Модуляторні вимірювальні перетворювачі

Модуляторні перетворювачі діляться на три великі групи – омічні (вихідним сигналом датчиків є активний опір R), індуктивні (вихідним сигналом датчиків є індуктивний опір Х_L) та ємнісні (вихідним сигналом датчиків є ємнісний опір Х_С).

2.2.1 Омічні датчики

а) тензорезистивні датчики

Основою принципу дії тензорезисторів є явище тензоефекту, суть якого полягає в зміні електричного опору провідникового матеріалу під час його механічної деформації.

Датчики використовують для вимірювання пружних деформацій, крутних і згинаючих моментів. Також їх можна використовувати для вимірювання тиску, приклеюючи датчики на жорстку мембрану, яка під дією цього тиску вигинається.

Y

R

Х

Датчик являє собою тонкий константановий дріт діаметром 0,015-0,05 мм, який зігнутий спіраллю і проклеєний між двома шарами тонкого паперу або плівки. Він наклеюється на досліджувану поверхню.

При деформації поверхні в напрямку (Х) відбувається зміна опору дроту відповідно до відомої формули:

,

де ρ – питомий опір матеріалу (константану);

l – довжина дроту;

S – площа перерізу.

Якщо деформація відбувається в напрямку (Y), елементи спіралі розсуваються, при цьому вихідний опір практично не змінюється. При дослідженнях деформації датчики наклеюють у взаємно перпендикулярних напрямках. Похибка вимірів складає (0,5...1)%.

Для вимірювання високих та надвисоких тисків виготовляють тензодатчики у вигляді безкаркасної котушки з манганінового дроту, під впливом тиску змінюється питомий опір матеріалу, а отже, й активний опір котушки. Для низьких тисків застосовують германієві або кремнієві тензорезистори аналогічної конструкції. Тензоефект спостерігається в результаті об’ємного стискання датчику.

б) терморезистивні датчики (терморезистори)

Дія цих датчиків пов’язана зі здатністю деяких матеріалів змінювати свій опір внаслідок зміни температури. Вони призначені для контролю температури. Використовують металеві і напівпровідникові терморезистори.

Металеві терморезистори мають позитивний температурний коефіцієнт, їх опір збільшується з підвищенням температури. Такі датчики виготовляють з міді, платини, нікелю, вольфраму та інших чистих металів.

Платинові терморезистори працюють в межах (–260...+1300)ºС. Похибка вимірювання складає ±0,1%. Мідні датчики вимірюють температуру в межах (–50...+180)ºС. Похибка вимірювання близько ±1%.

Опір таких датчиків змінюється за законом:

R_t = R₀ (1+α (t – t₀)),

де R₀ - опір датчика при вихідній температурі t₀;

α - температурний коефіцієнт;

t – вимірювана температура.

Напівпровідникові датчики мають від’ємний температурний коефіцієнт, їх опір зменшується з підвищенням температури. Виготовляють з окису різних металів (марганцю, міді, нікелю, титану та ін.). Недоліком таких терморезисторів є вузький діапазон температур та нелінійність статичної характеристики.

На схемі позначається: t⁰

в) фоторезистивні датчики

Дія фоторезисторів базується на властивостях деяких напівпровідникових матеріалів змінювати провідність під дією світла.

Тонкий шар матеріалу (сірчаний свинець, вісмут або кадмій) наноситься на прозору пластинку, до якої кріпляться електроди. При подачі напруги через напівпровідник буде проходити струм, сила якого залежить від освітленості поверхні.

Такі датчики використовуються в системах сигналізації, вимірювання та реєстрації.

R

г) іонні датчики

Використовуються для вимірювання концентрації рідини та газу. Із збільшенням концентрації розчину обмін іонами між електродами починає проходити більш інтенсивно, при цьому провідність розчину збільшується. На принципі дії іонних датчиків використовують пристрої для вимірювання товщини, густини й маси матеріалів, товщини покриття, газового аналізу, тощо.

розчин

іонний зв’язок

2.2.2 Індуктивні датчики

Датчики діляться на індуктивні, трансформаторні та магнітопружні.

a) індуктивні датчики

Ці датчики використовуються для вимірювання кутових і лінійних пересувань. Принцип дії заснований на зміні індуктивності котушки з магнітопроводом при пересуванні якоря.

Датчики являють собою нерухоме феромагнітне осердя 1 з намотаним дротом і рухомий якір 2, який з'єднується з об'єктом, що пересувається (рис. а). В іншій конструкції об’єкт пересуває осердя, на яке намотаний дріт (рис. б).

1 2

a) b)

Х_L

δ X_L

При зміні повітряного зазору δ (або положення осердя) змінюється індуктивний опір X_L, величину якого легко виміряти.

X_L = f (δ).

б) трансформаторні датчики

U Е

X_L1 X_L2

Такі датчики мають на своєму виході взаємоіндуктивність двох котушок. Якір 1 з’єднаний з об'єктом, який пересувається. Спочатку він розташований посередині між осердями котушок з опорами X_L1 та X_L2, що підключені зустрічно одна до одної. У вихідному стані ЕРС обмотки з опором X_L1 зрівноважує ЕРС обмотки з опором X_L2.

При пересуванні якоря рівновага порушується і на виході з'являється електрорушійна сила Е, котра являє собою різницю ЕРС котушок і залежить від зміни повітряного проміжку, тобто від пересування об’єкту.

в) магнітопружні датчики

Принцип дії датчиків заснований на властивості феромагнітних матеріалів змінювати магнітну проникність при пружних деформаціях, котрі викликані механічним навантаженням. Датчик являє собою котушку, на яку діє навантаження. Вихідна індуктивність котушки прямо пропорційна магнітній проникності феромагнітного осердя. Такі датчики використовують для вимірів великих зусиль.

2.2.3 Ємнісні датчики

Датчики являють собою умовний конденсатор і використовуються для вимірювання лінійних та кутових пересувань, рівнів, тисків і концентрацій рідин та газів.

Відомо, що ємність конденсатору залежить від декількох величин:

,

де ε_о – діелектрична постійна,

ε - діелектрична проникність середовища між пластинами конденсатору;

S – площа пластин;

d – відстань між ними.

Прив’язавши досліджувану величину до зміни ε, S або d, можна отримати залежність між цією величиною та вихідною ємністю датчика.

а) ємнісний датчик для вимірювання лінійних та кутових пересувань

Конструктивно датчик являє собою конденсатор, у якого одна з пластин нерухома, а інша зв’язана з об’єктом, відхилення котрого необхідно контролювати.

При лінійному пересуванні змінюється відстань між пластинами d (рис. а), а при кутовому (рис. б) – площа перетину пластин S умовного конденсатора. Внаслідок цього змінюється і вихідний ємнісний опір Х_С:

, де φ – кут повороту пластини.

S

X_c d

φ

а) б)

б) ємнісний датчик для вимірювання концентрацій

C = f (ε)

Ємність конденсатора пов'язана

з діелектричною проникністю ε,

а діелектрична проникність зі зміною

концентрації розчину змінюється, то

по зміні вихідної ємності датчика

можна відраховувати і зміну

концентрації розчину.

На принципі зміни діелектричної проникності будуються також датчики для вимірювання вологості матеріалів.

б) ємнісний датчик для вимірювання рівня

Являє собою дві пластини конденсатору довжиною Н, котрі занурені в рідину на деякий рівень h.

При різних величинах діелектричної проникності повітря e₁ і рідини e₂ утворюються два паралельно з’єднаних конденсатора (занурена частина й та, що знаходиться у повітрі), сумарна ємність яких:

,

де b – ширина пластини конденсатора.

При зміні рівня рідини змінюється величина зануреної частини h і, відповідно, сумарна ємність С. По зміні С= f (h) визначають рівень рідини.

б) ємнісний датчик для вимірювання тиску

Чутливими елементами датчику є мембрана або діафрагма, що перетворює тиск у переміщення. Під дією тиску Р мембрана прийме форму сфери, а її відхилення У від початкового положення (при Р=0) для будь-якого радіуса r дорівнює:

,

де: W – жорсткість мембрани;

R – її радіус;

Р – тиск.

Якщо позначити початкову

ємність між мембраною та нерухомою пластиною за С₀, то можна довести, що відносна зміна ємності при вигинанні мембрани дорівнює:

,

де: DС – зміна ємності;

d - початкова відстань від мембрани до нерухомої пластини конденсатора.

Таким чином, відносна ємність перетворювача пропорційна прикладеному тиску. Ємнісні перетворювачі зазвичай мають верхню границю тиску 200…800 Па при чутливості 0,5…1 пФ/Па і початковій ємності 10…20 пФ. Основна їх похибка складає 1…2%.

---

Дата добавления: 2015-08-18