Назад: 3.2 Контактные датчики с
дискретным выходным сигналом
3.3 Датчики
активного сопротивления
К датчикам активного сопротивления относятся:
реостатные, потенциометрические, тензометрические, угольные датчики и др.
Основные параметры датчиков приведены в прил.1, пп.2-6. Активное сопротивление этих датчиков
изменяется в зависимости от изменения геометрических размеров, вызванного
механическими воздействиями на них или деформацией измерительных элементов.
Простейшие датчики в основном являются однополярными (однотактными), так как
знак его выходного сигнала не меняется.
В САУ обычно применяются двухтактные элементы, т.е.
такие устройства, знак выходного сигнала которых изменяется при изменении знака
сигнала на входе. Необходимость применения двухтактных элементов вытекает из
самого принципа работы замкнутых САУ. В этих системах при изменении знака
отклонения регулируемой величины должен изменяться знак сигнала управления и в
соответствии с этим должно изменяться направление перемещения регулирующего
органа.
Потенциометрические
датчики. В схеме прил.1, п.4 используется
потенциометр с неподвижным выводом от средней точки намотки. Выходное
напряжение снимается с движка и средней точки. При переходе движка через
среднюю точку выходное напряжение изменяет свой знак, при питании переменным током
фаза изменяется на 180°, а при питании постоянным - полярность изменяется на
противоположенную.
Если в потенциометре нет возможности вывести
неподвижный контакт, то параллельно ему включается делитель напряжения,
собранный на резисторах R1, R2 в необходимом соотношении сопротивлений (прил.1, п.4).
Потенциометрические датчики могут быть линейными и
функциональными. Линейными называются датчики, у которых линейному изменению
выходного сигнала соответствует линейное изменение входной величины.
Функциональными датчиками называются датчики, у которых выходной сигнал
изменяется не по линейному закону.
Функциональные потенциометрические датчики нашли
широкое применение в автоматических вычислительных системах. Например, в
автоматических навигационных системах самолетов и кораблей используются
электротехнические счетно-решающие устройства, выполняющие операции умножения
скорости на синус или косинус курсового угла. С помощью функциональных датчиков
может быть скомпенсирована исходная нелинейность первичного чувствительного
элемента. Например, в баке сложного профиля уровень горючего не связан линейно
с объемом. С помощью функционального датчика можно обеспечить линейную
зависимость между выходным сигналом датчика и количеством горючего в баке.
Тензометрические
датчики служат для измерений
деформаций и механических напряжений в деталях машин и механизмов, а также для
измерения других механических величин (давления, вибрации, ускорения и др.),
которые предварительно преобразуются в деформацию.
Работа тензодатчиков основана на изменении активного
сопротивления материала при его механической деформации. В качестве материала
тензодатчиков используются проводники (в виде проволоки, фольги или пленки) и
полупроводники.
Изменение активного сопротивления проволочного датчика
(прил.1, п.5) происходит по двум
причинам: во-первых, изменяются геометрические размеры проволоки (длина ℓ,
сечение S); во-вторых, при деформации изменяется удельное сопротивление ρ
материала проволоки. А эта величина и определяет активное сопротивление
проволоки.
Тензодатчик проволочный представляет собой тонкую
проволоку (диаметром 20-60 мкм), сложенную петлями и обклеенную с двух сторон
прочной бумагой. К концам проволоки с помощью пайки или сварки присоединены
выводы из медной фольги, с помощь которых датчик подключается к измерительной
цепи. Тензодатчик приклеивают к испытуемой детали, благодаря чему деформацию
воспринимает проволочная решетка. Длина детали, занимаемая проволокой,
называется измерительной базой датчика ℓ, чаще ℓ равно
Для получения наибольшего
изменения сопротивления датчика его надо располагать в направлении действия
деформирующего усилия (сжатия или растяжения), т.е. направление измерительной
базы должно совпадать с осью, по которой направлено усилие. Если же направление
базы и усилия взаимно перпендикулярны, то деформация и изменение сопротивления
очень малы. Если расположить несколько датчиков под углом друг к другу, то
можно определить не только величину деформации, но и направление приложенных к
детали усилий.
При выборе измерительной схемы для тензодатчиков
необходимо учитывать два обстоятельства:
во-первых, проволочные тензодатчики имеют малое
относительное изменение сопротивление (ΔR/R < 1%). Поэтому для
увеличения чувствительности применяют мостовые схемы с двумя или четырьмя одинаковыми
датчиками, наклеиваемыми на испытуемую деталь таким образом, что датчик,
включенный в одно плечо моста, работает на сжатие, а датчик, включенный в
смежное плечо моста, работает на растяжение;
во-вторых, необходимо принимать меры для компенсации
температурной погрешности.
Фольговые
тензодатчики. Их изготавливают
методом фотохимического травления. Решетка такого датчика выполняется из разных
сплавов (медь с никелем, серебро с золотом и др.), которые обеспечивают
достаточную чувствительность и в то же время имеют надежное сцепление (адгезию)
с изоляционной основой, на которой выполняются датчики.
Пленочные
тензодатчики. Их изготавливают путем
напыления слоя германия, теллура, висмута и сульфида свинца на эластичное
изоляционное основание из слюды или кварца.
В отличие от проволочных датчиков фольговые и
пленочные тензодатчики имеют решетку не круглого сечения, а прямоугольного, с
очень большим отношением ширины к высоте пленки. По сравнению с проволочными
датчиками они имеют ряд преимуществ. Благодаря большой площади соприкосновения
токопроводящих полосок датчика с деталью обеспечиваются хорошие условия
теплоотдачи. Это позволяет в несколько раз повысить плотность тока фольговых
датчиков и в десятки раз – плотность тока пленочных датчиков (до 103
А/см2). Благодаря большому отношению периметра сечения плоской
полосы к площади ее сечения улучшается восприимчивость к деформации и точность
ее измерения. Чувствительность пленочных датчиков достигает 50.
Фольговые датчики имеют толщину проводящего покрытия
3-15 мкм. Сопротивление фольговых датчиков находится в пределах 30-300 Ом.
Фотохимический способ позволяет выполнить любой рисунок решетки, что также
является достоинством фольговых датчиков. Различные типы фольговых датчиков
предназначены для измерения линейных перемещений. Розетка состоит из двух
датчиков, позволяющих измерять деформации в двух взаимно перпендикулярных
направлениях.
Терморезисторные
датчики. Под терморезистором
(термосопротивлением) понимают проводники или полупроводники, обладающие
достаточно высоким электрическим удельным сопротивлением или температурным
коэффициентом сопротивления и используемые для измерения неэлектрических
величин на основании зависимости удельного сопротивления от различных физических
параметров. Свойства датчиков приведены в прил.1, п.6.
Терморезисторы называют также термометрами
сопротивления. Они применяются для измерения температуры в широком диапазоне от
–270 до 1600 °С. Если терморезистор нагревается проходящим через него током, то
его температура будет зависеть от интенсивности теплообмена с окружающей
средой. Интенсивность теплообмена зависит от физических характеристик газовой
или жидкой среды (например, от теплопроводности, плотности, вязкости), в
которой находится терморезистор, от скорости перемещения терморезистоpa
относительно газовой или жидкой среды. Поэтому терморезисторы используются в
приборах для контроля и измерения неэлектрических величин, таких как скорость,
расход, плотность и др. Такие терморезисторы являются терморезисторами прямого
действия (прил.1, п.6,а).
Терморезисторы, которые нагреваются за счет окружающей среды или
дополнительного источника теплоты, называются терморезисторами косвенного
нагрева (прил.1, п.6,б).
Различают металлические и полупроводниковые терморезисторы.
Металлические терморезисторы изготавливают из чистых
металлов: меди, платины, никеля, железа, реже из молибдена и вольфрама, для
большинства чистых металлов температурный коэффициент электрического
сопротивления составляет примерно (4-6,5)×10-3 1/°С, т.е. при увеличении температуры
на 1°С сопротивление металлического терморезистора увеличивается на 0,4-0,65%.
Наибольшее распространение получили медные и платиновые терморезисторы. Хотя
железные и никелевые терморезисторы имеют примерно в 1,5 раза больший
температурный коэффициент сопротивления, чем медные и платиновые, применяются
они реже.
В САУ широкое применение получили полупроводниковые
терморезисторы, которые для краткости называют термисторами (прил.1, п.6). Материалом для их
изготовления служат смеси окислов марганца, никеля и кобальта, германий и
кремний с различными примесями и др. По сравнению с металлическими
терморезисторами полупроводниковые имеют меньшие размеры и большие значения
номинальных сопротивлений. Термисторы имеют на порядок больший температурный
коэффициент сопротивления (до 6×10-2 1/°С). Но этот коэффициент
отрицательный, т.е. при увеличении температуры сопротивление термистора
уменьшается. Существенным недостатком термисторов по сравнению с металлическими
терморезисторами является непостоянство температурного коэффициента
сопротивления. С ростом температуры он сильно падает, т.е. термистор имеет
нелинейную характеристику. При массовом производстве термисторы дешевле
металлических терморезисторов, но имеют большой разброс характеристик.
Термисторы широко применяются для термокомпенсации различных элементов
электрических цепей, измерения скорости газового потока, в САР температуры (в
качестве датчика).