Материал: Конечный вариант

Основные параметры тензорезисторов

Широкое применение тензорезисторов объясняется малой массой и размерами, простотой изготовления и низкой стоимостью, линейностью преобразования, практической безынерционностью.

Гигристоры преобразуют изменение влажности в изменение сопротивления. Внешний вид гигристора и его функция преобразования показаны на рисунке 2.25.

Рис. 2.25. Гигристор для датчиков влажности

Типовой гигристор состоит из подложки, на которую методом трафаретной печати нанесены два встречно-штыревых электрода, покрытые гигроскопичным электропроводным полупроводниковым гелем. Гель, как правило, состоит из гидроксиэтилцеллюлозы, нонилфенилполиэтиленгликольэфира и других органических веществ с не менее экзотичными названиями с добавлениями углеродного порошка. Этот гель тщательно перемешивается до образования однородной массы. Другой тип гигристоров изготавливается из пленки хлорида лития (LiCl) и связующего вещества. Подложка погружается в гель с контролируемой скоростью до тех пор, пока не заполнит всё пространство между электродами. Подложка с нанесенным покрытием подвергается термоотверждению, проводимому при определенной температуре и влажности.

Зависимость сопротивления гигристора от влажности имеет нелинейный характер.

48. Резистивный чэ температуры

Электрическое сопротивление металлов и большинства сплавов зависит от температуры, поэтому на их основе разработаны чувствительные элементы для измерения температуры. На рисунке 2.38 показан резистивный ЧЭ температуры.

Рис. 2.38. Резистивный ЧЭ температуры

Тонкая металлическая проволока или лента 1 наматывается на каркас 2 из керамики, слюды, кварца, стекла или пластмассы. Для изготовления резистивных ЧЭ применяют платину, медь или никель. Для большинства практических целей и в узких диапазонах изменения температуры можно считать зависимость сопротивления проволоки 1 от температуры линейной:

,

где R_t – сопротивление проволоки при температуре t, R₀ – сопротивление при 0 °С, α – температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

Резистивные ЧЭ выполняются также напылением металлического слоя на изолирующую подложку, обычно керамическую или стеклянную. Платина чаще всего применяется в термометрах сопротивления из-за её высокой стабильности и линейности изменения сопротивления с температурой. Платиновые ЧЭ используются для измерения температуры от -260 до +1100 °С. Медь используется, в основном, для измерения низких температур в диапазоне от -50 до +200 °С. Никель используется в недорогих датчиках для измерения в диапазоне от -50 до +250 °С, однако широко не применяется из-за нестабильной и нелинейной функции преобразования.

Резистивные ЧЭ, изготовленные из керамических полупроводников, называются термисторами. Термисторы имеют большое значение либо положительного, либо отрицательного ТКС и бывают в форме диска, трубки, шарика, пластины или тонкого слоя, нанесенного на керамическую подложку. Термисторы обладают нелинейной зависимостью сопротивления от температуры, что позволяет использовать их лишь в узком диапазоне температур. Высокая чувствительность, малые размеры, низкая стоимость позволяет использовать термисторы в различных датчиках для измерения температуры от -100 до +300 °С.

Для сравнения ни рисунке 2.39 приведены температурные зависимости сопротивления термистора и медного ЧЭ.

Рис. 2.39. Функция преобразования медного ЧЭ и термистора

Кривая 2 соответствует термистору, а кривая 1 – медному резистивному ЧЭ.

Термоэлектрический ЧЭ основан на термоэлектрическом эффекте и представляет собой цепь из двух разнородных проводников или полупроводников. На рисунке 2.40 представлена цепь, содержащая два разных проводника A и B.

Рис. 2.40. Схема термоэлектрического ЧЭ

Места соединений проводников 1 и 2 называются спаями. Если температуры спаев t и t₀ не равны, то в цепи протекает ток. При размыкании цепи на ее концах может быть измерена термоЭДС. При небольшой разницы температур t и t₀ термоЭДС можно считать пропорциональной разности температур:, где k - чувствительность термопарного соединения. ТермоЭДС зависит от природы проводников и температуры спаев. В измерительной технике термоэлектрические ЧЭ обычно называют термопарами. Спай, погруженный в объект измерения температуры, называют рабочим спаем (концом), а спай вне объекта называют свободным спаем (концом). Схема измерения термоЭДС показана на рисунке 2.41.

Рис. 2.41. Схема включения измерительного прибора в цепь термоэлектрического ЧЭ

Рабочей спай 1 погружен в объект с температурой t, а два свободных спая 2 и 3 подключены проводом C к измерительному прибору 3. Температура свободных спаев t₀. Измерение температуры t возможно лишь при достаточно точно известной температуре t₀. Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 °С и обычно превышает 70 мВ.

Несмотря на то, что любые два проводника создают в паре между собой термоЭДС, лишь ограниченное число термоэлектродов используется для создания термоэлектрических ЧЭ.

К материалам термоэлектродов предъявляется ряд требований: однозначная и близкая к линейной зависимость термоЭДС от температуры, жаростойкость и механическая прочность с целью измерения высоких температур; химическая инертность; термоэлектрическая однородность материала проводника по длине, что позволяет восстанавливать рабочий спай без переградуировки, а также менять глубину его погружения; технологичность изготовления с целью получения взаимозаменяемых по термоэлектрическим свойствам материалов: дешевизна и, наконец, наиболее существенное – стабильность и воспроизводимость термоэлектрических свойств, что позволяет создать стандартные градуировки. Ни один из существующих в настоящее время материалов не удовлетворяет полностью всем требованиям. Экспериментальным путем были подобраны пары металлов, которые в наибольшей степени подходят для измерения температуры, обладая высокой чувствительностью, временной стабильностью, устойчивостью к воздействию внешней среды. Это, например, пары металлов хромель-аллюмель, медь-константан, железо-константан, платина-платина/родий, рений- вольфрам. Каждый тип подходит для решения определенных задач. На рисунке 2.42 показаны термоЭДС для стандартных термопар в широком температурном диапазоне.

Рис. 2.42. Зависимость термоЭДС стандартных термопар от температуры

Тип Т: Сu и константан. Устойчивы к коррозии. При работе на воздухе в агрессивной среде используется до 370 °С из-за окисления медного элемента.

Тип J: Fe и константан. Работают в вакууме, в инертных, окислительных и восстановительных средах при температурах до 500 °С. При температурах свыше 540 ⁰С начинается процесс окисления железного элемента.

Тип Е: Хромель и константан. Температурный диапазон -200..900 °С. Работают в окислительных и инертных средах.

Тип К: Хромель-аллюмель. Работают в окислительной и инертной средах в диапазоне -200..1300 °С. Наиболее распространенный тип благодаря высокой чувствительности и стабильности.

Тип R и S: Платина-платина/родий. Работают в окислительной, нейтральной средах и в вакууме.

Современные технологии позволяют изготавливать тонкопленочные термопары на основе соединения двух пленочных разновидных металлов толщиной порядка 5 мкм. Тонкая плоская термопара образует плотный тепловой контакт с поверхностью измеряемого объекта.

При использовании в интегрированных датчиках пары материалов наносят на поверхность полупроводниковых подложек. Поскольку кремний обладает высокой чувствительностью термопарного соединения, на его основе изготавливают высокочувствительные термоэлектрические ЧЭ.

Характеристики полупроводникового р-n перехода в диодах и биполярных транзисторах сильно зависит от температуры. Это свойство используется при изготовлении полупроводниковых ЧЭ на основе p-n перехода. На рисунке 2.43 показана схема ЧЭ на основе прямосмещенного p-n переходе транзистора.

Рис. 2.43. ЧЭ на основе прямосмещенного p-n перехода

Выходное напряжение U прямо пропорционально изменению от температуры транзистора (рисунок 2.44).

Рис. 2.44. Зависимость напряжения от температуры для прямосмещенного p-n перехода, снятая при постоянном токе

Например, для кремниевого перехода, работающего при токе 10 мкА, температурная чувствительность равна 2,3 мВ/°С. Для схемы на рисунке 2.43 рекомендуется работать при токе 100 мкА. Тогда при Е = 5 В и U ≈ 0,6 В сопротивление R = 44 кОм. Благодаря простоте и низкой стоимости транзисторные ЧЭ получили довольно широкое применение. Такие ЧЭ методом диффузии формируются на мембранах кремниевых датчиков давления для компенсации температурной зависимости пьезоэлектрических ЧЭ.

50. Простой Дроссельный электромагнитный ЧЭ

51. Дифференциальный дроссельный ЧЭ

53.Магнитоупрогий ЧЭ для измерения силы

54.Индукционный ЧЭ

Электромагнитные чувствительные элементы

Общим для всех электромагнитных ЧЭ является наличие катушки и магнитопровода. Схема простого дроссельного электромагнитного ЧЭ приведена на рисунке 2.26.

Рис. 2.26. Электромагнитный ЧЭ

Магнитная цепь ЧЭ с катушкой 2 содержит ферромагнитную часть, включающую магнитопровод 1 и подвижный сердечник 3, и воздушный зазор. Индуктивность катушки 2 определяется формулой

,

где N – число витков в катушке 2, Z_M – магнитное сопротивление.

,

где R_M – активная составляющая магнитного сопротивления, X_M – реактивная составляющая магнитного сопротивления.

,

где l_M и l_0­ – длина силовых линий в магнитопроводе и воздухе соответственно, S_M и S₀ – площадь поперечного сечения магнитопровода и воздушного зазора соответственно, μ₀ – магнитная проницаемость воздушного зазора, μ – относительная магнитная проницаемость магнитопровода.

,

где P – потери в магнитопроводе на частоте ω, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом, Ф – магнитный поток в магнитопроводе.

Из приведенных формул следует, что индуктивность можно изменять, воздействуя на длину l₀ или площадь поперечного сечения S₀ воздушного участка 4 магнитной цепи, а также на магнитную проницаемость μ или на потери в магнитопроводе.

Простой дроссельный ЧЭ на рисунке 2.26 характеризуется изменением индуктивности ΔL катушки при перемещении ΔX подвижного сердечника 3 или повороте Δα подвижного сердечника 3 относительно неподвижного магнитопровода 1. Однако функция преобразования такого ЧЭ нелинейна, близка к гиперболической. Существенное уменьшение нелинейности достигается при дифференциальном включении двух одинаковых катушек, изображенных на рисунке 2.27, при котором перемещение сердечника 3 вызывает увеличение индуктивности одной катушки и уменьшение индуктивности в другой.

Рис. 2.27. Дифференциальная дроссельная система ЧЭ

Дифференциальный дроссельный ЧЭ отличается вдвое большей чувствительностью и уменьшением нелинейности функции преобразования.

Для электромагнитного дроссельного ЧЭ типичные значения на частоте 5 кГц: индуктивности L ≈ 5 мГн, реактивного сопротивления X_M ≈ 150 Ом, активного сопротивления R_M ≈ 20÷200 Ом. Рабочее перемещение ΔX ≈ 0,01÷10 мм.

Чувствительные элементы, преобразующие перемещение ΔX подвижного сердечника 3 в изменение индуктивности ΔL, называют индуктивными.

Индуктивный ЧЭ с подвижным ферромагнитным сердечником плунжерного типа изображен на рисунке 2.28.

Рис. 2.28. Дифференциальный ЧЭ плунжерного типа

Катушки 2 и 3 размещены на пластмассовом каркасе 4. Внутри катушек 2 и 3, включенных дифференциально (встречно), перемещаются плунжер 1 из ферромагнитного материала. Перемещение ΔX плунжера вызывает изменение индуктивностей катушек. Данный ЧЭ имеет разомкнутую магнитную цепь, поэтому его чувствительность ниже по сравнению с дроссельным. Кроме того, между катушками 2 и 3 имеет место взаимная индуктивность, что также влияет на чувствительность. Взаимную связь катушек можно существенно уменьшить, располагая катушки на Е-образном ферромагнитном магнитопроводе. Основное преимущество ЧЭ плунжерного типа состоит в возможности измерения перемещений ΔX до нескольких десятков мм.

На рисунке 2.29 показан ЧЭ токовихревого типа, в котором изменение индуктивности катушки происходит вследствие изменения расстояния от нее до проводящего тела.

Рис. 2.29. Токовихревой ЧЭ

Измерение расстояния Х между быстровращающимся диском 2 из немагнитного материала и катушкой 1, питаемой переменным током, основано на использовании размагничивающего влияния вихревых токов, генерируемых магнитным потоком катушки в диске 2, на величину индуктивностей катушки. Токовихревые ЧЭ используются при построении датчиков для бесконтактного контроля линейных размеров, толщины покрытий, обнаружения трений, царапин и других дефектов. При этом важно, что магнитное поле проникает через немагнитные материалы до измеряемого объекта.

Работа магнитоупругого ЧЭ, показанного на рисунке 2.30, основана на изменении магнитной проницаемости μ ферромагнитного магнитопровода в зависимости от возникающего в нем механического напряжения.

Рис. 2.30. Магнитоупругий ЧЭ для измерения силы F

Магнитопровод 1 из магнитострикционного материала образует замкнутую цепь. Катушка 2 размещена в окне магнитопровода. Катушка питается переменным током, величина которого выбирается из условия обеспечения заданной магнитной проницаемости μ. Воздействие механического напряжения на петлю гистерезиса магнитопровода, выполненного из материала с отрицательной магнитострикцией (никель), показана на рисунке 2.31.

Рис. 2.31. Части гистерезисных петель для механически нагруженного никеля

Кривые показывают, что при возрастании напряжения σ уменьшается остаточная индукция B, а следовательно и μ. Изменение магнитной проницаемости Δμ/μ для различных материалов составляет 0,5÷3 %. При этом индуктивность L = N² / R_M = N² · S/l · μ = K · μ, т.е. пропорциональна μ. Магнитоупругие ЧЭ используются при изготовлении датчиков для измерения силовых факторов и обеспечивают большую мощность выходного сигнала.