Теорема Котельникова

 

Реостатные  преобразователи применяются для  восприятия тех механических перемещений, где прилагаемое усилие превышает 1СП² Н, а самоперемещение - значение 2-3 мм. При питании таких датчиков переменным током частота не должна превышать 5 Гц.

 

Для измерения механических напряжений широко используются тензорезистивные датчики. Они изготавливаются из проволоки, фольги и полупроводниковых  пластинок. Их принцип действия основан  на изменении электрического сопротивления  под действием механической деформации.

 

1   - выводы транзистора; 

2 - база; 

3 - проволока;    4 - слой лака;

5- исследуемая поверхность.

 

 

 

 

- статическая нагрузка;

          - динамическая нагрузка;

 

Тензорезестивный  преобразователь состоит из базы 2, на которую наклеена проволока 3 диаметром 0,02 — 0,03 мм зигзагообразной формы. К концам проволоки приварены выводные провода I. Сверху провода нанесен слой лака 4. Датчик наклеен на исследуемую поверхность 5 и вместе с ней деформируется, преобразуя механическое напряжение в изменение омического сопротивления.

Для преобразования приращения сопротивления  могут быть использованы как мостовые схемы, так и схемы с делителями напряжения.

 

Тензорезистивные  датчики характеризуются коэффициентом  тензочувствительности:

K=(∆R/R)l(∆l/l) ,

где ∆R/R — относительное изменение сопротивления датчика; с1/1 —относительная деформация проволоки.

 

Для различных материалов значение К колеблется в пределах 0,5 —4,0, а полупроводниковые тензодатчики имеют коэффициент тензочувствительности в пределах 50 — 200. Однако последние обладают значительной чувствительностью к изменениям температуры, поэтому в основ-ном используются для измерения весьма малых деформаций.

Измерив относительную деформацию поверхности  конструкции и зная значение модуля упругости Е для данного материала, по формуле определяют механическое напряжение. Таким образом, изменение сопротивления датчика

Пьезорезистивные  преобразователи сил, давлений и  деформаций.

1 — Чувствительный элемент

2 — Металлические обкладки

3 — Выводы

 

 

Они отличаются высокой чувствительностью  при достаточно простой конструкции. Принцип действия этих датчиков состоит  в следующем. Чувствительный элемент  1 под воздействием (осуществляется через металлические обкладки 2) механической силы меняет сопротивление между провода-ми 3. Чувствительный элемент пьезорезисторных преобразователей выполняют из различных металлических и неметаллических полупроводниковых материалов.

Сопротивление пьезорезисторов, имеющее значение 10 — 10⁸ Ом, может меняться под воздействием измеряемого механического напряжения в широких пределах, что позволяет непосредственно подключить на их выход вторичный измерительный прибор.

Геометрические  размеры пьезорезистивных датчиков не превышают 5 мм по высоте и 10 см² по площади.

 

Электромагнитные  датчики.

Индуктивные датчики линейных и угловых перемещений.

При перемещении подвижного сердечника 3 относительно неподвижного 2 изменяется воздушный зазор δ. Изменение воздушного зазора приводит к изменению магнитного сопротивления цепи и, следовательно, индуктивной составляющей сопротивления обмотки 1. Между индуктивным сопротивлением обмотки и длиной воздушного зазора существует функциональная зависимость:

Для аналогичного преобразователя угловых  перемещений:

Для практических применений наиболее удобны трансформаторные датчики, выходной параметр которых - ЭДС.

 

Одноэлементный  датчик                        Дифференциальный датчик

 

1 — Сердечник

2 — Вторичные обмотки

 

При отсутствии перемещения сердечника 1 в обмотках 2 трансформатора индуцируются одинаковые ЭДС, сумма которых ввиду их встречного соединения равна нулю. При появлении перемещения в одной половине магнитной цепи за счет уменьшения воздушного зазора возрастает магнитный поток, увеличивается наводимая ЭДС во вторичной обмотке. Аналогично уменьшается ЭДС во второй половине датчика ввиду увеличения воздушного зазора. Возникающая результирующая (суммарная) ЭДС пропорциональна значению перемещения.

Среди датчиков индуктивного типа особое место  занимают магнитоупругие,  принцип  действия которых основан на изменении  магнитной проницаемости сердечника 1 под действием механической силы Q.

 

1 — Магнитопровод

2,3 — Обмотки

 

 

 

 

 

 

Магнитоупругий  датчик представляет собой магнитопровод 1 прямо-угольной формы с четырьмя симметрично расположенными отверстия-ми, в которых размещены две обмотки  2 и 3, причем плоскости этих обмоток взаимно перпендикулярны. Обмотка 3 питается током переменного напряжения, а обмотка 2 является измерительной. При полной симметрии магнитопровода и изотропности материала индуктивная связь между обмотками отсутствует, так как магнитный поток обмотки 3 не пересекает вторичную. Следовательно, ЭДС обмотки 2 при отсутствии механических напряжений в материале магнитопровода равна нулю.

При воздействии на магнитопровод механического  усилия Q нарушается изотропность материала вследствие изменения магнитных свойств последнего под действием упругих напряжений и, как следствие этого, изменяется напряжение магнитного потока обмотки 3. При этом часть потока обмотки 3 пересекает витки обмотки 2, в результате чего в последней наводится ЭДС, возрастающая с увеличением действующего на магнитопровод усилия.

Достоинства: простота конструкции, высокая надежность, возможность измерения больших  сил (10 — 10 Н). Недостатки: невысокая точность, погрешность 1-4 %.

 

 

Пьезоэлектрические  датчики.

Некоторые диэлектрики при воздействии  на них механического усилия подвергаются электрической поляризации, что  представляет собой явление прямого  пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект  характеризуется тем, что диэлектрический  материал под воздействием электрического поля подвергается механической деформации. При этом пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т. е. при изменении направления  механического напряжения изменяется полярность электрических зарядов  и при изменении полярности электрического поля меняется направление механической деформации диэлектрика.

К материалам, обладающим пьезоэффектом, можно отнести кварц, сегнетовую соль и другие кристаллические вещества, а также искусственные керамики: титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др.

Электрический заряд, возникающий на гранях пьезоэлектрической конструкции, определяется формулой

где d — пьезоэлектрический модуль.

 

При этом различают продольный и поперечный пьезоэффекты.

1 — Пьезокристалл

 

Для увеличения заряда в пьезодатчике 1 кристаллические шайбы собирают в столбик и электрически их соединяют параллельно. Общая емкость с измерительной цепи, образованная емкостями кристалла, кабеля и входной емкостью усилителя, заряжается до напряжения U.

Следует отметить, что мощность, развиваемая  пьезоэлементом, чрезвычайно мала, ввиду этого измерительная цепь датчика тщательно экранируется от помех и наводок.

При измерении статических сил возникающий  электрический заряд утекает  через сопротивление измерительной  цепи, следовательно, исключается возможность  их регистрации. Поэтому практически  пьезоэлектрические датчики применяются  для регистрации лишь динамических сил. Частотный диапазон измерений  составляет 10^-5 —10^s Гц.

В измерительной цепи пьезодатчиков  обычно используется усилитель выходным сопротивлением R >  10¹³  Ом с малой входной емкостью. Дифференцирующий характер пьезоэлектрических  преобразователей позволяет на их базе построить датчики виброускорений — акселерометры.

 

Тепловые  датчики.

Принцип действия тепловых датчиков основан  на использовании тепловых процессов (нагрева, охлаждения, теплообмена). На этом принципе строятся датчики для  измерения не только температуры, но и других физических  параметров, таких,  как  тепловой  поток, скорость потока в и жидкости, расход, химический состав, давление газов, влажность, уровень  и др. 

Для измерения температуры последняя  преобразуется в промежуточную  величину, например в ЭДС, электрическое  сопротивление и другие величины.  Отметим,  что  для  регистрации  весьма  больших  температур используется оптический метод.

Из  всех  существующих  методов  измерения  температуры наиболее широко применяются  термоэлектрические.

Термоэлектрическое  явление заключается в том, что  при соединении двух проводов А и В  из разных материалов (термопара) и создании разности температур между точкой соединения T₁  и точками свободных концов Т₀ возникает ЭДС, пропорциональная разности функций температур:

E(T_1,T₀)=f(T_l)-f(T₀).

 

Значение  термоЭДС зависит от материалов термопары  и колеблется в пределах от долей  до сотен милливольт на 100 °С Характеристика термоэлектрических преобразователей, как правило, нелинейная ив значительной степени зависит от наличия примесей, механической и термической обработки  материалов термопары.

 

А, В — Провода

T₁ — Точка горячего спая

T₀ — Точка холодного спая

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Каждая  термопара снабжается градуировочной характеристикой. Градуировка термопар осуществляется при температуре  свободных концов, равной нулю; при  температуре, отличной от нуля, возникает  дополнительная погрешность.

При градуировке термопар для исключения погрешности от непостоянства внутреннею сопротивления прибора (мВ) последний  градуируется совместно сдатчиком.

Термометры  сопротивления. (ГОСТ 6651-78) имеют две  основные разновидности:

Термосопротивления  с платиновым (ТСП) и медным (ТСМ) чувствительными элементами.

Современные платиновые терморезистивные датчики  температуры имеют вид спирали, помещенной в канавках двух- или  четырехканального керамического  каркаса и уплотненной порошкообразной  окисью алюминия. Такая конструкция  позволяет использовать преобразователь  как в защитной арматуре, так и  без нее.

Медный  терморезистивный чувствительный элемент  представляет собой бескорпусную обмотку  из медной изолированной проволоки, покрытую сверху фторопластовой пленкой. Для обеспечения необходимой  прочности обмотку помещают в  тонкостенную металлическую гильзу, которую засыпают керамическим порошком и герметизируют.

 

 

 

 

Основные  характеристики промышленных термометров  сопротивления:

 

Тип термометра	Номинальное сопротивление при 0˚С, Ом	Обозначение градуировочной характеристики	Диапазон температур, ˚С
ТСП	1	1П	-50…+1100
	5	5П	-100…+1100
	10	10П	-200…+1000
	(46)	(гр.21)	-260…+1000
	50	50П	-260…+1000
	100	100П	-260…+1000
	500	500П	-260…+300
ТСМ	10	10М	-50…+200
	50	50М	-50…+200
	100	(гр.23)	-50…+180
	500	100М	-200…+200

 

Тип термометра	Класс точности	Погрешность ∆R/R0, %
ТСП	I	±0,05
	II	±0,1
	III	±0,2
	IV	±0,4
	V	±0,8
ТСМ	I	—
	II	±0,1
	III	±0,2
	IV	±0, 5
	V	±1,0

 

 

МЕТОДЫ  ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.