КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы). 3 страницаконтакта с измеряемым объектом. Вследствие этого с их помощью можно производить измерения в агрессивных средах, при высокой температуре, давлении и т.д. Погрешности измерения с помощью ионизационных преобразователей прежде всего определяются несовершенством используемой измерительной аппаратуры. Особенно велика погрешность, вносимая усилителем постоянного тока. Поэтому часто для уменьшения этой погрешности приборы с ионизационными преобразователями выполняются по нулевому методу с автоматическим уравновешиванием посредством следящего привода с реверсивным двигателем. Кроме того, нужно учитывать погрешность, обусловленную постепенным распадом радиоактивного вещества и, следовательно, нестабильностью источника излучения во времени. Активность источника излучения А изменяется во времени по закону -—г А = Аое г°-5 , где А0 — начальная активность источника; 70 5 пада.
По допустимой погрешности
1п2
~ То,51
и периоду полураспада Т0 5 определяется время смены изотопов. Радиоактивные изотопы характеризуются тем, что число распадов в равные промежутки неодинаково и колеблется около некоторого среднего значения. Поэтому при конечном времени измерения это приводит к возникновению большой случайной погрешности, среднее квадратическое значение которой определяется формулой а - yfiJn, (7.8) где п = /^юмР1 — число частиц, зарегистрированных приемником за время измерения tmM; fN — частота попадания частиц в приемник; ц, — эффективность приемника, т. е. отношение поглощенных лучей к падающим. Погрешность о = лД/(/л^измМ) очевидно будет тем меньше, чем больше время измерения и чем больше активность источника А, определяющая частоту FN частиц, попадающих в приемник. Таким образом, для повышения точности или быстродействия этих приборов нужно значительно увеличить мощность источника. Это возможно в тех случаях, когда зона расположения источника недоступна для человека или хорошо защищена экранами. Но это связано с резким утяжелением аппаратуры. Так для стократного ослабления интенсивности излучения необходим свинцовый экран толщиной 90 мм. В зависимости от свойств ионизирующих агентов ионизационные преобразователи используются в приборах для измерения различных величин. Например, ионизационные преобразователи с а-излучателями могут применяться для измерения перемещения, так как ток ионизационной камеры зависит от расстояния между электродами; плотности газов; скорости течения газов и количества дымовых примесей и влажности газа. Ионизационные преобразователи с (3-излучателями могут применяться вместо а -излучателей в некоторых вышеперечисленных случаях, а также для измерения бесконтактным методом толщины листового материала и толщины покрытий. Ионизационные преобразователи с у-излучателями, обладающими большой проникающей способностью, используются для измерения плотности вещества, толщины, уровня, для дефектоскопии деталей. Ионизационный расходомер. На рис. 7.33 изображен принцип действия ионизационного расходомера с а-излучателем. |У 1+ j^j К усилителю V2 а-излучатель
Рис. 7.33. Схема ионизационного расходомера с а-излучателем: 1 — электрод-приемник; 2 — электрод-излучатель Рис. 7.34. Схема ионизационного расходомера:
1 и 6 — соответственно рабочий и компенсационный источники излучения; 2 — объект измерения; 3, 4 — ионизационные камеры; 5 — диафрагма; 7—следящее устройство; 8 — усилитель; 9 — преобразователь; 10 — сопротивление тг- В испытуемый поток помещаются два электрода, на один из которых нанесен слой радиоактивного вещества, ионизирующего пространство между электродами. Под воздействием напряжения, приложенного к электродам, образующиеся ионы движутся со скоростью, определяемой этим напряжением и скоростью потока, так как часть ионов уносится потоком. В этом случае ионизационный ток является функцией скорости потока: ' — потока)- Ионизационный толщиномер. Примером применения ионизационного преобразователя с использованием (3-излучателя может служить толщиномер (рис. 7.34). Толщиномер построен на принципе уравновешивания и основан на явлении поглощения (3- и у-лучей листом стального проката, толщина которого измеряется. Прибор имеет два источника излучения — рабочий 1 и компенсационный 6, потоки которых воспринимаются соответственно ионизационными камерами 3 и 4. Разностный ток ионизационных камер протекает через сопротивление 10. Падение напряжения на этом сопротивлении, преобразованное в переменное в преобразователе 9, усиливается усилителем 8 и поступает на управляющую обмотку двигателя Д. Рабочий поток источника излучения 1 поглощается объектом измерения 2, а компенсационный 6 регулируется до достижения равенства его с рабочим потоком диафрагмой 5 с переменным отверстием, шторка которой перемещается реверсивным Рис. 7.35. схема ионизаци- двигателем. Угол поворота шторки ди- онного уровнемера ИУ-3: афрагмы служит мерой толщины кон- 7 _ источник ИЗЛучения; 2 - тролируемого изделия. Имеется и вы- защитная камера;'з - трубка Ионизационный уровнемер. Излучатель у-лучей применяется часто в ионизационных уровнемерах. Принципиальная схема уровнемера типа ИУ-3 приведена на рис. 7.35. На противоположных сторонах объекта, в котором измеряется уровень жидкости, расположены источник и приемник у-лучей. Источник излучения 1 в виде проволоки из кобальта, толщиной 0,7...0,9 мм и длиной 150 мм располагается в защитной камере 2. С другой стороны объекта располагается счетная трубка 3. При изменении уровня жидкости изменяется величина поглощения у-лучей средой, а следовательно, и ионизационный ток. Ионизационные уровнемеры являются приборами, не требующими непосредственного контакта с испытуемой средой. Поэтому они применяются в наиболее трудных условиях измерения, например при высоких давлениях, высоких температурах (измерение уровня расплавленного металла), а также в случаях измерения уровня различных агрессивных сред. 7.5. РЕОСТАТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИЛИ ДАТЧИКИ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ Реостатный преобразователь (рис. 7.36) представляет собой реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. Следовательно, входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка реостата, механически связанного с измеряемой неэлектрической величиной, а выходной величиной — активное сопротивление. На каркас 6 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 5. Изоляция проволоки на верхней границе каркаса зачищается, и по металлу скользит щетка 4. Добавочная щетка 2 скользит по токо- съемному кольцу 3. Обе щетки изолированы от приводного валика 1.
Реостатные преобразователи выполняются как с проводом, намотанным на каркас, так и реохордного типа. В качестве материала провода применяют нихром, манганин, константан и др. В ответственных случаях, когда требования к износоустойчивости контактных поверхностей очень велики или когда контактные давления При использовании реостатных преобразователей для измерения неэлектрических величин часто возникает задача получить линейную зависимость угла отклонения а указателя от измеряемой неэлектрической величины F, несмотря на то, что ряд звеньев прибора между преобразователем и указателем, осуществляющих промежуточные преобразования, характеризуется нелинейной функцией преобразования. В подобных случаях применяются функциональные реостатные преобразователи с нелинейным распределением сопротивления вдоль каркаса. Такого распределения сопротивления достигают, например, изменяя высоту каркаса, шунтируя части линейного реостата постоянными сопротивлениями, используя намотку с переменным шагом, намотку отдельных участков каркаса проводами разного диаметра или с разными удельными сопротивлениями и т. д. Рассмотрим варианты построения приборов с реостатными преобразователями. Для схемы на рис. 7.37, а силу тока /можно выразить формулой / =________ -_______ (7.9) где / — отклонение движка, соответствующее текущему значению измеряемой величины; /ном — номинальное отклонение, при котором сопротивление линейного реостата Rp = 0. Если отклонение движка угловое, то вместо / и /ном следует поставить ср и срном. Как видно из приведенной зависимости, связь тока с отклонением движка оказывается нелинейной, поэтому цепь, изображенную на рис. 7.37, а, применяют редко. В цепи на рис. 7.37, б реостатный преобразователь включен по схеме делителя напряжения: Ц _ _________ £/ф / фН0М_______ ^J JQ^ R/R + J------------ ФЛРном---- 1 +ДоЛАФНОМ/Ф) 6 Ранне»
Наличие в знаменателе члена фном/ф приводит к нелинейной зависимости входного напряжения Uv от отклонения ср. Однако при очень большом значении сопротивления отсчетного устройства Rq (при использовании указателя, включенного через усилитель) этот член оказывается равным нулю, и связь между выходным напряжением U и углом ф становится линейной:
ц = U Ф/Фном
R/Rp + Г
Цепи на рис. 7.37, в, г характеризуются нелинейностью, но позволяют при применении указателя с двухсторонней шкалой измерять отклонение измеряемой величины в обе стороны от нуля. Нелинейность при включении преобразователя по схеме на рис. 7.37, д достаточно мала. Показания прибора, изображенного на рис. 7.37, е, где в качестве указателя использован логометр, не зависят в известной степени от постоянства напряжения источника питания, так как отклонение логометра является функцией отношения токов, а следовательно, перемещения движка /: а = f\ {I\/h) = h (R\/Ri) = /(О- Зависимость токов Jx и 12 от перемещения / в этой цепи нелинейна. Но, изменяя форму полюсных наконечников или сердечника измерительного механизма логометра, можно получить нужный вид зависимости а =/,(/]/ /12), а следовательно, и требуемый характер шкалы а =/(/) измерительного устройства. Реостатный уровнемер. Наиболее широкое распространение получили реостатные преобразователи в приборах для измерения уровня — реостатные уровнемеры, которые используются в самолетах, автомобилях и т.д. На рис. 7.38 представлена измерительная цепь реостатного уровнемера — бензиномера. Измерителем здесь является магнитоэлектрический логометр, рамки которого включены последовательно с сопротивлениями R3 и R4 реостатного преобразователя. При изменении положения движка, связанного с поплавком 7, токи в обеих рамках изменяются с различными знаками, вследствие чего изменяется отношение этих токов, а следовательно, и отклонение стрелки указателя. Сопротивления Rx и R2 служат для регулировки прибора на заданный предел измерения. Шкала указателя градуируется в литрах. Пружинный акселерометр. На рис. 7.39 представлена принципиальная схема пружинного датчика ускорения (акселерометра) с реостатным преобразователем. Масса т подвешена на пружинах С. При наличии вертикального ускорения под действием силы инерции F= тх движок Д, связанный с массой, перемещается по реостату R. Выходное напряжение пропорционально действующему ускорению. Предел измерения прибора определяется жесткостью пружин С и величиной массы. Реостатные преобразователи могут быть использованы для измерения виброускорений и виброперемещений с ограниченным частотным диапазоном.
С изменением температуры изменяется сопротивление преобразователя, что обусловлено температурным изменением удельного сопротивления провода. При включении преобразователя по потенцио- метрической схеме в режиме холостого хода изменение температуры не меняет распределения напряжений и температурная погрешность отсутствует. Реостатные преобразователи являются ступенчатыми (дискретными), за исключением преобразователей реохордного типа, так как непрерывному изменению измеряемой неэлектрической величины соответствует ступенчатое изменение сопротивления AR при переходе движка с одного витка на другой. Погрешность дискретности в этом случае составляет Y* =±AR/(2RV), где Rp — полное сопротивление преобразователя. Если преобразователь имеет пропорциональную функцию преобразования, то «скачки» сопротивления будут одинаковы по всему диапазону перемещения движка. В этом случае Rp =иДЯ; yR= ±1/2", где п — число витков в обмотке реостатного преобразователя, обычно п = 100...200. 7.6. ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЕ 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 / и площадь поперечного сечения Q; при деформации кристаллической решетки — удельное сопротивление р. Эти изменения приводят к изменению сопротивления проводника R = pl/Q- Важная характеристика тензоэффекта материала — коэффициент относительной чувствительности 5ОТН, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника: *$0ТН = £я/£Ь гдеед = AR/R — относительное изменение сопротивления проволоки; е, = А1/1 — относительное изменение длины проводника. Основным требованием к материалу тензопреобразователей является возможно большее значение коэффициента относительной чувствительности 5ОТН. Это объясняется тем, что относительное изменение сопротивления eR у большинства тензорезисторов мало, не превышает (5... 7) 10"3. Нагрев преобразователя может вызвать изменение его сопротивления, соизмеримое с рабочим изменением. Другое требование — возможно меньшее значение температурного коэффициента сопротивления материала, что определяет температурную погрешность преобразователя. Третье требование — это высокое удельное сопротивление материала, из которого изготовляется преобразователь, что необходимо для умень Проволочные тензопреобразователи. В проволочных тензопре- образователях для измерений используются: • тензоэффект проводника, находящегося в состоянии объемного сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление (газ или жидкость), а выходной — изменение активного сопротивления. На этом принципе строятся манометры для измерения высоких и сверхвысоких давлений; • тензоэффект растягиваемой проволоки из тензочувствитель- ного материала. При этом тензорезисторы применяются в виде «свободных» преобразователей и в виде наклеиваемых. «Свободные» тензопреобразователи выполняются в виде одной или группы проволок, закрепленных по концам между подвижной и неподвижной деталями, и, как правило, выполняющих одновременно роль упругого элемента. Естественной входной величиной является очень малое перемещение подвижной детали, а выходной величиной преобразователя — изменение его сопротивления. Устройство преобразователя приведено на рис. 7.40.
На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку 1 наклеивается уложенная зигзагообразно тонкая проволока 2 диаметром 0,02... 0,05 мм. К концам проволоки присоединяются (сваркой или пайкой) выводные медные проводники 4, служащие для включения преобразователя в измерительную цепь. Сверху преобразователь покрывается слоем лака или заклеивается бумагой 3 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 является деформация поверхностного слоя испытуемой детали, а выходной — изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации. Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются преобразователи с базами 5...20 мм, обладающие Когда надо получить от цепи с тензопреобразователем ток большой величины (например, при работе на вибраторе осциллографа), используют проволочные преобразователи из большого числа (30...50) параллельно соединенных проволочек. Они отличаются большими габаритными размерами (длина базы 150...200 мм), но дают возможность увеличить пропускаемый через преобразователь ток. Фольговые преобразователи. Они представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензочувстви- тельная 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. 7.41, а, б представлены разновидности фольговых тензорезисторов. Большим преимуществом фольговых преобразователей является 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, допустимый ток в преобразователе из фольги в 1,4 раза больше, чем в преобразователе из проволоки того же сечения. Пленочные тензорезисторы. Металлические пленочные тензорезисторы изготовляются методом вакуумной возгонки тензо- чувствительного материала и последующей конденсации его на подложку (рис. 7.42). Форма тензоре- зистора задается маской, через которую производится напыление. Действие датчика основано на изменении омического сопротивления тензочувствительной обмотки 2 при деформации упругого эле- Рис. 7.41. Фольговые тензорези- мента 1 под воздействием измеря- сторы емой силы. Тензочувствительная Рис. 7.42. Пленочные тензорезисторы: / — упругий элемент; 2 — обмотка Рис. 7.43. Схемы включения тензорезисто- ров: а — делитель напряжения; б — мостовая цепь
обмотка (напыленная или намотанная из константана) включается в плечо мостовой схемы. Чаще всего измерительной цепью является делитель напряжения либо мостовая цепь (рис. 7.43). Делитель напряжения с питанием постоянным током (см. рис. 7.43, а) применяют лишь в том случае, когда интересуются только переменной составляющей измеряемой величины. При этом постоянная составляющая падения напряжения на сопротивлении Rn тензопреобразователя, в сотни раз превышающая переменную составляющую, отфильтровывается разделительным конденсатором С. В других случаях в качестве измерительной цепи используется цепь моста (см. рис. 7.43, б), питаемого постоянным или переменным током. Чаще применяется неравновесный режим работы мостовой цепи. При динамических измерениях в качестве указателя применяют самописец или осциллограф, включаемые через усилитель. Полупроводниковые тензорезисторы. Полупроводниковый чувствительный элемент в полупроводниковых тензорезисторах состоит из кремниевой полоски с п- или р-проводимостью, обладающей пьезоэффектом, при котором механическая нагрузка вызывает положительное или отрицательное изменение сопротивления. Полупроводниковый тензорезистор шириной 0,2 мм и толщиной около 0,02 мм может быть изготовлен на подложке или использоваться без нее. Преимуществом таких тензодатчи- ков является высокая чувствительность, которая постоянна только в узком диапазоне. Его характеристика нелинейна, величина ед = S.R/R сильно изменяется при изменении удлинения 8/ = М/1 и температуры. Полупроводниковые тензорезисторы имеют высокую стоимость, что учитывается при их использовании. Погрешности приборов с тензопреобразователями. Эти погрешности тесно связаны с градуировкой приборов. При невозможности градуировать непосредственно рабочий преобразователь погрешность, обусловленная неидентичностью преобразователей и качеством наклейки рабочих и градуируемых тензорезисторов, может достигать до 3... 5 %, а общая погрешность всего прибора (включая погрешность указателя, усилителя и т.д.) — 10... 15 %. При градуировке рабочего преобразователя и при 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 аддитивный характер, используют дифференциальную схему включения преобразователей — в соседнее плечо моста включают такой же преобразователь, наклеенный на тот же самый материал и помещенный в те же температурные условия. В ряде случаев можно разместить на детали и включить в соседние плечи моста два преобразователя, испытывающих равную деформацию разного знака (рис. 7.44). При этом одновременно достигается температурная коррекция и повышается вдвое чувствительность измерительной цепи. В тензорезисторных приборах высокой точности и для получения датчиков с унифицированными характеристиками, чтобы обеспечить их взаимозаменяемость, используют мостовые схемы с нормирующими резисторами, позволяющие регулировать параметры и характеристики тензорезистивного моста и прибора в целом. При использовании мостовых схем с нормирующими резисторами погрешность датчиков с фольговыми тензорезистора- ми снижается до 0,03...0,005 %, а у датчиков с полупроводниковыми тензорезисторами — до 0,1 %.
Применение: для измерения деформаций и механических напряжений, а также других статических и динамических механических величин, которые пропорциональны деформации вспомогательного упругого элемента (пружины), например пути, ускорения, силы, изгибающего или вращающего момента, давления газа или жидкости и т.д. По этим измеряемым величинам можно определить производные величины, например массу (вес), степень заполнения резервуаров и т.д. Проволочные тензорезисторы на бумажной основе, а также фольговые и пленочные при Измерительные цепи тензорезисторов весьма разнообразны. Преимущественное распространение получили приборы с усилителями, называемые тензоусилителями или тензостанциями. Они обладают рядом достоинств: возможностью одновременно измерять статические и динамические деформации; простотой изготовления и наладкой усилителей; малой чувствительностью к помехам от электрических и магнитных полей. Рассмотрим принцип использования тензорезисторных преобразователей для измерения различных неэлектрических величин. Измерение деформации. На рис. 7.45 приведена типичная структурная схема одного канала прибора для измерения деформации. Измерительный мост М питается переменным напряжением от генератора Г несущей частоты. Модулированный сигнал несущей частоты с измерительной диагонали моста попадает на вход усилителя Ус. Усиленный сигнал демодулируется фазочувствитель- ным демодулятором Д и через фильтр Ф поступает в указатель Ук. Усилитель и генератор несущей частоты питаются от источника В. 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 тензо- станции выполняются многоканальными. Измерение давлений. Для измерения давлений (100 Н/мм2... 3 кН/мм2) используют манганиновые тензорезисторы. При изме-
рении давлений они могут быть установлены непосредственно на стенках сосуда, давление в котором измеряется, а для повышения чувствительности — на мембранах, сильфонах и т.д. В манометрах с тензосопротивлениями в качестве упругого элемента используется металлический стакан с утолщенным дном. На наружной поверхности стакана наклеиваются два рабочих преобразователя, а на донной поверхности — два для температурной коррекции. На рис. 7.46 приведена конструкция упругого элемента, поверхность которого изолирована и обмотана тензочувствительной проволокой: половина ее Rx является рабочей, а вторая половина R2 служит для температурной коррекции.
|