Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования

"Белорусский государственный университет

Информатики и радиоэлектроники"
Кафедра метрологии и стандартизации
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Методические указания к лабораторной работе Э.5Б

Для студентов специальности 45 01 01

"Метрология, стандартизация и сертификация"

Всех форм обучения

Минск 2004

УДК 621.317.7 + 006.91 (075.8)

ББК 30.10я73

П 18

Составитель В.Т.Ревин

Методические указания содержат цель работы, краткие сведения из теории, описание лабораторной установки, лабораторное задание и порядок выполнения работы, а также указания по оформлению отчета и контрольные вопросы для проверки знаний студентов. В работе рассмотрены основные виды параметрических измерительных преобразователей (реостатные, индуктивные и емкостные), их основные характеристики и схемы включения в измерительную цепь. Предусматривается оценка точности полученных результатов измерения и сравнительная метрологическая оценка приборов для измерения неэлектрических величин, в основу работы которых положены принцип действия рассмотренных измерительных преобразователей.
УДК 621.317.7 + 006.91 (075.8)

ББК 30.10 я 73

1 Цель работы
1.1 Изучение принципа действия, конструкции и основных характеристик реостатных, емкостных и индуктивных измерительных преобразователей неэлектрических величин в электрические.

1.2 Изучение методов измерения неэлектрических величин с помощью реостатных, емкостных и индуктивных измерительных преобразователей.

1.3 Практическое определение основных характеристик измерительных преобразователей и измерение с их помощью линейных и угловых перемещений.
2 Краткие сведения из теории
Характерной особенностью современных измерений является необходимость определения значений множества физических величин, значительное число которых является неэлектрическими. Для измерения неэлектрических величин широкое распространение получили электрические средства измерений, что обусловлено рядом их достоинств (высокая точность измерения, высокая чувствительность и быстродействие средств измерении, возможность передачи измерительной информации на большие расстояния и т.д.). Особенностью электрических средств измерений, предназначенных для измерения неэлектрических величин, является обязательное наличие первичного измерительного преобразователя неэлектрической величины в электрическую.

Первичный измерительный преобразователь (ПИП) устанавливает однозначную, функциональную зависимость естественной выходной электрической величины Y от естественной входной неэлектрической величины Х. В зависимости от вида выходного сигнала все первичные измерительные преобразователи подразделяются на параметрические и генераторные. В параметрических измерительных преобразователях выходной величиной является параметр электрической цепи (сопротивление R, индуктивность L, взаимная индуктивность M и емкость C). При использовании параметрических измерительных преобразователей необходим дополнительный источник питания, энергия которого используется для образования выходного сигнала преобразователя. В генераторных измерительных преобразователях выходной величиной является ЭДС, ток или напряжение, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.

По принципу действия параметрические измерительные преобразователи подразделяются на реостатные, терморезистивные, тензорезистивиые, индуктивные, емкостные и ионизационные.

Зависимость выходной величины измерительного преобразователя Y от входной величины X называется функцией преобразования и описывается выражением Y = f (X). Часто у преобразователей выходная величина Y зависит не только от входной измеряемой величины X, но и от внешнего фактора Z. Поэтому в общем виде функцию преобразования можно представить следующей функциональной зависимостью: Y = f(X, Z).

При создании измерительных преобразователей неэлектрических величин стремятся получить линейную функцию преобразования. Для описания линейной функции преобразования достаточно двух параметров: начального значения выходной величины Y 0 (нулевом уровня), соответствующего нулевому или какому-либо другому характерному значению входной величины X, и показателя относительного наклона функции преобразования
, (1)
называемого чувствительностью преобразователя. Чувствительность преобразователя  это отношение изменения выходной величины измерительного преобразователя к вызывающему ее изменению входной величины. Как правило, это именованная величина с разнообразными единицами, зависящими от природы входной и выходной величин. Для реостатного преобразователя, например, единица чувствительности  Ом/мм, для термоэлектрического преобразователя  мВ/К, для фотоэлемента  мкА/лм, для двигателя  об/(сВ) или Гц/В, для гальванометра  мм/мкА и т. д.

В этом случае функция преобразования может быть представлена в виде выражения

. (2)
Важнейшей проблемой при проектировании и использовании преобразователя является обеспечение постоянства чувствительности, которая должна как можно меньше зависеть от значений Х (определяя линейность характеристики преобразования) и частоты их изменений, от времени и воздействия других физических величин, характеризующих не сам объект, а его окружение (они называются влияющими на результаты измерений величинами).

Однако чувствительность каждого преобразователя постоянна только на определенном участке функции преобразования, который ограничивается, с одной стороны, пределом преобразования, а с другой, – порогом чувствительности.

Предел преобразования данного преобразователя – это максимальное значение входной величины, которое еще может быть им воспринято без искажения и повреждения преобразователя.

Порог чувствительности – это минимальное изменение значения входной величины, способное вызвать заметное изменение выходной величины преобразователя. Значение порога чувствительности принято определять равным половине полосы неоднозначности функции преобразования при малых значениях входной величины.

При нелинейной функции преобразования чувствительность зависит от значения входной величины.

Измерив значение выходного сигнала Y преобразователя, можно определить тем самым значение входной величины X (рисунок 1). Соотношение Y = = F(X) выражает в общей теоретической форме физические законы, положенные в основу работы преобразователей. Для всех преобразователей функция преобразования - соотношение Y = F(X)  в численной форме определяется экспериментально в результате градуировки. В этом случае для ряда точно известных значений X измеряют соответствующие значения Y, что позволяет построить градуировочную кривую (рисунок 1,а ). Из этой кривой для всех полученных в результате измерения значений Y можно найти соответствующие значения искомой величины X (рисунок 1,б ).

а

б

а – получение градуировочной кривой по известным значениям измеряемой величины Х;

б  использование градуировочной кривой для определения Х

Рисунок 1  Градуировочные характеристики измерительного преобразователя
Важной характеристикой любого измерительного преобразователя является его основная погрешность, которая может быть обусловлена принципом действия, несовершенством конструкции или технологии его изготовления и проявляется при нормальных значениях влияющих величин или нахождении их в пределах нормальной области. Основная погрешность измерительного преобразователя может иметь несколько составляющих, обусловленных:

Неточностью образцовых средств измерений, с помощью которых проводилось определение функции преобразования;

Отличием реальной градуировочной характеристики от номинальной функции преобразования; приближенным (табличным, графическим, аналитическим) выражением функции преобразования;

Неполным совпадением функции преобразования при возрастании и убывании измеряемой неэлектрической величины (гистерезис функции преобразования);

Неполной воспроизводимостью характеристик измерительного преобразователя (чаще всего чувствительности).

При градуировке серии однотипных преобразователей оказывается, что их характеристики несколько отличаются друг от друга, занимая некоторую полосу. Поэтому в паспорте измерительного преобразователя приводится некоторая средняя характеристика, называемая номинальной. Разности между номинальной (паспортной) и реальной характеристиками преобразователя рассматриваются как его погрешности.

Градуировка измерительного преобразователя (определение реальной функции преобразования) производится с использованием средств измерений неэлектрических и электрических величин. Структурная схема установки для градуировки реостатного преобразователя представлена на рисунке 2. В качестве средства измерения линейного перемещения (неэлектрической величины) используется линейка, а средства измерения электрической величины – активного сопротивления – цифровой измеритель L, C, R E7-8.


Рисунок 2 – Структурная схема установки для градуировки реостатного преобразователя
Процесс градуировки преобразователя заключается в следующем. С помощью механизма перемещения подвижный контакт (движок) реостатного преобразователя последовательно устанавливается на оцифрованные отметки шкалы линейки и на каждой отметке производится измерение активного сопротивления преобразователя с помощью прибора Е7-8. Измеренные значения линейного перемещения и активного сопротивления заносятся в градуировочную таблицу 1.

Таблица 1

В этом случае получаем функцию преобразования измерительного преобразователя, заданную в табличной форме. При получении графического изображения функции преобразования необходимо воспользоваться рекомендациями, приведенными на рисунке 1,а . Но при этом следует иметь в виду, что измерение линейного перемещения и активного сопротивления произведено с погрешностью, обусловленной инструментальными погрешностями используемых средств измерений. В связи с этим и определение функции преобразования произведено также с погрешностью (рисунок 3). Поскольку определение функции преобразования проводилось путем косвенных измерений, то и оценка ее погрешности должна проводиться как погрешности результата косвенного измерения по формуле

, (3)

Где
,
 частные производные; Y, X – инструментальные погрешности средств измерений.

Р

исунок 3 – Определение функции преобразования и ее погрешности
Дополнительные погрешности измерительного преобразователя, обусловленные его принципом действия, несовершенством конструкции и технологии изготовления, проявляются при отклонении влияющих величин от нормальных значений.

Кроме рассмотренных выше характеристик, измерительные преобразователи неэлектрических величии в электрические характеризуются: номинальной статической характеристикой преобразования, вариацией выходного сигнала, выходным полным сопротивлением, динамическими характеристиками . К важнейшим неметрологическим характеристикам относятся: габариты, масса, удобство монтажа и обслуживания, взрывобезонасность, устойчивость к механическим, тепловым, электрическим и другим перегрузкам, надежность, стоимость изготовления и т.п. .

Как уже отмечалось, особенностью измерительных приборов, предназначенных для измерения неэлектрических величин, является обязательное наличие первичного измерительного преобразователя неэлектрической величины в электрическую. Упрошенная структурная схема электрического прибора прямого преобразования для изменения неэлектрических величин представлена на рисунке 4.

Измеряемая неэлектрическая величина X подается на вход первичного измерительного преобразователя (ПИП). Выходная электрическая величина Y преобразователя измеряется электрическим измерительным прибором (ЭИП), в состав которого входят измерительный преобразователь (ИП) и индикаторное устройство ИУ. В зависимости от рода выходной величины и требований, предъявляемых к прибору, электрический измерительный прибор может быть различной степени сложности. В одном случае это  магнитоэлектрический милливольтметр, а в другом  цифровой измерительный прибор. Обычно шкалу ЭИП градуируют в единицах измеряемой неэлектрической величины.

Рисунок 4  Схема включения первичного измерительного преобразователя
Измеряемая неэлектрическая величина может неоднократно преобразовываться для согласования пределов ее измерения с пределами преобразования ПИП и получения более удобного для ПИП вида входного воздействия. Для выполнения подобных преобразований в прибор вводят предварительные преобразователи неэлектрических величин в неэлектрические.

При большом числе промежуточных преобразований в приборах непосредственной оценки существенно возрастает суммарная погрешность. Для снижения погрешности применяют дифференциальные измерительные преобразователи (ДИП), которые имеют меньшую аддитивную погрешность, меньшую нелинейность функции преобразования и повышенную чувствительность по сравнению с аналогичными недифференциальными преобразователями.

На рисунке 5 показана структурная схема прибора, включающая в себя дифференциальный измерительный преобразователь (ДИП). Особенность этой схемы заключается в наличии двух каналов преобразования и дифференциального звена ДИП, имеющего один вход и два выхода. При измерении входной величины X относительно начального значения Х 0 выходные величины ДИП получают приращения с разными знаками относительно начального значения. Следовательно, при изменении входной величины информативный параметр сигнала одного канала увеличивается, а другого  уменьшается. Выходные величины каналов вычитаются в вычитающем устройстве (ВУ) и образуют выходную величину Y, которая измеряется электроизмерительным прибором.

В настоящее время для измерения неэлектрических величин находят применение приборы сравнения, позволяющие по сравнению с приборами прямого преобразования получить более высокую точность, большее быстродействие и обеспечить меньшее потребление энергии от объекта исследования. В качестве узлов обратной связи используют обратные преобразователи, преобразующие электрическую величину в неэлектрическую .

Рисунок 5 – Схема включения дифференциального измерительного

Преобразователя
Электрические приборы для измерения неэлектрических величин могут быть не только аналоговыми, но и цифровыми .

Реостатные преобразователи

Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины – линейного или углового перемещения. Реостатный преобразователь представляет собой реостат, подвижный контакт которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины. Схематическое изображение некоторых конструкции реостатных преобразователей для углового и линейного перемещения показано на рисунках 6,а,б . Преобразователь состоит из нанесенной на каркас обмотки и подвижного контакта. Габариты преобразователя определяются значением измеряемого перемещения, сопротивлением обмотки и мощностью, рассеиваемой в обмотке. Для получения нелинейной функции преобразования применяют функциональные реостатные преобразователи. Нужный характер преобразования достигается профилированием каркаса преобразователя (рисунок 6,в ).

В рассматриваемых реостатных преобразователях статическая характеристика преобразования имеет ступенчатый характер, поскольку сопротивление изменяется скачками, равными сопротивлению одного витка. Это вызывает появление погрешности, максимальное значение которой определяется выражением

,

Реостатные преобразователи включают в измерительные цепи в виде равновесных и неравновесных мостов, делителей напряжения и т.д.

Р
исунок 6 – Реостатные измерительные преобразователи
К достоинствам преобразователей относятся возможность получения высокой точности преобразования, значительных по уровню выходных сигналов и относительная простота конструкции. Недостатками являются наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших его перемещений, а иногда и значительного усилия для перемещения.

Применяют реостатные преобразователи для преобразования сравнительно больших перемещений и других неэлектрических величин (усилие, давление и т.п.), которые могут быть преобразованы в перемещение.

Индуктивные преобразователи

Принцип действия индуктивных преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности катушек с сердечником от положения, геометрических размеров и магнитного сопротивления элементов их магнитной цепи. Так, индуктивность обмотки, расположенной на магнитном сердечнике (рисунок 7,а ), определяется выражением

, (4)

Взаимная индуктивность двух обмоток, расположенных на том же магнитопроводе, определится как

, (5)

Где w 1 и w 2  число витков первой и второй обмоток преобразователя.

Магнитное сопротивление определяется выражением
Z M = R M + X M , (6)

где	 активная составляющая магнитного сопротивления;
l i , s i ,  i	 соответственно длина, площадь поперечного сечения и магнитная проницаемость i-го участка магнитопровода;
 0	 магнитная постоянная;
	 длина воздушного зазора;
s	 площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода;
	 реактивная составлявшая магнитного сопротивления;
Р	 потери мощности в магнитопроводе, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом;
	 угловая частота,
Ф	 магнитный поток в магнитопроводе.

Приведенные соотношения показывают, что индуктивность и взаимную индуктивность можно изменять, воздействуя на длину l , сечение воздушного участка магнитопровода s, на потери мощности в магнитопроводе и другими способами. Это достигается перемещением подвижного сердечника (якоря) 1 относительно неподвижного сердечника 2, введением немагнитной металлической пластины 3 в воздушный зазор и т.п. .

На рисунке 6 схематически показаны различные типы индуктивных преобразователей. Индуктивный преобразователь с переменной длиной воздушного зазора  (рисунок 7,б ) характеризуется нелинейной зависимостью L = f (). Такой преобразователь обычно применяют при перемещении якоря магнитопровода до 0,01  5 мм. Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью функции преобразования L = f(s) отличаются преобразователи с переменным сечением воздушного зазора (рисунок 7,в ). Эти преобразователи используют при перемещениях до 10  15 мм.

Широко распространены индуктивные дифференциальные преобразователи (рисунок 7,г ), в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и с различными знаками изменяются два зазора электромагнитов. Дифференциальные преобразователи в сочетании с соответствующей измерительной цепью (обычно мостовой) имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность функции преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов и сниженное результирующее усилие на якорь со стороны электромагнита, чем недифференциальные преобразователи.

а

б

в

г

д

е

Рисунок 7 – Индуктивные измерительные преобразователи
Для преобразования сравнительно больших перемещении (до 50 - 100 мм) применяют трансформаторные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью (рисунок 7,д ).

Если ферромагнитный сердечник преобразователя подвергать механическому воздействию F, то вследствие изменения магнитной проницаемости материала сердечника изменится магнитное сопротивление цепи, что также повлечет изменение индуктивности L и взаимной индуктивности М обмоток. На этой зависимости основан принцип действия магнитоупругих преобразователей (рисунок 7,е ).

Конструкция преобразователя определяется диапазоном измеряемого перемещения. Габариты преобразователя выбирают, исходя из необходимой мощности выходного сигнала.

Для измерения выходного параметра индуктивных преобразователей наибольшее применение получили мостовые (равновесные и неравновесные) и генераторные измерительные цепи, а также цепи с использованием резонансных контуров, которые обладают наибольшей чувствительностью вследствие большой крутизны результирующей функции преобразования.

Индуктивные преобразователи используют для измерения линейных и угловых перемещении, а также других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (усилие, давление, момент сил и т.п.).

По сравнению с другими преобразователями перемещения индуктивные преобразователи отличаются значительными по мощности выходными сигналами, простотой и надежностью в работе.

Их основными недостатками являются: обратное воздействие на исследуемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотные характеристики прибора.

Емкостные преобразователи

Принцип действия емкостных измерительных преобразователей основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и диэлектрической проницаемости среды между ними.

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость

,

Из выражения для емкости видно, что преобразователь может быть построен с использованием зависимостей С = f(), С = f(s), C = f().

На рисунке 8 схематически показано устройство различных емкостных преобразователей. Преобразователь (рисунок 8,а ) представляет собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины X относительно неподвижной пластины. Статическая характеристика преобразователя С = f() нелинейна. Чувствительность преобразователя возрастает с уменьшением расстояния . Такие преобразователи используют для измерения малых перемещений (менее 1 мм).

Применяют также дифференциальные емкостные преобразователи (рисунок 8,б ), у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины. При воздействии измеряемой величины X у этих преобразователей одновременно изменяются емкости С1 и С2. На рисунке 8,в показан дифференциальный емкостной преобразователь с переменной активной площадью пластин. Такой преобразователь используют для измерения сравнительно больших перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемую характеристику преобразования путем профилирования пластин.

а

б

в

г

Рисунок 8 – Емкостные измерительные преобразователи
Преобразователи с использованием зависимости С = f() применяют для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т.п. В качестве примера на рисунке 8,г приведено устройство преобразователя емкостного уровнемера. Емкость между электродами, опушенными в сосуд, зависит от уровня жидкости.

Для измерения выходного параметра емкостных измерительных преобразователей применяют мостовые, генераторные измерительные цени и цепи с использованием резонансных контуров. Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, которые способны реагировать на линейные перемещения порядка 10 мкм. Цепи с емкостными преобразователями обычно питают током повышенной частоты (до десятков МГц).

3.2 Лабораторная установка.
4 Описание лабораторной установки
Лабораторная установка, используемая при выполнении работы, представляет собой совокупность лабораторных макетов, каждый из которых может быть использован независимо от других.

Макет М1 обеспечивает исследование основных характеристик реостатных, емкостных и индуктивных измерительных преобразователей. Преобразователи снабжены механическим устройством, обеспечивающим линейное и угловое перемещение подвижной части измерительных преобразователей и контроль цифровых значении этих перемещении. Выходы всех измерительных преобразователей посредством переключателя ВЫХОД коммутируются на выход макета. Переключатель ВАРИАНТ обеспечивает изменение начального значения активного сопротивления, емкости и индуктивности соответствующих измерительных преобразователей, а также их функции преобразования. Схема лабораторного макета М1 приведена на рисунке 9, а внешний вид его передней панели  на рисунке 12.

Рисунок 9 – Схема электрическая принципиальная лабораторного макета М1

Макет М2 (рисунок 10) реализует измерительные цепи, используемые с реостатными измерительными преобразователями: делитель напряжения и неуравновешенный мост. С помощью переключателя рода работы, осуществляющего коммутацию источника питания, индикаторного прибора и измерительных преобразователей, реализуются различные варианты измерительных цепей: делитель напряжения с включением измерительного преобразователя с качестве сопротивления R3 (положение 1) и неуравновешенный мост с измерительным преобразователем R4 (положение 2). Внешний вид передней панели макета М2 представлен на рисунке 13.

Рисунок 10 – Схема электрическая принципиальная лабораторного макета М2
Макет М3 (рисунок 11) предназначен для практического определения линейных и угловых перемещений объекта измерения и представляет собой набор реостатных и ёмкостных преобразователей в совокупности с механическими устройствами для перемещения подвижной части измерительных преобразователей. Механические устройства снабжены буквенными шкалами, с помощью которых осуществляется выполнение вариантов лабораторного задания. Внешний вид передней панели макета М3 приведен на рисунке 14.

Рисунок 11  Схема электрическая принципиальная лабораторного макета М3

Рисунок 12 – Внешний вид передней панели лабораторного макета М1

Рисунок 13 – Внешний вид передней панели лабораторного макета М2

Рисунок 14 – Внешний вид передней панели лабораторного макета М3
5 Подготовка к выполнению работы
5.1 По рекомендуемой литературе детально изучить устройство и принцип действия и основные характеристики реостатных, емкостных и индуктивных измерительных преобразователей, схемы включения измерительных преобразователей в измерительные цепи и методы измерения неэлектрических величин с помощью параметрических измерительных преобразователей.

5.2 По приложению А представленных методических указаний к лабораторной работе изучить устройство, принцип действия и работу цифрового измерителя L, C, R Е7-8, применяемого при выполнении лабораторной работы, а также методику проведения измерений с его помощью и оценки погрешностей полученных результатов измерений.

5.3 Сделать заготовку отчета (один на бригаду) по лабораторной работе в соответствии с требованиями настоящих методических указании (раздел 8).

5.4 Ответить на контрольные вопросы.

5.5 Решить задачу.

Рисунок 15 – Схематическое изображение емкостного измерительного

преобразователя с переменной площадью пластин
Условие задачи

Измерение углового перемещения и объекта проводилось с помощью емкостного преобразователя с переменной площадью пластин (рисунок 15). Пластина 1 жестко связана с валом и перемешается относительно пластины 2 так, что значение воздушного зазора между ними сохраняется неизменной. Определить значение углового перемещения , если измерены начальное С Н и конечное С К значения емкости преобразователя. Значения r, С Н, С К и  приведены в таблице 2.
Таблица 2

Параметр	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
r, мм	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10
C H , пФ	70	20	46	40	10	24	20	50	70	30
C K , пФ	90	30	50	60	20	28	40	60	74	50
, мм	0,1	0,2	0,5	0,1	0,2	0,5	0,1	0,2	0,5	0,1

Примечание. Диэлектрическая постоянная в свободном пространстве (8,854160,00003)10 -12 Ф/м.
6 Лабораторное задание
6.1 Определить функции преобразования, чувствительность и погрешности преобразования реостатных, емкостных и индуктивных измерительных преобразователей.

6.2 Исследовать измерительные цепи реостатных, емкостных и индуктивных измерительных преобразователей.

6.3 Провести измерение линейных и угловых перемещении измеряемого объекта с помощью реостатных, емкостных и индуктивных измерительных преобразователей, характеристики которых приведены в таблице 6 настоящих методических указаний.
7 Порядок выполнения работы
7.1 Выполните измерения в соответствии с п. 6.1 лабораторного задания. Измерения рекомендуется проводить в следующей последовательности.

7.1.1 Подготовьте к проведению измерений активных сопротивлении прибор Е7-8 согласно пункту 5 приложения А методических указании к лабораторной работе.

7.1.2 Установите отсчетное устройство измерительных преобразователей макета М1 в нулевое положение и подключите с помощью соединительных проводников вход прибора Е7-8 к выходным клеммам макета М1.

7.1.3 Задайте требуемые функции преобразования преобразователей макета М1 путем установки переключателя ВАРИАНТ в положение, соответствующее номеру бригады. Подключите к выходу макета М1 реостатный измерительный преобразователь, установив переключатель ВЫХОД в положение R.

7.1.4 Произведите определение функций преобразования реостатного измерительного преобразователя. Для этого указатель отсчетного устройства макета М1 установите последовательно на указанные в таблице 3 отметки шкалы, фиксируя соответствующие им значения активного сопротивления R по цифровому табло прибора E7-8. Результаты измерений занесите в таблицу 3. Указатель отсчетного устройства макета М1 возвратите в нулевое положение.

7.1.5 Переведите прибор Е7-8 в режим измерения индуктивности L, установив переключатели ВИД ИЗМЕРЕНИЙ на передней панели прибора Е7-8 в положения L,R и G,R. Подключить к выходу макета М1 индуктивный измерительный преобразователь путем установки переключателя "ВЫХОД" в положение 1. Повторите измерения в соответствии с п. 7.1.4 настоящих методических указаний. Результаты измерений занесите в таблицу 3.
Таблица 3

Обозначение параметра	Параметры
	Измеренные									Вычисленные
	Деления шкалы измерительного преобразователя									S	Погр.
	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	…	10,0
R, Ом
R, Ом
С, пФ
С, пФ
L, мГн
L, мГн

7.1.6 Переведите прибор Е7-8 в режим измерения электрической емкости С путем установки переключателей "ВИД ИЗМЕРЕНИЙ" на передней панели прибора Е7-8 в положения C,G и tg . Подключите к выходу макета М1 емкостной измерительный преобразователь, установив переключатель ВЫХОД в положение С. Повторите измерения в соответствии с п. 7.1.4 настоящих методических указаний.

7.1.7 По результатам измерений (таблица 3) постройте графики функциональных зависимостей R = f (X), L = f(X), C = f(X), где X  значения оцифрованных отметок шкалы макета М1. Определите чувствительность S реостатного, индуктивного и емкостного измерительных преобразователей на линейных участках полученных функций преобразования.

Для определения линейных участков функции преобразования рассчитайте значения Y = Y i - Y i -1 . Линейный участок функции преобразования определяется из условия приблизительного выполнения равенств X = X i  X i -1 = сonst, Y = Y i  Y i - l = const. Результаты расчета Y и чувствительности S занесите в таблицу 3.

7.1.8 Определите погрешность определения функции преобразования (градуировки) измерительных преобразователей (погрешность определения функции преобразования) как погрешность косвенного измерения, используя для этого технические характеристики прибора Е7-8 и значение погрешности отсчета измеренных значении перемещений со шкалы отсчетного устройства измерительных преобразователей. Значения рассчитанных погрешностей занесите в таблицу 3.

7.2 Выполните измерения в соответствии с п. 6.2 лабораторного задания. Измерения рекомендуется проводить в следующей последовательности.

Включите реостатный измерительный преобразователь в потенциометрическую измерительную цепь путем установки переключателя рода работы макета М3 в положение "1". Задайте требуемую функцию преобразования измерительного преобразователя, установив переключатель ВАРИАНТ в положение, соответствующее номеру вашей бригады. Отсчетное устройство измерительного преобразователя установите на нулевую отметку шкалы. Включите макет.

Последовательно устанавливая стрелку отсчетного устройства на оцифрованные отметки шкалы с помощью ручки "шкала" (имитируя линейное или угловое перемещение объекта измерения), зафиксируйте соответствующие положения указателя магнитоэлектрического измерительного механизма. Результаты измерений занесите в таблицу 4.

7.2.3 Включите реостатный измерительный преобразователь в мостовую измерительную цепь путем установки переключателя рода работы РЕЖИМ макета М2 в положение "2". Повторите измерения в соответствии с п.7.2.2 настоящих методических указании. Результаты измерений занесите в таблицу 4. Выключите макет.

7.2.4 Постройте графики зависимостей  = f(X) для потенциометрической (положение 1 переключателя РЕЖИМ макета М2) и мостовой (положение 2 переключателя РЕЖИМ макета М2) измерительных цепей. Определите чувствительность потенциометрического и мостового измерительных приборов, используя линейные участки функций преобразования. Результаты расчёта чувствительности занести в таблицу 4.

Оцените погрешность определения чувствительности измерительных приборов S с учетом цены деления шкал отсчетного устройства и индикаторного прибора как погрешность результата косвенного измерения при независимых частных погрешностях. Результаты расчета погрешности занесите в таблицу 4.
Таблица 4

Положение переключателя рода работы	Обозначение параметра	Параметры
		Измеренные										Вычисленные
		Деления шкалы измерительного преобразователя, см										S	Погр.
		1	2	3	4	5	…	11	12	13	14
1	I, мА
2	I, мА

Тема 18

Измерительные преобразователи (датчики)

Ни одна система управления не может работать без информации о состоянии объекта управления и его реакции на управляющее воздействие. Элементом систем, обеспечивающим получение такой информации, является измерительный преобразователь-датчик .

Число типов датчиков значительно превосходит число измеряемых величин, так как одну и ту же физическую величину можно измерять различными методами и датчиками разных конструкций.

Для большинства датчиков характерно измерение электрическими методами не только электрических и магнитных, но и других физических величин. Такой подход обусловлен достоинствами электрических измерений, в виду того, что электрические сигналы можно просто и быстро передавать на большие расстояния, электрические величины легко, быстро и точно преобразуются в цифровой код, позволяют обеспечить высокую точность и чувствительность.

В качестве классификационных признаков датчиков можно принять многие характеристики: вид функции преобразования; род входной и выходной величины; принцип действия; конструктивное исполнение.

По виду используемой энергии датчики можно подразделить на электрические, механические, пневматические и гидравлические. В зависимости от вида выходного сигнала: аналоговые, дискретные, релейные, с естественным или унифицированным выходным сигналом.

По характеру преобразования входной величины в выходную: параметрические, генераторные, частотные, фазовые.

По виду измеряемой физической величины: линейных и угловых перемещениях, давления, температуры, концентрации веществ и т.д.

Принцип действия параметрических преобразователей заключается в преобразовании неэлектрических входных величин в параметры электрических цепей: сопротивление R , индуктивность L , емкость С , взаимоиндуктивность М . Для питания этих преобразователей требуются внешние источники. К таким датчикам относятся: резистивные, индуктивные, трансформаторные, емкостные преобразователи.

Генераторные преобразователи преобразуют входные величины в ЭДС. Они не требуют энергии дополнительных источников питания.

Это индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические, фотоэлектрические преобразователи.

Фазовые и частотные преобразователи могут быть как параметрическими, так и генераторными.

Реостатные – выполнены в виде реостата, подвижной контакт которого перемещается под воздействием входной измеряемой величины. Чаще всего реостатный датчик включается в измерительную систему по схеме потенциометра, их иногда называют потенциометрическими датчиками.

Выходной величиной датчика является электрическое сопротивление функционально связанное с положением подвижного контакта. Такие датчики служат для преобразования угловых или нелинейных перемещений в соответствующее изменение сопротивления, тока, напряжения.

Они также могут быть использованы для измерения давления, расхода, уровня. Их часто используют также в качестве промежуточных преобразователей неэлектрических величин в электрические.

В устройствах автоматики широко применяются проволочные реостатные преобразователи, которые отличаются высокой точностью и стабильностью функции преобразования, имеют малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

К недостаткам относятся низкая разрешающая способность, сравнительно невысокое сопротивление (до десятков кОм), ограниченная возможность применения на переменном токе, обусловленная остаточными индуктивностью и емкостью намотки.

Обмотку выполняют изолированным проводом виток к витку или с заданным шагом. В качестве провода применяют константан, манганин.

Датчик данного типа не реагируют на знак входного сигнала, работают как на постоянном, так и на переменном токе.

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

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

Константан – К т = 2

Нихром – К т = 2,2

Хром – К т = 2,5

Тензорезисторы используют для измерения давления жидкости и газов, при измерении упругих деформаций материалов: давлений изгибов, скручивания.

В качестве тензорезистивного материала можно использовать металлы с малым ТКС: манганин, константан, нихром, ртуть, высокотемпературные сплавы, полупроводниковые материалы: германий, кремний. Наибольшее распространение получили тензорезисторы из металла. Они разделяются на проволочные и фольговые, последние более совершенны.

Угольные преобразователи. Их принцип действия основан на изменении контактного сопротивления между частицами угля при изменении давления. Их применяют для измерения усилий, давлений, малых перемещений. Различают угольные столбики и тензолиты.

Первые представляют собой набор из 10-15 отшлифованных шайб, изготовленных из электродных углей.

Характеристика угольного преобразователя нелинейна, он имеет переменную чувствительность. Нестабильны в работе, характеристики зависят от температуры и влажности окружающей среды, качества подготовки поверхностей.

Вторые имеют малые размеры и массу. Их применяют для измерения быстроменяющихся и ударных напряжений в движущихся деталях небольшого размера, при этом они работают как на растяжение, так и на сжатие. Коэффициент чувствительности тензолитовых преобразователей больше, чем у тензорезисторов, и составляет К = 15 ¸ 20.

Она выполняется в виде полосок, состоящих из смеси графита, сажи, бакелитового лака и других компонентов. Эти полоски наклеиваются на испытуемую деталь.

Резистивные преобразователи несмотря на присущие им недостатки до настоящего времени находят широкое применение.

Емкостные преобразователи . Принцип действия основан на изменении емкости конденсатора под воздейтсивем входной преобразуемой величины

где e – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; e 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума; S – площадь пластины; d – толщина диэлектрика или расстояния между пластинами.

Емкостные датчики используют для измерения угловых и линейных перемещений, линейных размеров, уровня, усилий, влажности концентрации и др.

В емкостных плоскопараллельных датчиках изменяется плоскость перекрытия S (перемененная площадь перекрытия) статическая характеристика линейна.

В емкостных преобразователях с переменным воздушным зазором характеристика нелинейна.

Преобразователи и изменением диэлектрической проводимости среды между электродами широко используются для измерения уровня жидких и сыпучих веществ, анализа состава и концентрации веществ в химической, нефтеперерабатывающей промышленности, для счета изделий, охранной сигнализации. Они имеют линейную статическую характеристику.

Емкость измерительных преобразователей в зависимости от конструктивных особенностей колеблется от десятых долей до нескольких тысяч пикофарад, что приводит к необходимости использовать для питания датчиков напряжения повышений частоты Гц.

Это существенный недостаток подобных преобразователей.

Диэлектрические свойства среды иногда изменяются под воздействием температуры или механических усилий. Эти эффекты также используются для создания соответствующих измерительных преобразователей.

Изменение проницаемости под действием температуры описывается выражением

,

где e т – диэлектрическая проницаемость материала при температуре Т ; e 0 – диэлектрическая проницаемость при температуре Т 0 ; a - температурный коэффициент; .

Аналогичный вид имеет и зависимость e от приложенного к нему усилия Р

,

где – чувствительность материала к относительному изменению диэлектрической проницаемости

.

Начальная емкость преобразователей тем больше, чем меньше зазор d между электродами. Однако уменьшение зазора ограничивается диэлектрической прочностью межэлектродной среды и наличием силы электростатического притяжения пластин.

Погрешности емкостных преобразователей в основном определяются влиянием температуры и влажности на геометрические размеры и диэлектрическую проницаемость среды. Они являются практически безинерционными элементами.

К достоинствам относятся: простота конструкции, малые размеры и масса, высокая чувствительность, большая разрешающая способность при малом уровне входного сигнала, отсутствие подвижных токосъемных контактов, высокое быстродействие, возможность получения необходимого закона преобразования за счет выбора соответствующих конструктивных параметров, отсутствие влияния входной цепи на измерительную.

Реактивное сопротивление нагрузки выбирают равным по значению и обратным по знаку внутреннему сопротивлению датчика.

Общие замечания. Параметрические преобразователи, как отмечено в разделе 1, управляют параметрами потока энергии, поступающего от внешнего источника, и могут работать в одном из двух режимов. В первом из них преобразователь является регулятором постоянного тока или напряжения.

Измерительную информацию несет закон изменения уровня электрической величины. Хотя такой преобразователь принципиально должен быть нелинейной системой, в определенных условиях его выходной сигнал может считаться линейно связанным со входным и даже прослеживается аналогия с генераторными МЭП. Например, в простейшем случае преобразователь, имеющий электрический импеданс включен последовательно с нагрузкой и питается от источника с и внутренним сопротивлением Внешнее воздействие изменяет импеданс преобразователя на вследствие чего ток в цепи изменяется на величину Отсюда имеем

Нелинейность преобразования вносит произведение Но при

Если импеданс линейно связан с входной величиной МЭП (обычно это перемещение т. е. то можно записать

Если в преобразователе действует электрическая сила причем где не зависят от то уравнение баланса сил принимает вид

Последние два уравнения подобны системе уравнений (1) и (2), причем Если то такой преобразователь эквивалентен генераторному МЭП, и его можно назвать квазиобрагимым. Для него сохраняют силу общие замечания раздела 2. Преобразователь, питаемый постоянным током, может быть квазиобратимым только при условии, что энергия источника питания затрачивается главным образом на создание электрического или магнитного поля в преобразователе. Если иоле мало, то отсутствуют и пондеромоторные снлы, Практически такой же результат получается при питании переменным током вследствие различия спектрального состава входной и выходной величин (преобразователь, являясь модулятором, осуществляет перенос спектра, см. гл. 10).

Выходным сигналом преобразователя может быть ток (при или напряжение на нагрузке (в обратном случае).

Кроме режима регулятора тока, параметрический МЭП может работать в режиме возбудителя, входя в состав частотно-задающей цепи генератора с самовозбуждением. Измеряемая величина модулирует частоту генерируемого напряжения. Изменение частоты может быть прямо использовано в качестве выходного сигнала либо преобразовано в другую форму (дискретную или аналоговую). В этом режиме преобразователь всегда необратим.

Рис. 10. Емкостный преобразователь: о - с переменным зазором (площадью); 6 - с переменной проницаемостью; в - дифференциальный

Выходной сигнал параметрического МЭП, питаемого переменным током, должен подвергаться детектированию (демодулированию), производимому обычно в усилительно-преобразующей аппаратуре. Так как этот сигнал действует на фоне другого, не несущего полезной информации, но более сильного вследствие того, что его выделение осуществляется дифференциальными или мостовыми схемами .

Емкостный преобразователь. Принцип действия этого преобразователя основан на зависимости емкости между проводниками от их взаиморасположения, размеров И свойств среды между ними. В простейшем случае плоского конденсатора его емкость

где площадь электродов; 6 - зазор между ними; эффективная (т. е. учитывающая неоднородность свойств) диэлектрическая проницаемость межэлектродного пространства. Возможные принципиальные схемы емкостного преобразователя представлены на рис. 10. Имеются два вида зависимостей емкости от перемещения х одного из электродов:

Первый из них соответствует изменению площади или эффективной проницаемости, второй - изменению зазора.

При для первого вида

а для второго

Таким образом, уравнение (30) может быть записано в следующем виде:

где или для видов 1 и 2 соответственно.

Выражение для существенно зависит от электрического режима преобразователя. Вследствие сложности анализа в общем виде ограничимся двумя крайними случаями при питании от источпика постоянього напряжения.

1 Изменения емкости происходят настолько медленно, что источник питания успевает практически без запаздывания заряжать емкость, поддерживая на ней одно и то же напряжение, равное если последовательно с преобразователем не включены другие емкости Тогда (32) принимает следующий вид:

С другой стороны, и так как равно или -

Так как заряд на емкости

где переменная часть заряда, то для вида 2 можно записать:

2. Изменения емкости происходят наоолько быстро, что заряд на ней не успевает существенно измениться и сохраняется равным начальному значению Следовательно, напряжение на емкости изменяется по закону Если заряд не изменяется, то ток, проходящий через емкость, равен нулю, а источник питания нужен по существу только для начального заряда емкости (при пренебрежении током утечки). Однако имеется малый ток через нагрузку поддерживаемый работой внешней силы Для зависимости первого вида емкости от перемещения (см. стр. 197)

т. е. кроме постоянной силы имеется дополнительная электрическая упругость. Для зависимости второго вида

Уравнение (32) записывается в следующем виде

второго члена объясняется тем, что вначале (при ) импеданс емкое? и а не нагрузки, определяет характер начального тока.

Уравнения преобразователя во всех режимах и их решениях сведены в табл. 2.

2. Уравнения емкостного преобразователя

(см. скан)

Из приведенных в табл. 2 выражений видно, что во всех случаях выходной ток прямо или косвенно зависит от При работе в режиме постоянного напряжения и при упругом характере преобразователь является дифференциатором. В режиме постоянного заряда выходной сигнал зависит от вида нагрузки, в частности, если нагрузка активная, то ток пропорционален силе. Однако в любом случае невозможно измерить постоянные силы или перемещения Из табл. 2 видно, что в одном из режимов преобразователь является квазиобратимым.

При питании преобразователя от источника переменного напряжения ток через него протекает, даже если емкость не изменяется, и, ток может служить мерой емкости при любом законе ее изменения. Для расчета следует использовать уравнение (32) с учетом того, что является функцией Например, при питании синусоидальным напряжением частоты формулам табл. 2 можно определить амплитуду выходного тока если вместо выражения, стоящего перед взять его модуль при Частоту называемую несущей, выбирают значительно больше наивысшей частоты в спектре В зависимости от соотношения преобразователь может работать в двух крайних режимах короткого замыкания и холостого хода В первом из них имеет место уравнение

а во втором

Выражения для разбиваются на две части, причем первая не зависит от времени, а вторая пульсирует с частотой почти всегда ими можно пренебречь (см. ниже), преобразователь считать необратимым

Расчет показывает, что при правильном выборе в любом режиме амплитуда выходного гока преобразователя может быть пропорциональна действующей силе. Например, для режима холостого хода и переменного зазора

Следовательно, надо выбирать так, чтобы знаменатель был постоянным. При упругом характере импеданса это соответствует активной нагрузке: Для измерения обычно используют мостовые схемы .

Наибольшая удельная сила притяжения электродов преобразователя определяется пробойной напряженностью поля и для воздуха составляет . Если действующая сила во всех режимах в значительной степени больше силы электрического взаимодействия, то использование преобразователя только при сужает возможный диапазон изменения входной величины. Увеличение же ведет к быстрому росту нелинейности преобразования, которую можно уменьшить применением различных методов линеаризации. Одним из них является использование дифференциальных преобразователей (рис. 10, в), в которых емкости изменяются одновременно в разные стороны. В этом случае наряду с линеаризацией и увеличением чувствительности достигается хорошая компенсация влияния внешних условий. Линейность значительно увеличивается, если выходным является параметр, обратный А С, например изменение емкостного сопротивления. Линейная связь его с х соблюдается вплоть до смыкания электродов преобразователя. Прямую линеаризацию можно произвести путем преобразования выходного сигнала в дополнительном блоке на основе микропроцессора, что теперь вполне возможно даже в устройствах с автономным питанием.

Если емкость включена в задающую цепь генератора переменного напряжения, то можно измерять не токи или напряжения, а временные параметры - частоту или длительность. В классическом генераторе с индуктивностью период колебаний пропорционален а в резистивно-емкостном генераторе он линейно зависит от С. Этот метод обладает большой гибкостью, так как всегда можно выбрать оптимальный вид выходного сигнала. Например, при включении преобразователя переменным зазором в цепь резистивно-емкостного генератора частота колебаний

Изменение частоты пропорционально х и его целесообразно использовать в качестве выходного сигнала. Если преобразователь имеет переменную площадь, то линейно связанным с перемещением оказывается период колебаний

Следовательно, в обоих случаях возможна работа без вышеприведенного ограничения с большой устойчивостью к перегрузке. При включении преобразователя в колебательный контур эти свойства в значительной степени теряются, но достигается гораздо большая стабильность параметров генератора. Поэтому последний способ широко применяют в высокочувствительных и стабильных измерительных системах. Преобразователь с частотным выходом необратим во всех случаях.

Чувствительность емкостного преобразователя определяется его геометрическими соотношениями, питающим напряжением и стабильностью конструктивных елементов. Наиболее высокая чувствительность достигается при переменном зазоре, однако одновременно уменьшается верхний предел измерения. Поэтому области применения преобразователей с переменной площадью и переменным зазором различны. Преобразователи с переменной проницаемостью в технике механических измерений используют редко» хотя существуют кристаллические вещества с большой зависимостью проницаемости от механического напряжения. Такие диэлектрики могут быть эффективны в преобразователях силы и давления.

Емкостные преобразователи используют при измерении сил и сводимых к ним величин, а также перемещений, особенно малых и сверхмалых.

Индуктивный преобразователь. Действие индуктивных МЭП основано на использовании зависимости индуктивности контура с током или взаимоиндуктивности двух связанных контуров от их размеров, формы, взаиморасположения и магнитной проницаемости среды, в которой находятся. В частности, индуктивность катушки с магнитным сердечником, имеющим зазор, зависит от длины последнего (рис. И).

Примем, что кольцевой зазор, через который замыкаются силовые линии, идущие вне катушки, настолько мал, что им можно пренебречь. Если обозначить через абсолютную магнитную проницаемость сердечника; I - среднюю длину силовой линии в сердечнике; индуктивность катушти без сердечника, то индуктивность изображенной на рис. 11 катушки где эффективная магнитная проницаемость с учетом зазора;

Эта формула верна при Если в дополнение к этому то

Таким образом,

где индуктивность при

Рис. 11. Индуктивный преобразователь: 1 - неподвижный сердечник; 2 - катушка; 3 - подвижный сердечник

Энергия магнитного поля в катушке

где ток при Если ограничиться членами 2-го порядка малости и учесть, что то

Подставляя эти величины в (30), (31) и учитывая, что получаем уравнения преобразователя

Из этих уравнений видно, что преобразователь является квазиобратимым с коэффициентом (но не ), равным

Выходной ток

Как обычно, в дорезонансной области преобразователь дифференцирующий, а за резонансом - масштабный. Питание индуктивного преобразователя постоянным напряжением не практикуется, поскольку в отличие от емкостного, он потребляет энергию, бесполезно расходуемую на его активном сопротивлении. При питании переменным напряжением уменьшается расход энергии и становится

возможным измерение постоянных величин. Выходные параметры рассчитывают так же, как и для емкостного преобразователя. Сохраняют силу выводы о возможности применения временных или частотных методов измерения и линеаризации.

Преобразователи имеют много конструктивных разновидностей . Кроме преобразователей с переменной длиной зазора, характеризующихся наибольшей чувствительностью к перемещению сердечника, известны преобразователи с переменной площадью зазора; с разомкнутой магнитной цепью (без неподвижного сердечника); с переменной взаимоиндуктивностью и др. Чувствительность их достаточна для измерения перемещений до

Индуктивные преобразователи применяют для измерения перемещений и преобразовываемых в них сил и давлений.

Магнитоупругий преобразователь отличается от индуктивного механизмом изменения индуктивности. Оно осуществляется прямым воздействием силы на ферромагнитный сердечник (рис. 12). Известно, что проницаемость ферромагнетика зависит от механических напряжений в материале . Если при отсутствии напряжения проницаемость равна то создание напряжения а изменяет ее на Чувствительность ферромагнетика к напряжениям характеризуют коэффициентом который зависит от а и поля в ферромагнетике В некоторой области изменения можно принять Тогда индуктивность катушки где Так как для изображенного преобразователя где модуль упругости материала сердечника, перемещение его верхнего торца, высота, то

Рис. 12. Магнитоупругий преобразователь: 1 - сердечник; 2 - катушка

Подставляя это значение в (30), получаем уравнение для выходного тока преобразователя. Магнитоупругий преобразователь всегда питают переменным напряжением, ввиду чего он практически необратим. Выходной сигнал находят по формуле, аналогичной (35). Так как значения коэффициента Могут достигать нескольких сотен, преобразователь чувствителен к малым напряжениям. Однако шумы в ферромагнетике и гистерезнсные явления ограничивают Минимальные измеряемые напряжения значением порядка

Естественной областью применения магнитоупругого преобразователя является измерение сил и давлений. Однако он используется реже, чем индуктивный, в основном для измерения медленно изменяющихся величин одного знака.

Резистивные преобразователи. Действие резистивных МЭП основано на использовании зависимости входящих в формулу для электрического сопротивления величин - длины проводника его сечения и удельной электропроводности материала у - от механических воздействий. В простейшем случае резистивный МЭП представляет собой прямой или намотанный спиралью провод с переменной активной длиной, определяемой положением скользящего контакта (рис. 13). Такой преобразователь называют реостатным. Изображенный преобразователь со спиральной намоткой не аналоговый, а дискретный с шагом, равным межвитковому расстоянию При перемещении контакта на х относительное изменение сопротивления равно где I - длина намотки. Таким образом, может изменяться от до единицы, однако обычно начальное положение контакта выбирают в середине намотки. Другим примером является тензорезистор - проводящий ток элемент, подвергающийся деформации, чаще одноосной (рис. 14). При этом изменяются все величины, от которых зависит сопротивление.

Для оценки свойств материала тензорезистора вводят коэффициент тензочувствительности , равный Расчет изменения размеров провода при деформации

дает для значение где коэффициент Пуассона, равный Но так как в дополнение к этому изменяется плотность материала, а следовательно, и концентрация носителей заряда, и деформируется кристаллическая решетка, оказывается значительно большим для металлов). В полупроводниках, где имеются носители зарядов двух типов и механические напряжения изменяют структуру энергетических зон и подвижность носителей, коэффициент тензочувствитель-ности на порядок выше, но зависит от типа проводимости, ее значения и ориентации оси резистора относительно кристаллографических осей материала .

Рис. 13. Реостатный преобразователь

Рис. 14. Тензорезистивиый преобразователь

В резистивных преобразователях можно полностью пренебречь воздействием электрической стороны на механическую и рассматривать обе как независимые. Механический импеданс тензорезистора относительно невелик и носит упругий характер; в реостатном преобразователе скользящий контакт является нелинейным элементом (типа трения без смазки). Чувствительность резистивных преобразователей обоих типов, например по току, определяется формулами

где коэффициент преобразования деформации объекта в деформацию тензорезистора Передача деформации осуществляется либо по всей длине тензорезистора, либо в отдельных точках. Конструкции тензорезисторных МЭП разнообразные. Их изготовляют различной формы из проволоки, фольги, напыленной пленки или куска монокристалла.

Чувствительность тензорезисторных МЭП позволяет измерять динамические деформации до

Реостатные преобразователи применяют для измерения относительно больших относительных перемещений, а тензорезистивиые - для измерения деформаций и преобразуемых в них величин: сил, давлений, моментов.

Преобразователи с переменной характеристикой. Особую разновидность параметрических МЭП представляют преобразователи с нелинейной вольтамперной характеристикой изменяющейся при механическом воздействии на преобразователь. Типичным примером является механотронный преобразователь - электровакуумный прибор с подвижным электродом . На рис. 15 показан схематически диодный механотрон с подвижным анодом. При перемещении анода относительно катода, происходящем под воздействием силы на упругую мембрану, диода - зависимость анодного тока от напряжения между электродами - изменяется. Это видно из формулы для анодного тока

где В - коэффициент, зависящий от материала и температуры катода и площади электродов; анодное напряжение. Изменение показано на рис. 16, в правом квадранте которого изображено семейство характеристик при разных межэлектродных расстояниях Изображение зависимостей в виде графиков часто является единственно возможным, если отсутствуют аналитические выражения, имеющие достаточную точность. Так как в цепь диода включен нагрузочный резистор выполняется равенство в результате чего ток изменяется соответствии с динамической характеристикой построение которой показано в левом квадранте рис. 16. Несмотря на резко выраженную нелинейность исходных ВАХ, динамическая характеристика близка к прямой.

Рис. 15. Диодный механотронный преобразователь: 1 - мембрана, 2 - подвижный аиод

Рис. 16. Схема построения динамической характеристики преобразователя

Отсчитывая перемещение анода х от начального расстояния 60 и обозначив можно записать следовательно, уравнения преобразователя:

Таким образом, оба уравнения независимы. Выходной ток преобразователя

Механический импеданс механотрона значителен. В дорезонансной области, которая для этого типа МЭП обычно является рабочей, преобразователь будет масштабным.

Диодный механотрон является простейшим в ряду преобразователей с подвижными электродами. Разработаны конструкции с двумя анодами и дифференциальной схемой включения, выполненные как по диодной, так и по триодной схемам, с чувствительностью до нескольких сот микроампер на микрометр. Вследствие большой жесткости механотроны более пригодны для измерения сил и давлений.

Наряду с вакуумными известны преобразователи твердотельного типа - полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы), в которых является функцией механического напряжения, приложенного к активной области кристалла: -переходу, каналу . Практически все известные типы полупроводниковых приборов могут использоваться в этих целях. Эффект здесь достигается за счет того, Что при изменении размеров активной области изменяются концентрация и подвижность носителей заряда, а в полевом транзисторе с изолированным затвором возникает еще и пьезоэлектрическая поляризация в изолирующем слое. Полупроводниковые МЭП этого типа имеют значительно меньший механический импеданс, чем механотрон, и могут измерять малые силы, поскольку их чувствительность высока; однако

стабильность недостаточно хороша. Пока они не получили широкого распространения.

Резонаторные преобразователи. Преобразователи этого типа представляют собой генераторы с электромеханической обратной связью через частотно-избирательный элемент, параметры которого зависят от производимого на него воздействия (рис. 17). Генератор с пьезоэлектрическим резонатором в цепи обратной связи возбуждается на частоте равной где скорость распространения используемых звуковых волн; целое число; I - длина пути волн в резонаторе. Если на резонатор действует сила, его размеры и механические свойства, а с ними и частота генерации, изменяются в первом приближении пропорционально силе. Таким образом, преобразователь является управляемым силой генератором с частотной модуляцией и близок к емкостным или индуктивным МЭП с частотным выходом, однако в последних используется не механический, а электрический резонанс. Но

где масса резонатора; толщина; модуль сдвига в направлении

Стабильность определяется стабильностью комбинации геометрических и упругих параметров, стоящей в скобках. Важное значение при этом имеет ликвидация утечек энергии, генерируемой в резонаторе, что достигается рациональным выбором типа возбуждаемых волн, конструкции резонатора и присоединительных элементов.

Резонаторные МЭП нецелесообразно описывать системой уравнений (1) и (2), так как они имеют частотный выход, а обратное влияние электрической стороны на механическую определяется слабыми эффектами второго порядка малости, и им можно пренебречь.

Наиболее распространены резонаторные МЭП другого вида - так называемые вибрационно-частотные (струнные) . Их действие основано на использовании того факта, что собственная частота струны, натянутой с усилием пропорциональна Следовательно, если то отклонение частоты от

начального значения пропорционально Однако резонаторы на твердом теле имеют хорошую перспективу, так как обладают рядом преимуществ, в частности по быстродействию. Их чувствительность позволяет измерять силы, вызывающие напряжения порядка Известны также преобразователи с чисто электрическими резонаторами типа клистронных, которые однако не вышли за пределы лабораторных исследований вследствие значительных эксплуатационных неудобств. Резонаторные МЭП используют для измерения сил и величин, сводимых к ним.

Рис. 18. Вихретоковый преобразователь

Вихретоковый преобразователь. Действие вихретоковых (или токовихревых) преобразователей основано на использовании явления электромагнитной индукции. Если в магнитном поле тока находится проводящее тело, то при изменении поля в нем возбуждаются короткозамкнутые (вихревые) токи, отсасывающие энергию поля }