Теоретическая механика лекции из МАИ (ворд) (Lсt_mes6)

Посмотреть архив целиком

  • Потенциометрические датчики


    Потенциометрические датчики не утратили своего значения до сего времени в силу своей простоты и высокой линейности. Датчики этого типа представляют собой сопротивление, изменяющееся под действием измеряемой величины - перемещения или угла поворота. В проволочных потенциометрических датчиках сопротивление образуется плотной однослойной обмоткой из калиброванной проволоки, которая изготавливается из нихрома или иного материала с высоким удельным сопротивлением. По обмотке перемещается скользящий или катящийся элемент (движок). Через резистор, образованный обмоткой, протекает стабильный ток силой 1 мА или 10 мА, и он создает падение напряжения на той части сопротивления резистора, которая находится между движком и общей точкой. Объект, положение или угол поворота которого требуется измерить, жестко связан с этим движком. В линейных датчиках это напряжение пропорционально измеряемой величине и является выходным сигналом датчика. Резистор может быть выполнен не только из калиброванной проволоки, но из проводящего пластика. Устройство потенциометрических датчиков, преобразующих плоскопараллельное перемещение или угол поворота в изменение постоянного напряжения, показано на рис. 71. На рис. 71 а представлен датчик с однополярным выходным сигналом. Выходное напряжение датчика, представленного на рис. 71 б, изменяет полярность в зависимости от положения движка относительно середины резистора.

    Диапазон перемещений, преобразуемых потенциометрическими датчиками, довольно широк и составляет от 10 мм до 2.0 м. Потенциометрические датчики угла поворота имеют диапазон входных углов: однооборотные, показанные на рис. 71 в, - до 355°, многооборотные - до 7200°. Многооборотные датчики имеют не круглый, а плоский резистор, как у датчиков перемещения. В этих датчиках преобразование угла поворота в перемещение выполняется винтовой парой.

    Проволочные датчики уступают датчикам с резистором, выполненным из проводящего пластика, в отношении линейности - из-за влияния сопротивления витков намотки, и в отношении устойчивости к износу пары движок - резистор. Все потенциометрические датчики чувствительны к вибрациям, тряске, ударам, из-за чего может пропадать контакт движка с резистором.

    Проволочным потенциометрическим датчикам легко придается нелинейная функция преобразования заданного вида. С этой целью обмотка наматывается на каркас, толщина которого изменяется в соответствии с желаемой функцией.

    Наилучшие показатели потенциометрических датчиков, достигнутые, в частности, фирмой "Мегатрон", следующие:

    - для проволочных датчиков линейного перемещения и угла поворота предел допускаемой погрешности от нелинейности составляет от 0.15% до 5%,

    - для датчиков, резистор которых выполнен из проводящего пластика, предел допускаемой погрешности от нелинейности от 0.01% до 0.5%, разрешающая способность датчиков перемещений не хуже 10 мкм, ресурс - 50 млн движений оси.

    Широкую номенклатуру потенциометрических датчиков линейных и угловых перемещений выпускает фирма "Burster" (Германия). Пределы измерения линейных перемещений (0 ¸ 100) мм при длине корпуса датчика 253 мм, нелинейность датчика не превышает 0.1%, полное сопротивление 5 кОм. Диапазон измерения угловых перемещений (0 ¸ 350)°, погрешность не превышает 0,5%, масса 90 г.

    7.6. Емкостные датчики


    Емкостные датчики преобразуют измеряемую величину в изменение емкости конденсатора и являются параметрическими датчиками. Большинство емкостных датчиков представляют собой конденсатор с плоскопараллельными пластинами или коаксиальными цилиндрическими электродами. Начальная емкость подобных датчиков равна

    ,

    где - диэлектрическая проницаемость воздуха, e - относительная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала между пластинами, S - площадь пластин (электродов), d - расстояние между пластинами (электродами).

    Из формулы видно, что емкостный датчик может выполнять преобразование путем воздействия измеряемой величины на значение диэлектрической проницаемости, площади пластин (электродов) и на значение расстояния между пластинами (электродами).

    Преобразование воздействием на диэлектрическую проницаемость выполняют такие емкостные датчики, как датчики уровня негорючих жидкостей и датчики толщины d изоляционного материала, в том числе, изоляционных покрытий. Принцип действия этих датчиков поясняется рис. 72 а и 72 б.

    Одна из конструкций датчика уровня представляет собой цилиндрический конденсатор, электродами которого являются полый цилиндр и отделенный от него изолятором внутренний стержень длиной h (рис. 72.а). При погружении в жидкость с диэлектрической проницаемостью e на глубину , емкость получившегося конденсатора будет линейно зависеть от :

    .

    В подобных датчиках основная часть погрешности возникает из-за проводимости жидкости, вследствие чего при изменении уровня изменяются активные потери образованного таким образом конденсатора.

    Принцип действия емкостного датчика толщины ленты диэлектрического материала, в том числе, бумаги в процессе изготовления показан на рис. 72 б. Лента толщиной d при изготовлении проходит между параллельными обкладками плоского конденсатора, расположенными на расстоянии d друг от друга. Относительная диэлектрическая проницаемость ленты равна e, диэлектричес-

    кая проницаемость воздуха - . Площадь обкладок конденсатора S. Тогда ем-

    кость конденсатора зависит от измеряемой толщины следующим образом:

    .

    Емкостные датчики с изменяющейся площадью S обкладок (электродов) применяются при измерении, например, угла поворота a (рис 72 в) или перемещений L в несколько десятков миллиметров (рис. 72 г). Эти датчики удобно включить в мост переменного тока, как показано на рисунках.

    Наибольшее распространение получили емкостные датчики, в которых измеряемая величина преобразуется в малое перемещение обкладок конденсатора по направлению друг к другу. Такие датчики могут быть выполнены в двух вариантах, показанных на рис. 72 д и 72 е. Расстояние d между обкладками датчиков, выполненных в соответствии с обычной дискретной технологией, составляет от 10 мкм до нескольких десятых миллиметра. То же расстояние у емкостных датчиков, изготовленных способами полупроводниковых микротехнологий, может быть уменьшено до сотых долей миллиметра. Такое малое расстояние между обкладками конденсатора способствует увеличению емкости датчиков и тем самым - снижению влияния паразитных емкостей соединительных проводов, но также повышает чувствительность таких датчиков к температуре окружающей среды. Это происходит из-за того, что тепловое линейное расширение материалов, из которых они изготовлены, оказывается соизмеримым с величиной зазоров между обкладками, и при разработке емкостных датчиков следует предусматривать конструктивные и иные меры уменьшения указанного влияния теплового расширения, а также средства надежного крепления неподвижных и подвижных обкладок во избежание малейших люфтов.

    Кроме того нежелательным свойством одинарных емкостных датчиков (рис. 72 д) с малым зазором является возникновение силы притяжения между пластинами конденсатора, которая ранее в приборах электростатической системы была полезной. В дифференциальном преобразователе, представленном на рис. 66 е, эта сила может быть снижена вплоть до нуля.

    Отрицательное влияние на емкостные датчики с малым зазором оказывает даже малейшее увлажнение и засорение обкладок. Поэтому их необходимо тщательно обрабатывать и герметизировать.

    Начальная емкость емкостных датчиков с малым зазором .

    На основе подобных емкостных датчиков могут быть созданы датчики силы, ускорения и давления. Средства для первоначального преобразования этих величин в малое перемещения - те же, что использовались выше в тензорезистивных датчиках.

    Для создания датчика силы измеряемая сила преобразуется в малое перемещение с помощью упругого элемента, жесткость которого будет определять пределы измерения силы.

    Чтобы преобразовать ускорение в малое перемещение используется сила инерции, действующей на тело с массой m и упругий элемент, преобразующий эту силу в перемещение. Значение массы и жесткость упругого элемента будут определять диапазон измеряемых ускорений и собственную частоту колебаний подвижной системы датчика.

    Давление в малое перемещение преобразуется вначале в силу - через площадь мембраны S, а затем сила преобразуется в малое перемещение с помощью упругого элемента.

    Для преобразования емкости конденсатора в электрическое напряжение или ток применяются вторичные электрические преобразователи.

    Две схемы включения емкостных датчиков, предназначенных для преобразования переменных величин, представлены на рис. 73. Это, например, датчики виброускорений и переменных давлений, в том числе, конденсаторные микрофоны.


    Первая из этих схем (рис. 73 а) работает в режиме заданного напряжения, поэтому выходное сопротивление источника питающего постоянного напряжения U должно быть как можно меньше. Если емкость датчика изменяется, как

    ,

    то при постоянном напряжении заряд этого конденсатора будет изменяться так же:

    ,

    и ток заряда конденсатора будет создавать на небольшом сопротивлении нагрузки падение напряжения

    .

    Вторая схема (рис. 73 б) работает в режиме заданного заряда. Для этого последовательно с источником питающего напряжения включается большое сопротивление для того, чтобы конденсатор не успевал перезаряжаться, и заряд на нем оставался неизменным. Тогда, при гармоническом изменении емкости напряжение на конденсаторе будет меняться, как

    .

    Если емкостный датчик предназначен для преобразования медленно изменяющихся величин, то наиболее приемлемой схемой включения такого датчика является схема, представленная на рис. 73 в. Для того, чтобы снизить влияние паразитных емкостей и между соединительными проводами, необходимо обеспечить, чтобы выходное комплексное сопротивление источника переменного питающего напряжения частотой и комплексное сопротивление нагрузки удовлетворяли следующим условиям:

    , .

    Тогда переменное напряжение на сопротивлении нагрузки будет определяться величиной емкости :

    .

    При достаточном напряжении питания, не превосходящем величины напряжения пробоя малых зазоров (350 В), и последующем усилении может быть достигнута необходимая чувствительность такого преобразования. Полученное в результате переменное напряжение выпрямляется и фильтруется, после чего поступает на вход АЦП.

    Цепочки измерительных преобразований, выполняемых при применении емкостных датчиков, представлены на рис. 74.

    Ведущие фирмы мира применяют емкостные чувствительные элементы для создания датчиков ускорения и малых перемещений. Наиболее чувствительные емкостные датчики создаются с применением полупроводниковых микротехнологий. Так, фирма "Analog Devices" (США), известная своей микроэлектронной продукцией, выпускает малогабаритные емкостные датчики ускорения на кристалле кремния размером 3.05´3.05´1.0 мм с параметрами: зазор между обкладками конденсатора - 1.3 мкм, емкость - 0.1 пФ, максимальное изменение емкости 0.01 пФ, несущая частота 1 МГц, инерционная масса 0.1 мкг. Основная погрешность датчика не превышает 0,5%.





    7.7. Индуктивные датчики


    Индуктивные датчики входят в класс электромагнитных преобразователей и являются параметрическими датчиками. Эти датчики выполняют преобразование измеряемой величины в изменение индуктивности за счет изменения параметров магнитной цепи катушки индуктивности.

    Индуктивность катушки, намотанной медным проводом и содержащей w витков, в общем случае равна

    ,

    где - комплексное магнитное сопротивление цепи, по которой замыкается магнитное поле катушки, - компонента магнитного сопротивления, возникающая при наличии в магнитной цепи стали и вызванная потерями в стали на гистерезис и вихревые токи.

    Магнитные цепи большинства индуктивных датчиков устроены таким образом, чтобы эти потери были минимальны. Кроме того магнитные цепи этих датчиков состоят, в основном, из магнитомягкого материала, имеющего высокую магнитную проницаемость , и одного или двух воздушных зазоров, магнитное сопротивление которых настолько велико, что оно, в основном, определяет магнитное сопротивление всей цепи. При зазоре, образованном двумя плоскими параллельными поверхностями, расстояние между которыми равно d, а площадь равна S, его магнитное сопротивление, а по вышесказанному, и магнитное сопротивление всей цепи равно

    ,

    где - магнитная проницаемость воздуха.

    В результате начальная индуктивность реальных индуктивных датчиков с воздушными зазорами, площадь которых одинакова и равна S, а суммарная длина воздушного зазора равна d, выражается приближенной формулой

    .

    Приближенный характер формулы вызван влиянием полей рассеяния на краях воздушного зазора.

    Из этой формулы видно, что на значение индуктивности катушки влияют только такие измеряемые величины, которые могут быть преобразованы в изменение площади S или величины зазора d, или, иными словами, в изменение магнитного сопротивления магнитной цепи датчика.

    На первый взгляд, преимущество следовало бы отдать преобразованию измеряемой величины в изменении площади. Тогда преобразование было бы линейным. Но из-за краевых эффектов, вызванных рассеянием магнитного потока, линейность достигнута быть не может. Кроме того возникают конструктивные сложности организации подобного преобразования. Поэтому большинство индуктивных датчиков построены либо на изменении под действием измеряемой величины зазора, либо на изменении магнитного сопротивления всей цепи в целом за счет перемещения сердечника внутри катушки вдоль ее оси.

    На рис. 75а и 75б схематически показаны два одиночных индуктивных датчика, работающих по указанным принципам. Первый из них - датчик с малым зазором, изменение которого составляет от 0.01 мм до 10 мм. Второй - датчик, реагирующий на значительные перемещения до 100 мм. Обоим этим датчикам свойственен серьезный недостаток, из-за которого датчики такой конструкции не имеют практического применения. В них на перемещаемую деталь действует значительная электромагнитная сила, зависящая от ее положения.

    Влияние этой силы существенно снижается у дифференциальных индуктивных датчиков, конструкция которых и различные схемы включения показаны на рис. 75 в, 75 г и 75 д. Приведенные схемы включения могут быть применены к любому из индуктивных датчиков независимо от его конструкции. Эти

    схемы представляют собой неравновесные мосты, позволяющие получать на выходе нулевой сигнал при нулевом значении измеряемой величины. При этом значении мосты должны быть уравновешены по двум составляющим, поскольку это мосты переменного тока (см. также п. 5.2.1). Реактивная составляющая катушек легко делается примерно одинаковой, ибо она определяется, в основном, количеством витков и частично - полями рассеяния, которые уравниваются конструктивными методами. Активная компонента сопротивления катушки индуктивности определяется неоднородностью сопротивления проволоки, которой она намотана. Для уравновешивания моста по этой активной компоненте в то плечо, в котором активное сопротивление оказалось меньше, включают сопротивление r, подгонкой которого мост уравновешивается. Отклонение измеряемой величины от нуля вызывает в измерительной диагонали появление выходного сигнала переменного напряжения, который при последующих преобразованиях усиливается, выпрямляется и фильтруется, после чего подается на вход АЦП, преобразуется в код и передается в компьютер для дальнейших стандартных преобразований и математической обработки.

    Первичные преобразования измеряемых величин в изменение длины зазора аналогичны тем, которые выполняются в тензорезистивных и емкостных датчиках. Преобразование силы в малое перемещение выполняется с помощью подходящего упругого элемента с точно известной жесткостью W. Преобразование ускорения в силу происходит путем использования силы инерции, действующей на тело с точно известной массой m. Это тело крепится на перемещаемую часть упругого элемента датчика. Для преобразования давления в силу, а затем - в перемещение используется мембрана с точно известной площадью, жестко связанная с перемещаемым элементом.

    Датчики, показанные на рис. 75б, 75д, используются только для измерения значительных перемещений L.

    Из формулы для индуктивности видно, что преобразование длины зазора в индуктивность нелинейно. Существенного приближения к линейности достигают путем изменения конфигурации поверхностей, образующих зазор. Достижимые погрешности индуктивных датчиков составляют от 0.5% до 2%. Эти погрешности возникают из-за наличия движущихся элементов, полей рассеяния, потерь в сердечнике из-за гистерезиса и вихревых токов, действия электромагнитных сил, зависящих от положения перемещающего элемента.

    Существенным достоинством индуктивных датчиков, которое оправдывает их промышленное применение, является значительная мощность выходного сигнала, которая существенно превышает мощность выходных сигналов емкостного, пьезоэлектрического и тензорезистивного датчиков.

    Другой разновидностью индуктивных датчиков является датчик, магнитная цепь которого выполнена из сплошного магнитомягкого материала без воздушных зазоров. Будем считать, что с целью уменьшения потерь в магнитопроводе предприняты необходимые конструктивные и технологические меры. В этих условиях потери на гистерезис и вихревые токи отсутствуют. Кроме того будем считать , что площадь поперечного сечения магнитной цепи датчика постоянна по всей длине и относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода равна m. В этих условиях индуктивность датчика равна

    ,

    где l - средняя длина магнитопровода.

    Индуктивность такого датчика может изменяться путем изменения относительной магнитной проницаемости магнитопровода. Для этого магнитопровод изготавливается из материалов, магнитная проницаемость которых изменяется под действием механических напряений. Индуктивные датчики с таким магнитопроводом называются магнитоупругими. Для различных материалов относительное изменение магнитной проницаемости может составлять от 0.5% до 3% при изменении механического напряжения на 1 МПа. Этот эффект остается стабильным, если материал магнитопровода нагружается не больше, чем на 10% от допустимого предела упругих деформаций.

    Магнитоупругие датчики применяются для измерения силы в пределах от 250 Н до Н. Погрешность магнитоупругих датчиков зависит от многих факторов: механический гистерезис, нелинейность значения магнитной индукции в магнитопроводе, старение, нестабильность напряжения питания и др. В целом после механической тренировки магнитострикционного датчика с монолитным магнитопроводом может быть достигнута погрешность 2%.

    Достоинствами магнитоупругого датчика является значительная мощность, развиваемая на выходе и его высокая надежность, поскольку он не содержит движущихся элементов.

    Студентам рекомендуется в порядке упражнения самостоятельно изобразить цепочки измерительных преобразований, выполняемых с участием индуктивных и магнитоупругих датчиков с целью измерения малых перемещений, силы, давления и параметров виброускорения.


    7.7. Трансформаторные (взаимноиндуктивные) датчики



    Трансформаторные датчики преобразуют измеряемую величину в изменение коэффициента взаимной индуктивности M. Эти датчики принадлежат классу электромагнитных датчиков и являются параметрическими. К семейству трансформаторных датчиков относятся линейные и угловые индуктосины.

    Трансформаторные датчики так же, как индуктивные, применяются в виде дифференциальных датчиков. Схематически конструкция дифференциального трансформаторного датчика показана на рис. 76. Средний передвижной элемент (якорь) укреплен упруго, и при равенстве нулю измеряемой величины находится точно посередине воздушного зазора. Напряжения, возбуждаемые в частях вторичных обмоток, равны, и поскольку эти части обмоток включены встречно, выходное напряжение равно нулю. При воздействии измеряемой величины на якорь он перемещается вправо или влево, в результате чего изменяются коэффициенты взаимной индукции между частями первичной и вторичной обмоток, и на выходе появляется напряжение, соответствующее сдвигу якоря, а значит, и значению измеряемой величины.

    На основе трансформаторных датчиков могут быть созданы датчики силы, ускорения и давления с помощью преобразований этих величин в малое перемещение, аналогичных преобразованиям, выполняемым применительно к индуктивным, емкостным и тензорезистивным датчикам. Студентам рекомендуется в порядке упражнения самостоятельно изобразить цепочки измерительных преобразований, выполняемых с участием трансформаторных датчиков с целью измерения силы, давления и виброускорений.

    Погрешности трансформаторного датчика примерно равны погрешностям индуктивных датчиков. Наилучшие достигнутые характеристики основной приведенной погрешности таких датчиков с учетом гистерезиса: от 0.15% до 0.25%. Дополнительная погрешность от температуры (0.1 ¸ 0.5)%/10°С.

    Достоинствами трансформаторных датчиков являются: высокая выходная мощность и гальваническая развязка измерительной цепи от цепи питания. При промышленном применении датчиков последнее преимущество иногда является решающим.

    7.9. Линейный индуктосин


    К семейству трансформаторных датчиков относятся линейные индуктосины, которые являются датчиками для измерения больших перемещений (до 10 метров) с высокой степенью точности. Обмотки линейных индуктосинов являются плоскими, изготовлены из плоских проводников и наносятся на поверхности двух параллельных плоскостей, взаимное перемещение которых L подлежит измерению. Эти плоскости расположены на расстоянии (0.1 ¸ 0.5) мм друг от друга, и при их перемещении это расстояние не изменяется. На рис. 77 показана конфигурация обмоток и их взаимное расположение.

    Обмотки периодические, период всех обмоток одинаковый, его значение зависит от максимального перемещения и требуемой точности измерений.

    Обычно его выбирают в пределах от 1 мм до 10 мм. Сопротивление обмоток от 0.5 Ом до 10 Ом. В обмотку пропускается переменный ток силой (0.1 ¸ 0.5) А и частотой (10 ¸ 20) кГц. ЭДС, наводящаяся на вторичных обмотках и , равна (5 ¸ 20) мВ.

    Из рисунка видно, что обмотка сдвинута относительно обмотки на расстояние, соответствующее углу p/2.

    Сигналы ЭДС и , возникающие на вторичных обмотках, поступают на вход электронной схемы, представленной на рис. 78.

    Обозначим сдвиг первичной обмотки относительно вторичных обмоток через X. Тогда коэффициент взаимной индуктивности между обмотками и зависит от их взаимного расположения и равен

    .

    Коэффициент взаимной индуктивности между обмотками и

    .

    Ток в первичной обмотке . При этом токе во вторичных обмотках индуцируются напряжения:

    ,

    .

    Фазовращатель сдвигает напряжение на p/2, а сумматор складывает его с напряжением . Если усилители 1 и 2 отрегулированы так, что амплитуды их напряжений на выходе одинаковы, то после их суммирования с точностью до постоянного коэффициента получим:

    .

    Воспользовавшись формулой для косинуса суммы двух углов, свернем правую часть:

    .

    Мы получили переменное напряжение с частотой w и с фазовым сдвигом относительно первичного тока, зависящем от перемещения X, то есть пространственный сдвиг преобразовался в электрический фазовый сдвиг. Зависимость фазового сдвига от перемещения периодическая, ее период равен . Это означает, что измерение больших перемещений с помощью линейного индуктосина сводится к счету периодов, на которые переместилась подвижная обмотка относительно неподвижной, и затем уточнение дополнительного сдвига внутри периода обмоток . Данная процедура эквивалентна измерению длины средством измерения, снабженным нониусом. В этом случае в качестве нониуса служит значение фазового сдвига.

    Этот фазовый сдвиг можно преобразовать в код методом, аналогичным описанному в п. 6.2.4, или измерить с помощью цифрового прибора, но это может занять недопустимо много времени, в течение которого можно пропустить один или несколько периодов перемещения. При быстрых перемещениях это может привести к катастрофической погрешности. Поэтому предпринимают аналоговое преобразование фазового сдвига в постоянное напряжение с помощью фазочувствительного выпрямителя. Для его работы необходимо подавать на его второй вход опорное напряжение, которое лучше всего получить из цепи первичной обмотки, как падение напряжения на сопротивлении . Фазовый сдвиг этого напряжения на 90° приведет к тому, что опорное напряжение станет равным . Усилитель этого опорного напряжения (усилитель 3 на рис. 78) играет роль формирователя напряжения прямоугольной формы. Такая форма опорного напряжения обеспечивает хорошую работу фазочувствительного выпрямителя.

    В итоге на выходе получается пульсирующее напряжение, постоянная составляющая которого зависит от фазового сдвига между двумя входными напряжениями, то есть от перемещения подвижной обмотки относительно неподвижной внутри периода обмоток. Относительная точность такого измерения, конечно, при условии правильного счета периодов, весьма высока. Если, например, период обмоток равен 10 мм, то погрешность измерения смещения внутри него с точностью хотя бы 10% приводит к абсолютной погрешности измерения метрового перемещения, равной 1 мм, то есть 0.1%.Обычно точность измерения фазы гораздо выше, а величина периода обмоток может быть уменьшена. Поэтому подобные датчики позволяют достичь относительной погрешности в 0.01% и лучше. Существенный вклад в погрешность линейного индуктосина вносит различие между амплитудами напряжений и и отличие фазового сдвига, вносимого каждым из трех усилителей. Поэтому особенно тщательно нужно регулировать и стабилизировать коэффициенты усиления усилителей 1 и 2 и сдвиги по фазе, которые они вносят.

    Наиболее эффективное применение такие датчики находят в станкостроении, в особенности, в станках больших размеров: токарных, фрезерных, строгальных.

    Точно по такому же принципу действуют угловые индуктосины. В них обмотки наносятся на двух параллельных дисках, расположенных вблизи друг от друга. Один из них - неподвижный, другой вращается. На них расположены обмотки так же, как и в линейном индуктосине, но с учетом формы дисков - радиально. Угловые индуктосины позволяют измерять угол поворота с абсолютной погрешностью (3 - 10) угловых секунды.




    7.10. Гальваномагнитные датчики


    Гальваномагнитные датчики предназначены для преобразования индукции магнитного поля в напряжение или сопротивление.

    Гальваномагнитные датчики основаны на физическом воздействии магнитного поля и носителей зарядов, которые движутся в полупроводниках, находящихся в этом магнитном поле. Практическое применение получили датчики, изготовленные из материалов, в которых используются два эффекта: Холла и Гаусса. Датчики, использующие эффект Холла, преобразуют магнитную индукцию в напряжение и называются датчиками Холла. Эффект Гаусса заключается в изменении электрического сопротивления материала под действием магнитного поля, и поэтому датчики, использующие этот эффект, называются магниторезисторами.


    7.10.1. Гальваномагнитные датчики Холла


    Эффект Холла возникает в тонкой полупроводниковой пластинке или пленке, по которой идет ток. Если эта пластина или пленка находится в магнитном поле, направленном перпендикулярно ее поверхности, то носители зарядов отклоняются из-за действия силы Лоренца, равной F = e×v×B, где e - заряд носителя, движущегося со скоростью v перпендикулярно магнитному потоку, индукция которого равна B. Сила Лоренца действует перпендикулярно направлению движения носителей заряда и перпендикулярно направлению магнитного поля. В результате на одной боковой стороне пластины количество носителей зарядов увеличивается, а на другой - уменьшается, и между ними возникает разность потенциалов (ЭДС Холла).

    Для того, чтобы плотность тока была равномерной по ширине пластины, электроды, подводящие ток, припаиваются или привариваются по всей ширине пластины. Электроды, с помощью которых с боковых сторон снимается ЭДС Холла (Холловы электроды), привариваются к серединам сторон так, чтобы при отсутствии магнитного поля они оказались на эквипотенциальной линии. Диаметр контактной площадки этих электродов с пластиной обозначим через a. Остальные размеры: l - длина пластины, b - ширина пластины, d - толщина пластины (см. рис. 79, на котором магнитное поле направлено от читателя). Если l/b = 2 и a/l < 0.1, то ЭДС Холла равна

    ,

    где - постоянная Холла, зависящая от свойств материала пластины (пленки), d - толщина материала, I - сила тока, B - магнитная индукция, a - угол между вектором магнитного поля и магнитной осью пластины, близко совпадающей с нормалью к ее плоскости.

    Из этого выражения видно, что при постоянном токе через полупроводниковую пластину или пленку и при a = 0 ЭДС Холла определяется значением магнитной индукции B, для измерения которой и применяется этот датчик. Кроме того из этого же выражения следует, что датчик Холла может применяться и для перемножения двух величин: тока и магнитной индукции (или величины, которая может быть преобразована в нее).


    Основные полупроводниковые материалы, из которых изготавливаются серийные датчики Холла, это арсенид индия InAs, антимонид индия InSb или арсенид галлия GaAs. Делаются также датчики Холла из германия и кремния. Датчики выполняются в виде тонких пластин или пленок на подложках из слюды, ультрафарфора или стекла. Толщина d этих пленок составляет от 10 мкм до 200 мкм. Размеры l и b поверхностей датчиков составляют единицы миллиметров.

    С помощью датчиков Холла обычно измеряется индукция магнитного поля в труднодоступных местах, подход к которым возможен с одной стороны. Поэтому все четыре проводника подходят к датчику также с одной стороны, как это показано на рис. 79.

    Входное сопротивление датчика Холла - это сопротивление между токовыми электродами, оно может составлять от 0.5 Ом до нескольких килоом. Выходное сопротивление датчиков Холла - это сопротивление между Холловыми электродами. У серийно выпускаемых датчиков значения этих сопротивлений близки. Вследствие того, что в условиях применения датчиков Холла в полупроводнике возникает и эффект Гаусса, входное и выходное сопротивление с ростом магнитной индукции увеличиваются.

    Основные характеристики датчиков Холла.

    Основными характеристиками датчиков Холла, как любого средства измерений, являются метрологические характеристики, и первыми среди них - характеристики погрешности. Из-за большого количества причин, порождающих погрешности, они будут рассмотрены подробно в следующем пункте. Здесь будут представлены характеристики чувствительности и динамические характеристики датчиков Холла, а также варианты использования этих датчиков для измерения мощности и силы электрического тока.

    Гальваномагнитная чувствительность при a = 0 определяется выражением

    ,

    и для различных типов датчиков составляет (0.3 - 10) В/(А×Тл).

    Чувствительность датчиков Холла к магнитной индукции определяется при номинальном значении тока , как . Для серийно выпускаемых датчиков Холла значение этой чувствительности лежит в пределах (0.03 - 1) В/Тл. Значение силы номинального тока у различных датчиков различно. Ограничение силы тока определяется температурой перегрева датчика. Для высокоомных датчиков допустимая сила тока не превышает 50 мА, для низкоомных - 200 мА. В сильных полях появляется нелинейность, которая для лучших датчиков составляет (0.1 - 1.0)%.

    Чувствительность к току определяется при постоянном значении магнитной индукции, как . При индукции 1 Тл чувствительность датчиков Холла к току лежит в пределах (0.3 - 50)В/А.

    Остаточное напряжение датчика Холла действует между Холловыми электродами при прохождении по датчику электрического тока, но при отсутствии магнитного поля. Причиной возникновения остаточного напряжения является неточное расположение Холловских электродов на эквипотенциальной линии. Причиной возникновения остаточного напряжения является также термоЭДС, которая при градиенте температуры между Холловскими электродами в 0.1 °С может достигать от 10 мкВ до 100 мкВ. Для уменьшения температурного градиента датчик Холла располагают либо на теплопроводной подложке, либо на подложке с помощью теплопроводной, но электроизолирующей пасты.

    Динамические характеристики датчиков Холла определяются временем установления ЭДС Холла при ступенчатом изменении индукции магнитного поля или силы тока. Для обычно используемых материалов это время лежит в пределах с, поэтому датчик Холла может быть использован и для измерения индукции переменного магнитного поля, а также для перемножения переменных тока и индукции. В частности, если частота переменного тока и магнитной индукции совпадают и равна w, то ЭДС Холла

    .


    Постоянная составляющая этого выражения может быть отделена от переменной составляющей путем фильтрации, и тогда с помощью датчика Холла может быть построен ваттметр для измерения активной и реактивной мощности электрического тока. Ток в нагрузке должен быть преобразован в индукцию магнитного поля, как это показано на рис. 80, а напряжение на нагрузке - в ток через датчик Холла. Сила тока нагрузки, как правило, велика и составляет от десятков до десятков и сотен тысяч ампер. Удобным способом преобразования сильных токов в индукцию является концентрация магнитного потока, окружающего проводник с током, с помощью магнитопровода, охватывающего этот проводник, как это схематически показано на рис 80 и как это делается в токовых клещах. В зазор магнитопровода, индукция в котором пропорциональна силе тока, вводится датчик Холла, и через него пропускается ток, пропорциональный напряжению.

    Подобное преобразование тока в индукцию магнитного поля с последующим применением датчика Холла применяется, например, фирмой ABB для измерения и регистрации больших постоянных токов (см. рис. 80). Кроме того этот прием позволяет обеспечить гальваническую развязку средства измерений от мощной электрической цепи, что способствует эффективной борьбе с помехами (см. п. 6.4) и обеспечивает безопасность персонала.


    1. Источники погрешности датчиков Холла


    1. Нестабильность тока, пропускаемого через датчик. Метод уменьшения этой погрешности - стабилизация тока.

    2. Собственное магнитное поле, создаваемое витком с током (см. рис. 79). Направление этого поля совпадает или противоположно направлению полю, индукция которого измеряется. Индукция собственного поля датчика в отсутствии близко расположенных ферромагнитных тел обычно не превышает Тл. Но на практике приходится измерять индукцию магнитного поля в довольно узких зазорах электрических машин и аппаратов. В этой ситуации, когда ферромагнитные детали объекта расположены в непосредственной близости от датчика, индукция собственного магнитного поля достигает Тл, что приводит к существенной погрешности измерения.


    Метод уменьшения этой погрешности - проведение обратного провода тока точно над серединой датчика Холла, так, чтобы виток, образуемый проводами, подводящими ток к датчику, имел минимальную площадь, как это показано на рис. 81 а.

    3. Погрешность нуля (аддитивная составляющая) вызвана неточностью присоединения Холловских электродов к эквипотенциальной линии датчика. Для хотя бы частичного устранения этой причины можно использовать делитель напряжения, представленный на рис. 81 б. Этот делитель составлен из высокоомных сопротивлений, центральное сопротивление этого делителя - регулируемое.

    1. Температурные погрешности возникают из-за нескольких причин.

    Первая из них- нагревание датчика проходящим через него током.

    Вторая причина - нагревание датчика от внешних источников тепла.

    Третья причина - термоЭДС в цепи Холловских электродов.

    Четвертая причина - изменение температуры датчика вследствие эффекта Пельтье, возникающего в цепи тока.

    В силу действия этих причин изменяется температура датчика, а вместе с ней изменяется и градиент температуры между точками присоединения Холловских электродов. Метод борьбы с температурными погрешностями с помощью теплопроводящих паст изложен выше в п.7.10.1. Он сводится к уменьшению градиента температуры практически до нуля.

    5. Нелинейность датчика в сильном поле. Метод коррекции - линеаризация при известной функции прямого или обратного преобразования.

    Основная погрешность большинства серийно выпускаемых и применяемых датчиков Холла не превышает (0.5 - 1.0)%. Использование сложных методов коррекции погрешностей и термостатирование датчика при его применении позволяет достичь погрешности 0.2%.


    7.10.3. Магниторезистивные датчики


    Магниторезистивные датчики или магниторезисторы представляют собой разновидность гальваномагнитных датчиков, в которых под действием магнитного поля изменяется сопротивление электрическому току. В этом проявляется эффект Гаусса. Под действием магнитного поля траектории носителей заряда искривляются, скорость их движения в направлении электрического поля замедляется, и следовательно, увеличивается сопротивление. Уравнение преобразования индукции магнитного поля в сопротивление терморезистора выглядит следующим образом:

    ,

    где - сопротивление магниторезистора при отсутствии магнитного поля, А - магниторезистивный коэффициент, зависящий от материала и формы магниторезистора, u - подвижность носителей заряда, В - индукция магнитного поля, m - показатель степени, равный 2 в слабых полях, когда uB < 1, и равный 1, когда uB > 1.

    Функция преобразования магнитной индукции в сопротивление четная, поэтому сопротивление магниторезистора увеличивается как в постоянном, так и в переменном магнитном поле. Максимальная чувствительность достигается, когда магнитная ось магниторезистора направлена по направлению внешнего поля или против него. Кроме того чувствительность магниторезистора зависит от его формы, а именно, от отношения длины резистора к площади его поперечного сечения: чем больше это отношение, тем больше коэффициент А, и тем больше чувствительность.

    Лучшие материалы для изготовления магниторезисторов: антимонид индия InSb, арсенид индия InAs и сплавы антимонида индия с антимонидом никеля NiSb.

    Основными характеристиками магниторезисторов являются: начальное сопротивление и чувствительность . Ток питания магниторезисторов разных типов лежит в пределах от 1 мА до 100 мА в зависимости от его начального сопротивления, которое может быть равно от сотых долей Ом до десятков кОм. Рабочий диапазон температуры применения магниторезистора (-273 - +327)°С.

    Частотные характеристики магниторезисторов простираются до 10 МГц.

    Применение магниторезисторов пока ограничивается вследствие технологических трудностей обеспечения повторяемости их метрологических характеристик. Поэтому их основным применением является использование в релейном режиме с целью, например, фиксации наличия или отсутствия магнитного поля или превышения индукцией магнитного поля некоторого заданного уровня.


    7.11. Датчики скорости вращения


    Наиболее распространенными датчиками скорости вращения являются аналоговые датчики - тахогенераторы и дискретные датчики - преобразователи скорости вращения в частоту импульсов.

    Тахогенератор - это коллекторный генератор постоянного тока, статор которого изготовлен из хорошо стабилизированных постоянных магнитов, обеспечивающих погрешность воспроизведения индукции магнитного поля в зазоре до 0.05%. В этом поле вращается ротор с обмоткой, скорость которого равна измеряемой скорости вращения. В обмотке ротора возбуждается постоянное напряжение, пропорциональное скорости его вращения. Это напряжение через коллектор подается на выходные зажимы. В результате в условиях эксплуатации предельно достижимая погрешность тахогенератора может достигать значения 0.2%.

    Принцип работы простейших дискретных датчиков скорости вращения заключается в счете числа оборотов N в единицу времени. Для измерения больших скоростей с удовлетворительной точностью этого достаточно. Однако для измерения малых скоростей с повышенной точностью применяются датчики, у которых частота импульсов на выходе - есть величина, кратная числу оборотов в минуту, а именно . Преобразование частоты в код выполняется с помощью АЦП, описанных ранее в п. 6.2.3.

    Ввиду многообразия дискретных датчиков скорости вращения приведем лишь отдельные примеры оптических и магниторезистивных датчиков, представленные на рис. 82.

    В простейшем оптическом датчике скорости вращения (см. рис. 82 а) используется диск 1 с K отверстиями или прорезями. Этот диск монтируется на вал, скорость вращения которого требуется измерить. По одну сторону диска устанавливается источник света 2, по другую - приемник света 3, в качестве которого может быть использован фотодиод или фототриод. При вращении вала, а вместе с ним и диска свет, попадающий на приемник, прерывается K раз за

    один оборот, и частота следования импульсов от фотоприемника будет равна , где N - измеряемая скорость вращения. Эти импульсы от фотоприемника воспринимаются электронной схемой, усиливаются и формируются в виде потока однородных импульсов напряжения или тока.

    При невозможности установить на вал подобный диск в датчике скорости вращения может использоваться отраженный свет, как, например, показано на рис. 82 б. На поверхность вала с помощью специальной краски или иного материала параллельно оси вращения с равномерным шагом наносятся K полос 1. Луч света от источника 2 направляется на поверхность вала, а фотоприемник воспринимает отраженный свет. Если вал темный, наносят светлые полосы, если вал отшлифован и хорошо отражает свет, полосы - темные. И в этом случае частота импульсов света, воспринимаемых фотоприемником, также равна , где N - измеряемая скорость вращения.

    Для применения магниторезистивного датчика скорости вращения на вал устанавливается зубчатое колесо с K зубцами или используется имеющаяся на объекте шестерня из магнитного материала. На некотором расстоянии от этого зубчатого колеса монтируется магнит с полюсными наконечниками так, чтобы расстояние по дуге между ними было кратно шагу зубчатого колеса, как это показано на рис. 82 в. На полюсных наконечниках магнита устанавливаются магниторезисторы, сопротивление которых увеличивается при совпадении зубцов колеса с полюсами магнита. За один оборот колеса или шестерни количество таких совпадений будет равно K. При питании магниторезисторов постоянным током I на нем возникнет K импульсов напряжения, которые затем могут быть усилены, и из них сформируются импульсы одинаковой формы. Частота импульсов равна , где N - скорость вращения зубчатого колеса или шестерни.

    Аналогичным образом может быть измерена скорость вращения турбинного расходомера, расположенного в трубе (или в специальной вставке) из немагнитного материала. Такой метод можно применять для измерения скорости движения v по трубе или расхода Q горючих жидкостей и газов. Для его реализации в немагнитную вставку или в трубу из немагнитного материала монтируется крыльчатка из магнитного материала с K лопастями. На наружной поверхности трубы устанавливается магнит с полюсными наконечниками и магниторезисторы МР, как показано на рис. 82 г. При движении по трубе жидкости или газа крыльчатка вращается со скоростью, пропорциональной скорости движения среды. Сопротивление тензорезисторов будет изменяться с той же частотой, то есть , где N - скорость вращения крыльчатки.

    Для измерения экстремально малых скоростей могут быть полезными угловые индуктосины с малым шагом обмоток.

    Для применения в многоканальных измерительных информационных системах наиболее удобными датчиками скорости являются тахогенераторы, поскольку их выходной сигнал есть постоянное напряжение, зависящее от измеряемой скорости. Этот сигнал того же вида, что и сигналы в других каналах системы.

    204




  • Случайные файлы

    Файл
    12675.rtf
    3402-1.rtf
    66421.rtf
    3164-1.rtf
    155121.rtf




    Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
    Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
    Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.