Классификация измерительных преобразователей

 

 

Рис.  10 Фотопроводящее преобразование

Сопротивление материала  является функцией   плотности  основных носителей заряда, и так как плотность увеличивается с возрастанием  интенсивности  излучения,  то  проводимость возрастает. Поскольку проводимость обратно пропорциональна сопротивлению, можно заключить, что сопротивление является обратной функцией интенсивности облучения. Значение сопротивления при полном облучении составляет в общем случае 100 – 200 Ом, а в полной темноте это сопротивление равняется мегомам. В конструкции зависящих от света резисторов чаще всего используются такие материалы, как сульфид кадмия или селенид кадмия.

Солнечные элементы

Солнечные элементы представляют собой фотоэлектрические  преобразователи, которые  превращают  излучаемую электромагнитную энергию в электрическую, т.е. изменение измеряемого значения излучения преобразуется в изменение выходного  напряжения. Конструкция  преобразователя включает в себя слой фоточувствительного высокоомного материала, размещенного между двумя проводящими электродами.

Один  из  электродов выполнен  из  прозрачного материала,  через который проходит излучение и попадает на фоточувствительный материал.  При  полном  освещении  один  элемент  вырабатывает выходное напряжение между электродами около 0,5 В.

7. Резистивные преобразователи

Весьма  большим  классом  измерительных  преобразователей являются резистивные преобразователи, принцип действия которых основан на преобразовании значения измеряемой величины в изменение сопротивления. Это может быть вызвано различными эффектами в преобразующем элементе: нагреванием  или  охлаждением,  механическим  напряжением, воздействием светового потока, увлажнением, осушением, механическим перемещением контактной щетки реостата.

 

 

 

 

 

Рис. 11 Резистивный преобразователь (слева) и его эквивалентная схема (справа)

Если через резистивный  материал во время изменения измеряемой величины протекает фиксированный ток,  то результатом будет изменение, напряжения вдоль материала, которое отражает изменение измеряемой величины.

Одним из вариантов резистивного преобразователя является потенциометрический преобразователь, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение отношения  напряжений  вследствие  изменения  положения контактной щетки на резистивном материале, запитываемом от внешнего источника. Определенный механический элемент преобразует изменение измеряемой величины в перемещение щетки.

Потенциометр, изображенный на рис. 11, можно пред- ставить в виде эквивалентной электрической схемы на этом рисунке (справа). Его выходное напряжение определяется выражением:

,

 

где V1 – напряжение на входе.

Когда прикладываемое на вход прибора напряжение является постоянным и измеряемое значение определяется положением щетки потенциометра, тогда выходное напряжение есть непосредственно функция измеряемой величины.

В преобразователях могут использоваться потенциометрические  устройства  (с  одним  или  несколькими  сопротивлениями в схеме) либо они сами являются потенциометром. В последнем случае потенциометрический элемент будет переменным.  Некоторые  преобразователи  имеют  непроволочные сопротивления, такие, как металлокерамическая подложка или проводящая пластиковая пленка. Встречаются потенциометры, которых полный диапазон изменений положения щетки равен 270°, в то время как другие конструкции имеют диапазон в 10 или даже 20 полных оборотов (3600 или 7200°).

Мост Уитстона

Мост Уитстона образуется путем параллельного соединения двух потенциометрических устройств (рис. 12). Его можно использовать для высокоточных измерений сопротивления.  Выходное  напряжение  моста  Уитстона  определяется выражением:

.

При точной установке выходное напряжение моста Уитстона должно быть равно нулю, откуда следует, что

 

или .

 

Рис. 12 Комбинация двух потенциометрических  делителей, образующая мост Уитстона

Тензодатчики

Поскольку сопротивление  проводника определяется соотношением

,

где  ρ –  удельное сопротивление материала;

L – длина; 

A – площадь поперечного сечения, то сопротивление может изменяться при любом колебании измеряемой величины, которая влияет на один или несколько входящих в это выражение аргументов.

Рис. 13  Тензометрическое преобразование

 

 

Приведенная  зависимость  используется в тензодатчиках –  преобразователях, которые превращают изменение  прикладываемого  усилия  в изменение сопротивления (рис. 13). Как правило,  такой преобразователь применяется вместе с мостом Уитстона, когда одно, два или даже все четыре плеча представляют собою тензодатчики, а выходное напряжение изменяется в ответ на вариации измеряемого усилия.

•   тензодатчиках используются  металлические преобразующие элементы, при приложении механической нагрузки, к которым происходит изменение их длины и площади поперечного сечения, что приводит, в свою очередь, к изменению сопротивления.

Некоторые материалы тензодатчиков, например полупроводниковые,  проявляют  пьезоэлектрический эффект,  при котором приложенная к материалу нагрузка вызывает большое изменение его удельного сопротивления.

Тензодатчики  такого  типа  обладают  на  два  порядка  большей чувствительностью. В общем случае любой параметр, который воспроизводит движение или силу, может быть использован для создания тензометрических преобразователей. Сопротивление иногда также изменяется при колебании температуры. Для металла это изменение имеет линейную зависимость:

,

где R0 – сопротивление при температуре 0°С; Т – температура,°С; α – температурный коэффициент сопротивления.

Типовые  зависимости  сопротивления  некоторых  металлов  от  температуры  показаны  на  рис.  14. Они  свидетельствуют о высокой степени линейности связи между сопротивлением и температурой.

Для  создания  температурных измерительных преобразователей  такого  типа  обычно используется  проволока из  платины.

Рис. 14 Характеристики зависимости сопротивления некоторых металлов от температуры: 1 – никель; 2 – вольфрам; 3 – медь; 4 – платина

8. Полупроводниковые преобразователи

Полупроводниковые  приборы  относятся  к  категории электронных компонентов, которые  называются  полупроводниками. Чистые или беспримесные полупроводники обычно не используются в этих приборах, но первоначально легированные примесями в полупроводниковую кристаллическую решетку они становятся примесными полупроводниками.

Примесные  полупроводники  легируются  таким  образом, чтобы обеспечить избыток электронов (полупроводники n-типа) или их недостаток (полупроводники р-типа). Наличие примесей в полупроводниковой кристаллической решетке определяет степень электропроводности решетки.

Одиночные слои п- или р-полупроводника не находят применения, и полупроводниковый материал становится полупроводниковым прибором только тогда, когда два или более слоев разных типов контактируют друг с другом. Простейший p-n-переход формирует  выпрямительный  прибор  или  диод. Вольт-амперная  характеристика  диода устанавливается согласно соотношению, известному как уравнение Шокли  либо уравнение идеального диода, а именно:

,

где I 0 – ток насыщения (или ток утечки);

Q – заряд электрона;

V – прикладываемое к диоду напряжение;

k – постоянная Больцмана;

Т – температура, К.

Любое  изменение  измеряемой  величины,  которое  вызывает  изменение  приведенного  выше  выражения,  может быть,  конечно,  использовано  для изменения тока,  протекающего через переход. Например, диод иногда применяется в качестве преобразователя температуры, поскольку ток утечки полупроводника изменяется в функции температуры. Ток утечки кремния составляет примерно 25 нА при температуре 25 °С и увеличивается до 6,5 мА при температуре 150 °С.

Фотодетекторы

Полупроводниковые  преобразователи,  предназначенные для измерения изменений  параметров  светового  излучения, называются фотодетекторами. Фотоэлектрический преобразователь, являющийся  простейшим  видом  фотодетекторов,  и

представляет собой  полупроводниковый диод. Существует несколько типов таких преобразователей. Один из основных среди них – фотодиод, в котором используется эффект облучения светом (видимым или других длин волн) р-n-перехода с отрицательным смещением. При наличии облучения изменяется ток, протекающий через переход. Время отклика такого фото-диода составляет всего несколько наносекунд.

Для обеспечения более быстрой реакции на изменение параметров излучения разработаны PIN-диоды, в которых между слоями р- и n-типа имеется слой беспримесного полупроводника. Это повышает чувствительность к световому излучению и одновременно уменьшает емкость перехода, благодаря чему диод быстрее реагирует на изменение уровня измеряемой величины.

Фототранзисторы

• целом ряде приборов фотодиоды используются вместе с усилителями для повышения чувствительности. Конечно, в обычном транзисторе (трехслойный полупроводниковый прибор п–р–п или р–п–р типа) содержится р–п-переход с отрицательным смещением, и прибор способен усиливать ток, т. е. он обладает всеми необходимыми свойствами фотодиода и усилителя в одном приборе.

Фототранзистор отличается  от  обычного  полупроводникового триода тем, что он выполняется в прозрачном корпусе, который пропускает световое излучение. Свет, падающий на переход коллектор – база фототранзистора (р–n-переход с отрицательным смещением), вызывает в базе фототок, который усиливается с коэффициентом усиления транзистора, что приводит к весьма большому току эмиттера. Ток  эмиттера  фототранзистора  определяется  из  следующего соотношения:

,

где hFE – коэффициент усиления транзистора по постоянному току;

IF – фототок базы.

 

 

 

Рис. 15 Иллюстрация эффекта Холла

Для  достижения  более  высокого усиления используют фотодетекторы Дарлингтона, содержащие в себе фототранзистор и транзистор с высоким коэффициентом усиления, работающие в режиме пары Дарлингтона. Оба транзистора размещаются в одном корпусе.

Поскольку  фотодетекторы  являются  полупроводниковыми приборами, их ток насыщения зависит от температуры.

Поэтому при отсутствии светового излучения в них  протекает так называемый темновой ток, ограничивающий возможности прибора по измерению низких уровней светового излучения.

Эффект Холла

Когда  проводник  с  протекающим  по  нему  током  помещается в магнитное поле так, что направление тока оказывается перпендикулярным магнитным силовым линиям, то образуется  поперечное  электрическое поле,  пропорциональное произведению плотности магнитного потока и силе электрического тока. Этот эффект возникает в проводниках, однако наиболее существенен он в полупроводниках, где известен под названием эффекта Холла.

На рис. 15 показана полупроводниковая пластина, к которой  приложено  магнитное  поле  с  индукцией В, перпендикулярное протекающему через нее току I, и возникающее при этом электрическое поле с напряженностью Е. Отношение  между  магнитной  индукцией,  током  и  напряженностью определяется следующим образом:

 и  ,

где RН – коэффициент Холла;

 n – число зарядов, протекающих через единицу объема и образующих электрический ток в проводнике или полупроводнике;

e – заряд носителя зарядов.

Эффект Холла используется во многих типах преобразователей, предназначенных для измерения магнитного поля, а также в бесконтактных переключающих приборах.

9. Термоэлектрические преобразователи

Термоэлектрические  преобразующие  элементы превращают изменение измеряемой величины (температуры), в изменение тока, возникающего вследствие разности температуры на спае двух разнородных материалов, в котором возникает эффект Зеебека (Seebeck) (рис. 16).

Термоэлектрический  преобразователь  больше  известен под названием термопары, в которой зонд состоит из двух спаев, один из которых размещается в точке, где производится измерение температуры, а второй — в точке опорной температуры.

 

 

 

Рис. 16 Эффект Зеебека

Разность потенциалов, которая образуется на двух спаях (известная как контактные потенциалы), зависит от температуры спаев и измеряется вольтметром.

Таким образом, показания  вольтметра отображают разность температур между спаями. На рис. 17 показаны кривые,  характеризующие зависимость  напряжения от разности температур для ряда типичных материалов, из которых образуются спаи термопар. Хотя эти зависимости кажутся линейными, подробные исследования показывают, что это не совсем так.

На практике не так просто достигнуть необходимой точности  температурных  измерений  с  помощью  термопар,  поскольку соединение вольтметра с термоэлектрической схемой само по себе образует новый спай в схеме. Кроме того, объект, температура которого измеряется, может находиться на некотором расстоянии от вольтметра, что затрудняет процесс формирования стабильной опорной температуры