Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Фотоэлектрические преобразователи 4 глава

4.6. Тензорезистивные преобразователи

В основе работы тензорезисторных преобразователей лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при деформации сжатия-растяжения. При деформации проводника изменяются его длина l и площадь поперечного сечения Q. Деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления р. Эти измене- ния приводят к изменению сопротивления проводника:

R =ρ l / Q.

Важной характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной чувствительности, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:

S отн=εR/ε l

где εR – относительное изменение сопротивления проволоки εR= ∆R/R, ε l – относительное изменение длины проводника, ε l =∆ l / l.

Основным требованием к материалу тензопреобразователей является возможно большее значение коэффициента относитель- ной чувствительности S отн. Это объясняется тем, что относитель-

ное изменение сопротивления εR у большинства тензорезисторов мало, не превышает (5...7)10-3. Нагрев преобразователя может вызвать изменение его сопротивления, соизмеримое с рабочим изменением. Другое требование к материалу тензопреобразовате-

лей – возможно меньшая величина температурного коэффициен- та сопротивления материала, что определяет температурную по- грешность преобразователя. Третье требование – это высокое удельное сопротивление материала, из которого изготовляется преобразователь, что необходимо для уменьшения габаритных размеров преобразователя.

Наиболее часто применяемые для изготовления тензорезисторов материалы: константан, нихром, манганин, никель, хромель, висмут, титаноалюминиевый сплав и полупроводниковые материалы (со- единения германия, кремния и т. д.).

В настоящее время наиболее широко применяют проволочные, фольговые, пленочные и полупроводниковые тензорезисторы.

Проволочные тензорезисторы. В технике измерений прово- лочные тензорезисторы используются по двум направлениям. Первое направление – использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объемного сжатия, когда естественной

входной величиной преобразователя является давление (газ или жидкость), а выходной величиной – изменение активного сопро- тивления. На этом принципе строятся манометры для измерения высоких и сверхвысоких давлений.

Второе направление – использование тензоэффекта растягива- емой проволоки из тензочувствительного материала. При этом тензорезисторы применяются в виде «свободных» преобразова- телей и в виде наклеиваемых. «Свободные» преобразователи вы- полняются в виде одной или группы проволок, закрепленных по концам между подвижной и неподвижной деталями и, как прави- ло, выполняющих одновременно роль упругого элемента. Есте- ственной входной величиной является очень малое перемещение подвижной детали, а выходной величиной преобразователя – из- менение его сопротивления. Устройство наиболее распростра- ненного типа наклеиваемого проволочного тензорезистора при- ведено на рис. 4.39.

4 1

Рис. 4.39. Устройство наклеиваемого проволочного тензорезистора: 1–лаковая пленка; 2 – проволока; 3 – бумага; 4 – медные проволоки

На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку наклеивается уложенная зигзагообразно тонкая проволока диаметром 0,02...0,05 мм. К концам проволоки присоединяются (сваркой или пайкой) выводные медные проводники, служащие для включения

преобразователя в измерительную цепь. Сверху преобразователь покрывается слоем лака либо заклеивается бумагой или фетром. Такой преобразователь приклеивается к испытуемой детали так, что проволока воспринимает деформацию поверхностного слоя испытуемой детали, вследствие чего изменяется сопротивление проволоки. Таким образом, естественной входной величиной яв- ляется деформация поверхностного слоя испытуемой детали, а выходной – изменение сопротивления преобразователя, пропор- циональное этой деформации. Измерительной базой преобразо- вателя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются преобразователи с базами 5...20 мм, облада- ющие сопротивлением 30...500 Ом. Кроме петлевой конструкции существуют и другие. При необходимости уменьшения измери- тельной базы преобразователя (до 3...1 мм) тензорезистор изго- товляют витковым способом, который заключается в том, что на оправке круглого сечения на трубку из тонкой бумаги наматыва- ется спираль из тензочувствительной проволоки. Затем эта труб- ка доклеивается, снимается с оправки, расплющивается и к ее концам прикрепляются выводы.

Когда надо получить от цепи с тензорезистором ток большой величины (например, при работе на вибратор осциллографа), ис- пользуют проволочные резисторы, состоящие из большого числа (30...50) параллельно соединенных проволочек. Они отличаются большими размерами (длина базы 150...200 мм), но дают возмож- ность увеличить пропускаемый через преобразователь ток.

Фольговые тензорезисторы. Они представляют собой тон- кую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензочув- ствительная решетка из константана толщиной 4...12 мкм. При изготовлении таких преобразователей путем травления можно получить любой рисунок решетки, что является достоинством

фольговых преобразователей. На рис. 4.40 представлены разно- видности фольговых тензорезисторов.

а б

Рис. 4.40. Разновидности (а, б) фольговых тензорезисторов

Большим преимуществом фольговых преобразователей явля- ется возможность увеличивать сечение их концов, что позволяет осуществить надежное припаивание (приваривание) выводов, а также возможность изготовить фольговые преобразователи большего сечения, чем проволочные, что позволяет пропускать через преобразователи большие токи и, следовательно, делать приборы с тензопреобразователями более чувствительными.

При отношении ширины к толщине полоски, равном 10, допу- стимый ток в преобразователе из фольги в 1,4 раза больше, чем в преобразователе из проволоки того же сечения.

Пленочные тензорезисторы. Металлические пленочные тен- зорезисторы изготовляются методом вакуумной возгонки тензо- чувствитсльного материала и последующей конденсации его на подложку (рис. 4.41).

Форма тензорезистора задается маской, через которую произ- водится напыление. Действие датчика основано на изменении омического сопротивления тензочувствительной обмотки 2 при деформации упругого элемента 1 под действием измеряемой си- лы. Тензочувствительная обмотка включается в плечо мостовой схемы.

A 1

Рис. 4.41. Пленочные тензорезисторы: 1 – упругий элемент; 2 – тензочувствительная обмотка

Чаще всего измерительной цепью является делитель напряже- ния либо мостовая цепь.

Делитель напряжения с питанием постоянным током приме- няют лишь в том случае, когда интересуются только перемен- ной составляющей измеряемой величины. При этом постоянная составляющая падения напряжения на сопротивлении RП тен- зопреобразователя, в сотни раз превышающая переменную со- ставляющую, отфильтровывается разделительным конденсато- ром С. В других случаях в качестве измерительной цепи ис- пользуется цепь моста, питаемого постоянным или переменным током. Чаще применяется неравновесный режим работы росто- вой цепи. При динамических измерениях в качестве указателя применяют самописец или осциллограф, включаемые через усилитель.

Полупроводниковые тензорезисторы. Полупроводнико- вый чувствительный элемент в полупроводниковых тензорези- сторах состоит из кремниевой полоски с n - или p - проводимостью, обладающей пьезоэффектом, при котором ме- ханическая нагрузка вызывает положительное или отрицатель- ное изменение сопротивления. Полупроводниковый тензорези- стор шириной 0,2 мм и толщиной около 0,02 мм может быть

изготовлен на подложке или использоваться без нее. Преиму- ществом таких тензодатчиков является высокая чувствитель- ность, которая постоянна только в узком диапазоне. Его харак- теристика нелинейна, величина ε l =∆ R / R сильно изменяется при изменении удлинения ε l =∆ l / l температуры. Полупроводнико- вые тензорезисторы имеют высокую стоимость, что учитыва- ется при их использовании.

Погрешности приборов с тензопреобразователями. Эти по- грешности тесно связаны с градуировкой приборов. При невоз- можности градуировать непосредственно рабочий преобразова- тель погрешность, обусловленная неидентичностью преобразова- телей и качеством наклейки рабочих и градуируемых тензорези- сторов может достигать до 3...5%, а общая погрешность всего прибора (включая погрешность указателя, усилителя и т.д.) до- стигает 10...15%. При градуировке рабочего преобразователя и возможности контроля чувствительности усилителя погрешность прибора может быть снижена до 0,2...0,5% при статических и до 1,0...1,5 % при динамических измерениях.

Для уменьшения самой существенной для тензорезисторов температурной погрешности, которая носит в основном аддитив- ный характер, используют дифференциальную схему включения преобразователей: в соседнее плечо моста должен быть включен такой же преобразователь, наклеенный на тот же самый материал и помешенный в те же температурные условия.

В ряде случаев можно разместить на детали и включить в со- седние плечи моста два преобразователя, испытывающие равную деформацию разного знака (рис. 4.42). При этом одновременно достигается температурная коррекция и повышается вдвое чув- ствительность измерительной цепи.

Растяжение

УК U

Сжатие

Рис. 4.42. Схема включения тензорезисторов с температурной коррекцией

В тензорезисторных приборах высокой точности и для полу- чения датчиков с унифицированными характеристиками, чтобы обеспечить их взаимозаменяемость, применяются мостовые схе- мы с нормирующими резисторами, позволяющие регулировать параметры и характеристики тензорезистивного моста и прибора в целом.

При использовании мостовых схем с нормирующими резисто- рами погрешность датчиков с фольговыми тензорезисторами снижается до 0,03...0,005%, а у датчиков с полупроводниковыми тензорезисторами – до 0,1%.

П р и м е н е н и е: тензорезисторы наиболее часто применяют- ся для измерения деформаций и механических напряжений, а также других статических и динамических механических вели- чин, которые пропорциональны деформации вспомогательного упругого элемента (пружины), например пути, ускорения, силы, изгибающего или вращающего момента, давления газа или жид- кости и т.д. По этим измеряемым величинам можно определить производные величины, например массу, степень заполнения ре- зервуаров и т. д. Например, проволочные тензорезисторы на бу- мажной основе, а также фольговые и пленочные применяются для измерения относительных деформаций от 0,005...0,02 до 1,5...2 %. Свободные проволочные тензорезисторы могут быть использованы для измерения деформаций до 6... 10 %.

Тензорезисторы практически безынерционны и применяются в диапазоне частот 0...100 кГц. Измерительные цепи тензорези- сторов весьма разнообразны. Преимущественные распростране- ния получили приборы с усилителями. Эти приборы называются тензоусилителнми, или тензостанциями. Они обладают рядом д о с т о и н с т в: возможностью одновременно измерять статиче- ские и динамические деформации, простотой изготовления и наладкой усилителей, малой чувствительностью к помехам от электрических и магнитных полей. Рассмотрим принцип исполь- зования тензорезисторных преобразователей для измерения раз- личных неэлектрических величин.

Измерение деформации. На рис. 4.43 приведена типичная структурная схема одного канала измерителя деформации.

Измерительный мост М питается переменным напряжением от генератора Г несущей частоты. Модулированный сигнал не- сущей частоты с измерительной диагонали моста попадает на вход усилителя Ус. Усиленный сигнал демодулируется фазочув- ствительным демодулятором Д и через фильтр Ф поступает в указатель. Усилитель и генератор несущей частоты питаются от

источника В.

Ук

Ус

Д

Ф

Сеть В Г

Рис. 4.43. Структурная схема одного канала измерителя деформации

Для проверки чувствительности служит устройство П, которое в некоторых приборах осуществляется автоматически, а для предварительного уравновешивания моста – устройство Р. Для

одновременного определения деформации во многих точках тен- зостанции выполняются многоканальными.

Измерение давления. Для измерения давлений (100 Н/мм2...3 кН/мм2) используются манганиновые тензорези- сторы. При измерении давлений тензорезисторы могут быть установлены непосредственно на стенках сосуда, давление в ко- тором измеряется, а для повышения чувствительности их можно разместить на мембранах, сильфонах и т.д. В манометрах с тензо- сопротивлениями в качестве упругого элемента используется ме- таллический стакан с утолщенным дном. На наружной поверхно- сти стакана наклеиваются два рабочих преобразователя, а на дон- ной поверхности – два преобразователя для температурной кор- рекции. На рис. 4.44 приведена конструкция упругого элемента, поверхность которого изолирована и обмотана тензочувствитель- ной проволокой: половина R 1 является рабочей, а вторая полови- на R 2 служит для температурной коррекции. Величина относи- тельного удлинения проволоки при толщине стенки трубки b и внутреннем радиусе r под действием давления Р определяется по формуле

D l = Pl

1 (1- m),

(4.12)

l b E 2

где E и μ – модуль упругости и коэффициент Пуассона соответ- ственно.

R1 R2

R3 R4

Uвых

Рис. 4.44. Манометр с температурной коррекцией

Измерение крутящего момента. Крутящий момент можно измерить путем измерения напряжения в материале вала при по- мощи тензорезисторов, наклеенных так, как показано на рис. 4.45.

45°

90° 45°

Рис. 4.45. Схема расположения тензорезисторов для измерения крутящего момента вала

Крутящий момент:

М кр=τ W П,

где W П– полярный момент сопротивления сплошного круглого вала, W П=πr3/2/.

При включении преобразователей в два соседних плеча моста влияние деформаций изгиба вала на результат измерения практи- чески исключается, поскольку при изгибе деформации обоих преобразователей одинаковы по величине и по знаку.

Погрешность измерения тензометрами в этом случае состав- ляет 5...10%, но может быть снижена до 1...2 % при предвари- тельной их градуировке непосредственно на валу.

4.7. Индуктивные преобразователи

Индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности, полное сопротивление которой изменяется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопрово- да. На рис. 4.46 изображен самый распространенный преобразо- ватель с малым воздушным зазором б, длина которого изменяется под действием измеряемой величины Р (сосредоточенная сила, давление, линейное перемещение).

Вследствие изменения зазора изменяется магнитное сопро- тивление магнитной цепи, а следовательно, и индуктивность ка- тушки, надетой на сердечник и включенной в цепь переменного тока. Индуктивность L этой обмотки

L = w

w 2 w

, или L = = 2 d,

Rм Rм.чт + Rd

Rм.чт +

m 0 Q

где w – число витков катушки; R м– полное сопротивление маг- нитной цепи; R м.ст– магнитное сопротивление участков из стали; R δ– магнитное сопротивление воздушных зазоров; δ – величина воздушного зазора; μ 0– магнитная проницаемость воздушного зазора, μ0=1,26·10-6Гн/м; Q – площадь воздушного зазора.

Таким образом, у данного преобразователя естественной входной величиной является перемещение сердечника 1, а вы- ходной – изменение индуктивности обмотки 2. Подобные преоб- разователи, преобразующие значение измеряемой (механической) величины в значение индуктивности, называют индуктивными. Изменение индуктивного сопротивления катушки ведет к изме- нению ее полного сопротивления Z. Таким образом, возникает функциональная зависимость между измеряемой механической величиной Р и электрическим полным сопротивлением Z преоб- разователя:

Z= f (P) и ∆Z= f (∆P).

P 1

Рис. 4.46. Устройство индуктивного преобразователя: 1 – сердечник; 2 – обмотка

На рис. 4.47, а представлен преобразователь с изменяющейся в соответствии со значением измеряемой величины площадью воздушного зазора. Преобразователи такого типа применяются при измерении перемещений порядка 5...20 мм.

На рис. 4.47, б представлен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью. Он состоит из катушки 1, внутри которой по- мешен стальной сердечник 2. Перемещение сердечника, а следо- вательно, и изменение индуктивности катушки является функци- ей измеряемой механической величины.

Δl

Δl 2 1

a б в

~ α

г д

Рис. 4.47. Разновидности индуктивных преобразователей:

а – с изменяющейся площадью воздушного зазора; б – с разомкнутой магнитной цепью: 1 – катушка; 2 – сердечник; в – разновидность преобразователя

при введении в воздушный зазор витка: 1 – виток; г – с изменяющимся профилем диска; д – для измерения угловых перемещений до 90º:

1 – неподвижный сердечник; 2 – подвижный сердечник

В преобразователе, представленном на рис. 4.47, в, при введении в воздушный зазор короткозамкнутого витка 1 индуктированные в витке токи создают активные потери, что эквивалентно введению в магнитную цепь реактивного магнитного сопротивления. Введение Хм наряду с уменьшением плошади рабочего воздушного зазора вы- зывает увеличение общего магнитного сопротивления, пропорцио- нального перемещению витка.

Изменяя профиль диска в преобразователе (рис. 4.47, г), мож- но получить любой вид зависимости индуктивности от угла по- ворота диска. Преобразователи данного типа используются для измерения угловых перемещений до 180...360º.

В преобразователе, применяемом для измерения угловых пе- ремещений до 90º (рис. 4.47, д), магнитопровод состоит из непо- движного сердечника 1 и подвижного, поворачиваемого, сердеч- ника 2. Оба сердечника выполняются из шихтованной стали. При совпадении направлений шихтовки в сердечниках вторичные то- ки в пластинах сердечника 2 будут минимальными, а индуктив- ность обмотки – максимальной. Если повернуть сердечник 2 от- носительно сердечника 1, то размагничивающее действие вто- ричных токов будет возрастать, а индуктивность обмотки умень- шаться.

Н е д о с т а т к и: функции преобразования нелинейны, адди- тивные погрешности (например, температурная погрешность, связанная с изменением активного сопротивления обмотки) ве- лики, и сила притяжения якоря значительна.

Дифференциальные преобразователи. Этих недостатков лишены дифференциальные преобразователи, которые состоят из двух одинаковых одинарных преобразователей, имеющих общий подвижный элемент. Примеры схем таких преобразователей при- ведены на рис. 4.48.

Z1 Z2

Ук

Z3 Z4

Ук

Z3 Z4

а б

P 1 1 1

α Z3

Ук

Z3 Z4

~ в

Z1 Z2

Ук

Z3 Z4

~ г

Ук ~

Рис. 4. 48. Разновидности дифференциальных преобразователей:

а – с подвижным сердечником; б – с разомкнутой магнитной цепью; в – с подвижной катушкой; г – с изменяющимся профилем диска;

д – для измерения угловых перемещений; 1 – якорь

При перемещении якоря 1 индуктивность плеча Z 1 возрастает, а плеча Z2 уменьшается. Благодаря использованию дифференци- альных цепей уменьшается аддитивная погрешность, улучшается линейность функции, в два раза возрастает чувствительность и уменьшается сила притяжения якоря.

Электрическое сопротивление индуктивного преобразователя можно выразить в виде:

L = R + jw

Z м.ст +

m 0 S

где Zм.ст – комплексное магнитное сопротивление стали.

Для дифференциальных преобразователей при Р= 0 (рис. 4.48, а) якорь 1 расположен симметрично относительно обеих катушек и магнитные сопротивления для потоков, создава- емых катушками, одинаковы. Изменения магнитных сопротивле- ний, происходящие под воздействием измеряемой величины, имеют противоположные знаки. Сила тока в измерительной диа- гонали моста

I ук = k(Z 1 Z 4 - Z 2 Z 3 ),

где к – постоянный множитель, В/Ом2; Z1и Z2 – полные сопро- тивления катушек преобразователя, Ом.

Широкое применение дифференциальных преобразователей объясняется не только большей линейностью функции преобра- зования, но значительно меньшими погрешностями.

Трансформаторные преобразователи. Преобразователи, преобразующие значение измеряемой величины в значение вза- имной индуктивности, называются взаимоиндуктивными или трансформаторными.

При наличии двух обмоток на магнитной цепи при изменении магнитного сопротивления Rмбудет изменяться взаимная индук- тивность М между обмотками катушек:

M = w 1 w 2 / lM.

Различают два вида трансформаторных преобразователей: с изменяющимся магнитным сопротивлением и постоянным маг- нитным сопротивлением и подвижной обмоткой.

На рис. 4.49, а представлен трансформаторный преобразова- тель с подвижным сердечником. Обмотка питается переменным током (частотой ω).

Р Р