Материал: Датчики измерительных систем (ЧЭ и т.п)

Основные параметры тензорезисторов

Широкое применение тензорезисторов объясняется малой массой и размерами, простотой изготовления и низкой стоимостью, линейностью преобразования, практической безынерционностью.

Гигристоры преобразуют изменение влажности в изменение сопротивления. Внешний вид гигристора и его функция преобразования показаны на рисунке 2.25.

Рис. 2.25. Гигристор для датчиков влажности

Типовой гигристор состоит из подложки, на которую методом трафаретной печати нанесены два встречно-штыревых электрода, покрытые гигроскопичным электропроводным полупроводниковым гелем. Гель, как правило, состоит из гидроксиэтилцеллюлозы, нонилфенилполиэтиленгликольэфира и других органических веществ с не менее экзотичными названиями с добавлениями углеродного порошка. Этот гель тщательно перемешивается до образования однородной массы. Другой тип гигристоров изготавливается из пленки хлорида лития (LiCl) и связующего вещества. Подложка погружается в гель с контролируемой скоростью до тех пор, пока не заполнит всё пространство между электродами. Подложка с нанесенным покрытием подвергается термоотверждению, проводимому при определенной температуре и влажности.

Зависимость сопротивления гигристора от влажности имеет нелинейный характер.

Электромагнитные чувствительные элементы

Общим для всех электромагнитных ЧЭ является наличие катушки и магнитопровода. Схема простого дроссельного электромагнитного ЧЭ приведена на рисунке 2.26.

Рис. 2.26. Электромагнитный ЧЭ

Магнитная цепь ЧЭ с катушкой 2 содержит ферромагнитную часть, включающую магнитопровод 1 и подвижный сердечник 3, и воздушный зазор. Индуктивность катушки 2 определяется формулой

,

где N – число витков в катушке 2, Z_M – магнитное сопротивление.

,

где R_M – активная составляющая магнитного сопротивления, X_M – реактивная составляющая магнитного сопротивления.

,

где l_M и l_0­ – длина силовых линий в магнитопроводе и воздухе соответственно, S_M и S₀ – площадь поперечного сечения магнитопровода и воздушного зазора соответственно, μ₀ – магнитная проницаемость воздушного зазора, μ – относительная магнитная проницаемость магнитопровода.

,

где P – потери в магнитопроводе на частоте ω, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом, Ф – магнитный поток в магнитопроводе.

Из приведенных формул следует, что индуктивность можно изменять, воздействуя на длину l₀ или площадь поперечного сечения S₀ воздушного участка 4 магнитной цепи, а также на магнитную проницаемость μ или на потери в магнитопроводе.

Простой дроссельный ЧЭ на рисунке 2.26 характеризуется изменением индуктивности ΔL катушки при перемещении ΔX подвижного сердечника 3 или повороте Δα подвижного сердечника 3 относительно неподвижного магнитопровода 1. Однако функция преобразования такого ЧЭ нелинейна, близка к гиперболической. Существенное уменьшение нелинейности достигается при дифференциальном включении двух одинаковых катушек, изображенных на рисунке 2.27, при котором перемещение сердечника 3 вызывает увеличение индуктивности одной катушки и уменьшение индуктивности в другой.

Рис. 2.27. Дифференциальная дроссельная система ЧЭ

Дифференциальный дроссельный ЧЭ отличается вдвое большей чувствительностью и уменьшением нелинейности функции преобразования.

Для электромагнитного дроссельного ЧЭ типичные значения на частоте 5 кГц: индуктивности L ≈ 5 мГн, реактивного сопротивления X_M ≈ 150 Ом, активного сопротивления R_M ≈ 20÷200 Ом. Рабочее перемещение ΔX ≈ 0,01÷10 мм.

Чувствительные элементы, преобразующие перемещение ΔX подвижного сердечника 3 в изменение индуктивности ΔL, называют индуктивными.

Индуктивный ЧЭ с подвижным ферромагнитным сердечником плунжерного типа изображен на рисунке 2.28.

Рис. 2.28. Дифференциальный ЧЭ плунжерного типа

Катушки 2 и 3 размещены на пластмассовом каркасе 4. Внутри катушек 2 и 3, включенных дифференциально (встречно), перемещаются плунжер 1 из ферромагнитного материала. Перемещение ΔX плунжера вызывает изменение индуктивностей катушек. Данный ЧЭ имеет разомкнутую магнитную цепь, поэтому его чувствительность ниже по сравнению с дроссельным. Кроме того, между катушками 2 и 3 имеет место взаимная индуктивность, что также влияет на чувствительность. Взаимную связь катушек можно существенно уменьшить, располагая катушки на Е-образном ферромагнитном магнитопроводе. Основное преимущество ЧЭ плунжерного типа состоит в возможности измерения перемещений ΔX до нескольких десятков мм.

На рисунке 2.29 показан ЧЭ токовихревого типа, в котором изменение индуктивности катушки происходит вследствие изменения расстояния от нее до проводящего тела.

Рис. 2.29. Токовихревой ЧЭ

Измерение расстояния Х между быстровращающимся диском 2 из немагнитного материала и катушкой 1, питаемой переменным током, основано на использовании размагничивающего влияния вихревых токов, генерируемых магнитным потоком катушки в диске 2, на величину индуктивностей катушки. Токовихревые ЧЭ используются при построении датчиков для бесконтактного контроля линейных размеров, толщины покрытий, обнаружения трений, царапин и других дефектов. При этом важно, что магнитное поле проникает через немагнитные материалы до измеряемого объекта.

Работа магнитоупругого ЧЭ, показанного на рисунке 2.30, основана на изменении магнитной проницаемости μ ферромагнитного магнитопровода в зависимости от возникающего в нем механического напряжения.

Рис. 2.30. Магнитоупругий ЧЭ для измерения силы F

Магнитопровод 1 из магнитострикционного материала образует замкнутую цепь. Катушка 2 размещена в окне магнитопровода. Катушка питается переменным током, величина которого выбирается из условия обеспечения заданной магнитной проницаемости μ. Воздействие механического напряжения на петлю гистерезиса магнитопровода, выполненного из материала с отрицательной магнитострикцией (никель), показана на рисунке 2.31.

Рис. 2.31. Части гистерезисных петель для механически нагруженного никеля

Кривые показывают, что при возрастании напряжения σ уменьшается остаточная индукция B, а следовательно и μ. Изменение магнитной проницаемости Δμ/μ для различных материалов составляет 0,5÷3 %. При этом индуктивность L = N² / R_M = N² · S/l · μ = K · μ, т.е. пропорциональна μ. Магнитоупругие ЧЭ используются при изготовлении датчиков для измерения силовых факторов и обеспечивают большую мощность выходного сигнала.

Как отмечалось ранее при рассмотрении дифференциального ЧЭ плунжерного типа с двумя катушками (рисунок 2.28), между катушками имеет место взаимная индуктивность, которая может быть выражена формулой:

,

где N₁ и N₂ – число витков катушек.

Чувствительные элементы, преобразующие измеряемую величину X в уменьшение взаимоиндуктивности M, принято называть трансформаторными. Схема трансформаторного ЧЭ показана на рисунке 2.32.

Рис. 2.32. Схема дифференциального трансформаторного ЧЭ плунжерного типа

Катушки размещены в ферромагнитном цилиндре 1 (магнитный экран). Вторичные обмотки включены встречно для того, чтобы получить нулевой сигнал на выходе при ΔX = 0. Плунжер 2 обеспечивает связь катушек через магнитный поток, который создается первичной обмоткой (катушкой). Величина взаимной индуктивности определяется величиной ΔX перемещения плунжера 2 (ферритовый сердечник). При нейтральном (симметричном) положении плунжера 2 (ΔX = 0) напряжение на выходе равно нулю. Смещение ΔX плунжера относительно нейтрального положения приводит к появлению выходного сигнала.

Закон электромагнитной индукции Фарадея лежит в основе функционирования индукционных ЧЭ и констатирует, что ЭДС, индуцированная в катушке, имеющей N витков, равна

,

где Ф – магнитный поток, сцепленный в катушке. Формула показывает, что напряжение e может быть получено либо за счет движения источника магнитного поля (магнит, катушка), либо изменением тока в катушке, либо изменением ориентации источника магнитного поля по отношению к катушке. На рисунке 2.33 показан индукционный ЧЭ, где напряжение e получается за счет движения катушки.

Рис. 2.33. Индукционный ЧЭ генераторного типа

Цилиндрическая катушка 1 перемещается в кольцевом зазоре магнитопровода 2. Цилиндрический постоянный магнит 3 создает в кольцевом зазоре постоянное радиальное магнитное поле. Катушка при перемещении пересекает линии магнитного поля, и в ней возникает напряжение, пропорциональное скорости перемещения. Индукционные ЧЭ используются при изготовлении датчиков скорости линейных и угловых перемещений и ускорений (виброметры, акселерометры).

Гальваномагнитные чувствительные элементы

Гальваномагнитные эффекты – Холла и магнитно-резистивный – имеют широкие возможности применения для обнаружения магнитных полей и определения положения и перемещения объектов.

Эффектом Холла называется явление, связанное с возникновение поперечной разности потенциалов в пластине, помещенное в магнитное поле, если в продольном направлении этой пластины протекает электрический ток. Схема Холловского ЧЭ приведена на рисунке 2.34.

Рис. 2.34. Пластина Холла

Внешнее магнитное поле имеет магнитную индукцию B, в продольном направлении пластины протекает ток I, на боковые стороны пластины нанесены электроды, с которых снимают напряжение Холла U_х. При движении электронов q внутри пластины, помещенное в магнитное поле В, возникает отклоняющая сила F, смещающая электроны к краю пластины. При этом одна из сторон становится более отрицательно заряженной, чем другая. Поэтому возникает поперечная разность потенциалов – напряжение Холла, знак и амплитуда U_х зависят как от величины, так и от направления магнитного и электрического полей:

где R_X – эффективная толщина полупроводникового слоя, I – ток, B · sinα – составляющая индукции внешнего магнитного поля, перпендикулярная плоскости пластины. Самым распространенными материалами для изготовления пластины Холла являются полупроводниковые структуры на базе GaAs, InAs, InSb и др. Для них R_x ≈ 10⁵ см³/Кл. Если I = const, α = const, то

ΔU_x = S_x·ΔB,

где S_x = R_x · I / h – чувствительность элемента Холла.

Возникновение U_x является малоинерционным процессом, поэтому в диапазоне средних и высоких частот ЧЭ Холла можно считать практически безынерционным.

В зависимости от кристаллической структуры материала пластины заряды могут быть отрицательными, либо положительными, что определяет полярность U_x.

Магнитно-резистивный эффект – изменение сопротивление полупроводника или металла в магнитном поле. Схема пермаллоевого ЧЭ приведена на рисунке 2.35

Рис. 2.35. Пермаллоевый ЧЭ

Пермаллоевая пленка изменяет свое сопротивление в зависимости от взаимной ориентации тока I и внешнего магнитного поля B. Магнитное поле B поворачивает вектор намагниченности M пленки на угол β. При этом сопротивление пленки R = R₀ + ΔR · cos²β,

где R₀ – исходное сопротивление пленки при отсутствии магнитного поля, ΔR – приращение сопротивления пленки при действии внешнего магнитного поля.

Чувствительность пермаллоевых ЧЭ примерно в 200 раз выше чувствительности ЧЭ Холла.

Пьезоэлектрические чувствительные элементы

Пьезоэлектрические ЧЭ генераторного типа основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов под влиянием механических напряжений. Пьезоэлектрическими свойствами обладают кварц, сегнетова соль, турмалин, ниобат лития, пьезокерамики: титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др.

Физическая природа пьезоэффекта показана на рисунке 2.36 на примере кварца.