19) Преобразователи неэлектрических параметров технологических процессов. Датчики активного сопротивления.

 

Чувствительные элементы, преобразующие контролируемую или регулируемую величину в выходной сигнал, удобный для дистан­ционной передачи или дальнейшей обработки, называют датчиками.

Обычно в системах автоматического управления для передачи информации используются электрические сигналы. Поэтому широко применяются датчики, преобразующие неэлектрический сигнал в электрический. Датчики могут классифицироваться по назначе­нию: датчики температуры, давления, уровня, линейных и угловых перемещений, состава веществ, оптических величин и т. п. Воз­можна классификация и по параметру датчика, изменяющемуся в результате преобразования измеряемой величины, — датчики активного сопротивления, емкостные, индуктивные и т. п.

Датчики активного сопротивления (резисторные датчики). Прин­цип действия резисторных датчиков основан на изменении их электрического сопротивления R при изменении длины l, площади сечения S или удельного электрического сопротивления . Сопро­тивление датчика    

          

                                                                                         (9.13)

 

где R — сопротивление, Ом;  — удельное электрическое сопро­тивление материала проволоки, ; l — длина проводника дат­чика, м; S — площадь сечения, м².

Основной характеристикой такого датчика, измеряющего пере­мещение, является зависимость сопротивления от перемещения, т. е. . При этом чувствительность  датчика

 

                                                                             (9.14)

 

Такие датчики могут работать в цепях постоянного и перемен­ного тока. Разновидностью резисторных датчиков являются потенциометрические датчики и тензорезисторы (или тензодатчики).

Потенциометрические датчики используют в системах автома­тического управления (САУ) для измерения угловых и линейных перемещений. На рис. 9.8 показана схема датчика линейного пере­мещения. Измеряемая величина х преобразуется в перемещение движка потенциометра, которому соответствует выходное напря­жение U_вых. Потенциометрические датчики используют в схемах на постоянном и переменном токе. Конструктивное исполнение датчиков различно.

Переменные резисторы выполняются из обмоточного провода, металлических пленок, полупроводниковых материалов. Широко применяются потенциометры непрерывной намотки. Их каркас вы­полняется плоским или цилиндрическим в случае преобразования поступательных перемещений и кольцевым для преобразования угловых перемещений. В качестве обмоточного провода исполь­зуются материалы с высоким удельным электрическим сопротивле­нием (манганин, константан, нихром). Для повышения износоус­тойчивости провода применяются сплавы из благородных металлов: платина с иридием, платина с палладием. Диаметр намоточного провода выбирается по требуемой точности и сопротивлению. Так, для высокого класса точности диаметр провода 0,03 - 0,1, а для низкого класса точности 0,3—0,4 мм. Об­моточный провод датчика покрывают слоем эмали или окислов. Подвижный токосъемный контакт, выполненный в виде щетки или движка, изготовляют из сплавов пла­тины с иридием, платины с бериллием, серебра или фосфористой бронзы. Он скользит по виткам намотки потенциометра, зачищенным в месте соприкосновения от изоляции. Для обеспечения  надежной работы   датчика   усилие   на   скользящий контакт составляет  Н.

Основной    характеристикой    потенциометрического датчика является зависимость выходного напряжения U_вых от перемещения х, т. е. , которая может быть линейной и нелинейной. Для потенциометра, изображенного на рис. 9.8, зависимость U_вых (х) имеет вид

 

                                          ,                     (9.15)

где  — отношение перемещения движка датчика к длине всей намотки;  — отношение сопротивления нагрузки к полному сопротивлению потенциометра.

Если сопротивление нагрузки значительно превышает сопротив­ление потенциометра, т. е.  то

 

                                                                                 (9.16)

 

На рис. 9.9 показана зависимость относительного изменения выходного напряжения  от  при различных значениях коэффициента .

Чувствительность датчика при малых перемещениях

 

                                                                  (9.17)

 

Проволочные датчики имеют достаточно высокую точность, но их недостатком является ступенчатость характеристики (9.15) и (9.16) из-за дискретного изменения сопротивления датчика при перемещении щетки (рис. 9.10). Ширина ступеньки l_ш характери­стики (рис. 9.10) равна шагу намотки провода, а высота R_l — сопротивлению одного витка. Идеализированной характеристикой R(x) является прямая, проведенная через середины ступенек, при этом абсолютная погрешность или зона нечувствительности

 

                                                                                  (9.18)

 

где R — сопротивление датчика;  — число витков обмотки дат­чика.

Относительная   погрешность

 

                                                                        (9.19)

 

Датчик имеет также технологические погрешности. У датчиков высокого класса точности эта  погрешность составляет не более 0,01 %, а для

среднего класса точности — от 0,25 до 0,5 %. Дина­мические свойства потенциометрических датчиков зависят от ха­рактера нагрузки. Если нагрузка активная, то датчик эквивален­тен безынерционному звену с передаточной функцией

 

                                                                        (9.20)

 

где R — полное сопротивление потенциометра, Ом; R_x — сопро­тивление потенциометра между точкой H и движком (см. рис. 9.8), Ом; r — сопротивление потенциометра между движком и точкой k (см. рис. 9.8), Ом.

Если нагрузка реактивная, то датчик эквивалентен апериоди­ческому или форсирующему звену. Например, для индуктивной нагрузки передаточная функция датчика

 

                                                                                 (9.21)

 

где  , , ,

Здесь L_н — индуктивность нагрузки;  — активная состав­ляющая сопротивления нагрузки.

Тензорезисторы используют в системах автоматики для измере­ния сил и деформаций твердых тел. Существуют проволочные, фоль­говые, пленочные и полупроводниковые тензорезисторы. Действие проволочных, пленочных или фольговых тензорезисторов основано на изменении сопротивления проволоки, пленки или фольги при их сжатии или растяжении. Значительный прогресс достигнут в изготовлении наклеиваемых фольговых тензорезисторов. Они имеют ряд преимуществ перед проволочными, обеспечивают лучшую теплоотдачу и высокую эффективность использования при наклейке на упругий элемент. Сопротивление фольговых тензорезисторов достигает несколько сотен ом, длина может составлять 3 мм, а тол­щина — от 0,025 до 0,012 мм. Проволочный тензорезистор пред­ставляет собой свернутую в спираль проволоку диаметром не выше 0,05 мм, наклеенную на полоску бумаги длиной до 40 мм и имеющую медные выводы (рис. 9.11).

В последние годы широко исполь­зуются пленочные тензорезисторы. Тех­нология их изготовления заключается в вакуумной возгонке тензочувствительного материала и последующей его кон­денсации на основание. В качестве тензочувствительного    материала   исполь­зуются как металлические сплавы, так и полупроводники. Важ­ным достоинством пленочных и фольговых тензорезисторов явля­ется то, что при их изготовлении можно получить решетку лю­бого  рисунка.

Относительная тензочувствительность тензорезистора

 

                                                                                 (9.22)

 

где R — сопротивление тензодатчика, Ом;  — изменение сопро­тивления, Ом;  — длина тензочувствительного элемента, м;  — изменение длины датчика, вызванное измеряемой деформа­цией, м.

Сопротивление тензорезистора составляет обычно 100—200 Ом, измеряемая деформация не превышает 1 %. Проволочные тензорезисторы обладают высокой температурной стабильностью.

В качестве полупроводниковых тензорезисторов используют пластины, сделанные из кристаллов германия или кремния, накле­енные на бумажное основание, и с металлическими выводами (рис. 9.12). Длина тензорезистора составляет 5—15 мм. Полупро­водниковые тензорезисторы по сравнению с проволочными обла­дают высокой относительной чувствительностью, которая находится в пределах от —100 до 200. Сопротивление тензорезистора 50 Ом — 5 кОм. Высокое значение относительной чувствитель­ности позволяет снизить требования к усилите­лям и использовать их для измерения в рас­ширенном диапазоне деформаций при наличии больших электромагнитных помех.

Нужно отметить, что разработаны тензодатчики давления модульного типа в виде гибрид­ной интегральной схемы, в которой на общем керамическом основании размещены датчик и операционный усилитель. Тензорезисторы сое­динены по мостовой схеме, элементы которой нанесены на поверх­ность кремниевой пластинки диффузионным способом. Коэффици­ент чувствительности такого тензодатчика составляет 90, погреш­ность— 2 %. Отметим, что металлические тензорезисторы обладают высокой точностью и стабильностью; они рассчитаны на широкую область применения. Полупроводниковые тензорезисторы обычно применяются для динамических измерений в широком диа­пазоне частот. Как правило, тензорезисто­ры включаются в цепь или по схеме дели­теля напряжения или по мостовой схеме. Схема включения тензорезистора в цепь делителя напряжения показана на рис. 9.13.

Цепь делителя R1, R2 питается от ис­точника напряжения Е. Выходное напря­жение U_д — напряжение на тензорезисторе — подается на нагрузочное сопротив­ление R_н. Тензорезистор может быть вклю­чен и как сопротивление R1 и как сопро­тивление R2. В схему моста тензорезистор включается так, как показано на рис. 9.6. В динамическом отношении тензодатчики эквивалентны безынерционному звену.