Резистивные преобразователи

Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Липецкий государственный технический университет»

Кафедра физики и биомедицинской техники

Реферат по дисциплине

«Медицинские измерительные приборы»

на тему

«Резистивные преобразователи»

Выполнил:
студент 2 курса ФТФ

                                                                                                                                            группы ИМ-10-2

                                                                                                                                            Клоков Я.М.

                                                                                                                                            Проверил:
                                                                                                                                                          Назарова В.А.

Липецк 2012

Резистивные преобразователи

Резистивными называют преобразователи, в которых переносчиком измерительной информации является электрическое сопро­тивление. Резистивные преобразователи составляют две боль­шие группы: электрические и механоэлектрические. В основу принципа преобразования электрических резистивных преоб­разователей (шунтов, добавочных резисторов, и т. п.) положена зависимость между напряже­нием, током и электрическим сопротивлением, определяемая законом Ома, и зависимость электрического сопротивления проводника от его длины, удельного сопротивления. Прин­цип работы механоэлектрических резистивных преобразова­телей  основан на изменении электри­ческого сопротивления под действием входной преобразуемой механической величины. На резистивный датчик влияют различные по физической природе величины: электрические, магнитные, механические, тепловые, световые и т.д. Они приводят к нестабильности и появлению погрешностей. Ослабить их влияние стараются конструктивным путем и применением схем и устройств компенсации, чем добиваются воздействия противоположного относительно влияющей величины знака. Наиболее «вредным» считается влияние изменений температуры, но от этого влияния практически свободны специально разработанные термостабильные сплавы (манганин, константан).

Контактные датчики

Контактными называются измерительные преобразователи неэлектрических величин, в которых измеряемое механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью. Таким образом, естественной входной величиной контактных преобразователей является перемещение.

Однопредельный контактный преобразователь показан на рисунке, а и имеет одну пару контактов 4 и 5, замыкание которых происходит в функции измеряемого перемещения, например изменения размера изделия 1. При увеличении размера изделия шток 3 переместится в направляющих 2 и укрепленный на нем контакт 4 войдет в соприкосновение с контактом 5. При этом сопротивление между контактами 4 и 5 изменится от бесконечности до малого значения, определяемого значением контактного сопротивления.

1.       Изделие

2.       Направляющие

3.       Шток

4.       Контакт 4

5.       Контакт 5

Перемещение штока определяется по шкале, а контактная группа включается в измерительную или сигнальную цепь.

Если две электропроводящие пластины «проложить» полупроводящей прослойкой (например, из электропроводящей бумаги или резины), а затем подвергнуть воздействию давления, то изменится сопротивление между проводящими элементами. В результате мы имеем преобразователь контактного сопротивления.

Таким образом, первый из описанных контактных датчиков находит применение в так называемых линейных измерениях, когда интересуются перемещением какой-то опорной поверхности. Датчик второго типа полезен при измерении давления или силы, т.е. при выполнении этих видов механических измерений. Во всяком случае, оба типа этих датчиков следует признать параметрическими преобразователями.

Реостатные преобразователи

Реостатом называется устройство для регулирования напряжения и тока в электрической цепи, основная часть которого - проводящий элемент с активным электрическим сопротивлением, значение которого можно изменять плавно или ступенями в соответствии с заданными условиями.

Отсюда реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается линейно или по окружности (в зависимости от конструкции датчика) под действием измеряемой неэлектрической величины. Следовательно, входной величиной является перемещение движка, а выходной величиной - изменение сопротивления, т.е. и этот датчик является параметрическим преобразователем.

Одной из распространенных конструкций реостатного преобразователя является кольцеобразный каркас 1 из изоляционного материала, на который намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по металлу проволоки скользит щетка 3. Добавочная щетка 5 скользит по расположенному внутри каркаса концентрично ему токосъемному кольцу 4. Обе щетки закреплены на приводном вращающемся вале 6 и электрически изолированы от него. По реостату пропускается обычно постоянный ток, а разность потенциалов (падение напряжения), пропорциональная выходному сопротивлению и функционально связанная с измеряемой величиной, подается в измерительную цепь с двух зажимов датчика: одного из зажимов реостата и зажима, соединенного через токосъемное кольцо со щеткой.

1.      Кольцеобразный каркас

2.      Проволока

3.      Щетка

4.      Токосъемное кольцо

5.      Добавочная щетка

6.      Приводной вращающий вал

Формы каркасов разнообразны: помимо кольца это могут быть пластины, цилиндры и т.д. Выбор формы каркаса позволяет получить определенную функциональную зависимость между перемещением щетки и выходным сопротивлением.

Реостатные преобразователи выполняются как с проводом, намотанным на каркас, так и реохордного типа. Достаточно очевидно, что при переходе щетки с витка на виток намотанной на каркас проволоки выходное сопротивление изменяется «ступенями», т.е. дискретно. Для изготовления этих датчиков используется провод из различных сплавов платины, обладающих повышенной коррозионной стойкостью и износостойкостью, а также манганин и константан. Применение микропровода позволяет миниатюризировать конструкцию датчика, сведя его размеры до нескольких миллиметров.

Таким образом, и здесь мы имеем дело с непосредственным измерением перемещений, а также «косвенно» с измерениями других неэлектрических величин, тем или иными способами преобразуемых предварительно в перемещения.

Тензорезисторы

В основе работы тензорезисторов, часто именуемых тензодатчиками, лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Чаще всего тензорезисторы делаются из константана. Из полупроводниковых материалов для тензорезисторов используется кремний р и n-проводимости.

Наибольшее распространение в измерительной технике получили дискретные металлические и полупроводниковые тензорезисторы. При изготовлении наклеиваемого на измеряемый объект проволочного тензорезистора на полоску тонкой бумаги или лаковую пленку 2 предварительно наклеивается так называемая решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 3 диаметром 0,02- 0,05 мм. К концам проволоки припаиваются или привариваются выводные медные проводники 4. Сверху эта конструкция покрывается слоем лака 1. Измерительной базой преобразователя является длина поверхности объекта измерений, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются преобразователи с базами 5-20 мм, обладающие сопротивлением 30-500 Ом.

1.      Измерительная база

2.      Полоска тонкой бумаги или лаковая пленка

3.      Зигзагообразно уложенная тонкая проволока

Новейшие технологические процессы обеспечили возможность изготовления более тонких металлических тензопреобразователей: фольговых и тонкопленочных толщиной менее 0,001 мм.

Фольговые преобразователи представляют собой ленту из фольги толщиной 4—12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует решетку с выводами. Фольговые преобразователи имеют меньшие габариты, чем проволочные; известны тензорезисторы с базой до 0,8 мм.

Металлические пленочные тензорезисторы изготовляются путем вакуумной возгонки тензочувствительного материала с последующим осаждением его на основу. Форма тензорезистора задается маской, через которую производится напыление. Пленочные тензорезисторы имеют толщину меньше 1 мкм.

Весьма важным параметром тензочувствительной решетки является расстояние между витками. Это расстояние определяет при заданных габаритах резистора число витков и, следовательно, сопротивление, а также допустимый ток, который ограничивается самонагревом и будет тем меньше, чем меньше расстояние между витками.

Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой тонкие полоски из кремния или германия, вырезанные в определенных направлениях осей кристаллов. На концах полоски расположены контактные площадки, к которым припаиваются выводы. Полупроводниковые тензорезисторы имеют длину 2-12 мм, ширину 0,15-0,5 мм, начальное сопротивление от 50 до 10000 Ом, коэффициент тензочувствительности = 50-200.

Тензорезисторы чаще всего служат датчиками при измерениях длины, а также механических величин (силы, давления и др.), преобразуемых в статическую или динамическую деформацию упругого элемента. Поскольку эти датчики (особенно полупроводниковые) весьма чувствительны к изменениям окружающей температуры, их стараются включать симметрично в мостовые измерительные схемы. Два идентичных тензорезистора в разных плечах моста находятся при одинаковой температуре, но только один из них подвергается воздействию измеряемой величины, от которой и зависит разностный сигнал в измерительной диагонали моста.

Температурные погрешности тензорезисторов

При изменении температуры изменяется начальное сопротивление тензорезистора и коэффициент тензочувствительности. Таким образом, для тензорезисторов характерна температурная погрешность нуля и температурная погрешность чувствительности. Изменение начального сопротивления наклеенного тензорезистора определяется двумя факторами: изменением удельного сопротивления материала р непосредственно под действием температуры и изменением р под действием дополнительного механического напряжения, появляющегося в тензорезисторе, если коэффициенты линейного расширения детали и тензорезистора не равны.

Для тензорезисторов, работающих в диапазоне температур до 180 °С, в качестве тензочувствительного материала используется константан. Для более высоких температур (200—1000 °С) применяются

специальные сплавы.

Основа тензорезистора представляет собой тонкую полоску пропитанной клеем бумаги или лаковую пленку, из этого же материала выполняется обычно и покрышка. При высокой температуре (до 400 °С) может быть применена стеклоткань, пропитанная высокотемпературным цементом.

Для крепления тензорезистора к детали чаще всего используется клей. Креплению должно уделяться очень большое внимание, так как именно через пленку клея происходит передача деформации с детали на тензорезистор и теплоотдача в деталь.

Нарушение технологии может привести к весьма существенным погрешностям, вызываемым ползучестью клея.

Полупроводниковые тензорезисторы дискретного типа

Представляют собой тонкие полоски из кремния р-типа или из кремния n-типа; применяется также германий р и n-типов. На концах полоски расположены контактные площадки, к которым припаиваются выводы; длина контактной площадки 0,25—0,6 мм. Полупроводниковые тензорезисторы имеют длину 2—12 мм, ширину 0,15—0,5 мм. Начальные сопротивления тензорезисторов лежат в диапазоне 50— 10 000 Ом.

Вследствие очень больших температурных погрешностей дискретные полупроводниковые тензорезисторы находят применение только для измерения очень малых динамических деформаций, где решающим фактором является коэффициент тензочувствительности.

Конструкции интегральных полупроводниковых тензорезисторов

В последние годы благодаря широкому развитию планарной технологии появилась возможность изготовлять датчики с полупроводниковыми тензорезисторами, выращивая последние непосредственно на упругом элементе, выполненном из кремния или сапфира. Упругие элементы из кристаллических материалов обладают упругими свойствами, близкими к идеальным, и существенно меньшими погрешностями гистерезиса и линейности по сравнению с металлическими. Тензорезистор «сцепляется» с материалом упругого элемента за счет внутримолекулярных сил, что исключает все погрешности, связанные с передачей деформации от упругого элемента к тензорезистору. На одном упругом элементе выращивается обычно не один тензорезистор, а структура в виде полумоста или даже целый мост и, кроме того, термокомпенсирующие элементы. Благодаря применяемой технологии два тензорезистора, входящие в полумост, обладают значительно большей идентичностью, чем дискретные резисторы; кроме того, благодаря малым габаритам тензорезисторов обеспечивается большая идентичность внешних условий и, таким образом, существенно снижаются погрешности нуля.

Фоторезисторы

Полупроводниковые фотоэлементы - фоторезисторы обладают свойством менять свое активное сопротивление под действием падающего на них света. Фоторезисторы имеют высокую чувствительность к излучению в самом широком диапазоне - от инфракрасной до рентгеновской области спектра, причем сопротивление их может меняться на несколько порядков. Фоторезисторам присущи высокая стабильность во времени, они имеют небольшие габариты и выпускаются на различные номиналы сопротивлений. Наибольшее распространение получили фоторезисторы, изготовленные из сернистого свинца, сернистого кадмия, селенистого кадмия.