Тензочувствительные преобразователи

Принцип действия тензочувствительных преобразователей основан на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения.

Используя для сопротивления проволоки зависимость , где ρ – удельное сопротивление; l – длина; S – площадь поперечного сечения проволоки, можно получить выражение для относительного изменения сопротивления проволоки в виде [15]

,

где  – коэффициент Пуассона; Δ d / d – относительное изменение диаметра круглого в сечении провода; Δ l / l – относительное изменение длины провода под действием деформации.

Разделив обе части последнего выражения на ε _l = Δ l / l, получим коэффициент тензочувствительности

,

где .

При использовании в качестве материала тензочувствительного ИП металла считается, что , т. е. удельное сопротивление резистора из металла практически не зависит от деформации.

Если в качестве материала тензочувствительного ИП используется полупроводник (обычно в виде тонкой пластины), то S ≈ m, т. е. основной вклад в изменение сопротивления полупроводника под действием деформации вносит изменение удельного сопротивления [15].

Для металлов с учетом коэффициента Пуассона в зоне действия упругих деформаций . Коэффициент тензочувствительности может быть от 1,48 до 2,2.

Коэффициент тензочувствительности полупроводников значительно выше и может достигать S = 100.

На рис. 2.3 представлен тензочувствительный проволочный преобразователь, представляющий собой тонкую зигзагообразную уложенную и приклеенную к подложке 1 проволоку 2. Преобразователь включают в цепь с помощью припаиваемых или привариваемых выводов 3. ИП наклеивают на поверхность детали, деформацию которой определяют так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с осью длинной стороны петель проволоки.

Основным требованием к материалу проволочных тензочувствительных преобразователей, кроме достаточного коэффициента S, является возможно меньший температурный коэффициент сопротивления материала. Это объясняется сравнительно малым относительным изменением сопротивления Δ R / R, так как относительная деформация Δ l / l в пределах упругих деформаций не превышает для металлов , что при значении S ≈ 2 приводит к Δ R / R, не превышающем , т. е. 0,5 %, даже при значительных деформациях. Важным требованием к материалу преобразователя является также возможно большее удельное сопротивление, так как при заданном номинальном сопротивлении R необходимо стремиться к возможно меньшей площади, занимаемой преобразователем.

Наиболее широкое применение нашел сплав константан, имеющий коэффициент тензочувствительности S = 1,9…2,1. В качестве подложки используется тонкая бумага, а также пленка лака или клея, а при высоких температурах – слой цемента. В зависимости от назначения преобразователи выполняют различных размеров. Длина (база) бывает от 0,5 до 150 мм, ширина 0,5…60 мм. Начальное сопротивление преобразователя от 50 до 200 Ом.

Полупроводниковые тензочувствительные преобразователи изготавливают в виде узкой полоски из охлажденного расплава германия (гедистор) или кремния (кредистор). К концам полоски присоединяют металлические выводы и приклеивают ее на подложку, а затем на объект. Наиболее перспективным материалом считается кремний, отличающийся хорошим сочетанием механических и электрических свойств и отработанной технологией изготовления.

Особенностью тензочувствительных преобразователей является то, что будучи размещенным (наклеенным) на объекте, преобразователь невозможно переместить и использовать повторно. В связи с этим для определения градуировочной характеристики  приходится прибегать к выборочной градуировке, которая заключается в следующем.

Из партии преобразователей, выполненных из одинаковой проволоки, т. е. от одной и той же катушки, выбирается несколько преобразователей, которые градуируются в лабораторных условиях. Градуировочные характеристики выбранных преобразователей усредняются, и эта усредненная характеристика распространяется на всю партию. Невозможность непосредственной градуировки рабочего преобразователя приводит к появлению погрешности от неидентичности преобразователей и различного качества наклейки на уровне 3…5 %. Для полупроводниковых тензочувствительных ИП из-за их плохой взаимозаменяемости невозможна даже выборочная градуировка, и их применяют только в случае, если возможна индивидуальная градуировка рабочего преобразователя.

Динамические свойства тензочувствительных ИП определяются в первую очередь инерционностью детали, на которую он наклеивается. Конструкция самого ИП обеспечивает малую механическую и электрическую инерционность. Предельная частота изменения измеряемой деформации зависит от величины базы ИП. Так, при базе 5 мм предельная частота составляет 100 кГц, а при базе 100 мм – 5 кГц [15].

Выходной параметр тензочувствительных преобразователей R измеряется с помощью мостовых или потенциометрических схем.

Достоинства тензочувствительных ИП заключаются в линейности статической характеристики преобразования (только для металлических ИП), простоте конструкции, высокой надежности, малых габаритных размерах и массе.

Недостатками таких преобразователей являются малая чувствительность (для металлических ИП), необходимость выборочной градуировки и соответственно значительные погрешности из-за неидентичности преобразователей, а также заметная температурная зависимость выходного сигнала и низкая нагрузочная способность, обусловленная толщиной проводника и ограничениями, накладываемыми на значение тока с целью снижения самонагрева.

Влияние температуры удается снизить с помощью специальных схем температурной компенсации (см. разд. 3). Приборы на основе тензочувствительных преобразователей позволяют измерять механические деформации, давление, усилия, крутящий момент и т. п.

 

Индуктивные преобразователи

 

Принцип действия индуктивных преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов магнитной цепи.

На рис. 2.4 представлена конструкция простейшего индуктивного преобразователя, где 1 и 2 – подвижный и неподвижный сердечники соответственно; 3 ­ – немагнитная металлическая пластина; w ₁ и w ₂ – число витков первичной и вторичной обмоток.

Коэффициент самоиндукции (индуктивность) обмотки, расположенной на магнитопроводе, ,где  – магнитное сопротивление магнитопровода, причем . Здесь  и  – активная и реактивная составляющие магнитного сопротивления магнитопровода.

Активная составляющая определяется по формуле

,

где – относительная магнитная проницаемость, длина и площадь поперечного сечения i -го участка магнитопровода соответственно;  – длина воздушного зазора; S – площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода;  Гн/м – магнитная постоянная.

   Реактивная составляющая магнитного сопротивления определяется по формуле

,

где P – потери мощности в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи; ω – угловая частота; Ф – магнитный поток в магнитопроводе.

   Взаимная индуктивность двух обмоток может быть найдена из выражения .

   Приведенные соотношения показывают, что индуктивность и взаимную индуктивность можно изменять меняя значения  и S, перемещая подвижный сердечник в том или ином направлении, а также воздействуя на потери в магнитопроводе, перемещая немагнитную металлическую пластину.

   Полное электрическое сопротивление Z преобразователя связано с длиной воздушного зазора  зависимостью, близкой к гиперболической. Линейный участок характеристики преобразования с начальным зазором  ограничен значением (0.1…0.2)  с погрешностью линейности 1 %. Относительное изменение полного сопротивления Δ Z / Z из-за наличия активного сопротивления обмотки, потока утечки и магнитного сопротивления магнитопровода в 2...5 раз меньше относительного изменения длины воздушного зазора .

   Расширить линейный участок характеристики преобразования можно, если в качестве выходной величины выбрать не сопротивление Z, а проводимость  [3]. При этом зависимость изменения проводимости Δ Y будет линейно связана с относительным изменением длины воздушного зазора  (  должно быть много меньше единицы).

При включении индуктивного преобразователя в цепь переменного тока преобразователь превращается в некотором смысле в электромагнит с подвижным якорем. Сила притяжения якоря со стороны электромагнита и соответственно дополнительное перемещение якоря должны быть пренебрежимо малы по сравнению с измеряемыми значениями, что необходимо учитывать при конструировании ИП.

Широко распространены индуктивные дифференциальные преобразователи (рис. 2.5), в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются 2 воздушных зазора  и . Дифференциальные преобразователи имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность характеристики преобразования (линейный участок расширяется до 0,5 ), меньшее влияние внешних факторов и сниженное результирующее усилие на якорь со стороны электромагнитов.

Широкое распространение получили трансформаторные индуктивные преобразователи (на самом деле это взаимно-индуктивные преобразователи). На рис. 2.6 показан дифференциальный трансформаторный индуктивный преобразователь, в котором первичные обмотки  и  включены последовательно и согласно в цепь источника питания U.

Вторичные обмотки  и  включены встречно, вследствие чего при перемещении сердечника на выходе ИП появляется разность . Если сердечник находится строго симметрично по отношению к обеим половинам ИП, т. е. при x = 0, то  и Δ E = 0.            

По типу магнитной цепи индуктивные преобразователи делят на ИП с разомкнутой магнитной цепью и ИП с замкнутой магнитной цепью.

ИП с разомкнутой магнитной цепью представляют собой катушку 1 внутри которой помещен стальной сердечник 2 (рис. 2.7). Такие ИП отличаются малыми габаритами и массой, но подвержены сильному влиянию внешних магнитных полей. Данные преобразователи используются для измерения относительно больших перемещений (до 100 мм).

ИП с замкнутой магнитной цепью (рис. 2.4 – 2.6) имеют сердечники, набранные из листов трансформаторной или электротехнической стали, иногда из пермаллоя. В ИП, работающих на высоких частотах, используются ферритовые сердечники. Выбор материала сердечника определяется частотой напряжения питания. При увеличении частоты питания повышается индуктивное сопротивление, однако при этом растут потери на перемагничивание. Если материалом сердечника является электротехническая сталь, то частота напряжения питания должна находиться в диапазоне 50…800 Гц. При использовании пермаллоевых сердечников частота питания может быть повышена до 2000 Гц. ИП с ферритовыми сердечниками могут иметь частоту питания до 100…300 кГц. Частота питания ИП непосредственно связана с частотным диапазоном преобразуемого процесса. Если частота  исследуемого процесса задана, то частота  питания (рабочая частота) должна быть .

Индуктивные ИП с замкнутой магнитной цепью обычно используют для измерения относительно малых перемещений, не превышающих нескольких миллиметров. 

Источниками статической погрешности индуктивных ИП являются колебания напряжения и частоты питания, нелинейность характеристики, а также влияние температуры и внешних магнитных полей. Влияние температуры, в частности, сказывается в изменении свойств ферромагнитного сердечника и изменении активного сопротивления катушки. При этом, как уже отмечалось, все указанные погрешности существенно уменьшаются благодаря использованию дифференциальных преобразователей.

Динамические свойства индуктивных ИП зависят в основном от массы движущихся частей (якоря).

Выходной параметр индуктивных ИП (нетрансформаторных) измеряют с помощью мостов переменного тока, а также с помощью специальных резонансных схем. Выходной параметр трансформаторных ИП измеряют с помощью стрелочных индикаторов или компенсационных схем.

Достоинством индуктивных ИП считается высокая чувствительность, значительная выходная мощность, простота и надежность устройства.

К недостаткам можно отнести наличие обратного влияния подвижного якоря на измеряемую величину и ограниченные динамические свойства.

Основное применение индуктивные ИП находят при измерении малых перемещений и других величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (сила, давление, механические моменты).

 

Емкостные преобразователи

Принцип действия емкостных преобразователей основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между обкладками.

Для плоского конденсатора с двумя обкладками (пластинами) электрическая емкость определяется выражением , где ­ – электрическая постоянная, ε – относительная диэлектрическая проницаемость; S – активная площадь обкладок; d – расстояние между обкладками.

 

На рис. 2.8 схематично показано устройство различных емкостных преобразователей. В преобразователе на рис. 2.8, а  измеряемая неэлектрическая величина x приложена к подвижной пластине конденсатора, которая перемещается относительно неподвижной пластины, т. е. в этом случае изменяется расстояние d между пластинами. Зависимость емкости конденсатора от изменения расстояния между пластинами, т. е. , нелинейна (гиперболическая), а чувствительность резко возрастает с уменьшением расстояния между пластинами. В связи с этим такие преобразователи используются для измерения перемещений до 1 мм.

В схеме дифференциального емкостного преобразователя (рис. 2.8, б) измеряемая (преобразуемая) величина прикладывается к подвижной пластине, которая перемещается между двумя неподвижными пластинами, что приводит к одинаковому изменению емкостей конденсаторов  и , но с разными знаками (см. 1.4). Зависимость относительного изменения разности емкостей  и  от относительного изменения расстояния между подвижной и неподвижной пластинами становится линейной при относительном изменении расстояния d Δ d /  ≈ 0,4…0,5, где   – начальное расстояние между неподвижной и подвижной пластинами. Как уже отмечалось в 1.4,  в дифференциальном преобразователе увеличивается также чувствительность.

Дифференциальный емкостный преобразователь с переменной активной площадью пластин (рис. 2.8, в) может использоваться для измерения как   линейных   (значительно больших 1 мм), так и угловых перемещений. Хотя в формуле плоского конденсатора емкость C пропорциональна активной площади обкладок (пластин) S, на практике емкость непропорциональна площади из-за так называемого краевого эффекта, когда электростатическое поле на краях пластины перестает быть равномерным.

На рис. 2.8, г приведена упрощенная схема емкостного преобразователя, используемого для измерения уровня некоторой жидкости с относительной диэлектрической проницаемостью ε. В этом случае преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов: конденсатор  образован частью электродов и диэлектриком – жидкостью, уровень которой измеряется; конденсатор  – остальной частью электродов и диэлектриком – воздухом. При этом емкость преобразователя . Зная геометрические размеры устройства и диэлектрическую проницаемость жидкости, можно получить зависимость емкости C от уровня жидкости x.

Емкостные ИП применяются в измерительных цепях, питающихся напряжением высокой частоты (до десятков мегагерц). Как указано в [15], номинальное значение емкости ИП обычно не превышает 100…500 пФ и на низких частотах емкостное сопротивление будет значительным. Для увеличения выходной мощности , где U – напряжение, подаваемое на ИП; ω – круговая частота питающего напряжения; C – емкость ИП, выгодно повышать напряжение U, но только до определенного предела. Этот предел определяется опасностью пробоя диэлектрика (воздух) при малом расстоянии между пластинами и возникновением силы электростатического притяжения между пластинами, которая пропорциональна квадрату приложенного напряжения U и обратно пропорциональна квадрату расстояния между пластинами d.

Естественно, для нормальной работы ИП необходимо, чтобы измеряемая сила (или сила, которая осуществляет перемещение x) была много больше силы электростатического притяжения.

Следует отметить, что в дифференциальных преобразователях (рис. 2.8, б) усилия притяжения в конденсаторах  и  компенсируются, что также является несомненным достоинством дифференциальных преобразователей по сравнению с недифференциальными.

Кроме того, высокая частота питающего напряжения необходима для снижения шунтирующего действия. На работу емкостных ИП существенное влияние оказывают внешние электростатические поля. Для уменьшения влияния сам преобразователь экранируют, а экран часто заземляют.

По динамическим свойствам емкостные преобразователи значительно лучше индуктивных, так как подвижная пластина емкостного ИП может быть выполнена значительно меньшей массы, чем подвижный якорь индуктивного ИП. Выходной параметр емкостных ИП измеряют с помощью мостовых и потенциометрических (реже) схем.

Достоинством емкостных преобразователей можно считать простоту конструкции, потенциально высокую чувствительность и малую инерционность.

Недостатки емкостных ИП – влияние внешних электрических полей и паразитных емкостей, влияние внешних факторов (влажность, температура), необходимость специальных источников питания повышенной частоты.

Емкостные ИП чрезвычайно разнообразны по применению. Основное их назначение – измерение малых перемещений, осуществляемое с помощью ИП с переменным зазором (рис. 2.8, а). Эти преобразователи используются также для измерения давления, влажности сыпучих или твердых тел, уровня непроводящих жидкостей.