Измерительные преобразователи неэлектрических величин реферат
Обновлено: 02.07.2024
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.
Резистивные измерительные преобразователи
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.
Емкостные преобразователи
. Емкостные датчики можно разделить на две основные группы - датчики параметрические (недифференциальные) и датчики дифференциальные. В схемах с параметрическими датчиками происходит преобразование входной неэлектрической величины (угла поворота оси ротора датчика) в электрическую выходную величину .
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 Кт, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника
Константан — Кт = 2
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 не линейна, 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.
Достоинство: независимость его точности от питающего напряжения
Для повышения чувствительности желательно увеличивать напряжение питания U0. Однако при этом растет мощность рассеяние датчика.
Емкостные преобразователи. Принцип действия основан на изменении емкости конденсатора под воздействием входной преобразуемой величины
где — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
0 — диэлектрическая проницаемость вакуума;
- S — площадь пластины;
- 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 не линейна.
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 т — диэлектрическая проницаемость материала при температуре Т; 0 — диэлектрическая проницаемость при температуре Т0;
Аналогичный вид имеет и зависимость от приложенного к нему усилия Р
где — чувствительность материала к относительному изменению диэлектрической проницаемости
Начальная емкость преобразователей тем больше, чем меньше зазор 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.
Недостатки: низкий уровень выходной мощности сигнала, нестабильность характеристик при изменении параметров окружающей среды, влияние паразитных, емкостей. Для уменьшения потери мощности выходного сигнала согласную нагрузку с внутренним сопротивлением измерительной системы, т.е. схему настраивают на резонанс.
Реактивное сопротивление нагрузки выбирают равным по значению и обратным по знаку внутреннему сопротивлению датчика.
Такие преобразователи составляют большую группу преобразователей для измерения различных физических величин и в зависимости от принципа действия бывают параметрическими и генераторными.
К параметрическим относятся те, в которых преобразуется выходное механическое воздействие в изменение параметров магнитной цепи — магнитной проницаемости , магнитного сопротивления RМ, индуктивность обмотки L.
К генераторным — преобразователи индукционного типа, использующие закон электромагнитной индукции для получения выходного сигнала. Они могут быть выполнены на базе трансформаторов и электрических машин. Последняя группа — это тахогенераторы, сельсины, поворотные трансформаторы.
Значения L и М можно изменять, уменьшая или увеличивая зазор , изменяя положение якоря, изменяя сечение S магнитного потока, поворачивая якорь относительно неподвижной части магнитной цепи, вводя в воздушный зазор пластину из ферромагнитного материала, соответственно уменьшая 0 и магнитное сопротивление зазора.
Измерительные преобразователи, преобразующие естественную входную величину в виде перемещения в изменение индуктивности называют индуктивными.
Преобразователи, преобразующие перемещение в изменение взаимоиндуктивности М, принято называть трансформаторными.
- В трансформаторных преобразователях изменение взаимоиндуктивности М можно получить не только при изменении магнитного сопротивления, но и при перемещении одной из обмоток вдоль или поперек магнитной цепи.
Если к замкнутой магнитной цепи преобразователя приложить сжимающие, растягивающие или скручивающие усилия, то под их воздействием изменится магнитная проницаемость 0 сердечника, что приведет к изменению магнитного сопротивления сердечника
и соответственно к изменению L или М.
Преобразователи, основанные на изменении магнитного сопротивления, обусловленного изменением магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника под воздействием механической деформации, называются магнитоупругими. Их широко применяют для измерения сил, давлений, моментов.
Если в зазоре постоянного магнита, или электромагнита, через обмотку которого пропускается постоянный ток, перемещать обмотку, то согласно закону электромагнитной индукции в обмотке появляется ЭДС, равная
где — скорость изменения магнитного потока, сцепляющегося с витками обмотки W.
Поскольку скорость изменения магнитного потока определяется скоростью перемещения обмотки в воздушном зазоре, то преобразователь имеет естественную входную величину в виде скорости линейных или угловых перемещений, а выходная в виде индуктируемой ЭДС. Такие преобразователи называют индукционными.
электрический датчик преобразователь измерение
Выходной сигнал получается в виде переменного напряжения, снимаемого с Rн. Питание от сети. Зазор меняется под воздействием перемещения якоря. Индуктивность обмотки L является функцией размера зазора.
Индуктивность обмотки и ток в ней могут изменяться за счет изменения зазора или его площади.
Погрешность определяется стабиль-ностью напряжения и частоты источника питания, влиянием температуры на актив-ное сопротивление обмотки и размеры рабочего зазора.
Чувствительность является нелинейной функцией
Анализ принципа действия и рассмотрения статической характеристики однотактного измерительного индуктивного преобразователя позволяет выявить его следующие недостатки:
- фаза выходного сигнала не зависит от направления перемещения якоря;
- для измерения перемещения в обоих направлениях необходим начальный зазор 0, что приводит к наличию остаточного (начального значения) напряжения Uвых.о;
— на якорь постоянно действует электромагнитная сила, стремящая притянуть якорь. При большой мощности выходного сигнала она может принимать существенные значения, что требует введение компенсирующих сил, создаваемых противодействующими пружинами, что усложняет устройство.
Из-за указанных недостатков однотактные индуктивные датчики используют только в качестве вспомогательных элементов.
Непосредственно для измерений применяют двухтактные датчики, которые включают по дифференциальной или мостовой схемам.
Дифференциальная схема включения индуктивного преобразователя требует использование трансформатора TV со средней точкой.
Оба сердечника идентичны по конструктивным и магнитным характеристикам. Расположенные на них обмотки W1 и W2 имеют также одинаковые параметры и включены последовательно — встречно.
В такой схеме ток нагрузки равен разности токов
При отсутствии входного сигнала зазоры 1 = 2. Равны и индуктивности L1 = L2, определяемые размерами зазоров. Выходное напряжение равно нулю.
При перемещении якоря на расстояние Х 1 и 2 становятся неравными, что приводит к изменению индуктивностей, а, следовательно, к дисбалансу токов I1 и I2, в результате через Rн течет ток Iн и появляется выходное напряжение.
Если изменяется направление перемещения якоря, фаза выходного напряжения сдвигается на 1800 относительно напряжение питания, являющегося опорным.
Измерительный преобразователь — техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы) или применяется вместе с каким-либо средством измерений.
Содержание
1. Введение…………………………………………………………………..3
2. Резистивные преобразователи…………………………………………. 5
3. Пьезоэлектрические преобразователи…………………………………11
4. Электромагнитные преобразователи………………………………. 16
5. Электростатические преобразователи…………………………………18
6. Гальваномагнитные преобразователи………………………………….22
7. Тепловые преобразователи……………………………………………..26
8. Оптоэлектрические преобразователи………………………………….28
9. Библиографический список…………………………………………. 31
Прикрепленные файлы: 1 файл
Курсовая физ основы измерений.doc
Министерство образования и науки РФ
студент гр. УК-10Э1
Шевченко C.C. ________
- Введение………………………………………………………… ………..3
- Резистивные преобразователи……………………………………… …. 5
- Пьезоэлектрические преобразователи…………………………………11
- Электромагнитные преобразователи………………………………. . 16
- Электростатические преобразователи…………………………………18
- Гальваномагнитные преобразователи………………………………….2 2
- Тепловые преобразователи……………………………………… ……..26
- Оптоэлектрические преобразователи………………………………….2 8
- Библиографический список…………………………………………. 31
Измерительный преобразователь -- техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы) или применяется вместе с каким-либо средством измерений.
По характеру преобразования:
- Аналоговый измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал);
- Аналого-цифровой измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;
- Цифро-аналоговый измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования числового кода в аналоговую величину.
- Первичный измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Первичный измерительный преобразователь является первым преобразователем в измерительной цепи измерительного прибора;
- Датчик -- конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь;
- Детектор -- датчик в области измерений ионизирующих излучений;
- Промежуточный измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, занимающий место в измерительной цепи после первичного преобразователя.
- Передающий измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации;
- Масштабный измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз.
- Введение
- 1. Прибор для измерения отклонения толщины диэлектрической ленты от образцового значения
- 2. Емкостные датчики
- 2.1 Общие сведения
- 2.2 Емкостный датчик по типу плоскопараллельного конденсатора
- 2.3 Емкостный датчик для измерения толщины диэлектрической ленты
- 2.4 Погрешности и способы их устранения
В современной технике значения неэлектрических величин, параметры и характеристики неэлектрических процессов измеряют преимущественно электрическими и радиоэлектронными методами.
Общий принцип работы подобных приборов предполагает преобразование неэлектрической величины в электрическую. Роль последней может выполнять параметр какого-либо компонента электрической цепи (емкость конденсатора, индуктивность катушки, сопротивление резистора) или электрическое напряжение (ток), определенный параметр которого, однозначно соответствует неэлектрической величине. При преобразовании процессов чаще всего достигается соответствие между мгновенными значениями электрического напряжения (тока) и мгновенными значениями неэлектрического процесса. Значения электрических величин и параметры напряжения (тока) измеряются с помощью радиоэлектронных или электрических средств измерений. Рассматриваемые методы обладают многими достоинствами. К ним можно отнести:
· возможность осуществления дистанционных измерений (в том числе на сильно удаленных объектах и объектах, недоступных для присутствия экспериментатора);
· возможность непрерывного измерения значений или характеристик процесса;
· высокую чувствительность измерительных средств;
· хорошие предпосылки для автоматизации измерений;
· упрощение обработки результатов измерений и т. п.
В данном реферате приводится описание прибора для измерения отклонения толщины диэлектрической ленты от образцового значения на основе емкостного измерительного преобразователя.
1. Прибор для измерения отклонения толщины диэлектрической ленты от образцового значения
Измерительный прибор осуществляет преобразование входного сигнала x (t) в выходной сигнал y (t):
где x (t) и y (t) — векторные величины; F (x) — требуемая функция преобразования. На выражение (1) можно смотреть на информационную модель прибора, в которой осуществляется преобразование входной информации в выходную.
В более общей формулировке прибор осуществляет операцию отображения множества сигналов на входе xXв множество сигналов на выходе yY, при этом указанное отображение должно быть однозначным.
В реальных приборах функция преобразования зависит не только от сигнала x (t), но также от возмущения (t) на сигнал x (t), от помехи (t), действующей на параметры прибора q (t), от несовершенства технологий изготовления прибора (t) и от помехи (t), возникающих в самом приборе (трения, паразитных ЭДС и др.), т. е.
На рис. 1 приведена функциональная схема, отображающая зависимость (2).
Измеряемыми величинами, на основе которых формирует полезный сигнал х (t), являются параметры первичной информации, такие, как давление, температура, количество и расход жидкостей, линейные и угловые размеры, расстояния, скорости, ускорения, деформации, напряжения, вибрации, внутренние трещины, несплошности в материалах и др. К числу вредных возмущений относятся перегрузки, вибрации, электрические и магнитные поля, неконтролируемые вариации температуры, давления, влажности окружающей среды и т. д. Все эти возмущения вносят погрешности в показания приборов.
Рисунок 1. Функциональная схема прибора.
Измерительный сигнал, получаемый от контролируемого объекта, передается в измерительный прибор в виде импульса какоголибо вида энергии. Можно говорить о сигналах: первичных — непосредственно характеризующих контролируемый процесс; воспринимаемых чувствительным элементом прибора; подаваемых в мерительную схему, ит.д. При передаче информации от контролируемого объекта к указателю прибора сигналы претерпевают ряд изменений по уровню испектру и преобразуются из одного вида энергии в другой.
Необходимость такого преобразования вызывается тем, что первичные сигналы не всегда удобны для передачи, переработки, дальнейшего преобразования и воспроизведения. Например, при измерении температуры прибором, чувствительный элемент которого помещается в контролируемую среду, воспринимаемый поток тепла трудно передать, а тем более воспроизвести на указателе прибора. Этой особенностью обладают почти все сигналы первичной информации. Поэтому воспринимаемые чувствительными элементами сигналы почти всегда преобразуются в электрические сигналы, являющиеся универсальными.
Та часть прибора, в которой первичный сигнал преобразуется, например, в электрический, называется первичным преобразователем. Часто этот преобразователь совмещается с чувствительным элементом. Сигналы с выхода первичного преобразователя поступают на следующие преобразователи измерительного прибора.
Рисунок 2. Структурная схема прибора
На рис. 2 дана структурная схема прибора, на которой указаны: исследуемый объект (ИО);первичный преобразователь (ПП);устройство сравнения (УС); устройство обработки сигналов (Обр. 1), в котором производится селекция, усиление, коррекция погрешностей, фильтрация и др.; кодирующее устройство (Код); модулятор (М); канал передачи (КП); устройство детектирования (Д); устройство декодирования (ДК);устройство обработки информации (Oбр. 2), обеспечивающее функциональное преобразование, коррекции погрешностей, формирование функции преобразования (1) и др.; преобразователь (Пр), выдающий информацию на систему отображения (СОИ) и на обратный преобразователь (ОП), с которого поступают сигналы на устройство сравнения. [5]
2. Емкостные датчики
2.1 Общие сведения
Техника конструирования и применения датчиков, или, как ее можно кратко назвать, сенсорика, за последние годы развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники. С ростом автоматизации к датчикам физических параметров стали предъявляться все более высокие требования. При этом особое значение придается следующим показателям:
· миниатюрность (возможность встраивания);
· дешевизна (серийное производство);
По структурному построению автоматизированные устройства напоминают такие биологические системы, как, например, человек. Органам чувств человека соответствуют в автоматах (или роботах) датчики, а функции активных органов выполняются исполнительными устройствами. Аналогом мозга как центрального устройства для обработки сигналов служит ЭВМ с ее системой памяти. [4]
Датчик, сенсор (от англ. sensor) — понятие систем управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.
По принципу действия датчики делятся на:
· Оптические датчики (фотодатчики);
· Магнитоэлектрический датчик (На основе эффекта Холла);
Емкостный датчик — преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение ёмкости конденсатора. 1]
Емкостные датчики относятся к датчикам параметрического типа, в которых изменение контролируемой величины вызывает изменение емкостного сопротивления датчика. Как известно, емкость конденсатора зависит от формы и геометрических размеров электродов (площади обкладок), от диэлектрической проницаемости и от расстояния между его обкладками. В различных датчиках, применяющихся для контролирования какой-либо неэлектрической величины, может меняться один из указанных параметров. При помощи емкостных датчиков измеряют геометрические размеры изделий, влажность изоляционных материалов, от которой зависит еr (относительная диэлектрическая проницаемость), и определяют состав изоляционного материала. Они получили также распространение в телемеханике — для преобразования механического перемещения (линейного или углового) в изменение электрической емкости конденсатора. Чаще всего емкостный датчик представляет собой плоский конденсатор, состоящий из двух пластин или более, между которыми помещается диэлектрик.
Как известно, емкость плоскопараллельного конденсатора пФ можно определить по формуле
Из формулы видно, что изменения емкости можно достигнуть путем изменения значения одной из величин: е, S или d. Таким образом, каждую из величин, входящую в формулу, можно принять за входную (остальные параметры остаются постоянными) и получить соответствующий тип датчика с переменной емкостью на выходе. В некоторых конструктивных исполнениях роль одного из рабочих электродов (обкладки) может выполнять часть контролируемого устройства, например кулачок, мембрана, корпус подвижного состава, материал на ленте транспортера, тело человека, приближающееся к объекту и др. Преимущества емкостных датчиков:
· высокая чувствительность, поэтому они применяются для измерения быстропеременных параметров, давления, вибрации, ускорения, уровня жидкости, состава смеси, перемещений первичных измерителей, обладающих малым собственным моментом и др.;
· малый вес и габариты;
· небольшая величина силы взаимодействия между пластинами, обусловленная электрическим полем; в некоторых случаях этой величиной можно пренебречь ;
· простота приспособления формы конденсатора к различным задачам, что позволяет с помощью одной измерительной схемы производить различные измерения неэлектрических величин.
Недостатки емкостных датчиков:
· необходимость усиления снимаемого сигнала (наличие усилителей напряжения на выходе);
· необходимость тщательной экранировки датчика от влияния паразитных емкостей и посторонних электрических полей;
· необходимость применения источника напряжения повышенной частоты (от 1 кГц до десятков мегагерц).
При выборе конструкции датчика необходимо учитывать минимальное расстояние между пластинами во избежание электрического пробоя конденсатора. Минимальное расстояние воздушного промежутка принимают равным порядка 30 мкм. Можно значительно увеличить напряжение питания, помещая между обкладками конденсатора тонкую слюдяную пластинку. 2].
2.2 Емкостный датчик по типу плоскопараллельного конденсатора
Рисунок 3. Датчик по типу плоского конденсатора
Датчик по типу плоского конденсатора (датчик из двух параллельных пластин) (рис. 3). Если связать подвижную пластину 2 с объектом измерения, а пластину 1 оставить неподвижной, то емкость конденсатора будет изменяться с изменением расстояния d между пластинами. Такой датчик применяется для измерения весьма малых перемещений — до 1 мм (емкостные микрометры).
Переменной величиной в данном датчике является расстояние между пластинами. Зависимость емкости С, (пФ), от величины смещения д определяется выражением
где д — величина смещения, т. е. величина изменения зазора между пластинами, мм;
d — зазор между пластинами при д = 0, мм;
S — площадь пластин, см 2 ;
еr — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками.
Если предположить, что между пластинами находится воздух, т. е. еr=1, то формула (4) примет вид
Чувствительность датчика определяется величиной приращения емкости при изменении контролируемой неэлектрической величины на единицу ее измерения. Чувствительность находят путем дифференцирования выражения для емкости по переменной неэлектрической величины (по смещению, углу поворота, высоте уровня и др.). Таким образом, чувствительность датчика, пФ/мм, для плоского конденсатора [2]
2.3 Емкостный датчик для измерения толщины диэлектрической ленты
Емкостный датчик для измерения толщины материала из диэлектрика (рис. 4). Контролируемый материал 1 протягивается с помощью роликов 2 между обкладками конденсатора 3, не касаясь их. Данный датчик в принципе представляет собой плоскопараллельный конденсатор с двухслойным диэлектриком.
Рисунок 4. Емкостный датчик для измерения толщины материала
Если длину зазора между обкладками обозначить d, мм, толщину ленты диэлектрика ?, мм, а диэлектрическую проницаемость ленты из диэлектрика едэ, то емкость датчика, пФ,
где S — площадь обкладок, см 2 .
Для определения малых изменений емкости? С/С применяют следующие схемы включения емкостных датчиков:
Мостовая схема измерений применяется при изменении емкости до? С/С=10 -4 — 10 -3 . Для более чувствительных измерений (до ?С/С = 10 -5 — 10 -6 ) используют два последних метода. Здесь генератор высокой частоты 1 питает индуктивно связанный с ним контур, состоящий из индуктивности LK, подстроечного конденсатора С0 и емкостного датчика Сд. Напряжение UK, снимаемое с контура, усиливается и выпрямляется усилителем 2. Результаты измерения фиксируются измерительным прибором, шкала которого градуируется в единицах измеряемой величины. При помощи подстроечного конденсатора С0 контур настраивается на частоту, близкую к частоте генератора щг?щ0. Следует также иметь в виду, что подвижная пластина датчика Сд должна находиться в нейтральном положении. При этих условиях напряжение, снимаемое с контура UK, должно быть примерно в два раза меньше, чем напряжение при резонансе Uр. Таким образом, незначительное перемещение подвижной пластины датчика Сд приведет к резкому изменению напряжения в контуре на его выходе, чем и объясняется высокая чувствительность и устойчивость схемы.
Рисунок5. Резонансная схема измерений Резонансная частота контура определяется из условия резонанса (активное сопротивление катушки и индуктивности при этом не учитываются)
Для измерения методом биений используют два связанных генератора с одинаковой частотой колебаний в диапазоне 10−25 МГц, из которых один модулируется по частоте измеряемой механической величиной, воздействующей на измерительный конденсатор. На выходе смесителя выделяется сигнал разностной частоты (биения), пропорциональной измеряемой величине. Колебания высокой частоты как бы модулируются колебаниями разностной частоты (?щ). Метод биений получил в основном применение в схемах точного измерения частоты. 2]
2.4 Погрешности и способы их устранения
При измерениях различных неэлектрических величин емкостными датчиками могут возникнуть погрешности, вызванные влиянием температуры и влажности. Под влиянием температуры могут изменяться геометрические размеры датчика, а также диэлектрическая проницаемость (в датчиках с твердым и жидким диэлектриком). Эти погрешности могут быть сведены к минимуму путем выбора соответствующей конструкции датчика (правильный выбор геометрических размеров деталей с учетом их температурных коэффициентов расширения). В значительной степени температурная погрешность снижается при применении дифференциальных измерительных схем. Сильное влияние на точность преобразования оказываютпаразитные емкости и посторонние электрические поля, ввиду чего емкостные датчики необходимо очень тщательно экранировать. Первым усовершенствованием, существенно повышающим метрологические характеристики датчика, является введение экранных электродов. Экраны обеспечивают значительную локализацию поля, создаваемого рабочими электродами преобразователя, и в результате существенно повышают его относительную чувствительность. Кроме того положительным эффектом экранов является резкое снижение электромагнитных наводок и, в ряде случаев, увеличения рабочей емкости, так как является частью высокопотенциального электрода. Дальнейшее улучшение метрологических характеристик достигается путем установки охранных электродов, с помощью которых исключается влияние краевых полей у торцов преобразователя. Кроме того, сам контролируемый проводник иногда является рабочим электродом преобразователя. Установление соответствующих потенциалов на электродах и контролируемом проводнике позволяет создать плоскопараллельное поле в рабочей зоне преобразователя, что улучшает его метрологические характеристики. Еще одна из причин возникновения погрешностей при использовании данного типа датчиков состоит в том, что на промышленной частоте мощность датчика очень мала, поэтому для обнаружения изменения емкости необходимо использовать достаточно чувствительную аппаратуру, а его сопротивление велико, из-за чего могут возникнуть большие погрешности, обусловленные паразитными утечками. Поэтому необходимо применять источники питания высокой частоты (от 1 кГц до десятков мегагерц). 3]
диэлектрический емкостный датчик конденсатор
В результате анализа литературы по измерению неэлектрических величин была составлена структурная схема электрического прибора для измерения отклонения толщины диэлектрической ленты от образцового значения с использованием емкостного измерительного преобразователя.
Также была описана предположительная конструкцию датчика, его принцип действия, а также работа прибора в целом, приведены математические соотношения, поясняющие описание.
В заключительной части работы перечислены причины возникновения погрешностей измерения, а также указаны возможные меры по их уменьшению.
4. Виглеб, Г. Датчики. Устройство и применение / Г. Виглеб. — Москва: Мир, 1989. — 195 с.
5. Боднер, В. А. Измерительные приборы/ В. А. Боднер , А. В. Алферов .-Москва: Изд-во стандартов, 1986. — 616 с.
Т. 1. Теория измерительных приборов. Измерительные преобразователи. — 1986. — 392 с.
Т. 2. Методы измерений, устройство и проектирование приборов. — 1986. — 224 с.
Читайте также:
По месту в измерительной цепи:
По другим признакам:
По принципу действия ИП делятся на генераторные и параметрические.
1. Резистивные преобразователи. Принцип действия, общие
свойства, область применения.
Сопротивление постоянному току одноэлементного резистивного преобразователя зависит от его длины l, поперечного сечения S и удельного сопротивления материала р. Если сечение резистора постоянно по его длине, то R = pl/S. Применяемые в настоящее время пленочные резисторы, толщина которых определяется технологией нанесения пленки, а ширина и длина сравнимы по значению, характеризуются сопротивлением R площадки, имеющей равные ширину и длину. Таким образом, сопротивление R0 резистора, имеющего длину l и ширину b, определяется формулой R0 =R l/b (например, при l = 3 мм и b = 1 мм R0 = 3R ).
Мощность, выделяемая на резисторе при включении его в измерительную цепь, определяется формулой Р = I 2 R или Р = U 2 /R, где I и U -- ток и падение напряжения на резисторе. Значение допустимой мощности Рдоп для резистора задается, как правило, допустимым перегревом, и поэтому ограничивают ток через преобразователь или напряжение на нем , где Rmax и Rmin -- границы диапазона, в которых может изменяться сопротивление преобразователя в процессе работы. Значение допустимой мощности определяется площадью поверхности Sохл, условиями охлаждения и допустимой температурой перегрева Θдоп, а именно Рдоп =ζ·Sохл·Θдоп , где ζ - коэффициент теплоотдачи поверхности, или удельная мощность, при выделении которой на единице поверхности охлаждения температура преобразователя повышается на один градус по отношению к окружающей среде. В отдельных случаях среди технических характеристик преобразователей указывается допустимая плотность тока и по ней определяется ток.
Эквивалентная схема резистивного преобразователя учитывает, что при включении резистора в цепь последовательно с его сопротивлением R0
Рис.1 - Эквивалентная схема резистивного преобразователя
оказывается включенным сопротивление соединительных проводов и контактов Rл = 2Rпр + 2Rк, а параллельно -- сопротивление изоляции между контактами и сопротивление утечек на корпус или на землю, вместе образующих сопротивление Rут (рис. 1, а и б). Таким образом, эквивалентное сопротивление определится как R = (R0 + Rл) Rут/( R0 + Rл + Rут). Разность между сопротивлениями R и Ro равна ∆R = R -- R0 = (Rл Rут -- R0Rл -- R0 2 )/(R0 + Rл + Ryт) ≈ Rл -- R0/Ryт, и относительная погрешность сопротивления yR = ∆R/R0 = Rл /R0 -- Ro/Rут Очевидно, что при малых сопротивлениях R0 погрешность определяется сопротивлением Rл, а при больших сопротивлениях R0 -- сопротивлением Rут. При R0 0, а при R0>√Rл/Rут значение yR ;
Сопротивление переменному току можно характеризовать постоянной времени τ, равной τ = L'ЭKB/R или τ = C'ЭКВR. Лучшие с этой точки зрения резистивные преобразователи характеризуются τ ≈ 10 -6 - 10 -7 с. Для преобразователя с τ = 10 -6 с изменение модуля сопротивления на 0,01%
происходит при частоте напряжения питания 1000 Гц.
Активное сопротивление переменному току R на высокой частоте из-за поверхностного эффекта больше сопротивления постоянному току R0. Для медного провода диаметром 1 мм увеличение сопротивления на 0,01 % соответствует частоте 10 кГц.
Во всяком сопротивлении R присутствуют тепловые шумы, средняя мощность которых определяется формулой Найквиста: Pш=4kT∆f,
где k - постоянная Больцмана, равная k= 1,38·10 -23 Дж/К;
Т - абсолютная температура; ∆f - полоса частот, к которой относится мощность.
В полной эквивалентной схеме резистивного преобразователя (рис.2, г) напряжение шума учитывается в виде источника ЭДС Uш.
В зависимости от условий работы преобразователя должны быть учтены те или иные составляющие эквивалентной схемы, однако всегда приходится учитывать сопротивление соединительных проводов и контактов и сопротивление изоляции, поэтому устранению их влияний уделяется особое внимание. Кроме того, при включении преобразователя в измерительную цепь приходится учитывать электрохимическую ЭДС еэх, термо-ЭДС и ЭДС наводок еинд и еэ.
Чувствительность преобразователя и влияние внешних факторов.
В общем случае на резистивный преобразователь влияют различные по физической природе величины: электрические (Хэ), магнитные (Хм), механические (Хмх), тепловые (Хт), световые (Хс) и т. д.
Функциональные зависимости между сопротивлением резистивного преобразователя и воздействующим фактором используются для построения соответствующих преобразователей, но в то же время приводят к нестабильности сопротивления и появлению погрешностей. Поэтому при построении преобразователя стремятся к тому, чтобы изменение сопротивления происходило под действием лишь одной измеряемой величины; для этого влияние остальных величин сводят к минимуму конструктивным путем или применением компенсирующих устройств.
Одним из наиболее существенно влияющих факторов является температура. Для чистых металлов и большинства сплавов сопротивление повышается с ростом температуры. Температурная зависимость сопротивления манганина в диапазоне температур 10-35 °С определяется формулой:
В более широком диапазоне температур (от --100 до +300 °С) изменение сопротивления достигает ±0,5%. Удельное сопротивление полупроводников с ростом температуры падает, зависимость сопротивления от температуры нелинейная, но в диапазоне температур 10--30 °С можно приближенно считать ТКС равным 0,03 Кг 1 . Для уменьшения температурных погрешностей применяется термостатирование преобразователей и различные схемы температурной коррекции.
Изменение сопротивлений под действием однонаправленного механического напряжения σ, вызывающего относительную деформацию . Чувствительность проводниковых и полупроводниковых материалов к давлению окружающей среды характеризуется барическим коэффициентом . Этот эффект для металлов сказывается лишь при очень высоких давлениях (больше 10 8 Па).
Для измерения высоких и сверхвысоких давлений (до 30-Ю 8 Па) используются манганиновые преобразователи. Барический коэффициент манганина Кр = 2,5-10 -11 Па -1 . Для работы в активных средах применяются сплавы золота с хромом. Ведется также исследование полупроводниковых материалов, барические коэффициенты которых значительно выше.
Влияние внешнего магнитного поля заметно лишь в преобразователях из специальных материалов, поэтому в большинстве случаев влияние магнитного поля на стабильность резисторов не учитывается.
Освещенность существенно влияет на сопротивление полупроводниковых резисторов. В специально разработанных фоторезисторах сопротивление при переходе от темноты к полной освещенности уменьшается в 100--1000 раз. На другие полупроводниковые резисторы (терморезисторы, тензорезисторы) освещенность влияет, безусловно, меньше, однако может привести к заметной нестабильности их характеристик; поэтому они должны быть экранированы от световых потоков.
Радиоактивное излучение влияет на металлические и полупроводниковые резисторы, вызывая при больших дозах даже необратимые изменения, определяемые как изменениями самого сопротивления, так и ухудшениями свойств изоляции и нарушением герметичности. На основе селенистого кадмия и сернистого кадмия выпускаются специальные резисторы, чувствительные к радиоактивному излучению.
Удельная проводимость некоторых полупроводниковых материалов существенно зависит от напряженности электрического поля. На основе этих материалов (тирит, тервит, винит) разработаны и выпускаются нелинейные полупроводниковые резисторы, называемые варисторами. Сопротивление варистора падает при увеличении напряжения на нем, коэффициент чувствительности к напряжению достигает 0,1--1 В - 1 при напряжении питания до 10 - 20 В. Варисторы находят применение в схемах регулирования и стабилизации электрических величин, а также в схемах защиты от перенапряжений
Введение
Измерение неэлектрических величин электрическими методами получило широкое применение и развитие вследствие возможности непрерывного измерения, измерения на расстоянии, высокой точности и чувствительности.
В большинстве случаев измерение неэлектрической величины сводится кпреобразованию ее в однозначно зависимую от нее электрическую величину, измеряя которую и определяют неэлектрическую величину.
Элемент измерительного устройства, выполняющий это преобразование, называется измерительным преобразователем или датчиком.
Измерительные преобразователи делятся на две группы: параметрические, преобразующие неэлектрическую величину в один из параметров электрической цепи r, L или C, игенераторные, в которых неэлектрическая величина преобразуется в э.д.с.
Параметрические преобразователи
К наиболее распространенным параметрическим преобразователям относятся:
1. Реостатные преобразователи. Работа их основана на изменении сопротивления реостата, движок которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины, например уровня жидкости, линейного перемещения детали и т. д.
2.Проволочные преобразователи (тензосопротивления). Работа их основана на изменении сопротивления проволоки при ее деформации.
3. Преобразователи — терморезисторы (термосопротивления). Работа их основана на зависимости сопротивления преобразователя от температуры.
4. Индуктивные преобразователи. Изменение индуктивности преобразователя от изменения положения одной из его частей под действиемизмеряемой величины. используется для измерения силы, давления, линейного перемещения детали.
5. Емкостные преобразователи. Изменение емкости преобразователя под действием измеряемой неэлектрической величины: силы, давления линейного или углового перемещения, содержания влаги и т. д. используется для измерения этих величин.
6. Фотоэлектрические преобразователи. Получение фототека, зависящего от измеряемойвеличины, или получение импульсов фототока, частота которых зависит от измеряемой неэлектрической величины, используется для измерения освещенности, температуры, прозрачности и мутности жидкости, линейных размеров и других величин.
Реохордные преобразователи(рис 1 а) представляют собой натянутую проволоку 1, по которой перемещается движок 2. Характеристика преобразования такого преобразователя линейная.Реостатные преобразователи со ступенчатой характеристикой выполняются из провода 1 диаметром 0,02 - 0,1 мм, намотанного с равномерным шагом на каркас 2, по которому перемещается подвижная токосъемная щетка 3 (движок) (рис. 1 б). Число витков реостатного преобразователя обычно не менее 100. Каркасы могут выполняться в виде пластин, цилиндра, кольца и др. Изменение сопротивления реостатного преобразователя приперемещении подвижного контакта достигает 90 % от номинального сопротивления. Выходное сопротивление R реостатного преобразователя в зависимости от перемещения движка Х может быть определено из выражения
где - сопротивление одного метра провода; n0 - число витков на единицу длины преобразователя; р - периметр каркаса.
Нелинейные реостатные.