

Преобразователи с использованием зависимости С = f ( ) применяют для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т.п. В качестве примера на рисунке 9, г приведено устройство преобразователя емкостного уровнемера. Емкость между электродами, опущенными в сосуд, зависит от уровня жидкости.

Для измерения выходного параметра емкостных измерительных преобразователей применяют мостовые, генераторные измерительные цени и цепи с использованием резонансных контуров. Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, которые способны реагировать на линейные перемещения порядка 10 мкм. Цепи с емкостными преобразователями обычно питают током повышенной частоты (до десятков МГц).

Термометры сопротивления. Термометры сопротивления как и термопары, предназначены для измерения температуры газообразных, твердых и жидких тел, а также температуры поверхности. Принцип действия термометров основан на использовании свойства металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с температурой. Для проводников из чистых металлов эта зависимость в области температур от –200 °С до 0 °С имеет вид:

R t =R 0 ,

а в области температур от 0 °С до 630 °С

R t =R 0 ,

где R t , R 0 - сопротивление проводника при температуре t и 0 °С; А, В, С - коэффициенты; t - температура, °С.

В диапазоне температур от 0 °С до 180 °С зависимость сопротивления проводника от температуры описывается приближенной формулой

R t =R 0 ,

где α - температурный коэффициент сопротивления материала проводника (ТКС).

Для проводников из чистого металла α≈ 6-10 -3 ...4-10 -3 град -1 .

Измерение температуры термометром сопротивления сводится к измерению его сопротивления R t , с последующим переходом к температуре по формулам или градуировочным таблицам.

Различают проволочные и полупроводниковые термометры сопротивления. Проволочный термометр сопротивления представляет собой тонкую проволоку из чистого металла, закрепленную на каркасе из температуростойкого материала (чувствительный элемент), помещенную в защитную арматуру (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Чувствительный элемент термометра сопротивления

Выводы от чувствительного элемента подведены к головке термометра. Выбор для изготовления термометров сопротивления проволок из чистых металлов, а не сплавов, обусловлен тем, что ТКС чистых металлов больше, чем ТКС сплавов и, следовательно, термометры на основе чистых металлов обладают большей чувствительностью.

Промышленностью выпускаются платиновые, никелевые и медные термометры сопротивления. Для обеспечения взаимозаменяемости и единой градуировки термометров стандартизованы величины их сопротивления R 0 и ТКС.

Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) представляют собой бусинки, диски или стержни из полупроводникового материала с выводами для подключения в измерительную цепь.

Промышленность серийно выпускает множество типов термисторов в различном конструктивном оформлении.

Размеры термисторов, как правило, малы - около нескольких миллиметров, а отдельные типы десятых долей миллиметра. Для предохранения от механических повреждений и воздействия среды термисторы защищаются покрытиями из стекла или эмали, а также металлическими чехлами.

Термисторы обычно имеют сопротивление от единиц до сотен килоом; их ТКС в рабочем диапазоне температур на порядок больше, чем у проволочных термометров. В качестве материалов для рабочего тела термисторов используют смеси оксидов никеля, марганца, меди, кобальта, которые смешивают со связующим веществом, придают ему требуемую форму и спекают при высокой температуре. Применяют термисторы для измерения температур в диапазоне от -100 до 300°С. Инерционность термисторов сравнительно невелика. К числу их недостатков следует отнести нелинейность температурной зависимости сопротивления, отсутствие взаимозаменяемости из-за большого разброса номинального сопротивления и ТКС, а также необратимое изменение сопротивления во времени.

Для измерения в области температур, близких к абсолютному нулю, применяются германиевые полупроводниковые термометры.

Измерение электрического сопротивления термометров производится с помощью мостов постоянного и переменного тока или компенсаторов. Особенностью термометрических измерений является ограничение измерительного тока с тем, чтобы исключить разогрев рабочего тела термометра. Для проволочных термометров сопротивления рекомендуется выбрать такой измерительный ток, чтобы мощность, рассеиваемая термометром, не превышала 20 ... 50 мВт. Допустимая рассеиваемая мощность в термисторах значительно меньше и ее рекомендуется определять экспериментально для каждого термистора.

Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы). В конструкторской практике часто необходимы измерения механических напряжений и деформаций в элементах конструкций. Наиболее распространенными преобразователями этих величин в электрический сигнал являются тензорезисторы. В основе работы тензорезисторов лежит свойство металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление под действием приложенных к ним сил. Простейшим тензорезистором может быть отрезок проволоки, жестко сцепленный с поверхностью деформируемой детали. Растяжение или сжатие детали вызывает пропорциональное растяжение или сжатие проволоки, в результате чего изменяется ее электрическое сопротивление. В пределах упругих деформаций относительное изменение сопротивления проволоки связано с ее относительным удлинением соотношением

ΔR/R=K Τ Δl/l,

где l, R - начальные длина и сопротивление проволоки; Δl , ΔR - приращение длины и сопротивления; K Τ - коэффициент тензочувствительности.

Величина коэффициента тензочувствительности зависит от свойств материала, из которого изготовлен тензорезистор, а также от способа крепления тензорезистора к изделию. Для металлических проволок из различных металлов K Τ = 1... 3,5.

Различают проволочные и полупроводниковые тензорезисторы. Для изготовления проволочных тензорезисторов применяются материалы, имеющие достаточно высокий коэффициент тензочувствительности и малый температурный коэффициент сопротивления. Наиболее употребительным материалом для изготовления проволочных тензорезисторов является константановая проволока диаметром 20 ... 30 мкм.

Конструктивно, проволочные тензорезисторы представляют собой решетку, состоящую из нескольких петель проволоки, наклеенных на тонкую бумажную (или иную) подложку (рис. 5.5). В зависимости от материала подложки тензорезисторы могут работать при температурах от -40 до +400 °С.

Рис. 5.5. Тензометр

Существуют конструкции тензорезисторов, прикрепляемых к поверхности деталей с помощью цементов, способные работать при температурах до 800 °С.

Основными характеристиками тензорезисторов являются номинальное сопротивление R, база l и коэффициент тензочувствительности K Τ . Промышленностью выпускается широкий ассортимент тензорезисторов с величиной базы от 5 до 30мм, номинальными сопротивлениями от 50 до 2000 Ом, с коэффициентом тензочувствительности 2±0,2.

Дальнейшим развитием проволочных тензорезисторов являются фольговые и пленочные тензорезисторы, чувствительным элементом которых являются решетка из полосок фольги или тончайшая металлическая пленка, наносимые на подложки на лаковой основе.

Тензорезисторы выполняются, на основе полупроводниковых материалов. Наиболее сильно тензоэффект выражен у германия, кремния и др. Основным отличием полупроводниковых тензорезисторов от проволочных является большое (до 50 %) изменение сопротивления при деформации благодаря большой величине коэффициента тензочувствительности.

Индуктивные преобразователи. Индуктивные преобразователи применяются для измерения перемещений, размеров, отклонений формы и расположения поверхностей. Преобразователь состоит из неподвижной катушки индуктивности с магнитопроводом и якоря, также являющегося частью магнитопровода, перемещающегося относительно катушки индуктивности. Для получения возможно большей индуктивности магнитопровод катушки и якорь выполняются из ферромагнитных материалов. При перемещении якоря (связанного, например, со щупом измерительного устройства) изменяется индуктивность катушки и, следовательно, изменяется ток, протекающий в обмотке. На рис. 5.6 приведены схемы индуктивных преобразователей с переменным воздушным зазором d (рис. 5.6а ) применяемых для измерения перемещения в пределах 0,01…10 мм; с переменной площадью воздушного зазора S δ (рис. 5.6б ), применяемых в диапазоне 5 … 20 мм.

Рис. 5.6. Индуктивные преобразователи перемещений

5.2. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) - это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления. Для усилителя напряжения передаточная функция (коэффициент усиления) определяется выражением

Для упрощения конструкторских расчетов предполагается, что идеальный ОУ имеет следующие характеристики.

1. Коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи равен бесконечности.

2. Входное сопротивление R d равно бесконечности.

3. Выходное сопротивление R 0 = 0.

4. Ширина полосы пропускания равна бесконечности.

5. V 0 = 0 при V 1 = V 2 (отсутствует напряжение смещения нуля).

Последняя характеристика очень важна. Так как V 1 -V 2 = V 0 / А, то если V 0 имеет конечное значение, а коэффициент А бесконечно велик (типичное значение 100000) будем иметь

V 1 - V 2 = 0 и V 1 = V 2.

Поскольку входное сопротивление для дифференциального сигнала(V 1 - V 2)

также очень велико, то можно пренебречь током через R d .Эти два допущения существенно упрощают разработку схем на ОУ.

Правило1. При работе ОУ в линейной области на двух его входах действуют одинаковые напряжения.

Правило2. Входные токи для обоих входов ОУ равны нулю.

Рассмотрим базовые схемные блоки на ОУ. В большинстве этих схем ОУ используется в конфигурации с замкнутой петлей обратной связи.

5.2.1. Усилитель с единичным коэффициентом усиления

(повторитель напряжения)

Если в неинвертирующеи усилителе положить R i равным бесконечности, а R f равным нулю, то мы придем к схеме, изображенной на рис. 5.7.

Согласно правилу 1, на инвертирующем входе ОУ тоже действует входное напряжение V i , которое непосредственно передается на выход схемы. Следовательно, V 0 = V i , и выходное напряжение отслеживает (повторяет) входное напряжение. У многих аналого-цифровых преобразователей входное сопротивление зависит от значения аналогичного входного сигнала. С помощью повторителя напряжения обеспечивается постоянство входного сопротивления.

5.2.2. Сумматоры

Инвертирующий усилитель может суммировать несколько входных напряжений. Каждый вход сумматора соединяется с инвертирующим входом ОУ через взвешивающий резистор. Инвертирующий вход называется суммирующим узлом, поскольку здесь суммируются все входные токи и ток обратной связи. Базовая принципиальная схема суммирующего усилителя представлена на рис. 5.8.

Как и в обычном инвертирующем усилителе, напряжение на инвертирующем входе должно быть равно нулю, следовательно, равен нулю и ток, втекающий в ОУ. Таким образом,

i f = i 1 + i 2 + . . . + i n

Так как на инвертирующем входе действует нулевое напряжение, то после соответствующих подстановок, получаем

V 0 = -R f ( +. . . + ).

Резистор R f определяет общее усиление схемы. Сопротивления R 1, R 2, . . . R n задают значения весовых коэффициентов и входных сопротивлений соответ-ствующих каналов.

5.2.3. Интеграторы

Интегратор – это электронная схема, которая вырабатывает выходнойсигнал, пропорциональный интегралу (по времени) от входного сигнала.

На рис. 5.9 показана принципиальная схема простого аналогового интегратора.Один вывод интегратора присоединен к суммирующему узлу, а другой – к выходу интегратора. Следовательно, напряжение на конденсоторе одновре-менно является выходным напряжением. Выходной сигнал интегратора не удается описать простой алгебраической зависимостью, поскольку при фикси-рованном входном напряжении выходное напряжение изменяется со скорос-тью, определяемом параметрами V i ,R и C. Таким образом, для того, чтобы найти выходное напряжение, нужно знать длительность действия входного сигнала. Напряжение на первоначально разряженном конденсаторе

где i f – через конденсатор и t i - время интегрирования. Для положительного

Vi имеем i i = V i /R. Поскольку i f = i i , то с учетом инверсии сигнала получаем

Из этого соотношения следует, что V 0 определяется интегралом (с обратным знаком) от входного напряжения в интервале от 0 до t 1 , умноженным на масштабный коэффициент 1/RC. Напряжение V ic - это напряжение на конденсаторе в начальный момент времени (t = 0).

5.2.4. Дифференциаторы

Дифференциатор вырабатывает выходной сигнал, пропорциональный скорости изменения во времени входного сигнала. На рис. 5.10 показана принципиальная схема простого дифференциатора.

Ток через конденсатор .

Если производная положительна, ток i i течет в таком направлении, что формируется отрицательное выходное напряжение V 0.

Таким образом,

Этот метод дифференцирования сигнала кажется простым, но при его практической реализации возникают проблемы с обеспечением устойчивости схемы на высоких частотах. Не всякий ОУ пригоден для использования в дифференциаторе. Критерием выбора является быстродействие ОУ: нужно выбирать ОУ с высокой максимальной скоростью нарастания выходного напряжения и высоким значением произведения коэффициента усиления на ширину полосы. Хорошо работают в дифференциаторах быстродействующие ОУ на полевых транзисторах.

5.2.5. Компараторы

Компаратор – это электронная схема, которая сравнивает два входных напряжения и вырабатывает выходной сигнал, зависящий от состояния входов. Базовая принципиальная схема компаратора показана на рис. 5.11.

Как видим, здесь ОУ работает с разомкнутой петлей обратной связи. На один из его входов подается опорное напряжение, на другой – неизвестное (сравниваемое) напряжение. Выходной сигнал компаратора указывает: выше или ниже уровня опорного напряжения находится уровень неизвестного входного сигнала. В схеме на рис.5.11 опорное напряжение V r подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующий вход поступает неизвестный сигнал V i .

При V i > V r на выходе компаратора устанавливается напряжение V 0 = - V r (отрицательное напряжение насыщения). В противоположном случае получаем V 0 = +V r .Можно поменять местами входы – это приведет к инверсии выходного сигнала.

5.3. Коммутация измерительных сигналов

В информационно-измерительной технике при реализации аналоговых измерительных преобразований часто приходится осуществлять электрические соединения между двумя и более точками измерительной схемы с целью вызвать необходимый переходный процесс, рассеять запасенную реактивным элементом энергию (например, разрядить конденсатор), подключить источник питания измерительной цепи, включить ячейку аналоговой памяти, взять выборку непрерывного процесса при дискретизации и т. д. Кроме того, многие измерительные средства осуществляют измерительные преобразования последовательно над большим числом электрических величин, распределенных в пространстве. Для реализации сказанного используются измерительные коммутаторы и измерительные ключи.

Измерительным коммутатором называется устройство, которое преобразует пространственно разнесенные аналоговые сигналы в сигналы, разделенные во времени, и наоборот.

Измерительные коммутаторы аналоговых сигналов характеризуются следующими параметрами:

динамическим диапазоном коммутируемых величин;

погрешностью коэффициента передачи;

быстродействием (частотой переключении или временем, необходимым для выполнения одной коммутационной операции);

числом коммутируемых сигналов;

предельным числом переключений (для коммутаторов с контактными измерительными ключами).

В зависимости от типа используемых в коммутаторе измерительных ключей различаются контактные и бесконтактные коммутаторы .

Измерительный ключ представляет собой двухполюсник с явно выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Переход ключа из одного состояния (закрытого) в другое (открытое) выполняется с помощью управляющего элемента.

5.4. Аналого-цифровое преобразование

Аналого-цифровое преобразование составляет неотъемлемую часть измерительной процедуры. В показывающих приборах эта операция соответствует считыванию числового результата экспериментатором. В цифровых и процессорных измерительных средствах аналого-цифровое преобразование выполняется автоматически, а результат либо поступает непосредственно на индикацию, либо вводится в процессор для выполнения последующих измерительных преобразований в числовой форме.

Методы аналого-цифрового преобразования в измерениях разработаны глубоко и основательно и сводятся к представлению мгновенных значений входного воздействия в фиксированные моменты времени соответствующей кодовой комбинацией (числом). Физическую основу аналого-цифрового преобразования составляет стробирование и сравнение с фиксированными опорными уровнями. Наибольшее распространение получили АЦП поразрядного кодирования, последовательного счета, следящего уравновешивания и некоторые другие. К вопросам методологии аналого-цифрового преобразования, которые связаны с тенденциями развития АЦП и цифровых измерений на ближайшие годы относятся, в частности:

Устранение неоднозначности считывания в наиболее быстродействующих АЦП сопоставления, получающих все большее распространение с развитием интегральной технологии;

Достижение устойчивости к сбоям и улучшение метрологических характеристик АЦП на основе избыточной системы счисления Фибоначчи;

Применение для аналого-цифрового преобразования метода статистических испытаний.

5.4.1 Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются неотъемлемой частью автоматических систем контроля управления и регулирования. Кроме того, поскольку по­давляющее большинство измеряемых физических величин являются аналоговыми, а их обработка индикация и регистрация, как правило, осуществляются цифровыми методами, ЦАП и АЦП нашли широкое применение в автоматических средствах измерений. Так, ЦАП и АЦП входят в состав цифровых измерительных приборов (вольтметров, осциллографов, анализаторов спектра, корреляторов и т. п.), программируемых источников питания, дисплеев на электроннолучевых трубках, графопостроителей, радиолокационных систем установок для контроля элементов и микросхем, являются важными компонентами различных преобразователей и генераторов, устройств ввода вывода информации ЭВМ. Широкие перспективы применения ЦАП и АЦП открываются в телеметрии и телевидении. Серийный выпуск малогабаритных и относительно дешевых ЦАП и АЦП даст возможность еще более широкого использования методов дискретно непрерывного преобразования в науке и технике.

Существует три разновидности конструктивно технологического исполнения ЦАП и АЦП: модульное, гибридное и интегральное. При этом доля производства интегральных схем (ИС) ЦАП и АЦП в общем объеме их выпуска непрерывно возрастает, чему в значительной степени способствует широкое распространение микропроцессоров и методов цифровой обработки данных. ЦАП - устройство, которое создает на выходе аналоговый сигнал (напряжение или ток), пропорциональный входному цифровому сигналу. При этом значение выходного сигнала зависит от значения опорного напряжения U оп, определяющего полную шкалу выходного сигнала. Если в качестве опорного напряжения использовать какой либо аналоговый сигнал, то выходной сигнал ЦАП будет пропорционален произведению входных цифрового и анало­гового сигналов.В АЦП цифровой код на выходе определяется отношением пpeобразуемого входного аналогового сигналa к опорному сигналy, соответствующему полной шкале. Это соотношение выполняется и в том случае, если опорный сигнал изменяется по какому-либо за­кону. АЦП можно рассматривать как измеритель отношений или делитель напряжений с цифровым выходом.

5.4.2. Принципы действия, основные элементы и структурные схемы АЦП

В настоящее время разработано большое количество типов АЦП, удовлетворяющее разнообразным требованиям. В одних случаях преобладающим требованием является высокая точность, в других - скорость преобразования.

По принципу действия все существующие типы АЦП можно разделить на две группы: АЦП со сравнением входного преобразуемого сигнала с дискретными уровнями напряжений и АЦП интегрирующего типа.

В АЦП со сравнением входного преобразуемого сигнала с дискретными уровнями напряжений используется процесс преобразования, сущность которого заключается в формировании напряжения с уровнями, эквивалентными соответствующим цифровым кодам, и сравнении этих уровней напряжения с входным напряжением с целью определения цифрового эквивалента входного сигнала. При этом уровни напряжения могут формироваться одновременно, последовательно или комбинированным способом.

АЦП последовательного счета со ступенчатым пилообразным напряжением является одним из простейших преобразователей (рис. 5.12).

По сигналу "Пуск" счетчик устанавливается в нулевое состояние, после чего по мере поступления на его вход тактовых импульсов с частотой f т линейно-ступенчато возрастает выходное напряжение ЦАП.

При достижении напряжением U вых значения U вх схема сравнения прекращает подсчет импульсов в счетчике Сч, а код с выходов последнего заносится в регистр памяти. Разрядность и разрешающая способность таких АЦП определяется разрядностью и разрешающей способностью используемого в его составе ЦАП. Время преобразования зависит от уровня входного преобразуемого на-пряжения. Для входного напряжения, соответствующего значению полной шка-лы, Сч должен быть заполнен и при этом он должен сформировать на входе ЦАП код полной шкалы. Это требует для n- разрядного ЦАП времени преобразования в (2 n - 1) раз больше периода тактовых импульсов. Для быстрого аналого-цифрового преобразования использование подобных АЦП нецелесообразно.

В следящем АЦП (рис. 5.13) суммирующий Сч заменен на реверсивный счетчик РСч, чтобы отслеживать изменяющееся входное напряжение. Выходной сигнал КН определяет направление счета в зависимости от того превышает или нет входное напряжение АЦП выходное напряжение ЦАП.

Перед началом измерений РСч устанавливается в состояние, соответствующее середине шкалы (01 ... 1). Первый цикл преобразования следящего АЦП аналогичен циклу преобразования в АЦП последовательного счета. В дальнейшем циклы преобразования существенно сокращаются, так как данный АЦП успевает отследить малые отклонения входного сигнала за несколько тактовых периодов, увеличивая или уменьшая число импульсов, записанное в РСч, в зависимости от знака рассогласования текущего значения преобразуемого напряжения U вх и выходного напряжения ЦАП.

АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания) нашли наиболее широкое распространение в силу достаточно простой их реализации при одновременном обеспечении высокой разрешающей способ-ности, точности и быстродействия, имеют несколько меньшее быстродействие, но существенно большую разрешающую способность в сравнении с АЦП, реализующими метод параллельного преобразования.

Для повышения быстродействия в качестве управляющего устройства используется распределитель импульсов РИ и регистр последовательного приближения. Сравнение входного напряжения с опорным (напряжением обратной связи ЦАП) ведется, начиная с величины, соответствующей старшему разряду формируемого двоичного кода.

При пуске АЦП с помощью РИ устанавливается в исходное состояние РПП:

1000 . . .0. При этом на выходе ЦАП формируется напряжение, соответствующее половине диапазона преобразования, что обеспечивается включением его старшего разряда. Если входной сигнал меньше, чем сигнал от ЦАП, в следующем такте с помощью РПП на цифровых входах ЦАП формируется код 0100. . . 0, что соответствует включению 2-го по старшинству разряда. В результате выходной сигнал ЦАП уменьшается вдвое.

Если входной сигнал превышает сигнал от ЦАП, в очередном такте обеспечивается формирование кода 0110 ... 0 на цифровых входах ЦАП и включение дополнительного 3-го разряда. При этом выходное напряжение ЦАП, возросшее в полтора раза, вновь сравнивается с входным напряжением и т. д. Описанная процедура повторяется n раз (где n - число разрядов АЦП).

В результате на выходе ЦАП сформируется напряжение, отличающееся от входного не более, чем на единицу младшего разряда ЦАП. Результат преобразования снимается с выхода РПП.

Достоинством данной схемы является возможность построения многоразрядных (до 12 разрядов и выше) преобразователей сравнительно высокого быстродействия (с временем преобразования порядка несколько сот наносекунд).

В АЦП непосредственного считывания(параллельного типа) (рис. 5.15) входной сигнал одновременно прикладывается ко входам всех КН, число m которых определяется разрядностью АЦП и равно m = 2 n - 1, где n - число разрядов АЦП. В каждом КН сигнал сравнивается с опорным напряжением, соответствующем весу определенного разряда и снимаемым с узлов резисторного делителя, питаемого от ИОН.

Выходные сигналы КН обрабатываются логическим дешифратором, вырабатывающим параллельный код, являющийся цифровым эквивалентом входного напряжения. Подобные АЦП обладают самым высоким быстродействием. Недостаток таких АЦП заключается в том, что с ростом разрядности количество требуемых элементов практически удваивается, что затрудняет построение многоразрядных АЦП подобного типа. Точность преобразования ограничивается точностью и стабильностью КН и резисторного делителя. Чтобы увеличить разрядность при высоком быстродействии реализуют двухкаскадные АЦП, при этом с выходов второй ступени ДШ снимаются младшие разряды выходного кода, а с выходов ДШ первой ступени - старшие разряды.

АЦП с модуляцией длительности импульса (однотактный интегрирующий)

АЦП характеризуется тем, что уровень входного аналогового сигнала U вх преобразуется в импульс, длительность которого t имп является функцией значения входного сигнала и преобразуется в цифровую форму с помощью подсчета числа периодов опорной частоты, которые укладываются между началом и концом импульса. Выходное напряжение интегратора под действием подклю-

ченного к его входу U оп изменяется от нулевого уровня со скоростью

В момент, когда выходное напряжение интегратора становится равным входному U вх, КН срабатывает, в результате чего заканчивается формирование длительности импульса, в течение которого в счетчиках АЦП происходит подсчет числа периодов опорной частоты. Длительность импульса определяется временем, за которое напряжение U вых изменяется от нулевого уровня до U вх:

Достоинство данного преобразователя заключается в его простоте, а недостатки - в относительно низком быстродействии и низкой точности.

Выходной величиной в параметрических преобразователях является параметр электрической цепи – электрическое сопротивление или его со­ставляющие (R, L, C). Для использования параметрического преобра­зователя необходим дополнительный источник питания, обеспечиваю­щий образование выходного сигнала преобразователя.

К наиболее часто применяемым параметрическим преобразователям относятся реостатные , тензочувствительные (тензорезисторы ), термочувствительные (терморезисторы или термометры сопротивления ), индуктивные , емкостные, оптоэлектронные (фоторезисторы, фотодиоды и др.), ионизационные и др.

Принцип действия реостатных преобразователей основан на измене­нии электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины – механического перемещения. Реостатный преобразователь (рис.3.1) представляет собой реостат, подвижный контакт которого переме­шается под действием измеряемой неэлектрической величины. Обмотку преобразователя изготавливают из сплавов (платина с иридием, константан, нихром, фехраль и др.).

Подобные преобразователи об­ладают статической характеристикой преобразования со ступенчатым характером, поскольку сопротивление измеряется скачками, равными соп­ротивлению одного витка, что вызывает погрешность

где DR – сопротивление одного витка;

R – полное сопротивление преобразователя.

Эта погрешность отсутствует в реохордных преобразователях, в ко­торых щетка скользит вдоль оси проволоки.

Для получения нелинейной функции преобразования приме­няют функциональные реостатные преобразователи. Нужный ха­рактер преобразования часто достигается профилированием кар­каса преобразователя (рис.3.1, в).

Достоинства реостатного преобразователя: относительная просто­та конструкции, возможность получения высокой точности преобразо­вания и значительных по уровню выходных сигналов. Основной недос­таток – наличие скользящего контакта.

Тензоэффект , положенный в основу работы тензорезисторов , заклю­чается в измерении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации.

Если проволоку подвергнуть механическому воздействию, на­пример, растяжению, то сопротивление ее изменится. Относитель­ное изменение сопротивления проволоки

DR/R = S ∙ Dl/l ,

где S – коэффициент тензочувствительности;

Dl/l – относительная де­формация проволоки.

Изменение сопротивления проволоки при механическом воз­действии на нее объясняется изменением геометрических разме­ров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала.

Тензочувствительные проволочные преобразователи представляют собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к подложке проволоку. Преобразователь устанав­ливают таким образом, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с продольной осью проволочной решетки. В качестве материа­ла для преобразователя обычно используют константановую проволоку (у константана – малый температурный коэффициент сопротивления) и для подложки – тонкую бумагу (0,03…0,05 мм) и плёнку лака либо клея (БФ-2, БФ-4, бакелитовый и др.).

Распространение также получили фольговые преобразователи , у которых вместо проволоки используется фольга, и пленочные тензорезисторы , получаемые путем возгонки тензочувствительного матери­ала с последующим осаждением его на подложку.

Достоинства тензорезисторов: линейность статической характерис­тики преобразования, простота конструкции и малые габариты. Основной недостаток – низкая чувствительность.

В тех случаях, когда требуется высокая чувствительность, находят применение полупроводниковые тензочувствительные преобразователи (поли­кристаллические из порошкообразно­го полупроводника и монокристалли­ческие из кристалла кремния). Поскольку чувствительность полупровод­никовых тензорезисторов в десятки раз выше, чем у металлических, и, кроме того, интег­ральная технология позволяет в одном кристалле кремния формировать одно­временно как тензорезисторы, так и микроэлектронный блок обработки, то в последние годы получили преимущественное развитие интегральные полу­проводниковые тензочувствительные преобразователи. Такие элементы реализуются либо по технологии диффузионных резисторов с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки p-n-переходами – технология «крем­ний на кремнии», либо по гетероэпитаксиальной технологии «кремний на диэлектрике» на стеклокерамике, кварце или сапфире. Для тензочувствительных преобразователей, осо­бенно полупроводниковых, сущест­венно влияние температуры на их упругие и электрические характеристики, что требует применения специальных схем температурной компенсации по­грешностей (в частности, с этой целью в расширенной схеме тензомоста ис­пользуются компенсационные резис­торы и терморезисторы). Особенно широкое применение в изготовлении измерительных преобразователей давления в силу сво­их высоких механических, изолирую­щих и теплоустойчивых качеств полу­чила технология КНС – «кремний на сапфире».

Совершенствование технологии изготовления полупроводниковых тензорезисторов создало возможность изготавливать тензоре­зисторы непосредственно на кристаллическом элементе, выполнен­ном из кремния или сапфира. Упругие элементы кристаллических материалов обладают упругими свойствами, приближающимися к идеальным. Сцепление тензорезистора с мембраной за счет молекулярных сил позволяют отказаться от использования клеющих материалов и улучшить метрологические характеристики преобразователей. На рис.3.2, а показана сапфировая мембрана 3 с расположенными на ней однополосковыми тензорезисторами p -ти­па с положительной 1 и отрицательной 2 чувствительностями. По­ложительной чувствительностью обладает тензорезистор, у которо­го отношение >0, если же <0 – чувствительность отри­цательна.

Структура однополоскового тензорезистора приведена на рис.3.2, б. Здесь: 1 – тензорезистор; 2 – защитное покрытие; 3 – металлизирован­ные токоведущие дорожки; 4 – упругий элемент преобразователя (сапфировая мембрана). Тензорезисторы можно рас­полагать на мембране так, что при деформации они будут иметь разные по знаку приращения сопротивления. Это позволяет создавать мостовые схемы, в каждое из плеч которого вклю­чаются тензорезисторы с соответствую­щим значением и даже термоком­пенсационные элементы.

Тензорезисторы при­меняют для измерения деформаций и других неэлектрических величин – усилий, давлений, моментов и т.п.

Принцип действия терморезистора основан на зависимости электрического сопротивления проводников или полупроводников от температуры.По режиму работы терморезисторы различают перегревные и без преднамеренного перегрева . Перегревные ис­пользуют для измерения скорости, плотности, состава среды и др. В перегревных преобразователях электрический ток вызывает перегрев, зависящий от свойств среды. Последние применяются для измерения температуры окружающей среды.

Распространение получили терморезисторы, выполненные из медной или платиновой проволоки. Стандартные платиновые терморезисторы применяют для из­мерения температуры в диапазоне от –260 до +1100 °С, мед­ные – в диапазоне от –200 до +200 °С (ГОСТ 6651–78). Низкотемпературные платиновые терморезисторы (ГОСТ 12877–76) применяют для измерения температуры в пределах от –261 до –183°С.

На рис.3.3, а показано устройство платинового терморези­стора. В каналах керамической трубки 2 расположены две (или четыре) секции спирали 3 из платиновой проволоки, соединенные между собой последовательно.

Рисунок 3.3 − Устройство и внешний вид арматуры платинового

термометра сопротивления

К концам спирали припаивают выводы 4, используемые для включения терморезистора в изме­рительную цепь. Крепление выводов и герметизацию керамиче­ской трубки производят глазурью 1 . Каналы трубки засыпают порошком безводного оксида алюминия, выполняющим роль изо­лятора и фиксатора спирали. Порошок безводного оксида алю­миния, имеющий высокую теплопроводность и малую тепло­емкость, обеспечивает хорошую передачу теплоты и малую инер­ционность терморезистора. Для защиты терморезистора от механических и химических воздействий внешней среды его по­мещают в защитную арматуру (рис.3.3, б) из нержавеющей стали.

Для медных терморезисторов зависимость сопротивления от темпера­туры выражается уравнением

R=R 0 ∙ (1+α t ) при –50 0 С ≤ t ≤ +180 0 С,

где R 0 – сопротивление при t =0 0 С; α = 4,26∙10 –3 К –1 .Для платиновых –

R=R 0 ∙ при 0 0 С ≤ t ≤ +650 0 С,

где А= 3,968∙10 –3 К –1 ; В= 5,847∙10 –7 К –2 ; С =–4,22∙10 –12 К –4 .

Помимо платины и меди, для изготовления терморези­сторов используют никель (в странах дальнего зарубежья).

Для измерения температуры применяют также полупровод­никовые терморезисторы (термисторы и позисторы ) различных типов, кото­рые характеризуются большой чувствительностью (температурный коэффициент сопротивления ТКС термисторов отрицательный и при 20°С в 10–15 раз превышает ТКС меди и платины, ТКС позисторов положительный и несколько хуже) и имеют более высокие сопротивления (до 1 МОм) при весьма малых размерах. Недостаток термисторов – плохая воспроизводимость и нелинейность характеристики преобразования.

Термисторы используются в диапазоне температур от –60 до +120°C.

где R и R 0 – сопротивления терморезистора при температурах соответственно t и t 0 ;

t 0 – начальная температура рабочего диапазона;

В – коэффициент преобразования.

К термочувствительным преобразователям относят также термодиоды и термотранзисторы , у которых при изменении температуры изменяет­ся величина сопротивления р-n перехода. Эти приборы обычно приме­няются в диапазоне от –80° до +150° С. Чаще всего термодиоды и терморезисторы включают в мостовые цепи и измерительные схемы в виде делителей напряжения. К достоинствам таких преобразователей относят высокие чувствительность и надежность, малые габариты, невысокую стоимость и малую инерционность. Основные недостатки: уз­кий диапазон рабочей температуры и плохая воспроизводимость ста­тической характеристики преобразователя.

Принцип действия индуктивных преобразователей основан на зависи­мости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного сос­тояния элементов их магнитной цепи (рис.3.4). На рис.3.4 схематически показаны различные типы индук­тивных преобразователей. Индуктивный преобразователь (рис.3.4, а) с переменной длиной воздушного зазора δ характе­ризуется нелинейной зависимостью L = f (δ). Такой преобразова­тель обычно применяют при перемещениях якоря на 0,01-5 мм.

Рисунок 3.4 − Различные конструкции индуктивных преобразователей

Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимо­стью L = f (s) отличаются преобразователи с переменным сечениемвоздушного зазора (рис.3.4, б). Эти преобразователи используют при перемещениях до 10…15 мм.

Широко распространены индуктивные дифференциальные преобразователи (рис.3.4, в), в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора электромагнитов. Дифференциальные преобразователи в сочетании с соответствующей измерительной цепью (обычно мостовой) имеют более высокую чувствитель­ность, меньшую нелинейность характеристики преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов и сниженное результирующее усилие на якорь со стороны электромагнита, чем недифференциальные преобразователи.

На рис.3.4,г показана схема включения дифференциаль­ного индуктивного преобразователя , у которого выходными вели­чинами являются взаимные индуктивности. Такие преобразова­тели называют взаимно-индуктивными или трансформаторными. При питании первичной обмотки переменным током и при симмет­ричном положении якоря относительно электромагнитов ЭДС на выходных зажимах равна нулю. При перемещении якоря на выходных зажимах появляется ЭДС.

Для преобразования сравни­тельно больших перемещений (до 50…100 мм) применяют трансформаторные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью (рис.3.4, д).

В горной промышленности получили распространение магнитоупругие преобразователи (рис.3.4, е ), действие которых основано на использовании эф­фекта зависимости магнитной проницаемости (магнитного сопротивле­ния цепи) от величины механического воздействия (сжатия или рас­тяжения) на ферромагнитный сердечник преобразователя. Различают магнитоупругие датчики дроссельного и трансформаторного типов. Последние могут контролировать только усилие сжатия, однако обладают большей чувствительностью.

Достоинствами индуктивных и магнитоупругих преобразователей яв­ляются простота и надежность в работе, значительная мощность вы­ходных сигналов. Основными недостатками – обратное воздействие преобразователя на исследуемый объект (воздействие электромагни­та на якорь) и влияние инерции якоря на частотные характеристики прибора.

Принцип действия емкостных преобразователей ос­нован на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от значения диэлектри­ческой проницаемости среды между ними. Они представляют собой конденсаторы различных конструкций, преобразующие механические линейные или угловые пе­ремещения, а также давление, влажность или уровень среды в изме­нение электрической емкости.

в )

Рисунок 3.5 − Различные конструкции емкостных преобразователей

Применяют также дифференциальные преобразователи (рис.3.5, б), у которых имеется одна подвижная и две непод­вижные пластины. При воздействии измеряемой величины х у этих преобразователей одновременно изменяются емкости С 1 и С 2 . Такие преобразователи используют для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм) и угловых перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемую характеристику преобразо­вания путем профилирования пластин.

Преобразователи с использованием зависимости C = f 1 () применяют для измерения уровня жидкостей, влажности ве­ществ, толщины изделий из диэлектриков и т. п. Для примера (рис.3.5, в) приведем устройство емкостного уровнемера . Емкость между электродами, опущенными в сосуд, зависит от уровня жидкости, так как изменение уровня ведет к изменению средней диэлектрической проницаемости среды между электродами. Изменением конфигурации пластин можно получить желаемый характер зависимости показаний прибора от объема (массы) жидкости.

Для измерения выходного параметра емкостных преобразо­вателей применяют мостовые цепи и цепи с использованием резо­нансных контуров. Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, способные реагировать на переме­щения порядка 10 –7 мм. Цепи с емкостными преобразователями обычно питают током повышенной частоты (до десятков мега­герц), что вызвано желанием увеличить сигнал, попадающий в измерительный прибор, и необходимостью уменьшить шунтиру­ющее действие сопротивления изоляции.

Полупроводниковые фоточувствительные преобразователи в качестве чувствительного элемента имеют светочувствительный слой, на­несенный на подложку (стеклянную пластинку). Сопротивление этого слоя обратно пропорционально интенсивности светового потока или мощности источника освещения. Фоторезисторы , фотодиоды и фототранзисторы обладают сравнительно высокой стабильностью, хорошей чувствительностью, но их применение ограничивается при наличии пыли, например угольной, препятствующей нормальной работе.

Действие ионизационных преобразователей основано на явлении ио­низации газа или люминесценции некоторых веществ под действием ионизирующего излучения. В качестве ионизирующих агентов применяют a –, b– и g– лучи радиоактивных веществ, иногда рентгеновские лучи и нейтронное излучение . Выбор типа ионизационного преобразователя зависит во многом от ионизирующего излучения. Гамма–лучи (электромагнитные колебания малой длины волны – 10 –8 …10 –11 см)об­ладают большой проникающей способностью.

Конструкции ионизационных камер и счетчиков разнообразны и зависят от вида излучения. В качестве источников ионизирующего излучения обычно используют кобальт-60, стронций-90, плутоний-239 и др.

Преимущества ионизационных преобразователей – в возможности бес­контактных измерений в агрессивных или взрывоопасных средах, сре­дах, имеющих высокою температуру или находящихся под большим дав­лением. Основной недостаток: необходимость применения биологической защиты при высокой активности источника излучения.

Генераторные преобразователи

В генераторных преобразователях выходной величиной является ЭДС или заряд, функционально связанный с измеряемой неэлектрической величиной.

Рассмотрим наиболее распространенные виды генераторных преобразователей.

Термоэлектрические преобразователи работают на термоэлектричес­ком эффекте, возникающем в цепи термопары : при разности температур в точках 1 и 2 (рис.3.6) соединения двух разнородных проводников в цепи термопары возникает термоЭДС .

Точку соединения проводников (электродов) 1 называют рабочим концом термопары, точки 2 и 2" – свободны­ми концами. Чтобы термоЭДС в цепи термопары однозначно определя­лась температурой рабочего конца, необходимо температуру свободных концов термопары поддерживать одинаковой и не­изменной. Градуировку термоэлектрических термометров произво­дят обычно при температуре сво­бодных концов 0°С. Градуировочные таблицы для стандартных термопар также составлены при условии равенства температуры свободных концов 0°С. При практическом применении термоэлектри­ческих термометров температура свободных концов термопары обычно не равна 0°С и поэтому необходимо вводить поправку.

Тахогенераторы предназначены для измерения угловой скорости вращающихся объектов. Ротор тахогенераторов механически связывают с валом испытуемого элек­тродвигателя или исполнительного механизма, а об угловой скорости w судят по выходной ЭДС генератора.

Из тахогенераторов наибольшее распространение получили тахогенераторы постоянного тока , выпускаемые с постоянными магнитами либо с независимым возбуждением. Область их применения весьма разнообразна: прецизионные тахогенераторы постоянного тока используются в авиации, судостроении, станкостроении, металлургической и других отраслях промышленности. К преимуществам этих датчиков относят достаточно высокую точность и наличие выходного сигнала постоянного тока, удобного для последующей обработки. Основным недостатком этих тахогенераторов является наличие коллекторно-щеточного узла, снижающего надежность работы и долговечность преобразователя.

Синхронные тахогенераторы имеют малое внутреннее сопротивление, что позволяет получить от них достаточно большие мощности. При изменении частоты вращения ротора в синхронных машинах изменяется не только амплитуда выходного напряжения, но и его частота. Благодаря механической устойчивости синхронные тахогенераторы нашли применение в трамваях, локомотивах, крановом хозяйстве и др.

Асинхронные тахогенераторы по конструкции подобны двухфазным асинхронным двигателям. Их роторы обычно выполняют в виде тонкостенного металлического цилиндра. Две обмотки статора тахогенератора сдвинуты на 90° относительно друг друга. К од­ной обмотке подводят напряжение питания, а с измерительной обмот­ки снимают ЭДС. При подаче напряжения питания постоян­ной величины и частоты пульсирующий магнитный поток, пересекая ротор, индуктирует в измерительной обмотке ЭДС, пропорциональную угловой скорости w ротора, приводимого в движение контролируемой машиной или механизмом. Основное достоинство асинхронных тахогенераторов состоит в том, что независимо от частоты вращения ротора ЭДС переменного тока на выходе такого тахогенератора имеет постоянную частоту.

К основным недостаткам тахогенераторов относят ог­раниченный частотный диапазон измеряемых величин. В последние годы тахогенераторы постепенно вытесняются фотоимпульсными и индукционными датчиками, а также специальными интеллектуальными преобразователями – шифраторами углового перемещения (положения) .

В фотоимпульсных датчиках импульсы в оптоэлектронной паре источник излучения – приемник излучения (светодиод – фотопреобразователь) создаются при помощи дисков с прорезями или отверстиями, в некоторых приводах применяют вращающиеся детали машин. В подавляющем большинстве шифраторов положения также используют в качестве чувствительного элемента оптоэлектронную пару.

Импульсы индукционных датчиков создаются под влиянием пульсирующего или знакопеременного магнитного потока. В качестве тела, модулирующего поток, служат специальные зубчатые колеса либо вращающиеся ферромагнитные детали машин.

В пьезоэлектрических преобразователях используется эффект появ­ления электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) под влиянием механичес­ких напряжений.

Рисунок 3.7

Устройство пьезоэлектрического преобразователя для изме­рения переменного давления газа показано на рис.3.7. Давле­ние Р через металлическую мембрану 1 передается на зажатые между металлическими прокладками 2 кварцевые пластинки 3 . Шарик 4 способствует равномерному распределению давления по поверхности кварцевых пластинок. Средняя прокладка соединена с выводом 5 , проходящим через втулку из хорошего изоля­ционного материала. При воздействии давления Р между выводом 5 и корпусом преобразователя возникает разность потенциалов

Практическая работа №4