Лекция 9 Первичные преобразователи систем измерения физических величин Восприятие физической величины и преобразование ее в электрический сигнал в измерительных системах осуществляется первичными измерительными преобразователями или измерительными датчиками. Датчики содержат чувствительный элемент, преобразующий измеряемую физическую величину в другую величину, пригодную для дальнейшей обработки и преобразования. Датчики принято делить на два класса: генераторные и параметрические. В генераторных преобразователях выходной сигнал в виде ЭДС, заряда или тока возникает в результате физических эффектов, функционально связанных с измеряемой неэлектрической величиной. В параметрических преобразователях собственно выходной величиной при воздействии входной является изменение параметров датчика: его сопротивления, емкости, индуктивности. Для работы с такими датчиками используют измерительные цепи, питаемые как постоянным, так и переменным током.

Первичные преобразователи систем измерения физических величин Резистивные измерительные преобразователи относятся к классу параметрических датчиков, включаемых в электрическую цепь с источником питания. Общим свойством является зависимость сопротивления датчика от измеряемой величины. Реостатный преобразователь – прецизионный реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины. Входной величиной датчика является линейное или угловое перемещение движка, выходной – изменение его сопротивления. Обмотка реостата изготавливается из провода с высоким удельным сопротивлением: константана, манганина, нихрома. Достоинство датчика заключается в его простоте, а недостаток – в механическом износе и химической коррозии, которые способны изменить рабочую характеристику датчика. Легко показать, что реостатный преобразователь перемещений имеет линейную функцию преобразования только при условии, в противном случае появляется нелинейность.

Первичные преобразователи систем измерения физических величин Резистивные измерительные преобразователи Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) – проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации растяжения–сжатия за счет тензоэффекта. Функцией преобразования тензорезистора является зависимость его относительного сопротивления от деформации:. Различают металлические (проволочные, фольговые, пленочные) и полупроводниковые тензорезисторы. Полупроводниковые тензорезисторы имеют на два порядка большую чувствительность по сравнению с металлическими, но и сама чувствительность, и их сопротивление сильно зависят от температуры. Тензорезисторы применяют для измерений деформаций объекта контроля, для этого их наклеивают на объект контроля, чтобы они испытывали одинаковые с ним деформации.

Первичные преобразователи систем измерения физических величин Резистивные измерительные преобразователи Терморезисторные преобразователи (терморезисторы) – датчики, активное сопротивление которых меняется с изменением температуры, поэтому их называют термометры сопротивления. В качестве терморезистора используют металлические или полупроводниковые резисторы. Последние также называют термисторами. Термометры сопротивлений обычно включают последовательно со вторичным прибором, часто с использованием компенсационных схем. В менее ответственных случаях для измерения сопротивлений используют мостовые схемы: в лабораторной практике – с ручным уравновешиванием, в производственных условиях – автоматические.

Первичные преобразователи систем измерения физических величин Резистивные измерительные преобразователи Функция преобразования медного терморезистора линейна: где – сопротивление датчика при температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Функция преобразования платинового терморезистора не линейна и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом: Коэффициенты зависимости равны: Чувствительность термисторов в 6-10 раз больше чувствительности металлических терморезисторов. Недостатком термисторов является нелинейность функции преобразования, обычно описываемой выражением:

Первичные преобразователи систем измерения физических величин Резистивные измерительные преобразователи Фоторезиторные преобразователи (фоторезисторы) – датчики, относящиеся к классу фотоэлектронных (оптоэлектронных) приемников. Принцип их работы основан на внутреннем фотоэффекте – явлении образования свободных электронов и дырок в полупроводнике при поглощении квантов света и резком возрастании его фотопроводимости. Фоторезистор представляет собой пластинку, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала (обычно из сернистого кадмия, селенистого кадмия или сернистого свинца). Одной из основных характеристик фоторезисторов является фоточувствительность -- токовая чувствительность к световому потоку, определяемая отношением изменения фототока к вызвавшему это изменение лучистому потоку.

Первичные преобразователи систем измерения физических величин Фоторезисторные преобразователи Чувствительность фоторезисторов может определяться кратностью изменения их сопротивления: где – темновое сопротивление неосвещенного преобразователя (обычно ), – сопротивление при освещенности. В целом фоторезисторы характеризуются высокой чувствительностью, большим спектральным диапазоном, возможностью использования в инфракрасной области спектра. К их недостаткам относят значительную инерционность: постоянная времени сернисто-кадмиевых датчиков лежит в пределах мс, селенисто-кадмиевых – мс. Отсюда сравнительно низкая граничная частота их использования – Гц.

Первичные преобразователи систем измерения физических величин Резистивные измерительные преобразователи Магниторезистивные преобразователи (магниторезисторы) относятся к классу гальваномагнитных преобразователей, изменение сопротивления которых обусловлено изменением подвижности носителей зарядов в полупроводниках под действием магнитного поля. При воздействии магнитного поля с индукцией скорость движения носителей зарядов в направлении поля уменьшается. Функция преобразования магниторезистора, описывающая зависимость его сопротивления от индукции, имеет вид: где – магниторезистивный коэффициент, – подвижность носителей заряда, – показатель степени, равный 2 в слабых магнитных полях ( ), и равный 1 в сильных магнитных полях.

Первичные преобразователи систем измерения физических величин Электромагнитные измерительные преобразователи: Электромеханические преобразователи (электромагнитные преобразователи измерительных механизмов электромеханических приборов) Индукционные преобразователи Индуктивные и взаимоиндуктивные (трансформаторные) преобразователи Вихретоковые преобразователи Магнитоупругие преобразователи Магнитомодуляционные преобразователи Магнитошумовые преобразователи

Первичные преобразователи систем измерения физических величин Измерительные преобразователи: датчики для измерения тепловых величин: термоэлектрические преобразователи (термопары), пироэлектрические преобразователи (пирометры); ионизационные преобразователи: ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, сцинтилляционные детекторы, полупроводниковые детекторы и пр.; фотоэлектрические преобразователи: фотодиоды, фотоэлементы, фотоэлектронные умножители; электрохимические преобразователи: кондуктометрические, гальванические, кулонометрические преобразователи.