Резистивные преобразователи

Резистивные преобразователи

Министерство науки и образования Украины

Севастопольский национальный технический университет

Реферат

По дисциплине: ТАУ

На тему «Резистивные преобразователи»

Выполнил:

Студент гр. П-31д

Мазепа Р.А.

Проверил:

ст. преподаватель кафедры. АТПП

Сопин Ю. К.

Севастополь

г.

Содержание

Введение

.Основные типы и принцип работы резистивных преобразователей

.1 Резистивные преобразователи контактного сопротивления

.1.1 Тензорезисторы

.1.2 Пьезорезисторы

.2 Реостатные преобразователи

.3 Резистивные температурные датчики(РТД)

. Область применения резистивных преобразователей

.1 Область применения датчиков контактного сопротивления

.2 Область применения реостатных преобразователей

.3 Область применения датчиков температуры

Заключение

Список литературы

Введение

Резистивные преобразователи представляют собой разновидность параметрических преобразователей, которые под воздействием измеряемой величины изменяют собственное электрическое сопротивление или сопротивление участка цепи. Измеряют угловое и линейное перемещение, входят в состав датчиков давления, усилия, температуры, освещенности, потока рентгеновского излучения и гамма-излучения.

Причины использования:

1.  Высокая надежность резистивных датчиков. Опасность отказа составляет 10^-6 на 1000 часов работы в отличии от емкостных преобразователей, опасность отказа которых составляет от 10^-6 до 0.16 за 1000 часов и индуктивных элементов вероятность отказа которых составляет 2*10^-5¸0.06 на 1000 часов работы.

2.      Независимость точности от питающего напряжения.

Целью данной работы является рассмотрение основных типов резистивных преобразователей, а так же их основных принципов работы и области их применения. В данной работе будут рассматриваться некоторые типы резистивных преобразователей контактного сопротивления, реостатные преобразователи, а так же резистивные преобразователи температуры.

1.   Основные типы и принцип работы резистивных преобразователей

1.1    Резистивные преобразователи контактного сопротивления

К настоящему времени наметились два основных типа развития датчиков контактного сопротивления, это тензорезисторные и пьезорезисторные.

При измерении механических величин (усилий, давлений, ускорений, механической работы, мощности, крутящего момента на валу и т. п.) для создания первичных измерительных преобразователей широко применяют различные физические явления, в основе которых чаще всего лежит реализация функциональной зависимости величины упругих деформаций твердых тел от величины измеряемых воздействие.

Например, конструктивно простые, надежные и недорогие датчики усилий, давлений, микроперемещений создают на основе реализации функциональной зависимости контактного электрического, теплового или акустического сопротивления между проводниками от величины приложенного к контакту механического усилия.

Рисунок 3.3 Зависимость контактного электрического сопротивления между проводниками от величины приложенного к контакту механического усилия (h - микроперемещение).

Физической основой создания пьезорезисторов данного типа являются свойство соприкасающихся поверхностей изменять величину переходного контактного сопротивления в зависимости от усилия сжатия. В реальных условиях контакт не сплошной, а многоточечный и обусловлен шероховатостью контактирующих поверхностей. При увеличении давления возникают упругие и пластические деформации неровностей, а также разрушение поверхностного слоя. При многократных повторениях нагрузочных циклов происходит «наклеп» в месте контакта, в результате чего функциональная зависимость преобразователя стабилизируется.

Качество контакта зависит, также от воздействия ряда внешних факторов. Например, под воздействием ультразвука изменяются пластические свойства контактирующих материалов, наличие смазки в месте контакта стабилизирует его характеристики.

Недостатки таких преобразователей обусловлены тем, что при воздействии больших усилий происходит разрушение контактного слоя, возникают пластические деформации, со временем происходит износ поверхности. резистивный преобразователь реостатный датчик

К достоинствам измерительных устройств данного типа можно отнести простоту конструкции, высокую надёжность, не требуется дополнительного усиления электрического сигнала.

Преобразователи контактного сопротивления используют в тактильных датчиках, в устройствах, предназначенных для измерения больших статических усилий и т.п.

1.1.1 Тензорезисторы

В основе работы тензорезисторов лежит тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации..

Характеристикой тензоэффекта материала служит коэффициент тензочувствительности Кт, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:

Кт = R/L = E(R/s),

где : R = DR/R, L = Dl/l, DR - изменение сопротивления при изменении длины l на Dl; E - модуль упругости материала; s - механическое напряжение.

В проводниках под действием механических нагрузок изменение удельного сопротивления материала практически не происходит, поэтому относительная чувствительность таких измерительных преобразователей невысока:

Относительное изменение сопротивления проводникового тензорезистора приблизительно в 1,5 раза превышает относительное изменение его линейных размеров. С учётом того, что деформация металлов составляет тысячные доли, то относительное изменение сопротивления проводника не превышает десятых долей процента. Поэтому, для повышения чувствительности тензорезистивных измерительных устройств используют мостовые электрические измерительные схемы.

Для повышения точности измерений применяют дифференциальные методы измерения с использованием двух и более датчиков. Это позволяет осуществить компенсацию изменения рабочей температуры, снизить влияние на характеристики преобразователей других дестабилизирующих факторов. Например, при создании датчиков усилий на чувствительный упругий элемент наносят, как минимум, два тензорезистора: один по направлению действия усилий, а другой - поперёк. Это позволяет существенно снизить термочувствительность такого измерительного преобразователя.

Рисунок 3.8 Схема установки тензодатчиков.

Проводниковые тензорезисторы чаще всего делают из тонкой манганиновой проволоки, так как удельное сопротивление манганина в определенном диапазоне температур остается практически неизменным. Для повышения чувствительности преобразователей используют полупроводниковые материалы, у которых в основе механизма тензочувствительности преобладает изменение удельного сопротивления за счёт дополнительной генерации электронно-дырочных пар под действием измеряемых усилий.

1.1.2 Пьезорезисторы

Пьезорезисторы представляют собой самостоятельные модули и применяются в основном в качестве датчиков силы и давления.

Высокий уровень развития современной микроэлектронной технологии позволил формировать из кремния миниатюрные прецизионные пьезорезистивные структуры вместе с элементами термокомпенсации, усиления и электронной обработки сигналов. На этой основе созданы и промышленно выпускаются сотни наименований разнообразных микроэлектронных сенсоров для измерения силы, давления, механического напряжения, для фиксации даже легчайших прикосновений. Например, сенсоры давления компании Honeywell на основе кремниевых пьезорезисторов перекрывают диапазон давлений от единиц паскаля до десятков МПа, обеспечивая измерение с точностью ±0,1-3% [ [ 251 ] ; #"669873.files/image003.gif">

Рис. 8.4. Принцип действия пьезорезистивного сенсора из эластомера

При отсутствии внешней силы подвижный контакт только прикасается к электропроводящему эластомеру, и сопротивление между контактами довольно велико. Появление силы давления, действующей на подвижный контакт, приводит к деформации упругого слоя эластомера и к некоторому углублению контакта в этот слой. При этом одновременно уменьшается расстояние между контактами и между электропроводящими частицами в эластомере и увеличивается площадь контактной зоны. Вместе взятое, это приводит к заметному уменьшению электрического сопротивления. Типичный вид нелинейной зависимости электрического сопротивления от приложенной силы или от перемещения подвижного контакта (от величины деформации) показан на рис. 8.4справа.

1.2 Реостатные преобразователи

Реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. Естественной входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка, а выходной - сопротивление. На рис. 3.4 показано устройство реостатного преобразователя.

На каркас 1 из изоляционного материала 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 токосъемному кольцу 4. Обе щетки изолированы от приводного валика 6.

Рисунок 3.4 Устройство реостатного преобразователя

Реостатные преобразователи выполняются как с проводом, намотанным на каркас, так и реохордного типа. Чаще всего используется провод из различных сплавов платины, обладающих повышенной коррозионной стойкостью и износостойкостью; применяется также манганин, константан, фехраль. Микропровод позволяет выполнять миниатюрные преобразователи, имеющие габариты до 5х5 мм.

Каркас выполняется из керамических материалов, пластмассы, гетинакса, металлов (алюминий, дюраль), покрытых слоем лака или оксидной изоляцией. Каркас должен обладать большой теплоотдачей. Обмотку выполняют из эмалированного или оксидированного провода с последующим покрытием лаком. Следует выбирать материалы проволоки и каркаса так, чтобы их температурные коэффициенты расширения отличались бы незначительно. В противном случае изменение температуры преобразователя может привести к распусканию обмотки или к появлению недопустимых напряжений.

Токосъемные щетки выполняют в виде проволок или лент из бронзы, платиноиридиевого сплава и других упругих материалов или в виде ролика. Последний ставят с некоторым перекосом для обеспечения небольшого скользящего трения и зачистки контактной дорожки.

В жидкостных реостатах подвижным элементом является ртуть.

Резистивные термопреобразователи (резистивные термодатчики, Resistance-Temperature Detector - RTD) представляют собой приборы, чувствительные к изменению температуры их чувствительного элемента, в качестве которого обычно используются металлы медь, никель или платина. Сопротивление таких датчиков (обычно 100 Ом при температуре 0 OС) увеличивается с температурой, т.е. они имеют положиельный температурный коэффициент сопротивления (ТКС). По сравнению с другими датчиками RTD отличаются высокой точностью. Некоторые из них позволяют осуществить измерения с точностью 0,026 OС. Наиболее распространенные датчики имеют временную нестабильность сопротивления менее чем 0,1 OС в год, а некоторые экземпляры - до 0,0025 OС в год.

Платина имеет температурный коэффициент электрического сопротивления (ТКС), равный 3,911 10^-3 1/ ^OС, медь - 4,3 10^-3 1/ ^OС. Таким образом, датчик с сопротивлением 100 Ом имеет температурный коэффициент соответственно, 0,39 Ом/ ^OС и 0,43 Ом/ ^OС. В связи с этим при проектировании устройств измерения температуры с помощью датчиков сопротивления необходимо учитывать (компенсировать) сопротивление подводящих проводов. Для этого используют две пары проводов, одна из которых служит для подведения к датчику калиброванного тока возбуждения, а вторая - для измерения падения напряжения на нем, причем ток по этим проводникам не протекает.

Более высокий ток возбуждения, с одной стороны, увеличивает температурную чувствительность датчика, пропорциональную току возбуждения, с другой стороны, вызываетсаморазогрев датчика, что приводит к дополнительной погрешности. Поэтому величину тока возбуждения выбирают исходя из конкретных условий измерения. В частности,приципиальное значение имеет теплопроводность среды (воздух, вода, контакт с металлом), в которой находится датчик. Рекомендуемое значение тока возбуждения указывается изготовителем датчика. Типовые значения составляют 250 мкА для платиновых и никелиевых преобразователей и 1 мА для медных. Предельная величина рабочего тока для термопреобразователей типа ТС004 и ТС005 составляет 5 мА.

ГОСТ 6651-78 устанавливает следующие параметры термопреобразователей:

Таблица 1

Сопротивление датчика изменяется с температурой линейно:

, (1)

где - сопротивление при температуре , - ТКС.

Для учета более тонких эффектов, вызывающих небольшие отклонения температурной зависимости сопротивления от прямой линии, используют различные аппроксимации. Наиболее хорошие результаты дает аппроксимация Callendar-Van Dusen:

, (2)

где коэффициенты находятся, например, методом наименьших квадратов.

2. Область применения резистивных преобразователей

.1 Область применения датчиков контактного сопротивления

Контактные датчики используются для регистрации определенных положений предметов при их механических перемещениях.

Область применения пьезорезисторов. Анализ современного состояния разработок пьезорезисторов контактного сопротивления показал, что по конструктивному выполнению основных и дополнительных элементов они допускают значительное многообразие, чем облегчается задача построения датчиков различного назначения.

На пьезорезисторах могут строится следующие преобразователи неэлектрических величин в электрические и элементы автоматики: датчики сил, ускорений и вибраций, в том числе микродинамометры для измерения одно-, двух- и трехосного напряженного состояния и запоминающие динамометры; датчики объемного давления и разряжения для измерений в жидких и газообразных средах, в том числе агрессивных, а так же датчики минимального давления; электроманометры мембранного и поршневого типа, а так же с трубкой Бурдона; сенсорные коммутирующие и управляющие устройства; датчики систем охранной и предупредительной сигнализации, например дверные датчики и пьезорезистивные коврики и многих других устройствах.

Область применения тензорезисторов. Тензорезисторы контактного сопротивления могут найти применение в следующих областях: В тензометрии; для измерения контактных давлений; для построения динамометров, тензоуправляемых резисторов и потенциометров, датчиков влажности и температуры.

2.2 Область применения реостатных преобразователей

Измерительные цепи реостатных преобразователей обычно питаются постоянным напряжением, но могут питаться и переменным. Напряжение питания преобразователя определяется его допустимой мощностью (для самых малогабаритных преобразователей допустимая мощность составляет не менее 0,1Вт) и сопротивлением. Напряжение питания, как правило, стабилизируется. Наиболее распространенным является включение преобразователя в виде управляемого делителя напряжения или включение преобразователя в измерительный мост. Номинальное изменение сопротивления реостатного преобразователя достигает 90%, поэтому необходимо учитывать нелинейность, вносимую измерительной схемой, и, исходя из допустимой погрешности линейности, выбирать сопротивление измерительного прибора.

Рисунок 3.6 Схемы наиболее типичных цепей приборов с реостатными преобразователями.

Достоинства реостатных преобразователей перемещения:

1.      отсутствие реактивных усилий на подвижную часть;

2.      высокая перегрузочная способность;

.        высокий коэффициент эффективности;

.        компактность;

.        возможность применения на постоянном и переменном токе;

.        удобство эксплуатации.

Недостатки реостатных преобразователей перемещения:

7.      засорение контактной дорожки;

8.      недостаточно высокая надежность из-за наличия скользящих контактов;

.        пожароопасность.

Реостатные преобразователи перемещения применяются в качестве промежуточных элементов измерительных и регулирующих устройств. Так как многие неэлектрические величины могут быть преобразованы в перемещение (с помощью упругих механических элементов), то реостатные преобразователи перемещения широко используются в датчиках давления, силы, ускорения, расхода, уровня и т.п.

2.3 Область применения резистивных датчиков температуры

Термисторы. В этом классе датчиков используется эффект изменения электрического сопротивления материала под воздействием температуры. Основными достоинствами термисторов является их высокая чувствительность, малые размеры и вес, позволяющие создавать датчики с малым временем отклика, что важно, например, для измерения температуры воздуха. Безусловно, невысокая стоимость так же является их достоинством, позволяя встраивать датчики температуры в различные приборы. К недостаткам можно отнести высокую нелинейность термисторов, позволяющую их использовать в узком температурном диапазоне. Использование термисторов так же ограничено в диапазоне низких температур.

Платиновые датчики термосопротивления ТСП и Pt100. Теоретически имеют диапазон измеряемых температур от -200 до 1100°С. Наиболее распространены датчики с диапазоном -50…350°С. Работа датчиков термосопротивления в этом диапазоне обеспечивает измерение температуры воды, пара и всевозможных технических газов, получивших распространение в промышленности и не требует применения специальных жаростойких марок сталей при их изготовлении. Медные датчики способны работать в диапазоне -200…200°С. Выпускаемые промышленностью датчики ТСМ имеют температурный диапазон -50…150°С. Для того чтобы датчик термосопротивления можно было заменить, выкрутив из трубы, не перекрывая трубопровод при их монтаже используют защитные гильзы (стаканы). Защитная гильза также предохраняет термометр сопротивления от высокого давления и скоростного напора в трубопроводе.

В общем случае температурные датчики используются и в повседневной жизни, например:

·        Регулирование отопления на основании измерения температуры теплоносителя на входе и выходе, а так же температуры в помещении и наружной температуры;

·        Регулирование температуры воды в стиральной машине;

·        Регулирование температуры электроутюга, электроплитки, духовки и т.п.

Кроме того, путем измерения температуры можно косвенно определить и другие параметры, например поток, уровень и т.п.

Заключение

Подводя итог, следует отметить, что актуальность и область применения резистивных преобразователей, становится все более обширной. Так как научное развитие технических процессов мягко говоря не стоит на месте, следовательно все больше растет потребность в различного рода преобразователях. Например для контроля: температурных характеристик, физических величин и деформаций и др.

Однако основная суть вопроса о выборе преобразователя состоит в экономичности, простоте конструкции и применения преобразователя. Исходя из этих требований можно сказать что для контроля большинства параметров необходимо использовать резистивные преобразователи, так как они имеют небольшой ряд преимуществ перед более сложными устройствами, такими как емкостные и индуктивные преобразователи, конечно же можно использовать и более сложные устройства, но в этом нет смысла в том случае если необходимый контроль может быть достигнут более простым и экономичным устройством.

Список литературы

1. Электрические измерения физических величин. / Е.С.Левшина, П.В.Новицкий. 1983г.

2.      Датчики. Устройство и применение. / Г.Виглеб. 1989г.

.        Датчики измерительных систем в двух книгах. Книга 1. / Ж. Аш с соавторами. 1991г.

.        Датчики измерительных систем в двух книгах. Книга 2. / Ж. Аш с соавторами. 1991г.

.        Датчики контактного сопротивления. / А. Ш. Кацнельсон. 1985г.

.        http://otvet.mail.ru/question/482557

.        http://www.anwit.kiev.ua/article/23/t/page/4/