Преобразователи сопротивления

Преобразователи сопротивления изменяют активное сопротивление измерительной цепи под действием входной измеряемой величины.

Контактные преобразователи механические перемещения контактов преобразуют в замкнутое или разомкнутое состояние цепи, в которую эти контакты включены.

Простейшим контактным преобразователем является микровыключатель, сопротивление которого при перемещении подвижного контакта на определенную величину меняется от бесконечности до очень малой величины, определяемой значением контактного сопротивления. Абсолютная погрешность срабатывания контактных преобразователей находится в пределах 1...2 мкм. Для увеличения чувствительности контактных преобразователей используют рычаги, установленные на безлюфтовых листовых шарнирах (рис. 4.2,а), или применяют плоскую пружину, теряющую продольную устойчивость под действием силы от измеряемого перемещения (рис. 4.2,б).

В качестве контактных преобразователей успешно применяют и магнитоуправляемые герметичные контакты (герконы), представляющие собой две ферромагнитные контактные пластины, заключенные в стеклянный вакуумный баллон. Состояние контактов (замкнутое или разомкнутое) изменяется под действием магнитного поля от постоянного магнита или электромагнита. В последнем случае геркон используют и как реле с очень стабильным переходным сопротивлением.

Рис.4.2. Контактные преобразователи:

а - с безлюфтовым листовым шарниром; б - с балкой, изгибающейся по продольной оси, δ — перемещение контактов.

Главное преимущество контактных преобразователей — возможность получения сравнительно большой мощности на выходе, что позволяет использовать их с низко чувствительными приборами без промежуточного преобразования промежуточного и усиления сигнала. Дискретность контактных преобразователей в ряде случаев является важным преимуществом (например, при создании допусковых приборов).

Контактным преобразователям свойственны все недостатки устройств, содержащих замыкающиеся и скользящие контакты. Контактные преобразователи отличаются обычно наличием заметного гистерезиса.

Необходимость применения специальных рычажных передач, вносящих инерционность, а также «дребезг» контактов, ограничивает частотный диапазон контактных преобразователей десятками герц.

Контактные преобразователи применяют в основном в тех устройствах, где требуется однопредельная индикация изменения какого-либо параметра, в частности выхода объекта диагностирования на определенный режим. Контактные преобразователи применяют также для автоматизации включения различных приборов в системах технической диагностики БМиП, например счетчиков продолжительности перемещения при определенных положениях рабочих органов бытовых машин циклического действия. На основе контактных преобразователей выполняют средства измерения частот вращения (сравнительно небольших). При совмещении контактных преобразователей с различными чувствительными элементами можно измерять не только перемещения, но и другие величины: давления, силы, ускорения и температуры. В ряде случаев контактные преобразователи кладут в основу встроенных систем технической диагностики бытовых машин.

Потенциометрические преобразователи представляют собой переменные резисторы, перемещение движка которых связано с изменением измеряемой механической величины. Непосредственной входной величиной потенциометрического преобразователя является линейное или угловое перемещение, а при использовании промежуточного неэлектрического преобразователя и другие механические величины (сила, давление, ускорение).

Выходная величина потенциометрического преобразователя - сопротивление - связано линейной или нелинейной зависимостью с перемещением движка.

Конструктивно потенциометрические преобразователи выполняют в виде реохорда (одиночной проволоки из высокоомного сплава, закрепленной на основе из изоляционного материала). Чаще потенциометрические преобразователи выполняют в виде обмотки, уложенной на каркасе из изоляционного материала.

В потенциометрических преобразователях рассчитанных для работы при нормальных температурах используют проволоку из константана, манганина, а при высоких температурах, - из фехраля и платиновых сплавов.

В качестве материала каркасов применяют текстолит, стеклотекстолит, различные пресс - порошки. В промышленных преобразователях каркасы выполняют из алюминиевых сплавов, покрытых лаковыми или оксидными пленками. За счет высокой теплопроводности алюминия и при малых толщинах изоляционных пленок (~ 10 мкм) можно существенно повысить рассеиваемую на преобразователе электрическую мощность и тем самым получить большую мощность на выходе преобразователя. Для потенцио­метрических преобразователей, которые обычно применяют без усилителей, это имеет существенное значение. Каркасы могут быть выполнены в виде прямоугольной пластины, цилиндра, диска, кольца и т.д.

Для компенсации нелинейности градуировочных характеристик приборов с потенциометрическими преобразователями, вызванной схемной нелинейностью или нелинейностью упругого элемента, применяют преобразователи с нелинейной функцией преобразования. Это достигается, например, применением каркасов переменной высоты, укладки обмотки с переменным шагом, шунтированием участков обмотки резисторами, а также применением провода разного сечения для отдельных секций обмотки. Аналогичные приемы используют для получения специальных функциональных шкал приборов с потенциометрическими преобразователями.

Главное преимущество потенциометрических преобразователей, как и контактных - возможность получения сравнительно большой мощности на выходе, что позволяет использовать их с низко чувствительными приборами без промежуточного усиления сигнала, У потенциометрических преобразователей легко получить различного вида уравнения преобразования. С помощью потенциометрических преобразователей могут быть достаточно просто реализованы схемы аналогового умножения и сложения сигналов.

Потенциометрическим преобразователям свойственны все недостатки устройств, содержащих замыкающиеся и скользящие контакты. К числу недостатков потенциометрических преобразователей относится сравнительно узкий диапазон измерений ввиду высокого значения нижнего предела измерений, который у этих преобразователей определяется конечностью размеров подвижного контакта, а также дискретностью многовитковых потенциометров.

Необходимость применения специальных рычажных передач, вносящих инерционность, а также «дребезг» контактов, ограничивает частотный диапазон потенциометрических преобразователей десятками герц.

Потенциометрические преобразователи в технической диагностике широко используют для измерения перемещений, например, регулировочных реек топливных систем дизелей, штоков гидроцилиндров, рычагов и педалей управления различными машинами, и т.д. Потенциометрические преобразователи применяют также совместно с упругими чувствительными элементами для измерения давлений в гидро- и пневмосистемах и измерения сил.

Тензорезисторы основаны на эффекте изменения сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их деформации или под действием давления. На рис.4.3 показаны конструкции проволочного и фольгового тензорезисторов. Проволочный тензорезистор (рис.4.3, а,б) представляет собой плоскую решетку из проволоки диаметром 20...30 мкм, зигзагообразно уложенную на изоляционную (бумажную или пленочную) подложку и приклеенную к ней. К выводам решетки припаяны или приварены более толстые проводники для включения тензорезистора в измерительную схему. Подложку тензорезистора приклеивают к объекту измерения. В фольговых тензорезисторах (рис.4.3, в,г) вместо проволочной используют фольговую решетку, которую получают методом фотохимического травления из фольги толщиной 5...30 мкм, наклеенной перед травлением на изоляционную пленочную основу.

Рис.4.3 Тензорезисторы:

1-выводы, 2- подложка, 3- клеевой слой, 4- решетка.

За счет лучшей теплоотдачи плоской решетки фольговые тензорезисторы допускают более высокую плотность тока, чем проволочные, поэтому может быть получен больший измеряемый сигнал. Фольговая решетка может быть выполнена самой различной формы, например, для наклейки на мембрану (рис.4.3,в) или для измерения сдвиговых деформаций, вызванных касательным напряжениями в валах (рис.4.3,г). Это немаловажно при создании оптимальных конструкций преобразователей.

Под действием деформации изменяется длина, поперечное сечение и удельное сопротивление проволоки или фольги (решетки), что приводит к изменению сопротивления тензорезистора. Относительное изменение сопротивления тензорезистора определяется соотношением:

,

где l и ∆1 - база (продольный размер решетки) тензорезистора и абсолютное приращение ее длины вследствие деформации;

и - удельное электрическое сопротивление и его приращение при деформации; μ - коэффициент Пуассона материала решетки.

Чувствительность тензорезисторов зависит главным образом от свойств материала решетки, поскольку изменение сопротивления тензорезистора происходит не только вследствие изменения геометрических размеров решетки, но и изменения удельного сопротивления ее материала.

Для тензорезисторов с решетками из наиболее широко применяемых металлических тензочувствительных материалов, например константана, S_т= 1,8...2,2.

Кроме металлических применяют полупроводниковые тензорезисторы на основе монокристаллов германия и кремния, а также тензорезисторы, в которых использованы тензо- и пьезоэффекты переходов в полупроводниковых приборах типа диодов и транзисторов. Полупроводниковые тензорезисторы отличаются очень высокой чувствительностью(S_Т ≈ 100), однако это преимущество не может быть просто реализовано из-за существенного разброса их характеристик.

Преимущества тензорезисторов как первичных преобразователей - в возможности измерения с высокой точностью деформаций в диапазоне 10^-7... 10^-2 относительных единиц и в широком диапазоне частот (0...200 кГц). Тензорезисторы отличаются высокой стабильностью во времени и позволяют вести измерения в широком диапазоне. Универсальность тензорезисторов, в частности возможность установки их на упругих чувствительных элементах для измерения самых различных механических величин, предопределяет высокую степень унификации промежуточных преобразователей и приборов, что немаловажно при создании систем технической диагностики для объектов, где необходимо измерять различные механические величины с помощью одного измерительного прибора.

Проволочные и фольговые тензорезисторы имеют довольно низкую чувствительность, обычно выходные сигналы измерительных схем тензорезисторов не превышают нескольких милливольт при выходном сопротивлении от 50 до 1000 Ом. Однако этот недостаток не исключает их широкого применения, так как разработаны достаточно стабильные усилители и другие виды преобразователей малых сигналов, а относительно низкие значения выходных сопротивлений тензорезисторов не накладывают жестких требований на величины входных сопротивлений промежуточных преобразователей, как это имеет место при емкостных и пьезоэлектрических преобразователях.

Тензорезисторы используются в основном в качестве первичных электрических преобразователей, устанавливаемых на упругих чувствительных элементах, для измерения различных механических величин: сил и давлений в широком диапазоне, перемещений относительно небольшой величины (до 50 мм), ускорений и виброперемещений при сравнительно низких (до нескольких килогерц) частотах изменения этих параметров. Перспективно применение тензорезисторов в качестве прижимных преобразователей, которые накладывают на трубопроводы и шланги гидросистемы при диагностировании для получения качественной картины пульсации давления или определения временных характеристик различных переходных процессов в объекте диагностирования. Тензорезисторы применяют для наклейки непосредственно на объект диагностирования при создании встроенных систем технической диагностики. В связи с низкой стоимостью тензорезисторов, малыми размерами и массой они могут быть наклеены и надежно защищены от внешних воздействий в процессе производства БМи11. Тензорезисторы могут быть также применены на чувствительных упругих элементах, постоянно встроенных в БМиП.

Полупроводниковые тензорезисторы целесообразно использовать в тех случаях, когда измерения нужно проводить без применения усилителей, при измерении малых деформаций на небольших базах, а также для установки на чувствительные элементы миниатюрных преобразователей механических величин.

Дата добавления: 2014-01-15