Материал: Конечный вариант

Как отмечалось ранее при рассмотрении дифференциального ЧЭ плунжерного типа с двумя катушками (рисунок 2.28), между катушками имеет место взаимная индуктивность, которая может быть выражена формулой:

,

где N₁ и N₂ – число витков катушек.

Чувствительные элементы, преобразующие измеряемую величину X в уменьшение взаимоиндуктивности M, принято называть трансформаторными. Схема трансформаторного ЧЭ показана на рисунке 2.32.

Рис. 2.32. Схема дифференциального трансформаторного ЧЭ плунжерного типа

Катушки размещены в ферромагнитном цилиндре 1 (магнитный экран). Вторичные обмотки включены встречно для того, чтобы получить нулевой сигнал на выходе при ΔX = 0. Плунжер 2 обеспечивает связь катушек через магнитный поток, который создается первичной обмоткой (катушкой). Величина взаимной индуктивности определяется величиной ΔX перемещения плунжера 2 (ферритовый сердечник). При нейтральном (симметричном) положении плунжера 2 (ΔX = 0) напряжение на выходе равно нулю. Смещение ΔX плунжера относительно нейтрального положения приводит к появлению выходного сигнала.

Закон электромагнитной индукции Фарадея лежит в основе функционирования индукционных ЧЭ и констатирует, что ЭДС, индуцированная в катушке, имеющей N витков, равна

,

где Ф – магнитный поток, сцепленный в катушке. Формула показывает, что напряжение e может быть получено либо за счет движения источника магнитного поля (магнит, катушка), либо изменением тока в катушке, либо изменением ориентации источника магнитного поля по отношению к катушке. На рисунке 2.33 показан индукционный ЧЭ, где напряжение e получается за счет движения катушки.

Рис. 2.33. Индукционный ЧЭ генераторного типа

Цилиндрическая катушка 1 перемещается в кольцевом зазоре магнитопровода 2. Цилиндрический постоянный магнит 3 создает в кольцевом зазоре постоянное радиальное магнитное поле. Катушка при перемещении пересекает линии магнитного поля, и в ней возникает напряжение, пропорциональное скорости перемещения. Индукционные ЧЭ используются при изготовлении датчиков скорости линейных и угловых перемещений и ускорений (виброметры, акселерометры).

55 Гальваномагнитные чувствительные элементы

Гальваномагнитные эффекты – Холла и магнитно-резистивный – имеют широкие возможности применения для обнаружения магнитных полей и определения положения и перемещения объектов.

Эффектом Холла называется явление, связанное с возникновение поперечной разности потенциалов в пластине, помещенное в магнитное поле, если в продольном направлении этой пластины протекает электрический ток. Схема Холловского ЧЭ приведена на рисунке 2.34.

Рис. 2.34. Пластина Холла

Внешнее магнитное поле имеет магнитную индукцию B, в продольном направлении пластины протекает ток I, на боковые стороны пластины нанесены электроды, с которых снимают напряжение Холла U_х. При движении электронов q внутри пластины, помещенное в магнитное поле В, возникает отклоняющая сила F, смещающая электроны к краю пластины. При этом одна из сторон становится более отрицательно заряженной, чем другая. Поэтому возникает поперечная разность потенциалов – напряжение Холла, знак и амплитуда U_х зависят как от величины, так и от направления магнитного и электрического полей:

где R_X – эффективная толщина полупроводникового слоя, I – ток, B · sinα – составляющая индукции внешнего магнитного поля, перпендикулярная плоскости пластины. Самым распространенными материалами для изготовления пластины Холла являются полупроводниковые структуры на базе GaAs, InAs, InSb и др. Для них R_x ≈ 10⁵ см³/Кл. Если I = const, α = const, то

ΔU_x = S_x·ΔB,

где S_x = R_x · I / h – чувствительность элемента Холла.

Возникновение U_x является малоинерционным процессом, поэтому в диапазоне средних и высоких частот ЧЭ Холла можно считать практически безынерционным.

В зависимости от кристаллической структуры материала пластины заряды могут быть отрицательными, либо положительными, что определяет полярность U_x.

Магнитно-резистивный эффект – изменение сопротивление полупроводника или металла в магнитном поле. Схема пермаллоевого ЧЭ приведена на рисунке 2.35

Рис. 2.35. Пермаллоевый ЧЭ

Пермаллоевая пленка изменяет свое сопротивление в зависимости от взаимной ориентации тока I и внешнего магнитного поля B. Магнитное поле B поворачивает вектор намагниченности M пленки на угол β. При этом сопротивление пленки R = R₀ + ΔR · cos²β,

где R₀ – исходное сопротивление пленки при отсутствии магнитного поля, ΔR – приращение сопротивления пленки при действии внешнего магнитного поля.

Чувствительность пермаллоевых ЧЭ примерно в 200 раз выше чувствительности

56 Пьезоэлектрические чувствительные элементы

Пьезоэлектрические ЧЭ генераторного типа основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов под влиянием механических напряжений. Пьезоэлектрическими свойствами обладают кварц, сегнетова соль, турмалин, ниобат лития, пьезокерамики: титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др.

Физическая природа пьезоэффекта показана на рисунке 2.36 на примере кварца.

Рис. 2.36 Кристаллическая ячейка пьезоэлектрика и пьезоэлектрический ЧЭ

Кристаллическая ячейка содержит атомы Si и кислорода O₂. В ячейке можно выделить три оси: X – электрическая ось; Y – механическая ось; Z – оптическая ось.

В исходном состоянии без приложения механических напряжений (рисунок 2.36, а) ячейка электрически нейтральна.

Если вдоль оси X приложена внешняя сила F_x, кристаллическая решетка деформируется (рисунок 2.36, б), происходит перераспределение зарядов и на поверхностях А и Б кристалла появляются поляризационные заряды. Это явление называется продольным пьезоэффектом.

При положении силы F_y вдоль оси Y (рисунок 2.36, в) на поверхностях А и Б кристалла появляются поляризационные заряды противоположных знаков. Это явление называется поперечным пьезоэффектом

При приложении силы вдоль оси Z или гидростатическом сжатии кристалла поляризационные заряды не образуются.

Поляризационный заряд пропорционален силе, приложенной, например, вдоль оси X:

,

где d – коэффициент пропорциональности, пьезомодуль, Кл/Н.

Для сбора электрических зарядов к кристаллу прикрепляют электроды (рисунок 2.36, г). Такой ЧЭ напоминает конденсатор, в котором в качестве диэлектрика выступает сам кристалл – генератор зарядов. Напряжение на обкладках ЧЭ зависит от расстояния между ними и изменяется при любых вариациях последнего. Это обстоятельство позволяет использовать пьезоэлектрические ЧЭ в датчиках силы, давления, вибрации. Пьезоэлектрические ЧЭ являются знакочувствительными, т.е. знак заряда изменяется при замене сжатия на растяжение.

Однако пьезоэлектрический эффект не применим для стационарных и медленно изменяющихся внешних механических напряжений, поскольку вследствие ограниченной величины сопротивления изоляции ЧЭ заряд постепенно стекает с поверхностей А и Б кристалла.

57.Емкостные ЧЭ

57 Емкостные чувствительные элементы

Емкостные ЧЭ основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его пластин и от диэлектрической проницаемости среды между ними. Емкость плоского конденсатора определяется по формуле:

,

где E₀ – диэлектрическая постоянная для конденсатора, пластины которого находятся в вакууме (практически в воздухе, S – площадь пластин, δ – расстояние между пластинами). На рисунке 2.37 изображены различные типы емкостных ЧЭ.

Рис 2.37. Емкостные ЧЭ

Емкостный ЧЭ на рисунке 2.37 (а) представляет собой плоский конденсатор с параллельными пластинами, одна из которых перемещается от внешнего воздействия Х. Такой ЧЭ используется для изготовления датчиков перемещения, давления, силы и т.д. Функция преобразования C = f(δ) нелинейна, гиперболическая.

Емкостный ЧЭ на рисунке 2.37 (б) представляет собой цилиндрический конденсатор, состоящий из двух коаксиальных цилиндров, а для вычисления емкости используется формула:

,

где H – длина зоны перекрытия двух цилиндров, d₁, d₂ - диаметры цилиндров. Функция преобразования C = f(H) линейна.

Емкостный ЧЭ на рисунке 2.37 (в) измеряет уровень h жидкости с относительной диэлектрической проницаемостью Е. Он изготовлен на основе коаксиального конденсатора, в котором поверхность каждого цилиндра 1 и 2 покрыта тонким слоем изоляционного материала для предотвращения короткого замыкания. ЧЭ размещается в резервуаре 3 с жидкостью. При увеличении уровня жидкость заполняет все больший объем между коаксиальными проводниками, изменяя при этом емкость, которая определяется по формуле:

,

где h – высота части ЧЭ, заполненной жидкостью.

На рисунке 2.37 (г) показан емкостный ЧЭ влажности, в котором диэлектрический слой между пластинами выполняется из гигроскопичного материала. Такой диэлектрик поглощает молекулы воды и в соответствии с их количеством меняет диэлектрическую проницаемость Е, что приводит к изменению емкости. По величине емкости определяют относительную влажность.

Таким образом, если какой-либо параметр конденсатора изменяется при определенном внешнем воздействии, то на его основе можно построить соответствующий емкостный ЧЭ.

58.Оптические ЧЭ

58 Оптические чувствительные элементы

В качестве оптических ЧЭ используют пары светоизлучатель–светоприемник, которые обеспечивают возможность осуществления бесконечного метода измерения, основанного на поглощении, лучепреломлении и лучеотражении. На рисунке 2.45 показаны две схемы измерения, использующие оптические ЧЭ.

Рис. 2.45. Схемы оптических ЧЭ, работающих на просвет (а) и на отражение (б)

Луч света от источника 1, пройдя оптическую систему 2, направляется на диафрагму 3 и через нее на светоприемник 4. При этом сигнал светоприемника определяется падающим на него световым потоком, который в свою очередь зависит от размера отверстия диафрагмы.

Во второй схеме измерения (б) световой луч отражается от объекта измерения и в зависимости от отражательных свойств объекта изменяется сигнал, получаемый от светоприемника.

В качестве светоизлучателей используется лампы накаливания, светодиоды и лазеры. Рабочие характеристики светоизлучателей показаны на рисунке 2.46.

Рис. 2.46. Температурные (а) и временные (б) характеристики лампы накаливания (1) и светодиода (2) и диаграмма направленности светодиода (в)

К достоинствам ламп накаливания относятся сравнительно большая мощность излучения и стабильная температурная характеристика в широком диапазоне температур от -60 до 150 °С (а). Причем необходимый уровень выходного сигнала достигается уже при 50-процентной выходной мощности, что позволяет увеличивать ресурс работы ЧЭ путем снижения U_ип. Так, для лампы с U_ип = 6 В, имеющей срок службы 100 ч, при понижении U_ип до 4 В ресурс возрастает до 10000 ч. Кроме того, высокая мощность излучения позволяет снизить требования к чувствительности и помехозащищенности светоприемников.

Применение ламп накаливания в фотоэлектрических датчиках положения позволяет непосредственно сформировать «линию считывания» и тем самым обойтись без щелевых диафрагм. Такое простое техническое решение вдвое увеличивает разрешающую способность датчика.

В последнее время в промышленных датчиках положения чаще всего используют излучающие полупроводниковые диоды – светодиоды. Ниже приведены основные параметры светодиодов:

Мощность излучения P, Вт до 1,0

Ширина спектральной характеристики S(λ)

на уровне 0,5 P / P_max, нм до 50

Длина волны λ, соответствующая максимуму S(λ), мкм 0,4..1,2

Угол направленности Δθ, град 60..160

Направленность излучателя представляет собой свойство концентрации излучаемой мощности в относительно малом телесном угле. Диаграмма направленности (в) характеризует зависимость мощности излучения от угла θ. Угол θ обычно выбирают из условия P / Pmax ≥ 0,8.

По массогабаритным показателям – надежности, быстродействию и потребляемой мощности – светодиоды превосходят лампы накаливания. Их срок службы превышает 10⁴ ч. Недостатки светодиодов связаны с малой мощностью излучения (несколько десятков мВт) и ее зависимостью от температуры.

В последнее время все большее распространение получают полупроводниковые лазерные диоды. Принцип действия лазера основан на способности некоторой активной среды под действием внешнего электромагнитного изучения определенной частоты формировать когерентное монохроматическое излучение с острой диаграммой направленности.

Большинство лазерных диодов излучает свет в ИК диапазоне с длиной волны 0.78..0,63 мкм. Их выходная мощность достигает 0,5 Вт при долговечности более 10⁵ часов.

Светоприемники должны удовлетворять ряду требований: малогабаритность, малое потребление мощности, высокая чувствительность, быстродействие. Чаще всего используют фотодиоды и фототранзисторы, действие которых основано на внутреннем фотоэффекте – явлении, при котором электроны, находящиеся в валентной зоне полупроводника, при поглощении света возбуждаются и переходят в зону проводимости.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый диод на базе p-n перехода или барьера металл-полупроводник, смещенного в обратном направлении. При этом обратный ток фотодиода зависит от освещенности его p-n перехода.

При освещении выпрямляющего p-n перехода световым потоком Ф_с происходит генерация избыточных носителей и обратный ток фотодиода возрастает на величину I_ф, называемую фототоком (рисунок 2.47). Обратное смещение перехода составляет 10..30 В. Фотоприемники изготавливаю на основе германия, кремния, свинца, индия, они имеют линейную функцию преобразования.

Рис. 2.47. Вольт-амперная характеристика (а) и функция преобразования (б) фотодиода.