Реостатные преобразователи. Реостатный преобразователь – это прецизионный реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины. Входной величиной преобразователя является угловое перемещение движка, выходной – изменение его сопротивления.

Реостатный преобразователь состоит из каркаса, на который намотан провод, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением (манганина, константана), и токосъемного движка, укрепленного на оси. Движок касается провода. Для обеспечения электрического контакта в месте касания обмотка зачищается от изоляции. Сила прижатия движка к обмотке создается благодаря упругости движка и равна 10^-3 – 10^-4 Н. Если преобразователь служит для измерения переменных величин или работает при вибрации, то сила прижатия должна быть увеличена. Большая сила нежелательна, поскольку при ее увеличении возрастает сила трения, препятствующая перемещению движка и увеличивающая износ обмотки и контактирующей поверхности движка.

В измерительной технике требуются реостатные преобразователи как с линейной, так и с нелинейной функцией преобразования. Одним из способов построения преобразователей с нелинейной функцией преобразования R=f(x) является использование каркаса с переменной высотой.

Преобразователь может включаться в электрическую цепь по потенциометри-ческой схеме (рис. 33). Напряжение с его движка подается на нагрузку Rн. Если сопротивление Rн столь велико (Rн >> Rр), что током в этом сопротивлении можно пренебречь по сравнению с током в сопротивлении Rр, то реостатный преобразователь работает в режиме холостого хода и напряжение на нагрузке пропорционально сопротивлению R:

Рис. 33. Потенциометрическая схема включения реостатного преобразователя

                                ,                                                    (40)

где b= R/R_р – относительное изменение сопротивления преобразователя. При увеличении коэффициента нагрузки a= R_р/ R_н зависимость становится нелинейной, причем нелинейность возрастает с увеличением a. Для уменьшения погрешности из-за нелинейности следует уменьшать a, т.е. увеличивать R_н. Однако практически значения сопротивления нагрузки часто невелики. В этом случае для уменьшения погрешности можно более рационально выбрать номинальную функцию преобразования.

Реостатному преобразователю присуща также погрешность дискретности. Она обусловлена скачкообразным изменением сопротивления DR при переходе движка с одного витка на другой. Если в качестве номинальной функции преобразования принять функцию, проходящую посередине «ступенек», то максимальное значение приведенной погрешности, обусловленное дискретностью

                                     ,                                                    (41)

где R_р – полное сопротивление преобразователя.

Если преобразователь имеет пропорциональную функцию преобразования, то «скачки» сопротивления будут одинаковы по всему диапазону перемещения движка. В этом случае R_р= nDR и

                                       ,                                                     (42)

где n – число витков в обмотке.

Термометры сопротивления. Термометры сопротивления, как и термопары, предназначены для измерения температуры газообразных, твердых и жидких тел, а также температуры поверхности. Термометрами сопротивления называются датчики температуры с терморезисторами [2, 5].

Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. Есть два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые (термисторы).

Принцип действия термометров основан на использовании свойства металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с температурой.

Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяются медь или платина.

Функция преобразования медного терморезистора линейна:

                                       ,                                             (43)

где R₀ – сопротивление при 0°С; a – температурный коэффициент сопротивления материала проводника.

Функция преобразования платинового терморезистора нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом.

Для полупроводниковых материалов зависимость сопротивления от температуры имеет вид

                                       ,                                                (44)

где Т – температура в кельвинах; A, B – постоянные. С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается.

Проволочный термометр сопротивления представляет собой тонкую проволоку из чистого металла, закрепленную на каркасе из температуростойкого материала (чувствительный элемент), помещенную в защитную арматуру. Выводы от чувствительного элемента подведены к головке термометра.

Для обеспечения взаимозаменяемости и единой градуировки термометров стандартизованы величины их сопротивления R₀ и температурные коэффициенты. Зависимость сопротивления термометров от температуры дается стандартными градуировочными таблицами, составленными для ряда значений R₀ (1, 10, 50, 100, 500 Ом).

Полупроводниковые термометры сопротивления представляют собой бусинки, диски или стержни из полупроводникового материала с выводами для подключения в измерительную цепь. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметизирующий металлический корпус или запаивают в стекло. В качестве материалов для рабочего тела термисторов используют смеси оксидов никеля, марганца, меди, кобальта, которые смешивают со связующим веществом, придают ему требуемую форму и спекают при высокой температуре.

Термисторы обычно имеют сопротивление от единиц до сотен килоом. Их чувствительность в 6 – 10 раз больше, чем чувствительность металлического терморезистора. Кроме того, термисторы имеют значительно меньшие массы и размеры. Малая теплоемкость термисторов обусловливает их малую инерционность. К числу их недостатков следует отнести нелинейность функции преобразования, отсутствие взаимозаменяемости из-за большого разброса номинального сопротивления и температурного коэффициента, а также необратимое изменение сопротивления во времени.

Измерение электрического сопротивления термометров производится с помощью мостов постоянного и переменного тока или компенсаторов, позволяющих исключить погрешность от температурного изменения сопротивления проводов. Особенностью термометрических измерений является ограничение измерительного тока с тем, чтобы исключить разогрев рабочего тела термометра.

Тензорезисторные преобразователи (тензодатчики). В конструкторской практике часто необходимы измерения механических напряжений и деформаций в элементах конструкций. Наиболее распространенными преобразователями этих величин в электрический сигнал являются тензорезисторы. Тензорезисторный преобразователь представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия-растяжения. При деформации проводника изменяются его длина l и площадь поперечного сечения Q. Деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления r. Эти изменения приводят к изменению сопротивления проводника R=rl/Q. В пределах упругих деформаций относительное изменение сопротивления проводника связано с его относительным удлинением соотношением

                                       ,                                                  (45)

где l, R – начальные длина и сопротивление проводника; Dl, DR – приращение длины и сопротивления; K_Т – коэффициент тензочувствительности.

Величина коэффициента тензочувствительности зависит от свойств материала, из которого изготовлен тензорезистор, а также от способа крепления тензорезистора к изделию. Для металлических проволок K_T =1…3,5.

Различают проволочные и полупроводниковые тензорезисторы. Наиболее употребительным материалом для изготовления проволочных тензорезисторов является константановая проволока диаметром 20…30 мкм.

Конструктивно проволочные тензо-резисторы представляют собой решетку, состоящую из нескольких петель проволоки, наклеенных на тонкую бумажную (или иную) подложку (рис. 34). Основными характеристиками тензо-резисторов являются номинальное сопротив-ление R, база l и коэффициент тензо-чувствительности KT.

Рис. 34. Тензометр

Промышленностью выпускается широкий ассортимент тензорезисторов с величиной базы от 5 до 30 мм, номинальными сопротивлениями от 50 до  2000 Ом, с коэффициентом тензочувствительности 2±0,2.

Дальнейшим развитием проволочных тензорезисторов являются фольговые и пленочные тензорезисторы, чувствительным элементом которых являются решетка из полосок фольги или тончайшая металлическая пленка, наносимые на подложки на лаковой основе. По метрологическим и эксплуатационным характеристикам проволочные преобразователи уступают фольговым.

Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия длиной 5 – 10 мм, шириной 0,2 – 0,8 мм. К ее торцам приварены выводные проводники. Основным отличием полупроводниковых тензорезисторов от проволочных является большое (до 50%) изменение сопротивления при деформации благодаря большой величине коэффициента тензочувствительности.

Изменение сопротивления проволочного тензодатчика, соответствующего его предельно допустимой деформации, оценивается величиной порядка 0,2%. Столь малое значение DR/R можно измерить достаточно точно только посредством мостовой схемы (рис. 35).

Рис. 35. Схема включения тензодатчиков

Мостовая схема выполняет при этом следующие функции: - дает возможность исключить темпера-турные погрешности датчика, обусловленные температурным изменением удельного сопротивления проволоки и различными температурными коэффициентами удлинения тензорезистора и детали; - осуществляет преобразование величи-ны DR/R в пропорциональное ей значение напряжения или тока в выходной диагонали моста.

В качестве R₁ и R₂ включаются одинаковые тензорезисторы. При отсутствии измеряемой деформации их сопротивления равны. Кроме того, обычно выбирают R₃=R₄. В этом случае, когда деформация тензорезистора отсутствует, выходное напряжение моста U_x =0. Деформация вызывает изменение сопротивления тензодатчиков R₁ и R₂ и появление  в измерительной диагонали тока или напряжения. Выходное напряжение тензорезисторного моста обычно не превышает 10 – 20 мВ, поэтому в тензорезисторных приборах обычно используются усилители.

Индуктивные преобразователи. Индуктивные преобразователи применяются для измерения перемещений, размеров, отклонений формы и расположения поверхностей. Преобразователь состоит из неподвижной катушки индуктивности с магнитопроводом и якоря, также являющегося частью магнитопровода, перемещающегося относительно катушки индуктивности.

При перемещении якоря (связанного, например, со щупом измерительного устройства) изменяется индуктивность катушки и, следовательно, изменяется ток, протекающий в обмотке. На рис. 36 приведена схема индуктивного преобразова-теля с переменным воздушным зазором d, применяемого для измерения перемещений в пределах 0,01…10 мм. При небольшом зазоре d индуктивность катушки преобразователя

Рис. 36. Схема индуктивного преобразователя перемещений

                          ,                                      (46)

где w – число витков обмотки; R_M, R_d - магнитное сопротивление магнитопровода и зазора; l_M – средняя длина магнитной силовой линии в магнитопроводе; S, S₀ – площади сечения магнитопровода и воздушного зазора; m, m₀ – магнитные проницаемости материала магнитопровода и воздушного зазора.

Когда магнитное сопротивление зазора значительно больше магнитного сопротивления магнитопровода, т.е. R_d >> R_M, или d >> l_M/2m выражение (46) принимает вид

                                   .                                                       (47)

Индуктивные преобразователи с переменным зазором имеют высокую чувствительность и реагируют на изменение зазора порядка 0,1…0,5 мкм. Ток в обмотке катушки определяется выражением

                                   ,                                                (48)

где U – напряжение питания; R – активное сопротивление обмотки; w – частота питающего напряжения.

Из (47) и (48) следует, что зависимость I=f(d) нелинейна. Спрямление нелинейности достигается применением дифференциальных преобразователей с двумя раздельными магнитными цепями и общим якорем.

Индуктивные преобразователи широко применяют в современных средствах линейных и угловых измерений: профилографах, контрольных автоматах и в электронных аналоговых и цифровых приборах для активного контроля линейных размеров. Приведенная погрешность индуктивных преобразователей не превосходит 1…2%.