Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №3 - Журнал «Домашняя лаборатория»
Кроме указанных, промышленностью освоен выпуск полупроводниковых тензодатчиков, чувствительность которых в 50–60 раз больше, чем у проволочных и фольговых. Полупроводниковые тензорезисторы построены на кристаллах германия, кремния и других, которые пока не получили широкого распространения. У материалов n-типа знак тензоэффекта отрицателен, а р-типа — положителен. Промышленность выпускает полупроводниковые тензорезисторы типа КТЭ, КТЭМ и р-типа КТД, КТДМ Коэффициент тензочувствительности у них равен 120 (у проволочных и фольговых он не превышает 2), температурный интервал работоспособности от — 60 до +3000 °C. Температурный коэффициент не выходит за пределы 0,4 % в интервале от 0 до 80 °C. Недостаток полупроводниковых тензорезисторов — малая механическая прочность и значительный разброс параметров.
Тензорезисторы широко используют для измерения перемещения, вибрации, ускорения, деформации, давления, распределения нагрузки по элементам конструкций.
Терморезисторы — элементы, сопротивление которых изменяется в зависимости от их температуры. На интенсивность теплообмена оказывают влияние геометрические размеры, форма, материал и характер армирования преобразователя, а также состав, плотность, теплопроводность, скорость перемещения, температура и агрегатное состояние исследуемой среды. Источником тепла при этом может быть также ток, пропускаемый через терморезистор. Большое число факторов, влияющих на теплообмен, делает практически неограниченной область применения терморезисторов. Измерение температуры, анализ состава газовой и жидкой сред, измерение вакуума, концентрации, скорости потока — вот далеко не полный перечень областей применения терморезисторов.
Различают проволочные терморезисторы и полупроводниковые — термисторы. Для изготовления проволочных терморезисторов, как правило, используют чистые металлы (платина, медь, никель, вольфрам). Наиболее химически стойкой в широком интервале температуры является платина, но она имеет низкое удельное сопротивление и большой коэффициент температурного расширения при значительной остаточной деформации. Это препятствует использованию платиновых терморезисторов в тех случаях, когда надо получить большую чувствительность. Платиновые терморезисторы работают при температуре от — 183 до +660 °C. Для их изготовления используют проволоку диаметром 0,02 мм.
Более подходящим материалом для изготовления чувствительных проволочных терморезисторов является вольфрам. Широкому внедрению вольфрама препятствовала его значительная химическая активность при высокой температуре. Сейчас разработана технология получения химически стойкой золоченой вольфрамовой проволоки. Поэтому термопреобразователи из вольфрама широко используют в чувствительных газоанализаторах, хроматографах и в другой прецизионной измерительной аппаратуре. Этому способствует и то, что вольфрам обладает высокой упругостью, малым температурным расширением. Поэтому вольфрамовые терморезисторы можно изготавливать в виде спирали без дополнительного армирования стеклом и другими защитными покрытиями.
Проволочные резисторы имеют высокую стабильность параметров во времени. Выпускаемые промышленностью платиновые терморезисторы ТСП и медные резисторы ТСМ в металлическом защитном кожухе имеют близкие к линейным статические характеристики и градуировочные кривые, постоянные для каждого типа и зафиксированные в ГОСТ. Они полностью взаимозаменяемы.
Полупроводниковые терморезисторы ММТ и КМТ имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, равный 3–6 %/°С и в десятки раз превышающий ТКС проволочных терморезисторов. Они имеют малые размеры, высокое сопротивление (до 3 МОм), работают в широком интервале температуры (от — 70 до 180 °C). Их недостатки: нестабильность параметров во времени, что требует проведения повторного градуирования, и отсутствие взаимозаменяемости.
Принцип действия электролитических преобразователей сопротивления основан на практически линейной зависимости между концентрацией электролита в миллиграммах на литр и проводимостью. При постоянной концентрации электролита изменение сопротивления преобразователя может быть вызвано изменением расстояния между электродами или изменением сечения зоны проводимости, заполненной электролитом. На этом принципе основано применение электролитических преобразователей для измерения деформации и перемещения. Для уменьшения температурной погрешности электролитические преобразователи выполняют дифференциальными. Для того чтобы избежать электролиза в растворах, измерение проводимости или сопротивления раствора электролита проводят на переменном токе. Влияние поляризации электродов на результаты измерения можно уменьшить, если проводить измерения при повышенном питающем напряжении.
Емкостные преобразователи построены на использовании зависимости емкости конденсатора от расстояния между его обкладками, от площади обкладок и диэлектрической проницаемости среды между ними. Воздействие неэлектрического фактора может проявляться в изменении любого из перечисленных параметров конденсатора. Это дает возможность измерять и контролировать посредством емкостного преобразователя такие параметры среды, как влажность, однородность, концентрация, давление, сила, перемещение, толщина, качество, однородность покрытия.
Емкостные преобразователи питают высокочастотным напряжением. Это связано с тем, что преобразователи этого класса имеют небольшую емкость, а следовательно, высокое реактивное сопротивление. Поэтому при работе на низкой частоте пришлось бы значительно увеличить амплитуду питающего напряжения, что нецелесообразно. Погрешность емкостных преобразователей обусловлена изменением диэлектрической проницаемости диэлектрика и размеров обкладок при изменении температуры. Эти погрешности могут быть значительно снижены, если изготовить обкладки из материала с низким коэффициентом температурного расширения (например, инвара), а также применить дифференциальную конструкцию датчика. Особое внимание приходится уделять вопросам экранирования емкостных преобразователей от воздействия внешних электрических полей.
Индуктивные преобразователи по параметрам и возможностям применения можно разделить на две группы: низкочастотные и высокочастотные. И у тех, и у других изменяется индуктивность обмотки под действием входного фактора. На низких частотах индуктивность определяется параметрами конструкции преобразователя: видом и размерами магнитопровода, магнитной проницаемостью ею материала, числом витков и диаметром провода катушки, зазором в магнитной цепи, положением подвижной части магнитопровода в катушке, концентрацией ферромагнитного материала в наружной части магнитопровода и другими параметрами. Обычно объектом воздействия входного фактора таких датчиков служат ширина зазора магнитопровода, положение катушки относительно подвижной части магнитопровода и концентрация ферромагнитного материала в наружной части разомкнутого магнитопровода. Для уменьшения погрешностей, связанных с влиянием мешающих внешних факторов (температура, электромагнитные поля и др.), обычно используют дифференциальную конструкцию датчиков.
На высоких частотах становятся существенными потери на вихревые токи, так что действующее значение индуктивности оказывается зависящим от частоты.
В практике измерений на низких частотах применяют дифференциальные трансформаторные датчики для измерения давления, усилия, перемещения, вибрации. Трансформаторные датчики с разомкнутым магнитопроводом используют для определения концентрации ферромагнитных составляющих в рудах.
При пропускании переменного тока через катушку высокочастотного индуктивного преобразователя в ней образуется высокочастотное электромагнитное поле. Если в это поле поместить проводник, то индуктивность и добротность катушки изменятся. Главное отличие низкочастотных индуктивных датчиков от высокочастотных в том, что первые реагируют на материалы, обладающие ферромагнитными свойствами, а вторые — на любые проводящие к полупроводящие материалы. Отсюда и более широкий круг применения высокочастотных датчиков, от измерения диаметра проволоки до определения концентрации электролитов.
В проводнике, находящемся в высокочастотном электромагнитном поле, возникают вихревые токи, на образование которых затрачивается часть энергии поля. Вихревые токи вызывают вторичное электромагнитное поле, направленное против первичного и поэтому ослабляющее его. А
