Реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины Х. Входной величиной является перемещение движка, которое может быть линейным или угловым, а выходной величиной – активное сопротивле- ние R.
R = f (Х, α) – функция преобразования реостатного преобразователя.
Преобразователь представляет собой каркас, на котором намотан в один слой провод с большим удельным сопротивлением, и подвижный контакт с линейным (рис. 2.3, а) или угловым (рис. 2.3, б) перемещением движка, скользящего по виткам провода.
Выходной ток Iн и напряжение Uн зависят от положения движка потенциометра. Эта зависимость в общем нелинейна, что определяется прежде всего отношением полного сопротивления R потенциометра к сопротивлению нагрузки Rн. Величина относительного изменения сопротивления потенциометра К = r/R при равномерной его намотке совпадает с относительным его перемещением ℓ/L движка потенциометра (где L – общая длина сопротивления R), которая равна нулю при r = 0 и единице при r = R. Однако при относительно большом сопротивлении нагрузки Rн ›› R статическая характеристика потенциометра Uн = f (ℓ) принимает линейный вид:
Uн ≈ U · r/R ≈ К1 · U · ℓ, (4)
где К1 = 1/L = 1/R = const.
Если Rн в 10 – 20 раз больше R, то нелинейность статической характеристики не превышает 1 – 2 % предела измерений.
Рис. 2.3. Реостатные преобразователи:
а) с линейным перемещением; б) с угловым перемещением
Форма каркаса может быть любая:пластина, цилиндр, кольцо и т. д. Выбирая форму каркаса, можно получить определенную функциональную зависимость между перемещением и выходным сопротивлением. Микропровод позволяет выполнять миниатюрные преобразователи, имеющие габариты 5 х 5 мм. Провод реостата должен быть покрыт либо эмалью, либо слоем окислов, изолирующих соседние витки друг от друга. Движок (щетка) выполняется либо из двух – трех платина – иридиевых проволочек, либо в виде пластинчатых щеток из серебра. Контактная поверхность намотанного провода полируется, ширина контактной поверхности движка должна быть равна двум – трем диаметрам провода. Каркас реостатного преобразователя покрывается изоляционным лаком.
Достоинства: простота конструкции, дешевизна, миниатюрность. Недостатки: нестабильность питающего напряжения, неточность изготовления, температурная погрешность.
В ряде случаев реостатные преобразователи выполняются в виде проволоки, по которой перемещается щетка (движок). Такие преобразователи, обычно применяемые в автоматических потенциометрах, называются реохордами [12].
Тензорезисторы
В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменение сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Характеристикой тензоэффекта является коэффициент относительной тензочувствительности k, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника: k = εR/ εℓ, где εR = ΔR/R – относительное изменение сопротивления проводника; εℓ = Δℓ/ℓ – относительное изменение длины проводника.
Для жидких материалов, не меняющих своего объема в процессе деформации, коэффициент тензочувствительности k = 2. Это понятно, если вспомнить, что сопротивление проводника при постоянном объеме зависит от квадрата его длины:
R = ρ ℓ/S = ρ ℓ2/V; ΔR = ρ/V 2ℓΔℓ, (5)
откуда
k = εR/ εℓ = ΔR/R = 2, (6)
Δℓ/ℓ
где S – площадь поперечного сечения проводника;
V – объем проводника;
ρ – удельное сопротивление материала проводника.
Твердые тела, изменяющие свой объем в процессе деформации, характеризуются коэффициентом Пуассона μ = -εb/εℓ, где εb = Δb/b - относительная величина поперечной деформации; b - поперечный размер проводника квадратного сечения (или радиус для круглого). В этом случае ΔR = ρΔℓ/S - ρℓΔS/S2 и ΔR/R = Δℓ/ℓ - ΔS/S = Δℓ/ℓ - 2Δb/b. Учитывая, что Δb/b = - μ Δℓ/ℓ, получаем: ΔR/R = (1 + 2μ)Δℓ/ℓ, а коэффициент тензочувствительности k = εR/ εℓ = 1 +2 μ.
Коэффициент Пуассона μ для металлов имеет значение 0,24 – 0,4. Следовательно, коэффициент тензочувствительности для металлов k = 1,48 – 1,8.
Тензорезисторы используются по двум направлениям:
а) использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объемного сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего его газа или жидкости (по этому направлению строятся манометры для измерения высоких и низких давлений). Выходной величиной преобразователя является изменение его активного сопротивления;
б) использование тензоэффекта растягиваемого или сжимаемого тензочувствительного материала. При этом тензорезисторы применяются в виде «свободных» преобразователей и в виде наклеиваемых.
«Свободные» тензопреобразователи выполняются в виде одной или ряда проволок, закрепленных по концам между подвижной и неподвижной деталями и выполняющих одновременно роль упругого элемента. Входной величиной является малое перемещение подвижной детали.
Существуют три основные разновидности тензорезисторов [18]:
1) тензорезисторы с металлической решеткой. Решетки тензорезситоров изготавливают либо методом фототравления из тонкой фольги (толщиной 3–5 мкм), либо намоткой из проволоки диаметром 15 – 25 мкм. Фольговые тензорезисторы являются технически более предпочтительны;
2) полупроводниковые тензорезисторы. Они в 50 раз более чувствительнее металлических. Их применяют очень редко, т.к. очень высокая стоимость, нелинейная характеристика и трудность в компенсации разных тепловых эффектов. По конструктивному исполнению, они похоже на металлические, однако чувствительный элемент представляет собой тонкую узкую полоску из полупроводникового материала с шириной в несколько десятых миллиметра и толщиной в несколько сотых милимметра;
3) напыленные тензорезисторы. Ониравнозначны обычным тензорезисторам. Основное отличие заключается в технологии их изготовления. Технология напыления позволяет без затруднений получить высокоомные металлические решетки, они отличаются малой толщиной изолирующего слоя и решетки и требуют очень малой поверхности для монтажа.
Наиболее распространены проволочные тензорезисторы наклеиваемого типа (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Схема проволочного тензорезистора
На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку 2 наклеивается решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 3 диаметром 0,02 – 0,05 мм. К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники 4. Сверху преобразователь покрывается слоем лака 1. Преобразователь наклеивается на испытываемую деталь. Входной величиной является деформация поверхностного слоя детали, на которой он наклеен, а выходной – изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации. Измерительная база в пределах 5 – 20 мм.
Достоинства: простота, дешевизна. Недостатки: зависимость чувствительности и сопротивления преобразователя от температуры, большой разброс параметров и характеристик, одноразовое действие, трудность при наклейке, малая механическая прочность и чувствительность к поперечным деформациям, сложность градуировки. Суммарная погрешность составляет 10 –15 %.
Магниторезисторы
В магниторезисторах используется эффект изменения электрического сопротивления при внесении его в магнитное поле. Регистрируется напряженность магнитного поля в зазоре, или, перемещая магниторезистор в поле постоянного магнита или электромагнита, можно менять сопротивление или другие характеристики резистора (напряжение, ток). Следовательно, входными сигналами магниторезистивного преобразователя является напряженность магнитного поля и величины, вызывающие его изменение (перемещение, скорость и ускорение), а выходными – изменение активного сопротивления [12].
Близки к магниторезисторам по своим характеристикам преобразователи Холла, которые рассматриваются в п. 5.2.
Варисторы и позисторы
Резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения, называется варистором. Варисторы изготовляются из карбида кремния и из окислов цинка. Кремневые варисторы прессуются из зерен карбида кремния и связывающих веществ (глины, жидкого стекла и др.) от 10 до 40 % от общей массы. Затем подвергаются термической обработке, снабжаются электродами и герметизируются [12]. У них вольт-амперная характеристика нелинейная.
Полупроводниковый терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления, достигшим 60 %/0С, называется позистором. Позисторы выполняются из титанобариевой керамики с примесями редкоземельных элементов. Позистор подобен терморезистору (подробно рассматриваемому в п. 7).
Варисторы и позисторы применяются в качестве управляемых сопротивлений в приборостроении и автоматике, а также в качестве чувствительных элементов в реле, системах сигнализации и др.