Эи. Лпр1 – Резистивные преобразователи механических величин

1. Назначение

Ознакомиться с видами резистивных преобразователей, изучить устройство и принцип работы.

2. Краткие теоретические положения

Резистивные преобразователи представляют собой разновидность параметрических преобразователей, которые под воздействием измеряемой величины изменяют собственное электрическое сопротивление или сопротивление участка цепи. К числу резистивных преобразователей, относятся контактные, реостатные и тензорезисторы.

КОНТАКТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ. Контактными называются измерительные преобразователи, в которых измеряемое механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью. Таким образом, естественной входной величиной контактных преобразователей является пространственное перемещение.

Простейший контактный преобразователь является однопредельным и имеет одну пару контактов 4 и 5, замыкание которых происходит в функции измеряемого перемещения, например изменения размера изделия 1 (рис. 1-1).

Рис.1-1

При увеличении размера изделия переместится шток 3 и укрепленный на нем контактирующий элемент 4 войдет в соприкосновение с контактом 5. При этом активное сопротивление между контактами 4 и 5 изменится от бесконечности до малой величины, определяемой значением контактного сопротивления.

Конструктивно измерительный шток закрепляют на плоских пружинах 2 (рис. 1-1, а) или помещают в цилиндрические направляющие (рис. 10-1, б).

Погрешность срабатывания контактных преобразователей находится в пределах 1—2 мкм. Попытки создать преобразователь с погрешностью срабатывания менее 1 мкм не имели успеха. Во избежание образования дуги или искры мощность в цепи, разрываемой контактами, не должна превосходить 50— 100 мВт. Поэтому при применении в качестве сигнального, измерительного или исполнительного элемента элементов, потребляющих мощность меньше 50—100 мВт, их можно включать непосредственно в цепь контактов преобразователя. Если же эти элементы потребляют большую мощность, то их включают через усилители (транзисторные, тиристорные и релейные).

РЕОСТАТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ. Реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается в соответствии со значением измеряемой неэлектрической величины. Таким образом, естественной входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка, которое может быть либо угловым, либо линейным, а выходной величиной — активное сопротивление, распределенное линейно или по некоторому закону по пути движка.

На рис. 1-2 показано устройство реостатного преобразователя.

Рис. 1-2

На каркас 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по металлу проволоки скользит щетка 3. Добавочная щетка 5 скользит по токосъемному кольцу 4. Обе щетки изолированы от приводного валика 6.

Реостатные преобразователи выполняются как с проводом, намотанным на каркас, так и реохордного типа. Чаще всего применяют провода из манганина, константана или фехраля. В очень ответственных случаях, когда требования к износостойкости контактной поверхности особенно высоки или когда контактные давления очень малы, применяют провод из сплава платины с иридием (90% Pt + 10% Ir). Добавка иридия к платине увеличивает твердость и прочность последней, повышает кислотоупорность, антикоррозийность и износостойкость. Удельное сопротивление этого сплава равно ρ = 0,23 мкОм×м. Платиноиридиевый провод выпускается весьма малых диаметров (до 0,03 мм), что позволяет выполнять высокоомные (до нескольких тысяч омов) преобразователи массой всего 10—12 г и габаритов порядка 1×2 см. Хорошими параметрами обладают также преобразователи из проводов, изготовленных из сплавов платины с палладием, рубидием, рутением, осмием.

Провод реостата должен быть покрыт либо эмалью, либо слоем окислов, изолирующих соседние витки друг от друга.

Движок (щетка) выполняется либо из двух-трех проволок, изготовленных из сплава платины с иридием или из платины с бериллием, либо в виде пластинчатых щеток из серебра или фосфористой бронзы. В случае проволочных щеток контактное усилие должно быть порядка 0,003-0,005 Н, а в случае пластинчатых — 0,05-0,1 Н. Контактная поверхность намотанного провода полируется, ширина контактной поверхности движка должна быть равна двум - трем диаметрам провода.

При работе реостатного преобразователя в условиях вибраций применяют щетки из проволок различной длины (от точки крепления до точки контактов) или из пластин с двумя-тремя надрезами. Этим обеспечивается разная собственная частота вибраций отдельных частей щетки.

Каркас реостатного преобразователя обычно выполняется из текстолита или пластмассы, применяются также каркасы из алюминия, покрытого или изоляционным лаком, или оксидной пленкой толщиной до 10 мкм, обладающей достаточно хорошими изоляционными свойствами. Алюминиевый каркас, сохраняя стабильность геометрических размеров, позволяет также за счет лучшей теплопроводности повысить плотность тока в обмотке и, следовательно, увеличить чувствительность преобразователя. Формы каркасов очень разнообразны: они могут быть в виде плоской или цилиндрической пластины, плоского или цилиндрического кольца, плоского сегмента и т. д.

Индуктивное и емкостное сопротивления реостатных преобразователей весьма малы, и их можно не принимать во внимание до частот порядка нескольких десятков тысяч герц.

Реостатные преобразователи аналогично контактным являются ступенчатыми (дискретными) преобразователями (за исключением преобразователей реохордного типа), поскольку непрерывному изменению измеряемой неэлектрической величины соответствует ступенчатое изменение сопротивления. Это обстоятельство вызывает погрешность квантования, уменьшающуюся с увеличением числа витков ω преобразователя.

Для преобразователей с равномерной намоткой погрешность квантования γ = 100/(2 ω)%. Число витков преобразователя, определяющее его разрешающую способность, обычно выбирают не меньше 100—200.

В ряде случаев применяются функциональные реостатные преобразователи с нелинейным распределением сопротивления вдоль каркаса, последнее достигается, например, изменением высоты каркаса, как это показано на рис. 1-2, шунтированием части линейного реостата постоянными сопротивлениями, применением намотки с переменным шагом, намотки отдельных участков каркаса проводами разного диаметра или проводами с разными удельными сопротивлениями.

ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ. В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации.

Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности k, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника -относительное изменение сопротивления проводника; — относительное изменение длины проводника.

Конструкции тензорезисторов. В технике измерения неэлектрических величин тензорезисгоры используются по двум направлениям:

1. использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объемного сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего его газа или жидкости. На этом принципе строятся манометры для измерения высоких и сверхвысоких давлений, преобразователи которых представляют собой катушку провода (обычно манганинового) или полупроводниковый элемент (чаще всего германиевый или кремниевый), помещенные в область измеряемого давления (жидкости или газа). Выходной величиной преобразователя является изменение его активного сопротивления.

2. использование тензоэффекта растягиваемого или сжимаемого тензочувствительного материала. При этом тензорезисгоры применяются в виде «свободных» преобразователей и в виде наклеиваемых. «Свободные» тензопреобразователи выполняются в виде одной или ряда проволок, закрепленных по концам между подвижной и неподвижной деталями и, как правило, выполняющих одновременно роль упругого элемента. Естественной входной величиной таких преобразователей является весьма малое перемещение подвижной детали.

Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензорезистора изображено на рис. 1-3, а. На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку 2 наклеивается так называемая решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 3 диаметром 0,02—0,05 мм. К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники 4. Сверху преобразователь покрывается слоем лака 1. Такой преобразователь, будучи приклеенным к испытуемой детали, воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Таким образом, естественной входной величиной наклеиваемого тензопреобразователя является деформация поверхностного слоя детали, на которую он наклеен, а выходной изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации.

Рис.1-3

Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются преобразователи с базами 5—20 мм, обладающие сопротивлением 30—500 Ом.

Кроме наиболее распространенной петлевой конструкции прово¬лочных тензорезисторов, существуют и другие. При необходимости уменьшения измерительной базы преобразователя (до 3—1 мм) его изготовляют двухслойным так называемым витковым способом, который заключается в том, что на оправке круглого сечения на трубку из тонкой бумаги наматывается спираль из тензочувствительной проволоки. Затем эта трубка проклеивается, снимается с оправки, расплющивается и к концам проволоки прикрепляются выводы.

Когда надо получить от цепи с тензорезистором ток большой величины, часто используют «мощные» проволочные тензорезисторы. Они состоят из большого числа (до 30—50) параллельно соединенных проволок, отличаются большими габаритами (длина базы 150—200 мм) и развивают мощность, достаточную для вибратора осциллографа без использования усилителей (рис. 1-3, б).

Разновидность «мощных» тензорезисторов — эластичные преобразователи — представляют собой резиновый капилляр с внутренним диаметром 0,1—0,5 мм, заполненный ртутью и снабженный проволочными выводами. Наклеенный на объект измерения такой преобразователь, деформируясь вместе с этим объектом, изменяет свое сопротивление. Эластичные тензорезисторы с ртутным наполнителем имеют коэффициент тензочувствительности k=2 и позволяют измерять весьма большие деформации материалов (до 30—50%). Характерной особенностью является весьма малая величина сопротивления и ограниченный температурный и частотный диапазоны.

Фольговые преобразователи представляют собой весьма тонкую ленту из фольги толщиной 4—12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует показанную на рис. 1-4 решетку с выводами.

Рис.1-4

В последние годы появился еще один способ массового изготовления тензорезисторов, заключающийся в вакуумной возгонке тензочувствительного материала и последующей конденсации его на подложку. Такие тензорезисторы получили название пленочных.

Для изготовления пленочных тензорезисторов, помимо металлических материалов, используется также целый ряд полупроводниковых материалов, например германий, кремний

При изготовлении фольговых и пленочных преобразователей можно предусмотреть любой рисунок решетки, что является существенным их достоинством. На рис.1-4,а показан внешний вид преобразователя для измерения линейных напряжений, на рис.1-4,б — преобразователь, напыленный на мембрану, а на рис.1-4,в — преобразователь, наклеиваемый на вал, для измерения крутящих моментов.

Для изготовления тензопреобразователей и прикрепления их к объекту измерения применяются различные клеящие составы (клеи или цементы) в зависимости от условий работы (температура, влажность, характер среды).

Общие свойства тензорезисторных измерительных преобразователей. Основной особенностью приклеиваемых тензорезисторов является то обстоятельство, что они представляют собой преобразователи разового действия, т. е. могут быть использованы один раз. Следовательно, в тех случаях, когда отсутствует возможность градуировки рабочего преобразователя, для расшифровки его показаний пользуются градуировкой другого аналогичного преобразователя из той же партии. Естественно, что такой метод градуировки применим лишь в том случае, когда свойства преобразователей совершенно идентичны, а последнее, помимо технологических и конструктивных факторов, определяется также и воспроизводимостью свойств материала преобразователя. Для получения более стабильных свойств материалы отжигают в вакууме. В этой связи к данным табл. 10-1 и 10-2 следует относиться критически, так как характеристики всех рассматриваемых материалов сильно зависят не только от состава материалов, но и от технологии их изготовления, а также от последующей термической обработки.

Чувствительность проволочных тензорезисторов несколько отличается от чувствительности материала. Это объясняется тем, что при изготовлении петлевых преобразователей в местах закругления проволоки (см. рис. 1-3) образуются участки, не воспринимающие деформации в направлении оси базы. Влияние этих участков будет тем меньше, чем больше база преобразователя. Уменьшение относительной чувствительности у петлевых проволочных преобразователей с малой базой может достигать 25—30%. Кроме того, наличие участков проволоки, перпендикулярных оси преобразователя, вызывает появление чувствительности к составляющим напряжения, перпендикулярным оси преобразователя. Это является недостатком петлевых преобразователей, особенно при исследовании сложных напряженных состояний.

В этом отношении выгодно отличаются фольговые и пленочные преобразователи, у которых (см. рис. 1-4) сечение проводника в месте поворота значительно увеличено. Целый ряд пленочных тензорезисторов на основе висмута, титана, кремния или германия выполняется в виде одной проводящей полоски. Естественно, что они не имеют указанного недостатка.

Температурный коэффициент линейного расширения тензопреобразователей также сильно отличается от значения соответствующего материала. Дело в том, что вследствие различных значений температурного коэффициента линейного расширения проволоки и испытуемой детали при колебаниях температуры могут возникнуть дополнительные деформации в проволоке. Так, например, температурный коэффициент расширения стали на 30—35% меньше температурного коэффициента расширения константана, поэтому при наклейке решетки из константана на сталь преобразователь при повышении температуры будет испытывать деформацию сжатия, что равноценно отрицательному температурному коэффициенту сопротивления (ТКС). Наоборот, при наклейке преобразователя из константана на дюраль в преобразователе при повышении температуры будет возникать деформация растяжения, что равноценно положительному ТКС.