1.3. Электрические ип

В соответствии с использованной при рассмотрении темы 1.2. (см. рисунок 4) классификацией при изучении данной темы рассматриваем ИП с электрической выходной величиной. Такие ИП могут быть генераторными (активными) и параметрическими (пассивными) (см. п.1.2, стр. 6).

1.3.1. Параметрические ип

Параметрические ИП преобразуют измеряемые величины в параметры электрических цепей (R, C, L, M). Соответственно, такие ИП могут быть разделены на следующие группы: резистивные, емкостные, индуктивные, трансформаторные. Все перечисленные ИП требуют внешнего источника электропитания. Они пассивны, то есть потребляют энергию извне, не генерируют ее. Напряжение питания может быть как переменным, так и постоянным. Причем вопрос о частоте этого питающего напряжения является предметом изучения специализированных курсов.

1.3.1.1. Резистивные ип

Выходной величиной таких преобразователей является активное сопротивление, изменяющееся в зависимости от изменения входной величины ИП. Следует отметить, что только одна из составляющих полного комплексного сопротивления (импеданса) в электрических компонентах не может иметь места. В ряде случаев это необходимо учитывать и для резистивных преобразователей.

1. Реостатный (потенциометрический) ИП: входная величина – линейное или угловое перемещение, выходная величина – электрическое сопротивление, сопротивление распределено по пути движка или линейно, или по некоторой функции (рис, П.3, в).

Приложение 1

Рис. П1. Кольцевой потенциометр непрерывной намотки.

На рисунке П.1 изображен кольцевой потенциометр непрерывной намотки.

На каркасе 1, выполненном из листового изоляционного материала (текстолит, алюминий, пластмасса), размещена обмотка (резистивный элемент) 2 из изолированного провода. По очищенной от изоляции гладкой кромке провода перемещается контакт щетки (сплавы Pt, бронза или покрытия из них) 3, приводимый во вращение осью 4. Движок 5, электрически соединяющий контакт щетки 3 со щеткой 6 токосъемного кольца 7, изолирован от оси вращения 4. Плоский каркас, свернутый в кольцо, обеспечивает преобразуемый угол потенциометра ф~360°. Питающее напряжение U подается на зажимы потенциометра, к которым присоединены концы обмотки, а выходное напряжение снимается между одним из этих зажимов и контактом, соединенным с токосъемным кольцом 7. Если закон распределения сопротивления по длине потенциометра линейный, то сопротивление в режиме работы потенциометра без нагрузки будет изменяться прямо пропорционально углу поворота движка.

Примечание: резистивные ИП преимущественно работают на постоянном токе, но возможен и вариант использования в качестве напряжения питания и переменного тока (при этом вряд ли целесообразно использование переменного тока очень высокой частоты).

Статическая характеристика проволочных потенциометрических ИП является ступенчатой, т.е. у таких ИП имеет место погрешность квантования (см. рис. П.3, б). Естественно она уменьшается с увеличением числа витков (при этом считается, что минимальное число витков проволочного потенциометрического ИП должно составлять 100-200).

Приложение 2

Рис П.2. Схема потенциометра

Выходное напряжение U_вых снимается с резистора R_x и, следовательно, зависит от перемещения движка. Таким образом осуществляется преобразование входной величины (перемещения) в выходную величину (напряжение).

При смещении движка вправо от точки Н на величину х выходное напряжение потенциометра в режиме холостого хода (R_н = ∞):

или с учетом (2.1) для любой заданной функции f(x)

При линейном законе распределения сопротивления по длине потенциометра

где а_х = х/l — относительное перемещение движка (l — длина потенциометра).

Характеристика управления такого потенциометра в режиме холостого хода линейна (рис. П.3, а) и прямая 1 соответствует формуле (2.2). Однако при наличии нагрузки (R_н ≠ ∞) характеристика становится нелинейной (кривые 2), и в работе потенциометра появляются погрешности.

Максимальное сопротивление обмотки линейного потенциометра

где ρ— удельное сопротивление материала провода, Ом-мм²/м; l — средняя длина одного витка намотки, м; w — число витков обмотки; L₀ — длина намотки по каркасу, мм; f = (1,05-М,15) = d₁/d; d₁ и d — диаметры провода соответственно с изоляцией и без изоляции, мм.

Рис. П3 а Рис. П3 б

Повседневно встречающимся примером практического использования реостатного ИП является его использование для контроля уровня топлива в бензобаках автотранспортных средств. Датчик уровня топлива содержит: ЧЭ – поплавок; ИП1 – рычажная система; ИП2 – реостатный ИИ.

2. Тензорезисторы. При построении таких ИП используется явление тензоэффекта: изменение сопротивления под воздействием механического напряжения.

Приложение 3

Тензоэффект различных материалов при деформации растяжения или сжатия характеризуется коэффициентом тензочувствительности:

∆R — приращение сопротивления при изменении длины l на величину ∆l); Е — модуль упругости материала; σ— механическое напряжение.

Коэффициент тензочувствительности показывает, во сколько раз относительное изменение сопротивления σR больше его относительной деформации σl.

Коэффициент тензочувствительности связан с деформацией материала и его удельным сопротивлением следующими выражениями:

где μ— коэффициент Пуассона; σρ — относительное приращение удельного сопротивления ρ материала при деформации; ∆d — величина поперечной деформации; d — поперечный размер материала (круглого или квадратного сечения).

Коэффициент тензочувствительности для металлов, наиболее часто применяемых в тензорезисторах, близок к двум. Так, например, для константана S_T ≈ 2, для нихрома S_T ≈ 2,2, для хромеля S_T ≈ 2,5.

Более высокой тензочувствительностью, чем металлы, обладают полупроводниковые материалы (германий, кремний). Так, например, для германия S_T ≈ 100. Однако полупроводниковые материалы характеризуются малой механической прочностью и более низкой стабильностью по сравнению с металлами.

Тензорезисторы, выполняемые из металлов, разделяются на проволочные и фольговые. Они применяются для измерения деформаций и напряжений в механических конструкциях, а также в качестве чувствительных элементов в манометрах, динамометрах, расходомерах и т. п.

Проволочный тензорезистор (рис. П.4, а) выполняется из проволоки диаметром 0,02 - 0,05 мм с высоким удельным сопротивлением (константан, нихром, элинвар, эдванс и др.), которая укладывается в виде частых петель на тонкой бумаге или изоляционной пленке и приклеивается к ней.

Концы проволоки имеют выводы, при помощи которых тензорезистор подключается к измерительной схеме.

Тензорезистор наклеивается на поверхность испытуемой детали таким образом, чтобы его продольная ось была расположена в направлении измеряемой деформации детали, т. е. чтобы возможные деформации детали происходили вдоль петель резистора. Это позволяет точнее измерять линейные деформации.

Характеристика управления проволочных тензорезисторов в пределах упругой деформации близка к линейной и определяется выражением

Ее линейность достигает 0,1 %. Чувствительность проволочного тензорезистора

Для увеличения чувствительности проволочных тензорезисторов необходимо выбирать материалы с высоким коэффициентом тензочувствительности S_T, большим удельным сопротивлением ρ и малой площадью поперечного сечения s.

Погрешности проволочных тензорезисторов зависят от изменения температуры, сопротивления изоляции, влагостойкости, качества наклеивания и наличия поперечной деформации (для наклеиваемых преобразователей). Изменения температуры могут внести особенно большие погрешности. Это связано как с изменением удельного сопротивления тензорезистора, так и с появлением добавочных механических напряжений из-за разности температурных расширений материалов тензорезисторов и детали, деформация которой измеряется. Поэтому часто применяют тензорезисторы с проволокой из константана, обладающего малым температурным коэффициентом сопротивления.

Рис. П 3, в Рис. П 4

Максимальный ток через проволочный тензорезистор ограничивается допустимой мощностью, определяемой выражением (2.4). В данном случае поверхность охлаждения:

где р и l — соответственно периметр и длина проволоки тензорезистора.

Обычно для проволочных тензорезисторов максимальный ток составляет величину порядка нескольких десятков миллиампер.

Проволочные тензорезисторы выполняются с сопротивлениями 10 - 1ООО Ом и имеют размеры основания 2 - 100 мм. Наибольшее удлинение тензорезистора в процессе измерения не должно превышать пределов упругой деформации. Обычно относительное удлинение составляет около 1 %.

К достоинствам проволочных тензорезисторов следует отнести незначительный вес и размеры, малую инерцию, отсутствие гистерезиса, а к недостаткам — относительно невысокую чувствительность и возможность использования для испытания только одной детали.

Фольговый тензорезистор (рис. П.4, б) в принципе аналогичен проволочному. Лишь решетка его выполнена из константановой фольги толщиной порядка 10 мкм. Рисунок решетки выбирают таким, чтобы можно было снизить погрешность из-за поперечной деформации, которая в фольговых тензорезисторах практически сводится к нулю. Фольговые тензорезисторы могут пропускать больший ток, чем проволочные; это обусловлено большей площадью поперечного сечения проводника при тех же размерах резистора и большей теплоотдачей, так как решетка прилегает к исследуемой детали большей поверхностью, что улучшает условия теплообмена.

3. Терморезисторы: Принцип действия основан на изменении электрического сопротивления проводника (полупроводника) при изменении температуры. Терморезисторами принято называть ИП, использующие в качестве рабочего материала проводники. ИП, термосопротивления, использующие полупроводниковые материалы принято называть термисторами (см. п. 1.4).

Статическая характеристика терморезистора в общем виде может быть описана выражением

, (5)

где Q - отклонение температуры от исходной величины, λ, β,V- коэффициенты.

Примечания: 1. Выражение (5) используемо для терморезисторов из любого проводника. 2. Платиновые терморезисторы представляются выражением с меньшим числом коэффициентов . При этом такой терморезистор рассчитан для работы в диапазоне температур от -190 до +600 C. 3. Для терморезисторов из меди в инженерной практике используется выражение . Они предназначены для работы в диапазоне температур от -50 до +150 C, причём коэффициент

λ_мед =

Конструктивными элементами терморезистивного ИП являются:

• Каркас (например, ось из диэлектрика).

• Имеющая место на каркасе обмотка из провода (платина, медь (толщина от 0,1 до 0,01 мм)) в лаковой изоляции. Причём для качественных терморезисторов обмотка выполняется бифилярной (для уменьшения индуктивной составляющей и механической деформации).

• Защитные оболочки. В том числе возможен наружный металлический чехол.

Статические характеристики терморезисторов показаны на рисунке 9. Главным достоинством терморезисторов из металла является их практически абсолютная повторяемость и взаимозаменяемость - в индивидуальной градуировке они не нуждаются (инструментальная погрешность – не более 1%). Недостатки в современном мире должны быть очевидны – это, дороговизна, невозможность организации ИП в интегральной микроэлектронике, большие габариты

Этих недостатков лишены термосопротивления, выполненные на основе полупроводниковых материалов: габариты и формы отдельных изделий – практически любые, естественна интеграция в полупроводниковые интегральные микросхемы. Но за эти достоинства приходится расплачиваться качественностью метрологических характеристик. Статическая характеристика на большом диапазоне температур имеет резко выраженную нелинейность (Рис. 9, б). Таким ИП при классическом подходе необходима индивидуальная градуировка, т.к. инструментальная погрешность может достигать 20%. Но, современные нанотехнологии при изготовлении интегральных полупроводниковых компонентов способны в требуемой степени скомпенсировать эти недостатки.

Рис.9. Статические характеристики терморезисторов, а – медных и платиновых, б - полупроводниковых