Материал: МРБ 1093.(1985).[doc]

Еще одно достоинство этой схемы в том, что интервал измерения переме­щения у датчика ограничен только его размерами и линейным участком харак­теристики. Как правило, линейный участок характеристики определяется раз» мерами магнитопровода и обычно равен 1/3 его длины. Сам же магнитопро-вод должен быть в 1,2 раза больше длины одной секции обмотки. Поэтому, увеличивая длину датчика, длину обмоток и соответственно магнитопровода можно значительно расширить интервал измеряемых перемещений.

На рис. 40 изображена принципиальная схема фотодиодного измерителя мощности лазерного излучения, разработанного С. Калашниковым и А. Мац-вейко. Он позволяет измерять мощность слабого светового потока на фоне по­стоянной засветки. Динамический диапазон измерителя 80 дБ при минимальной чувствительности 10~⁷ Вт.

Прибор выполнен на ОУ DA1 и фотодиоде VD1. Напряжение на выходе устройства, создаваемое темновым током фотодиода и мешающим световым фоном, компенсируется напряжением, снимаемым с делителя R5 — R7. Чувстви­тельность измерителя устанавливают переключением резисторов Rl — R4 в це­пи обратной связи.

Показания можно отсчитывать по любому вольтметру — цифровому или аналоговому со шкалами на 1 и 10 В.

На рис. 41,а изображена конструкция емкостного датчика для измерения магнитострикции малых образцов при тем­пературе 4,2 К. Авторы 3.Казей, М. Леванидов, В. Соколов. Принцип действия, его основан на изменении емкости датчика при изменении расстояния между его электро­дами.

Датчик состоит из верхней обкладки 3, выточенной из латуни как одно целое с вин­том. Эта обкладка гайкой скреплена с изо­ляционной шайбой 6 из текстолита. Накид­ной гайкой 5 из латуни шайба 6 зажата в латунном корпусе 4. В наружной части корпуса закреплен стеклянный изолятор 2, через который пропущен вывод 1, припаян­ный к нижней обкладке 7, выточенной из латуни в виде стакана. Плоскости обкладок строго параллельны, пришлифованы од­на к другой и отполированы. В стакан 7 вклеены клеем БФ-2 изолирующие прокладки 8 из текстолита и диск 9 из пьезокерамики ЦТС-19. Снизу в корпус ввинчена крышка 12 из латуни. В ниж­ней части крышка переходит в цан­говый зажим с зажимной гайкой 13.

В цанговом зажиме фиксирован стер­жень 11 из латуни.

На этом стержне устанавливают исследуемый образец 10, изменение раз­меров которого в ходе физического эксперимента необходимо исследовать. Свер­ху на образец устанавливают стакан 7 с пьезокерамическим диском 9. Затем стержень 11 вдвигают внутрь до короткого замыкания между обкладками 3 и 7 датчика и фиксируют гайкой.

Собранный датчик охлаждают до температуры 4,2 К. При этом за счет температурной усадки материала датчика образуется зазор между обкладками,, после чего датчик готов к работе.

На рис. 41,6 изображена схема включения датчика. Датчик В1 включен в--контур генератора ВЧ, выполненного по трансформаторной схеме на транзи­сторе VT1. При изменении емкости датчика из-за изменения расстояния между обкладками при магнитострикционном эффекте (30 — 150 пФ) частота генера­тора изменяется от 1,25 до 1,75 МГц. Чувствительность датчика 0,05 нм.

Пьезокерамический диск 9 служит для калибровки прибора. При подаче на. него постоянного напряжения 200 В его толщина увеличивается на 11,5 нм и ил такую же величину уменьшают зазор между обкладками.

В лаборатории Московского государственного университета с помощью опи­санного датчика исследовали магнитострикцию пластины монокристалла фер­рита толщиной 240 мкм в магнитном поле напряженностью 50 кЭ. При этом получено значение магнитострикции Лт, равное 2250-10~⁶, что с точностью до 5% соответствует значениям, полученным другими методами.

На рис. 42 изображена принципиальная схема включения резистивного на­гревателя-термопары. Авторы конструкции Б. Булах, Г. Пекарь и Г. Купченко.

Особенность конструкции в том, что в ней нагревательный элемент изготовлен из двух сваренных на стыке проволок, образующих термопару. Для изготовле­ния нагревательного элемента использованы отрезки платиновой и платиноро-диевой проволоки диаметром 0,5 мм. Из этой проволоки на керамическую трубу диаметром 10 мм была намотана спираль длиной 25 мм с шагом 1 мм. -Снаружи спираль обмотана слоем теплоизоляции. При напряжении 18 В и то­ке 7,6 А внутри керамической трубы температура достигала 1250° С. Эта печь использовалась в установке зонной перекристаллизации для выращивания по­лупроводниковых кристаллов. На время измерения температуры нагреватель ЕК1 отключали от источника тока прерывателем SB1 с частотой от 25 до 40 Гц. За время контроля температура нагревателя снижалась менее чем на 0,1° С.

Заключение

Мы рассмотрели наиболее характерные примеры, иллюстрирующие де­ятельность радиолюбителей в народном хозяйстве. Небольшой объем книги не позволил расширить число примеров, но и представленный материал убедитель­но свидетельствует о практически неиссякаемых возможностях проявления ра­диолюбителями своей творческой индивидуальности.

С каждым годом расширяется радиолюбительская тематика, усложняется элементная база и повышается качество конструирования, монтажа приборов и их внешнего оформления. В радиолюбительской практике находят широкое применение микросхемы. Более того, с каждым годом радиолюбители все ши­ре начинают использовать в своих разработках большие интегральные схемы, приспосабливая их для решения задач управления, программирования, автома­тического регулирования.

Тем не менее в этой книге автор старался подобрать такие примеры, кото­рые показывают возможность решения ряда народнохозяйственных задач про­стыми, часто даже примитивными средствами. В простоте, как правило, заклю­чены и надежность работы и предпосылки к значительному объему внедрения прибора.

В заключение автор хочет пожелать радиолюбителям больших творческих успехов в работе, в деле еще более широкого внедрения радиоэлектроники в народное хозяйство.

Приложение 1. Преобразователи неэлектрических параметров в электрические и их харакетристики

Преобразователи делят на параметрические и генераторные. Первые пре­образуют изменение температуры, давления в изменение сопротивления, емкости,, индуктивности, а вторые — в ЭДС (например, термопара, пьезоэлемент, индук­ционный и электрохимический преобразователи).

Преобразователи должны обладать высокой чувствительностью, непрерыв­ностью преобразования и сохранять постоянство своих характеристик во вре­мени независимо от проявления внешних факторов (температуры, влажности, давления и др.). Воздействие преобразователя на исследуемый процесс должна быть минимальным.

Статической характеристикой преобразователя называют зависимость па­раметров выходного сигнала от медленного изменения входного воздействия. Динамической характеристикой называют ту же зависимость, но при быстром изменении входного воздействия.

Факторами, характеризующими преобразователь, являются способ преоб­разования, чувствительность и динамический диапазон преобразования, линей­ность и стабильность характеристик, погрешность преобразования и быстродей­ствие.

К резистивным преобразователям- относят контактные, реостатные, контакт­ного сопротивления, тензорезисторы, терморезисторы, электролитические.

В контактных преобразователях перемещение чувствительного элемента пре­образуется в скачкообразное изменение сопротивления датчика (замыкание или размыкание электрической цепи). Их применяют в системах автоматического управления и регулирования и классифицируют по числу контактов, числу пре­делов регулирования, по типу контактных групп, по контактному давлению (ма­ломощные — до 1 г и мощные — до 100 г), по материалу, из которого изготов­лены контакты, по их форме (плоские, полусферические).

В термоконтактных преобразователях (контактные ртутные термометры) используют контакт между столбом ртути и вплавленным в капилляр электродом из платиновой или вольфрамовой проволоки. Существуют термоконтактные пре­образователи с магнитной перестановкой контактного электрода на разные пре­делы регулирования (ТК-6, ТК-8), с постоянно установленными контактами на один или несколько пределов регулирования (ТК-5), бесшкальные постоянные (ТК-1, ТК-2, ТК-3, ТК-4).

В реостатных преобразователях движок токосъемника под воздействием преобразуемой величины совершает линейное или угловое перемещение, изме­няя тем самым сопротивление реостата. Эти преобразователи различают по ти­пу намотки (многовитковые — не менее 200 витков, одновитковые — реохордные), по используемому проводу (манганиновые, константановые, фехралевые, из драгоценных металлов). Проволоку из драгоценных металлов применяют для изготовления особо чувствительных и ответственных преобразователей. Дви­жок реостатного преобразователя выполняют из двух-трех упругих проволок из платинового сплава либо в виде пластинчатой щетки из серебра. Контактную поверхность обмотки или реохорда полируют, Каркас обмотки изготовляют из текстолита, стеклотекстолита, керамики или алюминия, покрытого изоляционным лаком. Алюминиевый каркас наиболее распространен, так как отличается меха­нической прочностью и хорошей теплопроводностью. Выбирая конкретную фор­му каркаса и параметры обмотки, добиваются требуемого закона преобразо­вания — линейного, логарифмического и др.

В преобразователях контактного сопротивления перемещение преобразуется, жак и в реостатных преобразователях, в изменение активного сопротивления чувствительного элемента. Наиболее распространен преобразователь с угольны-ыи шайбами. Угольные шайбы с пришлифованными плоскостями собирают в столб из 10 — 30 шт. Столб зажимают с небольшим усилием между двумя элек­тродами, закрепленными в металлической раме. При воздействии на столб внеш­него осевого усилия сопротивление столба уменьшается вследствие уменьшения контактного сопротивления между шайбами. Шайбы изготавливают из электрод­ного угля с удельным сопротивлением (25 — 100)-10~⁴ Ом-см. Диаметр шайб выбирают в пределах от 5 до 15 мм.

На аналогичном принципе работают преобразователи, выполненные из тен-золита — графитового порошка (или сажи), фиксированного бакелитовым ла­ком. Выпускают также преобразователи, изготовленные из прессованных по­рошков полупроводниковых материалов на основе сернистого свинца, серни­стого кадмия (материал, из которого изготавливают фоторезисторы) и др.

Общий недостаток этого класса преобразователей — значительный механи­ческий гистерезис (до 10%).

Принцип действия тензорезисторов основан на свойстве некоторых материа­лов ощутимо изменять свое электрическое сопротивление под воздействием сжи­мающей или растягивающей силы. С помощью этих датчиков измеряют раз­личные деформации и напряжения в механических конструкциях. Традиционные тензорезисторы представляют собой тонкую проволоку или фольгу толщиной 0,02 — 0,05 мм, уложенную петлями разной формы и ориентации и закреплен­ную в тонком слое застывшего клея (пленочные) или наклеенную на тонкую бумагу, пропитанную клеем (бумажные).

Пленку или бумагу с тензорезистором наклеивают на поверхность испыту­емой детали. Сжатие или растяжение исследуемого объекта приводит к изме­нению геометрических размеров петель проволоки и тем самым к изменению сопротивления тензорезистора в целом. Для приклейки тензорезисторов пользу­ются специальной технологией, описание которой прикладывают к каждой пар­тии датчиков, поступающей с завода.

В настоящее время промышленность выпускает проволочные константовые датчики на бумажной основе с размерами базы от 5 до 30 мм и сопротивлением до 400 Ом (2ПКБ), проволочные константановые на пленочной основе с той же базой и таким же сопротивлением (2ПКП), фольговые константановые прямоуголь­ные (2ФКПА, 2ФКПД), розеточные (2ФКРВ, 2ФКРГ), фольговые константановые мембранные (2ФКМВ, 2ФКМГ), фольговые константановые термокомпенсирован-ные на пленке клея БФ-2 (1ФКТК), на бумаге, пропитанной клеем БФ-2 (2ФКТК), и на бумаге, пропитанной клеем ВК-32-2 (ЗФКТК), с сопротивлением от 50 до 400 Ом, малобазовые проволочные тензорезисторы с базой от 1 до 3 мм и сопротивлением от 50 до 250 Ом.

Кроме указанных, промышленностью освоен выпуск полупроводниковых тен-зодатчиков, чувствительность которых в 50 — 60 раз больше, чем у проволоч­ных и фольговых. Полупроводниковые тензорезисторы построены на кристаллах германия, кремния и других, которые пока не получили широкого распростра­нения. У материалов n-типа знак тензоэффекта отрицателен, а р-типа — поло­жителен. Промышленность выпускает полупроводниковые тензорезисторы «-типа КТЭ, КТЭМ и р-типа КТД, КТДМ Коэффициент тензочувствительности у них равен 120 (у проволочных и фольговых он не превышает 2), температурный ин­тервал работоспособности от — 60 до +3000° С. Температурный коэффициент не выходит за пределы 0,4% в интервале от 0 до 80° С. Недостаток полупровод­никовых тензорезисторов — малая механическая прочность и значительный раз­брос параметров.

Тензорезисторы широко используют для измерения перемещения, вибрации, ускорения, деформации, давления, распределения нагрузки по элементам конст­рукций.

Терморезисторы — элементы, сопротивление которых изменяется в зависи­мости от их температуры. На интенсивность теплообмена оказывают влияние геометрические размеры, форма, материал и характер армирования преобразо­вателя, а также состав, плотность, теплопроводность, скорость перемещения, температура и агрегатное состояние исследуемой среды. Источником тепла при этом может быть также ток, пропускаемый через терморезистор. Большое чис­ло факторов, влияющих на теплообмен, делает практически неограниченной об­ласть применения терморезисторов. Измерение температуры, анализ состава га­зовой и жидкой сред, измерение вакуума, концентрации, скорости потока — вот далеко не полный перечень областей применения терморезисторов.

Различают проволочные терморезисторы и полупроводниковые — термисто-ры. Для изготовления проволочных терморезисторов, как правило, используют чистые металлы (платина, медь, никель, вольфрам). Наиболее химически стойкой _в широком интервале температуры является платина, но она имеет низкое удель­ное сопротивление и большой коэффициент температурного расширения при значительной остаточной деформации. Это препятствует использованию плати­новых терморезисторов в тех случаях, когда надо получить большую чувстви­тельность. Платиновые терморезисторы работают при температуре от — 183 до +660° С. Для их изготовления используют проволоку диаметром 0,02 мм.

Более подходящим материалом для изготовления чувствительных проволоч­ных терморезисторов является вольфрам. Широкому внедрению вольфрама пре­пятствовала его значительная химическая активность при высокой температу­ре. Сейчас разработана технология получения химически стойкой золоченой вольфрамовой проволоки. Поэтому термопреобразователи из вольфрама широ­ко используют в чувствительных газоанализаторах, хроматографах и в другой прецизионной измерительной аппаратуре. Этому способствует и то, что вольф­рам обладает высокой упругостью, малым температурным расширением. Поэ­тому вольфрамовые терморезисторы можно изготавливать в виде спирали без дополнительного армирования стеклом и другими защитными покрытиями.

Проволочные резисторы имеют высокую стабильность параметров во време­ни. Выпускаемые промышленностью платиновые терморезисторы ТСП и мед­ные резисторы ТСМ в металлическом защитном кожухе имеют близкие к ли­нейным статические характеристики и градуировочные кривые, постоянные для каждого типа и зафиксированные в ГОСТ. Они полностью взаимозаменяемы.

Полупроводниковые терморезисторы ММТ и КМТ имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, равный 3 — 6%/° С и в десятки раз превышающий ТКС проволочных терморезисторов. Они имеют малые размеры, высокое сопротивление (до 3 МОм), работают в широком интервале темпера­туры (от — 70 до 180° С). Их недостатки: нестабильность параметров во вре­мени, что требует проведения повторного градуирования, и отсутствие взаимо­заменяемости.

Принцип действия электролитических преобразователей сопротивления основан на практически линейной зависимости между концентрацией электролита в мил­лиграммах на литр и проводимостью. При постоянной концентрации электроли­та изменение сопротивления преобразователя может быть вызвано изменением расстояния между электродами или изменением сечения зоны проводимости, заполненной электролитом. На этом принципе основано применение электроли­тических преобразователей для измерения деформации и перемещения. Для уменьшения температурной погрешности электролитические преобразователи вы­полняют дифференциальными. Для того чтобы избежать электролиза в раст­ворах, измерение проводимости или сопротивления раствора электролита про­водят на переменном токе. Влияние поляризации электродов на результаты из­мерения можно уменьшить, если проводить измерения при повышенном пита­ющем напряжении.

Емкостные преобразователи построены на использовании зависимости ем­кости конденсатора от расстояния между его обкладками, от площади об­кладок и диэлектрической проницаемости среды между ними. Воздействие не­электрического фактора может проявляться в изменении любого из перечис­ленных параметров конденсатора. Это дает возможность измерять и контроли­ровать посредством емкостного преобразователя такие параметры среды, как влажность, однородность, концентрация, давление, сила, перемещение, толщи­на, качество, однородность покрытия.

Емкостные преобразователи питают высокочастотным напряжением. Это связано с тем, что преобразователи этого класса имеют небольшую емкость, а следовательно, высокое реактивное сопротивление. Поэтому при работе на низ­кой частоте пришлось бы значительно увеличить амплитуду питающего напряжения, что нецелесообразно. Погрешность емкостных преобразователей обуслов­лена изменением диэлектрической проницаемости диэлектрика и размеров об­кладок при изменении температуры. Эти погрешности могут быть значитель­но снижены, если изготовить обкладки из материала с низким коэффициентом температурного расширения (например, инвара), а также применить дифферен­циальную конструкцию датчика. Особое внимание приходится уделять вопро­сам экранирования емкостных преобразователей от воздействия внешних элект­рических полей.