§ 11.1 Резисторные преобразоватепи

Резисторные преобразователи предназначены для измерения перемещения и сил.

Принцип действия резисторных преобразователей основан на изменении электрического сопротивления при изменении длины /, сечения 5 или удельного сопротивления р резистора, так как в общем случае R = pl/S.

В потенциометрических преобразователях изменение сопротивления происходит за счет изменения длины проводника, в тензоре-зисторах меняются три величины /, 5 и р, а в терморезисторах и магниторезисторах меняется удельное сопротивление р при изменении соответственно температуры или магнитного поля.

Потенциометрические преобразователи предназначены для измерения угловых или линейных перемещений. Они представляют собой переменный резистор, подвижный контакт которого перемещается. Величина сопротивления переменного резистора зависит от положения подвижного токосъемного контакта. Потенциометрические преобразователи служат для преобр1азования механических перемещений в соответствующие изменения напряжения или тока.

Широкое применение получили проволочные потенциометрические преобразователи непрерывной иамотки. Такой преобразователь состоит из каркаса, обмотки и подвижного токосъемного контакта обычно в виде щетки, скользящей по виткам провода, очищенного в месте контактирования от изоляции. Каркас выполняется из изоляционного мате-J11/ риала или металла, покры-

того слоем изоляции. По форме каркасы изготавливают плоскими, цилиндрическими или кольцевыми. Для обмоточного провода ис-

-о и о-

Рис. 11.1. Кольцевой потенциометриче-ский преобразователь

Рис. 11.2. Принципиальная схема потенциометрического преобразователя

пользуются сплавы с высоким удельным сопротивлением: манганин, константаи, нихром. Если требуется повышенная износостойкость или контактные давления щетки по техническим условиям невелики, то применяют сплавы из благородных металлов: платины с иридием, платины с паладием и др. Намотку провода на каркас производят с некоторым механическим натяжением, зависящим от материала и диаметра провода.

Выходная характеристика потенциометрического преобразователя может быть линейной или нелинейной. При воспроизведении заданной нелинейной функции сопротивление потенциометра, работающего без нагрузки, должно изменяться по соответствующему нелинейному закону. Это достигается различными способами: изготовлением неоднородной намотки, намоткой на фигурный каркас и т. п.

На рис. П.1 изображен кольцевой потенциометрический преобразователь. На каркасе /, выполненном из изоляционного материала, размещена обмотка 7. По очищенной от изоляции гладкой кромке провода перемещается контакт 6 щетки 4, приводимой во вращение осью 5. Питающее напряжение V подается на зажимы потенциометра, к которым подсоединены концы обмотки, а выходное напряжение снимается между одним из этих зажимов и контактом 3, соединенным с токосъемным кольцом. 2. При равномерной иамотке в режиме без нагрузки выходное напряжение преобразователя пропорционально углу поворота щетки.

Принципиальная схема преобразователя приведена на рис. П.2. К зажимам Н к К ненагруженно-го потенциометра прикладывается постоянное или переменное напряжение и. При этом сопротивление потенциометра между зажимом Н и щеткой Щ изменяется по закону

где /?ж - сопротивление участка х; I - длина потенциометра; R - полное сопротивление потенциометра.

Выходное напряжение вых снимается с части потенциометра Rx и зависит от перемещения щетки. Таким образом осуществляется преобразование механического перемещения в электрическое напряжение.

При смещении щетки вправо от точки Н на величину х выходное напряжение преобразователя в режиме холостого хода

U,,=URjR=Ux/l. (П.1)

Характеристика управления в этом режиме линейная (рис. 11.3). В нагрузочном режиме характеристика управления становится не-

1 X

Рис. 11.3. Характеристики управления потенциометрического преобразователя

линейной. Выходное напряжение преобразователя

t/.wx = (11.2)

где /н -ток, протекающий через нагрузочное сопротивление.

В соответствии с теоремой об эквивалентном генераторе в случае чисто активной нагрузки

Здесь 7?экв - эквивалентное сопротивление схемы (сопротивление между точками Н и Щ со стороны нагрузки при закороченном источнике питания);

/?экв=/?х(/?-/?ж) ?-

Подставляя (11.1) и (11.3) в (11.2), находим выходное напряжение в нагрузочном режиме

в.х=tJRxRJ(RRn+RxR - RI)-

Щкх=0 имеем Rx = Q\ /вых = 0; прид;=/ имеем Rx=R\ иъых = И.

Чем меньше Rn, тем больше нелинейность характеристики управления. Для уменьшения влияния нагрузки выбирают нагрузочное сопротивление в соотношении 7?н= (10ч-100)У?.

Характеристика управления реальных потенциометрических преобразователей имеет ступенчатый характер, так как перемещение

щетки с одного витка прово-да на другой вызывает скач-" кообразное измеиение вы-

ходного напряжения. Ошибка, вызываемая ступенчатостью характеристики, составляет

где W - полное число витков потенциометра. Для уменьшения ошибки ступенчатости увеличивают число витков, уменьшая нри этом диаметр провода. Однако с увеличением числа витков резко растет сопротивление потенциометра, что приводит к увеличению нелинейности характеристики управления.

Рассмотренный преобразователь позволяет измерить перемещение только одного знака. На рис. 11.4, а показана схема реверсивного потенциометрического преобразователя. Такой преобразователь имеет отвод от средней точки обмотки, от которой происходит

Рис. 11.4. Схема (а) и характеристика управления (б) реверсивного потенциометрического преобразователя

отсчет перемещения щетки. При изменении направления перемещения щетки от средней точки обмотки происходит изменение знака выходного напряжения. На рис. 11.4 положительным считается вых, измеренное от щетки к центру потенциометра. Если щетка Щ. находится выше центра, то /вых>0, если ниже центра, то /вы1<0.

Характеристика управления преобразователя в режиме холостого хода (Zh=oo) приведена на рис. 11.4, б. В этом режиме характеристика линейная. Знак выходного напряжения зависит от координаты X.

Динамические характеристики потенциометрических преобразователей зависят от рода нагрузки. Если нагрузкой является активное сопротивление, то преобразователь представляет собой безынерционное звено.

Достоинствами потенциометрических преобразователей являются малые масса и габариты, сравнительная простота конструкции, возможность питания от источников как постоянного, так и переменного тока. Основиой недостаток - наличие скользящего контакта, который обусловливает низкую надежность преобразователя. Недостатком является также сильное влияние нагрузки иа линейность характеристики управления.

Тензорезисторы предназначены для измерения деформаций, возникающих под действием внешних сил.

Принцип действия тензорезистора основан на явлении теизоэф-фекта, заключающегося в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним механических напряжений. При наличии внешней силы происходит деформация проводника как в направлении действия силы, так и в перпендикулярном направлении. Деформация в направлении действия силы в области упругих деформаций происходит в соответствии с законом Гука

где бг - относительная продольная деформация; ст - механическое напряжение в проводнике; / - длина проводника; Л/ - измеиение длины в результате деформации; Е - модуль упругости.

Относительная поперечная деформация бп проводника прямо пропорциональна относительной продольной деформации, ио имеет противоположный знак:

(11.4)

где ц - коэффициент Пуассона.

Активное сопротивление проводника при неизменной температуре

R=9tlS,

где -удельное сопротивление материала; 5 - площадь поперечного сечения.

Изменение сопротивления проводника под действием упругой деформации

АО А/ I А с I л 1 НС \ а

Д/?=-Д/ + -Д5+-Др=р --Р-Д5+-ДР.

Относительное изменение сопротивления 0;,=Д/? ?= MJI - S/S + Др/р.

Площадь поперечного сечения проводника пропорциональна квадрату его поперечного размера b (для круглого нли квадратного сечения), поэтому

8,=д/-2дй/й-(-др/р,

где Ab/b = 6n - относительная поперечная деформация проводника. С учетом (11.4) получим

«7г-=8/ + 21»8, + Др/р.

Тензоэффект различных материалов характеризуется коэффициентом тензочувствительности

где /п = Др/(б;р) учитывает изменение удельного сопротивления материала проводника.

Коэффициент Пуассона ц для различных металлов имеет значения 0,24-0,4. С учетом изменения удельного сопротивления коэффициент тензочувствительности для металлов, применяемых в тензорезисторах, близок к двум.

Характеристика управления проволочных тензорезисторов определяется выражением

Д/?==*г/?8,.

Для увеличения чувствительности тензорезисторов выбирают материалы с высоким коэффициентом тензочувствительности, большим удельным сопротивлением и малым поперечным сечением. Наибольшее применение в тензорезисторах нашел константаи. Он имеет незначительный температурный коэффициент сопротивления, что уменьшает погрешность, вызванную колебаниями температуры. В тензорезисторах, изготовленных из константана, в широком диапазоне сохраняется линейная зависимость между относительной деформацией и изменением сопротивления. Для работы при повышенных температурах рекомендуется изготовлять тен-зорезисторы нз нихрома.

Проводниковые тензорезисторы разделяют на проволочные и фольговые. Проволочный тензорезистор (рис. 11.5, а) представляет собой тонкую тензочувствительную проволоку, уложенную зигзагообразно между двумя электроизоляционными подложками. К концам проволоки подсоединяются выводы. Для изготовления тензорезисторов применяют проволоку диаметром 0,01-0,05 мм. Элек-

Рис. 11.5. Схемы тензорезисторов проволочного (а) и фольгового (б);

/ - ось деформации; 2 -клей; Л - бумага (пленка); 4 - выводы

троизоляционные подложки выполняют из листов тонкой пленки, скрепляемых между собой клеем или лаком. Проволочные тензорезисторы выполняются с сопротивлением 10-1000 Ом и имеют размеры 2-100 мм.

Фольговые тензорезисторы (рис. 11.5,6) аналогичны проволочным. Они изготавливаются из фольги толщиной 0,004-0,012 мм. Фотохимический способ позволяет создать любой рисунок тензоре-зистора, что является существенным преимуществом фольговых тензорезисторов. Фольговые тензорезисторы име- „i zl -fi .

ют большую площадь охлаждения, поэтому могут пропускать больший ток, чем проволочные. Максимальная сила тока проводниковых тензорезисторов достигает нескольких десятков миллиампер.

Для измерения деформации тензорезистор наклеивается на поверхность контролируемой части механизма таким образом, чтобы его продольная ось совпадала с направлением измеряемой деформации. Приклеивание тензорезисторов приводит к тому, что тензорезистор-ные преобразователи являются преобразователями разового действия. Обычно градуируют тензорезисторы из одной партии, приклеивая их на специальную тарировочную балку, а другим теизо-резисторам той же партии присваивают усредненные характеристики, полученные на нескольких образцах.

В настоящее время находят также применение тензорезисторы, изготовленные из полупроводниковых материалов. Основными достоинствами полупроводниковых тензорезисторов являются малые размеры, высокий коэффициент тензочувствительности, высокий уровень выходного сигнала. Однако разброс параметров в одной партии полупроводниковых тензорезисторов достигает 20%.

Терморезисторы предназначены для измерения температуры деталей машин, приборов и механизмов.

Принцип действия терморезисторов основан на изменении электрического сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при изменении их температуры. В терморезисторах используются материалы, обладающие большим и стабильным тем.-пературным коэффициентом сопротивления и линейной зависимостью сопротивления от температуры.

Приборы для измерения температуры, в которых в качестве чувствительных элементов используются терморезисторы, называются термометрами сопротивления. В промышленных термометрах