Резистивные преобразователи

     Введение 

     В настоящее время широко применяются  различные измерительные преобразователи. В любом каталоге электронных  компонентов они представлены достаточно полно, причем каждый тип преобразователя  имеет несколько вариантов исполнения. По внешнему виду нелегко правильно выбрать преобразователь для реализации конкретной функции, поскольку в документации на него приводятся данные и описываются процедуры, которые скорее удержат инженера от желания использовать их, нежели убедят в том, что данный преобразователь наилучшим образом решит поставленную задачу. Однако выбор преобразователя для конкретного применения упрощается тем, что имеется интерфейс для включения его в измерительную систему. Хорошие знания обо всех типах измерительных преобразователей позволяют решить задачу выбора наилучшим образом, и только тогда можно быть полностью уверенным в правильности использования каждого преобразователя.

Измерительные преобразователи имеют разные наименования в разных научных дисциплинах, поэтому одна из задач автора состояла в. том, чтобы рационализировать многообразие наименований, определить категории преобразователей, которые были бы приемлемы для каждого, кто имеет дело с ними. Отсюда не следует, что любое частное название преобразователя является неверным (в частности, кто предпочтет назвать термистор температурно-чувствительным полупроводниковым резистивным прибором с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления? Хотя такое категоризованное определение преобразователя позволяет легче осуществить его выбор для решения определенной измерительной задачи).

Категории измерительных  преобразователей, выбранные автором, определяются видом измеряемой физической величины. Конечно, зная, что, простые измерения определенных физических величин могут быть выполнены на основе разности или отношения некоторых исходных величин (например, скорость можно определить путем деления пройденного пути на затраченное для этого время), читателю сообщается о возможностях измерительных преобразователей выполнять прямые или косвенные измерения. Последние необходимы для электронизации измерений, вернее, измерительных систем, в которых вычисляются значения физических величин.

В точном смысле этого слова, определенном Оксфордским словарем, измерительный преобразователь является прибором, который преобразует изменение одной величины в изменение другой. В терминах электроники измерительный преобразователь определяется обычно как прибор, преобразующий неэлектрическую физическую величину (называемую измеряемой физической величиной) в электрический сигнал, или наоборот. Имеются, конечно, и исключения из этого правила.

Отсюда следует, что измерительные преобразователи  используются в электронных системах, т. е. в технических устройствах с электрическим сигналом, отображающим результат измерений или наблюдений. С другой стороны, измерительный преобразователь может быть использован на выходе системы, чтобы, скажем, генерировать механическое движение в зависимости от электрического управляющего сигнала. Примером реализации преобразователей является справочная система, в которой микрофон (входной преобразователь) превращает звук (измеряемую физическую величину) в электрический сигнал. Последний усиливается, а затем поступает на громкоговоритель (выходной преобразователь), воспроизводящий звук существенно более громкий, нежели тот, который воспринимается микрофоном.

     Резистивные преобразователи.

 

      Резистивные преобразователи являются наиболее простым видом преобразователей. К ним относятся реостатные, тензоэлектрические, тензолитовые, контактные и другие преобразователи. Из всего многообразия резистивных преобразователей для измерительных целей наибольшее распространение в настоящее время получили лишь первые два типа.

      Реостатные  преобразователи. Реостатным преобразователем называется реостат, движок которого перемещается в соответствии со значением измеряемой неэлектрической величины. Таким образом, естественной входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка, которое может быть либо линейным, либо угловым. Если перемещение движка является следствием воздействия на него какого-либо промежуточного элемента (например, мембраны или поршня), то входной величиной может быть давление, усилие, ускорение и т. д. Выходной величиной реостатных преобразователей является активное сопротивление, распределенное линейно или по некоторому закону по пути движка.

     Конструктивно реостатные преобразователи выполняются  либо в виде обмоток, намотанных на каркас, либо реохордного типа. Для изготовления реостатов обычно применяют константановые и манганиновые, а для работы в условиях высоких температур – фехралевые проволоки. В особо ответственных случаях применяют проволоки из сплавов платины с иридием, палладием или рутением.

      Каркас  преобразователя изготовляют из текстолита, стеклотекстолита или пресс–порошка; применяют также каркасы из алюминиевых сплавов, покрытых изоляционным лаком или оксидной пленкой. Последние более термоустойчивы и позволяют за счет лучшей теплопроводности повысить плотность тока в обмотке и тем самым повысить чувствительность преобразователя.

      Формы каркасов весьма разнообразны: они  могут быть выполнены в виде плоской  или цилиндрической пластины, плоского или цилиндрического кольца, плоского сегмента и т. д. 

 

               Рис. 1.3. Схемы включения реостатных преобразователей 

      Индуктивное и емкостное сопротивление реостатных преобразователей обычно весьма малы, вследствие чего реактивное сопротивление преобразователя можно не принимать во внимание до частот порядка нескольких десятков тысяч Герц.

      Недостатком реостатных преобразователей является то, что они дискретные (за исключением преобразователей реохордного типа), поскольку непрерывному изменению измеряемой величины соответствует ступенчатое изменение сопротивления, равное сопротивлению одного витка. Это вызывает определенную погрешность измерения, уменьшающуюся с увеличением числа витков преобразователя на единицу измеряемой величины. Поэтому общее число витков преобразователя выбирают обычно не менее 100–200.

      Наиболее  распространенные схемы включения  реостатных преобразователей показаны на рис. 1.3,а–д.

      Недостатком первых трех схем является нелинейная зависимость тока от перемещения  движка. Величина нелинейности зависит  от соотношения внутреннего сопротивления гальванометра R_r, добавочного сопротивления R_д и сопротивления преобразователя R. Лишь при R_r ,например, при использовании лампового вольтметра большим входным сопротивлением или в потенциометрических схемах (рис. 1.3,а, б), связь между выходным напряжением Uвых и смещением l₁, становится линейной:

            

      Нелинейность  мостовых схем (рис. 1.3,г, д) обычно не велика. Наряду с большей чувствительностью (по сравнению с первыми тремя схемами) это является причиной их преимущественного распространения.

      Тензорезисторы. Большое распространение в качестве измерительных преобразователей получили тензорезисторы (называемые также тензометрами сопротивления или тензосопротивлениями) и пьезорезисторы.

      Несмотря  на различие наименований, отражающих характер воздействия на преобразователь (от латинского tenso – растягиваю и pieso – сжимаю), физическая сторона явления остается одной и той же: свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление под воздействием приложенной к ним растягивающей или сжимающей силы. Поэтому в дальнейшем мы будет пользоваться одним термином, принятым в отечественной литературе – тензорезистор.

      Широкому  использованию тензорезисторов способствуют в первую очередь их малые размеры и масса, возможность измерения статических и динамических деформаций и т. д.

      В настоящее время в практике измерений  используются проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы.

      Проволочные тензорезисторы. В наиболее простом случае проволочные тензорезисторы представляют собой отрезок проволоки, концы которой (или весь отрезок) жестко закрепляются с помощью клея или цемента на упруго деформируемой детали. Сжатие или растяжение детали вызывает пропорциональное сжатие или растяжение проволоки, в результате чего изменяется ее длина, поперечное сечение и удельное электрическое сопротивление, что приводит, в конечном счете, к изменению электрического сопротивления проволоки. Так, если в исходном состоянии электрическое сопротивление проволоки:

            

где r – удельное электрическое сопротивление материала проволоки; l – начальная длина деформируемого участка проволоки; S – площадь сечения проволоки, то при растяжении проволоки ее сопротивление изменится на величину DR и составит R+DR.

     Относительное изменение сопротивления тензорезистора определяется соотношением 

            

где Dl – изменение длины; Dr – изменение удельного электрического сопротивления; m – коэффициент Пуассона.

     Частное от деления относительного изменения  сопротивления на относительное изменение длины проводника в пределах упругой деформации характеризуется постоянной величиной, равной

            

где е=Dl /l – относительная деформация преобразователя.

     Величина  k называется коэффициентом тензочувствительности. Она зависит от свойств материала, из которого изготовлен тензорезистор, и технологии его изготовления. Большое влияние на величину тензочувствительности имеет качество подложки (основы) и клея. 

 

      Рис. 1.4. Устройство проволочного резистора 

      Для изготовления проволочных тензорезисторов применяют материалы, имеющие высокий коэффициент тензочувствительности и малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Наиболее употребительным материалом для изготовления тензорезисторов является константановая проволока диаметром 20 – 30 мкм.

      Конструктивно проволочные тензорезисторы представляют собой спираль (решетку), состоящую из нескольких петель (витков) проволоки, наклеенных на тонкую бумажную или лаковую (пленочную) основу. Сверху спираль закрывают такой же тонкой бумагой или пленкой (рис. 1.4).

      В качестве основы для пленки используют бакелитовый лак, клей БФ–2 и специальные  композиции. Резисторы, изготовленные  на пленке из клея БФ–2, способны работать в диапазоне температур от –40 до +70 °С, а на бакелитовом лаке – до 200 °С. Для измерений при более высоких температурах используют высокотемпературные преобразователи, приклеиваемые на клеях В–58, ВН–15 (до 400 °С) или цементах Б–56, ВН–12 (до 800 °С) и т. д.

      Ассортимент проволочных тензорезисторов, выпускаемых промышленностью, приведен в табл. 1.1.

      Обозначение тензорезистора: первая буква (П) указывает на то, что решетка выполнена из проволоки; материал тензорешетки представлен второй буквой (К – константан), третья буква определяет основу (Б – бумажная, П – пленочная); далее следуют величина базы и номинальное сопротивление решетки. Последняя буква (X или Г), например у резисторов серии ПКБ, характеризует температуру наклейки (X – не более 30 °С, Г – не более +180°С) 

      Таблица 1.1

      Характеристики  проволочных тензорезисторов