Первичные измерительные преобразователи

Основными элементами большинства применяемых средств измерений являются первичные измерительные преобразователи, назначение которых - преобразование измеряемой физической величины (входная величина) в сигнал измерительной информации (выходная величина), как правило, электрический, удобный для дальнейшей обработки.

Первичные преобразователи подразделяются на параметрические и генераторные. В параметрических преобразователях выходная величина представляет собой изменение какого-либо параметра электрической цепи {сопротивление, индуктивность, емкость и т.д.), в генераторных выходная величина - ЭДС, электрический ток или заряд, возникающие вследствие энергии измеряемой величины.

Существует большой класс измерительных преобразователей, у которых входными величинами являются давление, сила или крутящий момент. Как правило, в этих преобразователях входная величина воздействует на упругий элемент и вызывает его деформацию, которая затем преобразуется или в сигнал, воспринимаемый наблюдателями (механические показывающие приборы), или в электрический сигнал.

В значительной степени инерционные свойства преобразователя определяются частотой собственных колебаний упругого элемента: чем она выше, тем менее инерционным является преобразователь. Максимальное значение этих частот при использовании конструкционных сплавов составляет 50...100 кГц. Для изготовления упругих элементов особо точных преобразователей применяются кристаллические материалы (кварц, сапфир, кремний).

Резистивные преобразователи - это параметрические преобразователи, выходной величиной которых является изменение электрического сопротивления, которое может вызываться воздействием разнообразных по физической природе величин - механических, тепловых, световых, магнитных и др.

Потенциометрический преобразователь представляет собой реостат, движок которого перемешается под воздействием измеряемой величины (входная величина). Выходной величиной является сопротивление.

Потенциометрические преобразователи применяются для измерения положения регулирующих органов (линейных и угловых), в уровнемерах, в датчиках (например, давления) для измерения деформации упругого чувствительного элемента. Достоинство потенциометрических преобразователей - большой выходной сигнал, стабильность метрологических характеристик, высокая точность, незначительная температурная погрешность. Основной недостаток - узкий частотный диапазон (несколько десятков герц).

Работа тензорезисторов основана на изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации (тензоэффект). Проволочный (или фольговый) тензорезистор представляет собой зигзагообразную изогнутую тонкую проволоку диаметром 0,02...0,05 мм или ленту из фольги толщиной 4...12 мкм (решетка), которая наклеивается на подложку из электроизоляционного материала. К концам решетки присоединяются выводные медные проводники. Преобразователи, будучи приклеенными к детали, воспринимают деформацию ее поверхностного слоя.

При измерениях деформаций и напряжений в деталях и конструкциях, как правило, отсутствует возможность градуировки измерительных каналов и погрешность измерений составляет 2...10 %. В случае применения тензорезисторов в первичных измерительных преобразователях погрешность может быть снижена до 0.5...1 % путем градуировки. Основной недостаток тензорезисторов данного типа - малый выходной сигнал.

Для измерений малых деформаций упругих чувствительных элементов измерительных преобразователей используются полупроводниковые тензорезисторы, выращенные непосредственно на упругом элементе, выполненном из кремния или сапфира.

При измерениях динамических деформаций с частотой до 5 кГц должны применяться проволочные или фольговые тензорезисторы с базой не более 10 мм, причем максимальная деформация для них не должна превышать 0,1 % (0,02 % для полупроводниковых).

Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на возникновении электрических зарядов при деформации кристалла (прямой пьезоэффект).

Пьезоэлектрические преобразователи обеспечивают возможность измерения быстропеременных величин (собственная частота преобразователей достигает 200 кГц), отличаются высокой надежностью и имеют малые габаритные размеры и массу. Основной недостаток - трудность при измерении медленно изменяющихся величин и при проведении статической градуировки из-за утечек электричества с поверхности кристалла.

Электростатический преобразователь схематично можно представить в виде двух электродов (пластин) площадью F, параллельно расположенных на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью е.

Обычно эти преобразователи устроены таким образом, что их выходной величиной является изменение емкости (в этом случае они называются емкостными), а входными величинами могут быть механические перемещения, изменяющие зазор d или площадь F, или изменение диэлектрической проницаемости среды e вследствие изменения ее температуры, химического состава и т.п.

Кроме емкости, в качестве выходной величины электростатических преобразователей используется ЭДС. генерируемая при взаимном перемещении электродов, находящихся в электрическим поле (генераторный режим). Например, в генераторном режиме работают конденсаторные микрофоны, преобразующие энергию акустических колебаний в электрическую.

Достоинством электростатических преобразователей является отсутствие шумов и самонагрева. Однако с целью защиты от наводок соединительные линии и сами преобразователи должны тщательно экранироваться.

У индуктивных преобразователей выходной величиной является изменение индуктивности, а входными величинами могут быть перемещения отдельных частей преобразователя, приводящие к изменению сопротивления магнитной цепи, взаимоиндукции между контурами и т.д.

Достоинствами преобразователей являются: линейность характеристики, малая зависимость выходного сигнала от внешних воздействий, ударов и вибраций; высокая чувствительность. Недостатки - малый выходной сигнал и необходимость в питающем напряжении повышенной частоты.

Принцип действия вибрационно-частотных преобразователей основан на изменении частоты собственных колебаний струны или тонкой перемычки при изменении ее натяжения.

Входной величиной преобразователя является механическое усилие (или величины, преобразуемые в усилие. - давление, крутящий момент и др.). которое воспринимается упругим элементом, связанным с перемычкой.

Применение вибрационно-частотных преобразователей возможно при измерении постоянных или медленно изменяющихся во времени величин (частота не более 100...150 Гц). Они отличаются высокой точностью, а частотный сигнал - повышенной помехоустойчивостью.

В оптоэлектрических преобразователях используются закономерности распространения и взаимодействия с веществом электромагнитных волн оптического диапазона.

Основным элементом преобразователей являются приемники излучения. Простейшие из них - тепловые преобразователи - предназначены для преобразования всей падающей на них энергии излучения в температуру (интегральный преобразователь).

В качестве приемников излучения используются также различные фотоэлектрические преобразователи, в которых используется явление фотоэффекта. Фотоэлектрические преобразователи являются селективными, т.е. они обладают высокой чувствительностью в сравнительно узком диапазоне длин волн. Например, внешний фотоэффект (испускание электронов под действием света) используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах и фотоумножителях.

Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, на внутренней поверхности которого нанесен слой фоточувствительного материала, образующий катод. Анод выполняется в виде кольца или сетки из металлической проволоки. При освещении катода возникает ток фотоэмиссии. Выходные токи этих элементов не превышают нескольких микроампер. В газонаполненных фотоэлементах (для заполнения применяются инертные газы Ne, Аr, Кr, Хе) выходной ток увеличивается в 5...7 раз из-за ионизации газа фотоэлектронами.

В фотоумножителях усиление первичного фототока происходит вследствие вторичной электронной эмиссии - "выбивания" электронов из вторичных катодов (эмиттеров), установленных между катодом и анодом. Общий коэффициент усиления в многокаскадных фотоумножителях может достигать сотен тысяч, а выходной ток - 1 мА. Фотоумножители и вакуумные, элементы могут использоваться при измерениях быстро изменяющихся величин, так как явление фотоэмиссии практически безынерционно.