Исследование работы датчиков

 

Цель работы: 1. Изучение тензорезистивного проволочного датчика и получение его

характеристик.

2. Изучение датчика температуры - термопары.

Приборы и принадлежности: четыре транзистора, металлическая балка, набор грузов для нагружения балки, микроамперметр, потенциометр, источник питания, термопара, милливольтметр.

ТЕОРИЯ

Устройство и классификация датчиков

Датчик - устройство, преобразующее внешнее воздействие в электрический сигнал. В медицине и биологии датчики используются в качестве устройств съема информации о медико-биологической системе, если исследуемый параметр имеет неэлектрическую природу. Простейшая схема датчика дана на рис. 1.

 

 

Рис. 1

 

 

Исследуемый параметр медико-биологической системы X воздействует на преобразователь 1, превращающий Х в электрический сигнал Y (рис.1, а). Величину X называют естественной входной величиной, величину Y - выходной величиной.

При использовании нескольких преобразователей применяют каскадное включение (рис.1, б): входная величина X поочередно превращается в величины X ₁, X ₂, X ₃,..., Y.

Преобразующие свойства датчиков определяются их характеристикой, чувствительностью, порогом чувствительности, пределом преобразования, номинальной погрешностью.

Характеристикой датчика называют функциональную зависимость выходной величины y от входной величины x, то есть .

Обычно стремятся использовать линейную зависимость между выходным сигналом и выходной величиной. Если это не удается, то используют другие виды зависимости – квадратичную, логарифмическую, экспоненциальную и т.д.

Рис. 2

На рис.2 дана линейная характеристика датчика. D x -изменение входной величины, D y - изменение выходной величины.

Чувствительностью датчика называют отношение Чувствительность показывает, какое изменение выходной величины соответствует изменению входной величины Δ х =1.

Порогом чувствительности датчика называют минимальное значение изменения входной величины (D x _min), которое может зарегистрировать данный датчик.

Предел преобразования датчика - это максимальное значение (x _max) входной величины, которое датчик может преобразовать без искажений.

Информация о входной величине может быть искажена вследствие погрешностей, возникающих при работе датчика. Из-за погрешностей характеристика датчика из линии размывается в полосу определенной ширины.

Среднюю линию полосы называют номинальной характеристикой. Величину b /2, равную половине ширины полосы, называют номинальной погрешностью датчика. Номинальную характеристику и номинальную погрешность указывают в паспорте датчика.

Погрешности датчиков обусловлены следующими причинами:

- непостоянством функции преобразователя во времени из-за старения и коррозии материалов, из-за износа подвижных частей датчика;

- несовершенством технологии изготовления датчиков (не строго выдержанные геометрические размеры, разброс параметров исходных материалов, неточность настройки и регулировки и т.п.);

- инерционными свойствами датчика (изменения выходных величин запаздывают по отношению к соответствующим изменениям входной величины);

- обратным воздействием датчика на медико-биологическую систему, что приводит к искажению информации об исследуемом параметре x.

 

В зависимости от носителя информации о входной величине, датчики подразделяются на электромеханические, электростатические, электромагнитные, электронные, термоэлектрические и т.д.

 

Различают два типа датчиков: генераторные и параметрические.

 

Генераторными называют датчики, в которых под воздействием входной величины генерируется разность потенциалов, ЭДС, ток.

К параметрическим относятся датчики, в которых под воздействием входной величины изменяется какой-либо параметр (сопротивление, индуктивность, емкость и т.д.).

Генераторные датчики

В качестве генераторных датчиков рассмотрим термопару, пьезоэлектрический датчик и индукционный датчик.

Термопара

Термопары относятся к термоэлектрическим преобразователям.

Термопара представляет собой замкнутую цепь из двух разнородных металлических проводников (рис.3).

Рис. 3

Контакты металлов A и К (спаи) поддерживают при разных температурах. Один спай называют контрольным (К). Его температура Т _К поддерживается постоянной при помощи термостата. Второй спай Т _А (А) - рабочий. Он помещается в среду, температуру которой надо измерить. В цепь термопары включается измерительный прибор. Если температура рабочего спая Т _А отличается от температуры контрольного спая Т _К, то в цепи термопары возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), величина которой прямо пропорциональна разности температур рабочего и контрольного спаев и определяется соотношением

ТЭДС = a(Т _А - Т _К),

где a - удельная ТЭДС, показывающая, какая ТЭДС возникает в данной цепи при разности температур контактов в один градус.

Измеряя ТЭДС, можно определить разность температур, а следовательно, и температуру рабочего контакта. Таким образом, термопара является датчиком температуры. Входной величиной такого датчика является разность температур, выходной - возникающая в термопаре электродвижущая сила.

Пьезоэлектрические датчики

Их работа основана на явлении прямого пьезоэффекта, который заключается в том, что на противоположных концах кристаллической пластинки возникают заряды различных знаков, если пластинку деформировать. Механическое напряжение преобразуется в разность потенциалов между ее концами.

Пьезодатчик используют для измерения различных физических величин: механических напряжений, переменных сил, скоростей, ускорений, давления и т.д.

Индукционные датчики

Принцип их действия основан на явлении электромагнитной индукции. Примером такого датчика может быть система из постоянного магнита (или электромагнита) и подвижного замкнутого проводящего контура (подвижной катушки). При поступательном или вращательном движении катушки в магнитном поле в ней наводится ЭДС индукции, возникает индукционный ток, величина которого зависит от скорости движения катушки.

Входной величиной такого датчика является скорость или ускорение поступательного или вращательного движения рамки, выходной - возникающая в рамке ЭДС индукции.

Параметрические датчики

Примерами могут служить емкостные, индуктивные, резистивные датчики.

Емкостной датчик

В качестве примера может быть использован, например, плоский конденсатор. Емкость C плоского конденсатора определяется соотношением

где S - площадь обкладки конденсатора, d - расстояние между обкладками, e - диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками.

Если сместить относительно друг друга обкладки заряженного конденсатора, то изменится его электроемкость и, соответственно, изменится разность потенциалов между его обкладками. С помощью таких датчиков можно измерять механические перемещения, толщину и однородность диэлектрика и т.п.

Индуктивный датчик

Рис. 4

В простейшем варианте представлен на рис.4. Катушка 1 намотана на замкнутый сердечник 2. Якорь 3 может перемещаться относительно сердечника и замыкать последний. При перемещении якоря изменяется индуктивность катушки, это приводит к изменению индуктивного сопротивления цепи и, в конечном итоге, к изменению тока в цепи катушки. Входной величиной такого датчика является механическое перемещение якоря, выходной - ток в цепи катушки.

Разновидностью индуктивных датчиков являются магнитоупругие датчики. Их работа основана на изменении магнитной проницаемости сердечника катушки, если сердечник деформировать - сжать, растянуть и т.п. Изменение магнитной проницаемости сердечника приводит к изменению индуктивности катушки. Входной величиной такого датчика является механическая деформация, механическое напряжение, выходной - сила тока в цепи катушки.

Резистивные датчики

В качестве таковых рассмотрим тензорезисторы (тензосопротивления). Тензорезисторы иначе называют тензодатчиками.

Принцип действия тензодатчиков основан на тензоэффекте. Тензоэффект проявляется в том, что активное сопротивление проводника зависит от механической деформации: сжатия, растяжения, изгиба, кручения.

Различают тензодатчики с линейным и объемным тензоэффектом.

Датчики с линейным тензоэффектом изготовляют из тонкой проволоки (см. практическую часть). Сопротивление проволоки рассчитывают по формуле

где r - удельное сопротивление проволоки, l - ее длина, S - площадь поперечного сечения. При деформации датчика одновременно изменяются длина l и поперечное сечение S, что приводит к изменению сопротивления и силы тока в цепи датчика. Датчики с линейным тензоэффектом используют для измерения механических перемещений, деформаций, механических напряжений и давления.

Датчики с объемным тензоэффектом представляют собой столбики из вещества, сопротивление которого сильно изменяется в зависимости от давления окружающей среды. Применяют такие датчики в качестве манометров для измерения высоких и сверхвысоких давлений.

В завершение этого раздела необходимо несколько слов сказать об электронныхдатчиках, которые в настоящее время получили широкое распространение. В них преобразование неэлектрической величины в электрическую основано на электронных процессах.

К электронным датчикам относятся вакуумные фотоэлементы, в основе работы которых лежит внешний фотоэффект и полупроводниковые фотоэлементы, работающие на внутреннем фотоэффекте. Фотоэлектронные датчики используют для измерения светового потока, силы света, освещенности, для исследования прозрачности и мутности растворов в колориметрах и нефелометрах. С помощью фотоэлементов можно вести счет предметов, измерять механические перемещения, скорости, ускорения и т.д.