Классификация первичных измерительных преобразователей

Одним из важнейших элементов любого прибора, предназначенного для измерения физических величин, является первичный измерительный преобразователь, входной величиной (естественной входной величиной) которого является измеряемая величина. Рассмотрим классификацию первичных измерительных преобразователей (в дальнейшем датчиков). Критерий классификации всегда выбирается в зависимости от цели проведения классификации.

Все ПИП (датчики) можно разделить на две категории: пассивные и активные. Пассивный датчик не нуждается в дополнительном источнике энергии и в ответ на изменение внешнего воздействия на его выходе всегда появляется электрический сигнал. Иногда такие датчики называют генераторными. Примерами пассивных ПИП являются термоэлектрические, пьезоэлектрические преобразователи. Активными являются такие датчики, которые для своей работы требуют внешнюю энергию, называемую сигналом возбуждения. Активные датчики иногда называют параметрическими. Примерами активных датчиков являются терморезистивные, тензорезистивные датчики.

Одним из классификационных признаков, по которому могут быть разделены ПИП, является природа естественного выходного сигнала (параметра). По этому признаку можно выделить девять групп ПИП: 1) ПИП с электрическими выходными сигналами; 2) ПИП с магнитными выходными сигналами; 3) ПИП с механическими выходными сигналами; 4) ПИП с тепловыми выходными сигналами; 5) ПИП с оптическими выходными сигналами; 6) ПИП с химическими выходными сигналами; 7) ПИП с радиоактивными выходными сигналами; 8) ПИП с пространственными выходными сигналами; 9) ПИП с временными выходными сигналами.

В свою очередь, каждая группа содержит несколько подгрупп, разделяемых по виду выходного сигнала.

Например, ПИП с электрическими выходными сигналами разделяются на ПИП, выходным сигналом которых являются: 1) электрическое сопротивление R; 2) электрическая емкость С; 3) электрический заряд q; 4) ЭДС (разность потенциалов) E (U); 5) электрический ток и др.

Рассмотрим первичные измерительные преобразователи в соответствии с этой классификацией.

Резистивные ПИП

Резистивные измерительные преобразователи (РИП) в настоящее время являются самыми распространенными.

Принцип действия РИП основан на изменении их электрического сопротивления при изменении входной величины.

В общем случае на РИП оказывают влияние различные физические величины: электрические Х_Э; магнитные Х_МАГ; механические Х_МЕХ; тепловые Х_Т; оптические Х_ОПТ; химические Х_ХИМ; радиоактивные Х_РАД; пространственные Х_ПР; временные Х_ВР.

Уравнение преобразования РИП в общем случае имеет вид

R = F(Х_Э, Х_МАГ, Х_МЕХ, Х_Т, Х_ОП, Х_ХИМ, Х_РАД, Х_ПР, Х_ВР). (4.18)

Чувствительность РИП к различным по физической природе входным величинам рассчитывается по формуле S = ¶R/¶Х_i.

При построении РИП стремятся к тому, чтобы изменение сопротивления R происходило под действием одной входной величины (реже двух).

РИП состоит из чувствительного элемента с электродами и выводами и различного рода конструктивных элементов.

Чувствительный элемент (ЧЭ) РИП выполняется из: проводниковых, полупроводниковых и диэлектрических материалов.

Материалом ЧЭ может служить как электрически изотропное вещество, имеющее одинаковое электрическое сопротивление по всем направлениям, так и электрически анизотропное вещество, имеющее в разных направлениях различное сопротивление.

Чувствительные элементы могут быть выполнены: 1) твердыми – в виде различных брусков, трубок, проволок, пленок с определенными размерами и формой сечения; 2) жидкими; 3) газообразными – в виде объема, заключенного в камеру с определенными размерами и конструкцией.

Обычно ЧЭ размещается на базовом элементе – каркасе. Для защиты от внешних влияющих факторов используются защитные элементы в виде чехлов и специальных покрытий, кожухов, оболочек.

Основными характеристиками РИП являются: 1) градуировочная (уравнение преобразования) характеристика R = f(x); 2) чувствительность к входной величине S = dR/dx; 3) начальное значение сопротивления R₀ (обычно при Т = 0 или 20 ⁰С); 4) диапазон преобразования; 5) погрешность; 6) постоянная времени.

Рассмотрим наиболее часто применяемые группы резистивных датчиков.

4.4.1. Терморезистивные датчики

Принцип действия терморезистивных ПИП основан на изменении сопротивления проводников, полупроводников и диэлектриков под действием температуры. При изменении температуры проводниковых и полупроводниковых веществ изменяется их удельное сопротивление (терморезистивный эффект). Терморезистивный эффект рассмотрен в п. 3.1.2. Кроме этого, при изменении температуры изменяются размеры образца из этого вещества (материала). Эти факторы обусловливают изменение сопротивления проводниковых и полупроводниковых образцов при изменении их температуры. Если зависимость сопротивления материала от температуры известна и воспроизводима, то ее можно использовать для измерения температуры, переходя от измерения температуры к измерению сопротивления.

В терморезистивных преобразователях в основном используются металлические проводниковые и полупроводниковые материалы. Проводниковые металлические терморезистивные преобразователи иначе называют термометрами сопротивления, а полупроводниковые терморезисторы из поликристаллического материала часто называют термисторами. Материалы терморезистивных ПИП (в дальнейшем терморезисторов) должны обладать: большим значением ТКС; стабильностью ТКС во времени и в диапазоне рабочих температур; большим значением удельного сопротивления; инертностью к воздействию различных сред.

Проводниковые металлические терморезистивные датчики

В общем случае зависимость сопротивления чистых металлов от температуры описывается полиномом n-степени [20]

, (4.19)

где R_Т – сопротивление проводника при температуре Т; R₀ – сопротивление при определенной эталонной температуре Т₀, например Т₀ = 273 К (0 ⁰C); a₁, a₂, a₃... – степенные температурные коэффициенты сопротивления материала;
DТ = Т – Т₀.

В узком диапазоне температур зависимость сопротивления металлических проводников от температуры близка к линейной и для ее описания достаточно использовать первые два члена полинома (4.19).

Чувствительность материалов к температуре Т характеризуется величиной температурного коэффициента электрического сопротивления материала, который в общем случае определяется как ТКС=a_R=¶R/¶T, [1/K]. Значение ТКС большинства химически чистых металлов в интервале температур 0–100 ⁰С составляет (3–6,8)^.10^-3 К^-1.

В качестве материалов для металлических терморезистивных датчиков чаще всего применяют платину, медь и никель. Проводниковые терморезистивные датчики называют термометрами сопротивления.

Уравнение преобразования медных терморезистивных датчиков в интервале температур от -50 до +180 ⁰С может выражаться линейной зависимостью

, (4.20)

где a_R = 4,26 10^-3 К^-1 – температурный коэффициент сопротивления меди; R₀ – сопротивление при 0 ⁰С; t – температура, ⁰С.

Чувствительность медного терморезистивного датчика в этом диапазоне находится как S = a_RR_0.

Медные термометры сопротивления применяются в диапазоне температур от -200 до +200 ⁰С. При индивидуальной градуировке их можно использовать до температуры -260 ⁰С.

Недостатком медных терморезисторов является их сильная окисляемость при температурах t > 180 ⁰С, что ограничивает их температурный диапазон.

Уравнение преобразования платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до 650 ⁰С определяется выражением

, (4.21)

где R₀ – cопротивление при 0 ⁰С; a₁ = 3,90784 10^-3 К^-1; a₂ = 5,7841^.10^-7 К^-2; t – температура, ⁰С.

Чувствительность в этом диапазоне находится как S = R₀(a₁ + a₂t).

В диапазоне температур от 0 до -200 ⁰С зависимость сопротивления платинового терморезистора от температуры имеет вид [15]

, (4.22)

где a₃ = –4,482^.10^-12 К^-4.

Платиновые термометры сопротивления применяются в диапазоне температур от -263 до +1100 ⁰С.

Никелевыетермометры сопротивленияхарактеризуются высоким значением температурного коэффициента сопротивления ТКС = 6,28^.10^-3 К^-1, практически линейной зависимостью сопротивления от температуры в диапазоне от -200 до +300 ⁰С.

Никелевые термометры сопротивления применяются в диапазоне температур от -200 до +500 ⁰С.

Недостатком является сильная окисляемость никеля при высоких температурах, что ограничивает диапазон рабочих температур до +250 ⁰С.

Для измерения температуры в высокоскоростных газовых потоках используются терморезисторы из вольфрама, характеризующиеся близкой к линейной зависимостью сопротивления от температуры. Диапазон измерения ограничивается температурой до +600 ⁰С.

Достоинством вольфрамовых терморезисторов является бескаркасная намотка чувствительного элемента.

В области низких температур до 3,5 К применяются индиевые терморезисторы, сопротивление которых зависит от температуры как [19]

R = A + BT⁵, (4.23)

где А и В – постоянные, получаемые эталонированием терморезистора в реперных точках.

Для измерения высоких температур вплоть до +2000 ⁰С могут применяться терморезисторы на основе сплавов золото-серебро и платина-палладий [19].

К достоинствам металлических терморезисторов можно отнести высокую стабильность и воспроизводимость характеристик.

Существуют различные варианты конструктивного исполнения чувствительных элементов металлических термометров сопротивления. Терморезис- тивные проводниковые датчики выполняются тонкопленочными и проволочными.

Тонкопленочные изготавливаются путем вжигания или нанесения другим путем из тонкого слоя платины или ее сплавов на подходящую подложку, например на керамическое основание толщиной 1–2 мкм или кремниевую мембранку. При ширине пленки 0,1–0,2 мм и длине 5–10 мм сопротивление датчика составляет 200–500 Ом [15]. Для получения высокого отношения длины к ширине пленочные датчики часто изготавливаются в виде серпантинной структуры. Датчики, у которых пленка нанесена с обеих сторон подложки, используются для измерения температурного градиента и имеют порог чувствительности (1–5)10^-5 К/м.

Чувствительные элементы проволочных термометров сопротивления изготавливают в виде безындукционной намотки, которая может быть бескаркасной или выполнена на каркасе [24]. Варианты конструкции металлических термометров сопротивления приведены на рис. 4.6. Чувствительный элемент термометра сопротивления (рис. 4.6а) может представлять собой безындукционную намотку, например, из медной проволоки 3, расположенной на каркасе из изолятора 2. Намотка помещается в тонкостенный металлический корпус 1.

 

1 – корпус; 2 – каркас из изолятора; 3 – проволока

а б

Рис. 4.6

 

Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления часто выполняется из нескольких (например, двух или четырех) соединенных последовательно платиновых спиралей 3 (рис. 4.6б). Спирали размещаются в каналы двух- или четырехканального каркаса 2 из изолятора, помещенного в корпус 1.

В чувствительных элементах большинства проводниковых терморезисторов используется металлическая проволока диаметром (0,05–0,1) мм с длиной, определяемой значением начального сопротивления.

Основные характеристики проводниковых терморезистивных ПИП

К характеристикам проводниковых терморезистивных датчиков относятся: уравнение преобразования, чувствительность, номинальное сопротивление, тепловая постоянная времени, погрешности.

Одной из важнейших характеристик терморезисторов является тепловая постоянная времени t, характеризующая их тепловую инерцию:

t = С/(xF), (4.24)

где С – теплоемкость терморезистора; x – коэффициент теплоотдачи; F – поверхность терморезистивного датчика.

Постоянная времени t – время, в течение которого температура терморезистивного ИП повышается до 63 ⁰С при перенесении его из среды с температурой 0 ⁰С в воздушную среду с температурой 100 ⁰С. Для различных конструкций τ составляет значение от десятых долей секунды до десятков секунд.

Номинальное сопротивление – это сопротивление терморезистора при эталонной температуре Т₀. Для проводниковых терморезистивных ПИП номинальное сопротивление R₀ обычно определяется при температуре Т₀ = 0 ⁰С.

Класс допуска – определяет допускаемое отклонение от номинального значения сопротивления при 0 ⁰С (R₀).

Промышленностью выпускаются платиновые, медные и никелевые термометры сопротивления, которые в общем случае состоят из чувствительного элемента, защитной арматуры и головки преобразователя с зажимами. В соответствии с ГОСТ 6651 выпускаются термометры сопротивления трех классов допуска и следующих номинальных статических характеристик преобразования: платиновые – 1П, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П; медные – 10М, 50М, 100М. Буквы в условном обозначении типа и градуировочной характеристики термопреобразователя обозначают следующее: Т – термометр; С – сопротивления;
П – платиновый; М – медный; Н – никелевый; а число – показывает сопротивление термометра при 0 ⁰С в омах.

В табл. 4.2 приведены классы допуска некоторых термометров сопротивления по ГОСТ 6651.

Одной из характеристик металлических термометров сопротивления (ТС) является отношение W₁₀₀ сопротивления ТС при 100 ⁰С (R₁₀₀) к сопротивлению при 0 ⁰С (R₀), W₁₀₀ = R₁₀₀/R₀. В соответствии с ГОСТ 6651 для платиновых термопреобразователей сопротивления W₁₀₀ = 1,3910 (международное значение – 1,3850), для медных W₁₀₀ = 1,4280 (международное значение – 1,4260) и для никелевых W₁₀₀ = 1,6170.

Таблица 4.2

Условное обозначение номинальной статической характеристики преобразования	Класс допуска	Номинальное значение сопротивления при 0 ^0С, R0, Ом	Допускаемое отклонение от номинального значения сопротивления при 0 ^0С
в странах СНГ	Между-народное	±%	±Ом
50П	Pt50	А		0,05	0,025
100П, 100М	Pt100, Cu100		0,05
50П, 50М	Pt50, Cu50	В		0,1
100П, 100М	Pt100, Cu100		0,1
50П, 50М	Pt50, Cu50	С		0,2
100П, 100М	Pt100, Cu100		0,2

Никелевые термопреобразователи сопротивления имеют класс допуска С (ΔR/R₀ = ±0,24%).

Недостатками промышленных термометров сопротивления являются большое значение тепловой постоянной времени τ и большие размеры. Тепловая постоянная для различных типов резисторов составляет значение от единиц до десятков секунд.

Полупроводниковые терморезистивные ПИП

Изменение сопротивления полупроводника в основном обусловлено изменением числа свободных носителей заряда. Чем выше температура, тем большее число электронов из валентной зоны преодолевает запрещенную зону и попадает в зону проводимости (или возрастает число активированных акцепторных или акцепторных атомов).

Температурная зависимость полупроводниковых терморезистивных датчиков достаточно хорошо описывается выражением [19]

, (4.25)

где R₀ – сопротивление при начальной температуре Т₀; DT = Т - Т₀; a_Т – постоянный коэффициент, 1/К.

Сопротивление полупроводникового терморезистора также может быть найдено по формуле

, (4.26)

где А – коэффициент, характеризующий материал и конструкцию терморезистора; В – коэффициент, характеризующий материал.

Коэффициенты А и В также зависят от температуры, поэтому более точное выражение выглядит так:

, (4.27)

где T ₀ – начальная температура, К; R_{t 0} – сопротивление при температуре T_0.;
В – характеристическая температура материала, К.

Значение В для большинства полупроводниковых терморезистивных ПИП лежит в пределах от 2000 до 5000 К и в пределах узкой зоны может считаться независимым от температуры.

В общем случае температурный коэффициент сопротивления полупроводниковых терморезистивных датчиков зависит от температуры и определяется по формуле

. (4.28)

При температуре 300 К чувствительность полупроводникового терморезистора на порядок и более выше, чем металлического.

Недостатками полупроводниковых терморезистивных ПИП являются: нелинейность характеристики преобразования и большой разброс от образца к образцу значения номинального сопротивления и постоянной В.

В качестве материалов полупроводниковых терморезистивных ИП используют: 1) монокристаллические полупроводники (Si, Ge); 2) полупроводниковые соединения.

Для изготовления резистивных датчиков температуры, обладающих положительным ТКС, широко используется чистый кремний, легированный примесями n -типа. Эффект получения положительного ТКС в монокрис-таллических полупроводниках рассмотрен в п. 3.1.2.

Типичный кремниевый датчик состоит из кристалла кремния n -типа, размеры которого не превышают нескольких сот микрометров (200–500 мкм), с контактами на противоположных гранях. Чувствительность подобных датчиков составляет десятые процента на один градус Цельсия, т. е. их сопротивление изменяется на несколько десятых процента при изменении температуры на 1 ⁰С.

Передаточную функцию датчика в области положительных ТКС можно аппроксимировать полиномом второго порядка [20]:

, (4.29)

где R₀ и T₀ – сопротивление, Ом, и температура, К, измеренные в эталонной точке; А и В – постоянные коэффициенты.

В настоящее время кремниевые терморезистивные датчики широко используются для измерения температуры и температурной компенсации. Верхний предел измерения датчиков с положительным ТКС обычно не превышает +200 ⁰С, нижний предел лежит в области отрицательных температур и составляет значение в несколько десятков градусов Цельсия (например, датчик KTY-81 имеет рабочий диапазон (-55…+150 ⁰С)) [20].

Терморезисторы из монокристаллических полупроводников (германия, кремния) характеризуются большим значением ТКС, хорошей воспроизводимостью и стабильностью характеристик в широком интервале температур, малой тепловой постоянной времени.

Наибольшее применение для изготовления полупроводниковых терморезисторов получили поликристаллические материалы на основе смесей окислов металлов переходной группы периодической системы (смеси окислов марганца MnO₃, меди CuO, никеля NiO, кобальта CoO₄ и др.).

Как правило, полупроводниковые терморезисторы имеют отрицательный ТКС. Исключения составляют так называемые "позисторы", имеющие положительный ТКС (a_R» 0,3–0,5 К^-1). Позисторы изготавливают из сегнетоэлектрических полупроводников, характеризующихся аномальным ростом удельного сопротивления вблизи области сегнетопароэлектрического фазового перехода. Для проведения точных измерений используются термисторы только с отрицательным ТКС.

Конструктивно полупроводниковые терморезистивные датчики могут иметь самую разнообразную форму. Чувствительный элемент может быть вы-

полнен в виде стержня (рис. 4.7а), диска (рис. 4.7б), шайбы (рис. 4.7в), шарика (бусинки рис. 4.7г), пленки и других форм. Для защиты от влаги и других факторов его покрывают слоем лака или стекла, могут помещать гермерметизированный стеклянный баллон или корпус.

Основные характеристики полупроводниковых терморезистивных ПИП

К характеристикам полупроводниковых терморезистивных датчиков относятся уравнение преобразования, чувствительность, номинальное сопротивление, тепловая постоянная времени, погрешности и др.

Уравнения преобразования полупроводниковых терморезистивных датчиков рассмотрены выше.

Номинальное сопротивление – это сопротивление терморезистивного датчика при эталонной температуре Т₀. Для полупроводниковых термисторов за номинальное значение R₀ принимается сопротивление при Т₀ = 20 ⁰С, для некоторых типов термисторов R₀ определяется при температуре Т₀ = 150 ⁰С (например, термистор КМТ4).

Класс допуска – определяет допускаемое отклонение от номинального значения сопротивления при 20 ⁰С (R₀).

ТКС отечественных термисторов составляет значение −(0,02–0,04) К^-1; номинальное сопротивление R₀ имеет значение от 0,1 до 10⁷ Ом; допускаемое отклонение от номинального значения сопротивления R₀ от 10 до 20 %; погрешность 1–2 %, диапазон от –100 до +300 ⁰С, тепловая постоянная времени составляет значение от десятых долей до десятков секунд.

Основные характеристики некоторых полупроводниковых терморезисторов приведены в табл. 4.3 [19].

 

Таблица 4.3

Тип	Пределы R0 при 20 ^0С, кОм	Допускаемое отклонение ΔR/R0, %	ТКС, %/ ^0C, при 20 ^0С.	Диапазон рабочих температур,^0С	t, с
ММТ-8	0,001…1,0		2,4 … 4,0	-40 … + 70	-
КМТ-1	22…1000		4,2 … 8,4	-60 … +180
КМТ-4	0,51…7500 при 150 ^0С		2,3 … 3,9 при 150 ^0С	-10 … +300	-
СТ1-17	0,3…22	10, 20	-	-60 … +100
СТ3-18	0,033 …0,33	-	-	-60 … +300	-
СТ3-19	2,2…15		-	-100 … +125	-

Погрешности терморезистивных ПИП

Погрешности терморезистивных ИП обусловлены: 1) отклонением характеристики от стандартной градуировочной таблицы; 2) нестабильностью характеристики R = f(T); 3) потерями тепла на лучеиспускание; 4) потерями тепла за счет теплопроводности защитной арматуры; 5) тепловой инерцией; 6) нагревом измерительным током.

Отклонение градуировочной характеристики конкретного ИП от номинальной может происходить из-за неточности подгонки начального сопротивления при 0 ⁰С и из-за отличий в чистоте металла. Допустимые отклонения R₀ и a_Т от номинальных значений нормируются ГОСТами.

Стабильность характеристики R = f(T) определяется условиями эксплуатации, причем изменения происходят главным образом при длительной работе ИП за пределами допустимого температурного диапазона.

Погрешности, обусловленные потерями тепла за счет лучеиспускания и теплопроводности защитной арматуры, более характерны для промышленных термометров сопротивления и обусловлены разностью температур терморезистивного ИП и поверхности объекта измерения и потерями тепла за счет теплопроводности защитной.

Погрешность из-за инерционности имеет место при динамических измерениях. Инерционность РИП характеризуется постоянной времени t.

Погрешность от протекания измерительного тока связана с нагревом терморезистивного ПИП проходящим током.

Терморезистивные датчики используются для измерения: температуры, скорости жидкости или газа (в термоанемометрах), перемещений; для анализа состава и плотности газов и других физических величин.

4.4.2. Магниторезистивные датчики

Принцип действия магниторезистивных преобразователей основан на изменении удельного сопротивления проводников и полупроводников под действием магнитного поля – эффекте Гаусса (см. п. 3.1.3).

Следует отметить, что при продольном эффекте изменение магнитосопротивления незначительно и для создания магниторезистивных ПИП применение находит в основном поперечный эффект Гаусса.

Материалы и конструкции магниторезистивных ПИП

В качестве материалов чувствительных элементов магниторезистивных датчиков могут использоваться чистые металлы (например, висмут), полупроводниковые соединения (например, антимонид индия), ферромагнетики. Чистые металлы характеризуются сравнительно малым значением магнитного коэффициента (например, у висмута α_В ≈ 1), поэтому в настоящее время магниторезистивные ИП на эффекте Гаусса изготавливаются из полупроводниковых материалов (например, полупроводниковых соединений InSb, InAs). Большее применение получил эвтектический сплав антимонида индия InSb и антимонида никеля NiSb.

Чувствительный элемент магниторезистивного ПИП может быть выполнен различной конфигурации: в виде диска Корбино (рис. 4. 8а); в виде пластины с малым отношением размеров a/b (рис. 4.8б).

1 – чувствительный элемент; 1 – чувствительный элемент;

2, 5 – электроды; 3, 4 – выводы 2 – подложка; 3 – выводы

Рис. 4.8 Рис. 4.9

Магниторезистивные преобразователи с чувствительным элементом, выполненным в форме диска из полупроводникового материалы (например, из InSb или InAs), характеризуются малым значением начального сопротивления (R₀ составляет значение в несколько десятых долей ом) и ограниченной нагрузочной способностью. Толщина чувствительного элемента составляет десятые доли миллиметра. Присоединение вывода 4 к центральному электроду 2 (рис. 4.8а) приводит к утолщению диска Корбино и невозможности использования его при измерении магнитных полей в малых воздушных зазорах.

Выполнение чувствительного элемента в виде пластинки прямоугольной формы, у которой ширина b больше дины а (рис. 4.8б), позволяет увеличить эффект Гаусса. Сопротивление таких преобразователей достигает десятков ом.

Использование эвтектических сплавов (например, сплава InSb – NiSb) позволяет получить значения сопротивления R₀ от единиц ом до десятков килоом. Конструкция магниторезистивного ПИП с чувствительным элементом из сплава InSb – NiSb изображена на рис. 4.9. Чувствительный элемент представляет собой меандровую полоску 1 на изолирующей (например, керамической) подложке 2. К полоске припаиваются выводы 3. Толщина полоски составляет десятки микрометров (15–25 мкм). Для повышения чувствительности в качестве подложки используют ферромагнитный материал с высокой маг­нит­ной проницаемостью. Изготовление магнито­рези­с­тив­ных датчиков дифференциальными позволяет повысить их чувствительность и уменьшить погрешности. На рис. 4.10 представлена конструкция меандровой полоски диф­фе­рен­ци­ального преобразователя. Магнито­резис­тив­ные ПИП имеют малые геометрические размеры, не превышающие 3…4 мм при толщине не более 0,4 мм.

Основные характеристики магниторезистивных ПИП

К характеристикам магниторезистивных ИП относятся: уравнение преобразования (градуировочная характеристика); начальное (номинальное) сопротивление; магниторезистивное отношение; магнитная чувствительность; погрешности преобразователя; нагрузочная способность.

Уравнение преобразования магниторезистивного преобразователя на эффекте Гаусса имеет вид [19]

, (4.30)

где R – начальное сопротивление преобразователя при В = 0; А_B – коэффициент, зависящий от физических свойств материала и формы чувствительного элемента; μ – подвижность носителей зарядов.

В слабых магнитных полях (при μ^.В << 1) показатель n = 2 – сопротивление R квадратично зависит от индукции В и чувствительность S преобразователя при этом определяется как

. (4.31)

Чувствительность пропорциональна магнитной индукции.

В сильных магнитных полях (при μ^.В >> 1, в большинстве случаев при B > 0,3–0,5 Тл) показатель n = 1 и функция преобразования линейна. Чувствительность преобразователя при этом находится как

. (4.32)

Номинальное (начальное) сопротивление R₀ – это сопротивление при индукции магнитного поля В, равной нулю.

Значение начального сопротивления зависит от проводимости материала, конфигурации и размеров чувствительного элемента и для различных типов магниторезисторов колеблется от десятых долей ома (например, для магниторезисторов из InAs R₀ может быть равно 0,5 Ом) до единиц килоом (например, для магниторезистивных ИП из сплава InSb-NiSb R₀ может иметь значение, равное единицам килоом).

Отклонение начального сопротивления от номинального значения обусловлено неоднородностью материала магниторезистивного преобразователя и воспроизводимости геометрических размеров чувствительного элемента и может достигать значения ±20 %.

Магниторезистивное отношение R_B/R₀ – это отношение сопротивления R_B магниторезистивного ИП при определенном значении магнитной индукции (обычно 0,3 и 1,0 Тл) к начальному сопротивлению R₀.

Отношение R_B/R₀ сильно зависит от температуры, поэтому оно определяется при определенной температуре, и для различных магниторезисторов составляет значение от единиц до десятков.

Магнитная чувствительность S – определяется как относительное приращение сопротивления ΔR/R магниторезистивного ИП к вызвавшему его приращению магнитной индукции ΔВ:

. (4.33)

Нагрузочная способность – параметр, определяемый предельным значением температуры перегрева магниторезистивного преобразователя. Значение этой температуры обычно не превышает 150 ⁰С. В паспорте нагрузочная способность может нормироваться допустимой мощностью рассеяния.

Погрешности магниторезистивных ПИП

Основными причинами появления погрешностей являются: 1) изменение физических свойств материалов и геометрических размеров во времени под действием температуры; 2) влияние измеряемой среды на свойства материала чувствительного элемента; 3) изменение частоты магнитного поля (при измерении переменных магнитных полей).

Так как преобразователи на эффекте Гаусса изготавливаются в основном из кристаллических полупроводников, характеризующихся высокой временной стабильностью параметров, поэтому погрешность от изменения свойств во времени мала и ей обычно пренебрегают.

Температурная погрешность обусловлена изменением начального сопротивления R₀, коэффициента А_B, магниторезистивного отношения R_В/R₀. Для уменьшения этой погрешности используются различные компенсирующие или корректирующие устройства. Кроме этого уменьшение температурной погрешности достигается выбором материалов с малым ТКС. Значения ТКС различных типов магниторезистивных датчиков составляет 0,0002 … 0,012 К^-1.

Погрешность магниторезистивных датчиков составляет 0,5…2,5 % (частота 0 … 20 кГц).

Для защиты материала чувствительного элемента от воздействия измеряемой среды его покрывают защитными лаками и компаундами.

В табл. 4.4 представлены характеристики некоторых типов магниторезистивных датчиков [8].

Таблица 4.4

Характеристика	Тип магниторезистивного датчика
InAS	InSb	InSB-NiSb
Сопротивление R0, Ом при В = 0	0,5 - 100	0,5 - 200	10 – 2^.10^3
RB/R при В = 1,0 Тл	2 - 3	10 - 15	10 - 15
Номинальная мощность рассеяния (в воздухе), Вт	0,2	0,1	0,1
Диапазон рабочих температур, ^0С	-200…+150	-20… +100	-200 … +100

Магниторезистивные ИП применяются для измерения постоянных и переменных полей (диапазон измерения 10^-2 … 10² Тл) и величин функционально с ней связанных, а также в различных устройствах автоматики и вычислительной техники. Очень часто они используются как индикаторы магнитного поля.

4.4.3. Тензорезистивные датчики

Принцип действия тензорезистивных ПИП основан на тензорезистивном эффекте, который заключается в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их деформации (см. п. 3.1.1). Изменение сопротивления может быть определено по формуле (3.5).

Удельное сопротивление большинства металлов мало зависит от деформации (коэффициент α_ε очень мал), коэффициент Пуассона для металлов m» 0,24–0,4, поэтому изменение сопротивления для большинства проводников обусловлено в основном изменением их размеров.

При деформации полупроводниковых материалов происходит изменение структуры энергетических зон, что приводит к изменению концентрации носителей заряда, их эффективной массы, перераспределению их между энергетическими максимумами в зоне проводимости и минимумами в валентной зоне и соответственно к изменению удельного сопротивления. Например, для полупроводника с примесями удельное сопротивление ρ = m/(n^.q^2.τ), где n – концентрация примеси; q – заряд; m – эффективная масса; τ – среднее время жизни носителей заряда. Деформационный коэффициент α_ε для полупроводников может достигать 200 и более, т. е. α_ε >> 1 + 2μ, и изменение сопротивления полупроводникового образца при его деформации обусловлено большим деформационным коэффициентом.

Тензорезистивный эффект проявляется на телах различной геометрической формы и существенно зависит от вида деформации и температуры. На этом эффекте основана работа тензорезистивных ПИП (тензодатчиков).

При небольших изменениях сопротивления металлических тензорезисторов, не превышающих 2 % (что справедливо для большинства случаев), уравнение преобразования проводникового тензодатчика может быть записано в виде [20]

. (4.34)

Материалы чувствительных элементов тензодатчиков должны характеризоваться: большим значением коэффициента тензочувствительности; большим значением удельного сопротивления; малым значением ТКС; отсутствием термоЭДС в контактах; линейностью зависимости R = f(e _l).

В качестве материалов чувствительных элементов используются проводниковые и полупроводниковые материалы. Характеристики некоторых материалов приведены в табл. 3.1.

Классификация и конструкции тензорезистивных ПИП

В зависимости от фазового состояния материала чувствительного элемента различают твердотельные и жидкостные тензорезистивные преобразователи.

К твердотельным тензодатчикам относятся: проволочные, фольговые, пленочные.

Проволочные тензодатчики выполняются наклеиваемыми и ненаклеиваемыми.

Наклеиваемый проволочный тензорезистивный преобразователь (рис. 4.11а) представляет собой решетку из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 1 диаметром 0,02–0,05 мм. наклеенной на основу 2 (полоска бумаги или пленка), к концам которой присоединяются медные выводы 3. Сверху преобразователь покрывают слоем лака [15].

Ненаклеиваемые (свободные) тензорезистивные ИП выполняются в виде одной или ряда проволок 1, закрепленных на концах между