В основе работы тензометрических датчиков (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:
где δR = ΔR/R; δl = Δl/l; ΔR - приращение сопротивления при изменении длины l на Δl; Е - модуль упругости материала; σ - механическое напряжение. Коэффициент тензочувствительности связан с деформацией материала и его удельным сопротивлением выражением
где μ - коэффициент Пуассона; δρ - относительное приращение удельного сопротивления р материала при деформации. Тензорезисторы используют для измерения давления жидкости и газа, а также при измерении упругих деформаций материалов: давлений, изгибов, скручивания и т.д.
В качестве тензорезистивного материала можно использовать сплавы с малым ТКС (манганин, константан, нихром, никелин), платиносеребрянные и платиновольфрамовые полупроводниковые материалы (германий, кремний). Наиболее распространены тензорезисторы, выполненные из металла. Они разделяются на проволочные и фольговые. К недостаткам полупроводниковых тензорезисторов следует отнести малые механическую прочность и гибкость. Реализовать большую тензочувствительность этих тензорезисторов оказывается довольно сложно из-за нелинейности характеристики, высокой чувствительности к воздействию внешних условий и существенного разброса параметров от образца к образцу.
Погрешности тензорезисторов могут быть вызваны изменениями температуры, недостаточными сопротивлением изоляции и влагостойкостью, качеством наклеивания, наличием поперечной деформации (для наклеиваемых преобразователей).
К достоинствам тензорезисторов можно отнести незначительную массу, малые размеры, простоту конструкции, возможность измерения статических и динамических процессов; к недостаткам - относительно невысокую чувствительность, возможность только разового использования (так как он разрушается при отсоединении от детали), необходимость использования мостовой измерительной схемы и компенсации температурных воздействий.
14. Терморезистор.
Принцип действия терморезистивных преобразователей основан на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.
Для терморезистивных преобразователей используют материалы, обладающие высокой стабильностью ТКС, высокой воспроизводимостью электрического сопротивления при данной температуре, значительным удельным электрическим сопротивлением, высоким ТКС, стабильностью химических и физических свойств при нагревании, инертностью к воздействию исследуемой среды. К таким материалам в первую очередь относятся платина, медь, никель, вольфрам и др. Наиболее широко применяют платиновые и медные терморезисторы. Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до 650 °С К недостаткам платиновых преобразователей температуры относятся довольно высокая загрязняемость платины парами металлов (особенно железа) при высоких температурах и сравнительно невысокая химическая стойкость в восстановительной среде, вследствие чего материал становится хрупким, теряет стабильность характеристик.
Медные терморезистшные преобразователи широко используют в диапазоне температур от 50 до 180 °С вследствие их низкой стоимости и довольно высокой стойкости к коррозии. К недостаткам медных преобразователей температуры относится высокая окисляемость меди при нагревании, вследствие чего их применяют в сравнительно узком диапазоне температур в средах с низкой влажностью и при отсутствии агрессивных газов. Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических большими значениями ТКС, а следовательно, меньшими размерами и инерционностью. Недостатками полупроводниковых терморезисторов, существенно снижающих их эксплуатационные качества, является нелинейность зависимости сопротивления от температуры, значительный разброс номинальных значений сопротивлений различных образцов и их ТКС. Чувствительность проволочных медных терморезисторов постоянна, чувствительность платиновых изменяется с изменением температуры. При одинаковых значениях R0 чувствительность медных терморезисторов выше. Терморезисторы применяют для измерения температуры.Ток должен быть мал,т.к. может быть перегрев по отношению к окружающей среде. ЧЭ имеет вид спирали помещен в каракас.уплотненный порошкообразным оксидом алюминия.(яв-ся хорошим эл изолятором,обладает большой теплостойкость и хорошей теплопроводимостью.Представляет бескаркасную оболочку из медной проа=волоки покрвытый фторопластовой пленкой и помещенный в медый защитный чехол.15. Пьезоэлектрические датчики.
Пьезоэлетрические датчики- Измерительный преобразователь механического усилия в электрический сигнал принцип действия основан на использовании прямого или обратного пьезоэффекта.(способность некх материалов образовывать эл.заряды на поверхности при приложении механической нагрузки). Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в том, что под влиянием механических напряжений на гранях некоторых кристаллов появляются электрические заряды. При снятии усилий кристалл возвращается в ненаэлектризованное состояние. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при внесении пьезокристалла в электрическое поле, силовые линии которого совпадают с направлением пьезоэлектрической оси, происходит изменение геометрических размеров кристалла (сжатие или растяжение).
В качестве материалов-кварц,турмалин.высокое сопротивление,стойкость к температуре.влажности.высокая механическая прочность.
Пьезомодуль-устанавливает зависимость между возникающим зарядом и приложенной силой.2,3*10^-12. Кристалл имеет одну чувствительную плоскость,препендикулярную оси z. Продольный пьезоэффект-если к пластине вдоль оси x приложить силу F то на ее гранях пр=ерпенд оси x возник эл заряды. Достоинства-простота,малые размеры,высокая надежность.возможность измерения быстро-переменных величин.
Недстатки-необходимы усилители,непригодность к измерению статических величин,относительно невысокий уровень выходного сигнала.
16. Емкостные датчики.
Емкостные датчики.C=ee0S/б.Принцип действия основан на изменении емкости конденсатора под воздействием входной преобразуемой величины.Используют для измерения угловых и линейных перемещений,линейных размеров,уровня,усилий,влажности,концентрации и т.д. Особенности.Начальная емкость тем больше чем меньше зазор между пластинами.Погрешность их опр влиянием температуры и влажности.Испль с малым ТКЛР.малые размеры и масса.высокая чувствительность,большая разрешающая способность,быстродействие.
Недостатки.Нестабильность характеристик при измен р=парам окр среды,влияние паразитных емкостей.
17. Термопара.
Термоэлектрические датчики относятся к датчикам генераторного типа и имеют вид, приведенный на рисунке 2.29. Их работа основана на одном из термоэлектрических явлений – появлении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).Сущность этого явления заключается в следующем. Если составить электрическую цепь из двух разнородных металлических проводников (или полупроводников), причем с одного конца проводники спаять, а место соединения (спай) нагреть, то в такой цепи возникает ЭДС. Эта ЭДС будет пропорциональна температуре места спая (точнее – разности температур места спая и свободных, неспаянных концов). Коэффициент пропорциональности зависит от материала проводников и в определенном интервале температуры остается постоянным. Цепь, составленная из двух разнородных материалов, называется термопарой; проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами; места соединения термоэлектродов – спаями. Спай, помещаемый в среду, температуру которой надо измерить, называется горячим или рабочим. Спай, относительно которого измеряется температура, называется холодным или свободным. Возникающая при различии температур горячего и холодного спаев ЭДС называется термоЭДС. По значению этой термоЭДС можно определить температуру.
Бывают ТХА Хромаель алюмель,ТХК-хромель капель.Для измерения термоЭДС, вырабатываемой термопарой, в цепь термопары включают измерительный прибор (например, милливольтметр). Милливольтметр включают, разомкнув свободный спай, либо в разрыв одного из термоэлектродов. Метыллы-платина,золото,неблагородные металлы их сплавы(хром,капель,алюманль)Чтобы повысить вых Эдс используют термобатарею-последов-ое включ термопар,свободные спаи-при постонян температуре.Делятся на-погружаемые и поверхностные.
Достринства-большой диапазон(-200-2500С)Простота устройства,надежность в эксплуатации.Недостатки-невысокая чувствительность,большая инерционнсть,необход поддер пост темп своб спая. ТХА(-50-1000)0,2. ТХК(-50-600)0,16. ТПП(0-1300)0,01.
18. Индуктивные датчики.
Состоит из сердечника,обмотки катушки,подвижного элемента якоря.
Вх величина-эл.ток.вых-напряжение Принцип действия осногван на изменении индуктивности или взаимоиндуктивности обмотки сердечником вследствии изменения магнитного сопртивления в цепи датчика.Измеряемое перемещение на входе датчика вызывает измеменеие параметров магнитной цепи,а следовательн изменяется ток или напряжение.С помощью инд датчиков можно контролировать мех перемещения,силу,свойства магнитных материалов,контролировать диаметр стальной проволоки и т.д.
Достоинства.Простота и прочность конструкции,надежность в работе,отсутствие скользящих контактов,высокая чувствительность,больщая величина мощности на выходе.Питание-преременным напряжением с частотой 50 Гц,под действ вх сигнала переме якорь вследствие чего измен зазор б.U=IR, I=U/кореньR2+X2 Для измер целей прим 2-х тактные измер преобразователи,которые включаются на дифф или мостоваой схеме. L=μSωω/δ w-число витков,μ-магнитная проничаемость,S-площадь поп сечения.U=kб
Индуктивные датчики наиболее популярные конечные выключатели, преимущества -бесконтактный принцип работы, отсутствие движущихся и трущихся деталей, высокая частота переключения в сочетании с высокой точностью срабатывания. На индуктивные датчики не оказывает влияние: высокая влажность, пыль, вибрация.