Резисторные датчики

один из наиболее широко применяемых принципов преобразования физических величин основан на изменении сопротивления чувствительных элементов, которые могут быть реализованы в виде потенциометров, тензо- или терморезисторов.

Потенциометрические датчики. В них измеряемая физическая вели­чина обычно с помощью механической передачи преобразуется в перемещение движка потенциометра, что приводит к соответствующему из­менению сопротивления. Потенциометры могут быть выполнены как из проволоки, так и путем осаждения слоя углерода на один из компаундов. Чаще всего для изготовления проволоки используются различные сплавы платины, обладающие повышенной коррозионной и износостойкостью, при­меняются также манганин, константан и др. Достоинством потенциометрических датчиков является простота и универсальность, а не­достатком – ограниченность точности и быстродействия, обусловленная механической конструкцией. Пример схемы проволочных потенциометриче­ских датчиков представлен на рис. 2.1.

Датчики представляет собой каркас, на котором намотан в один слой провод с большим удельным сопротивлением, и подвижный контакт с ли­нейным (рис 2.1, а) или угловым (рис 2.1, б) перемещение движка, скользящего по веткам провода. Этот преобразователь представляет собой де­литель напряжения.

Рис.2.1 потенциометрические датчики (преобразователи)

 

Выходной ток I_н и напряжение U_н зависят от положения движка потен­циометра. Эта зависимость в общем нелинейна, что определяется прежде всего отношением полного сопротивления R потенциометра к сопротивле­нию нагрузки R_H. Величина относительного изменения сопротивления потенциометра К =r/R при равномерной его намотке совпадает с относи­тельным его перемещением L/ι движка потенциометра (где ι - общая длина сопротивления R), которая равна нулю при r=0 и единице при r=R. Однако при относительно большом сопротивлении нагрузки R_н>> R статическая ха­рактеристика потенциометра U_н=f(l) принимает линейный вид

Uн≈ U∙	R	≈ K1∙U∙l ,		(2.4)
R

где K₁ =1/L=1/R=const.

Если R_н в 10-20 раз больше R, то нелинейность статической харак­теристики не превышает 1-2% предела измерений.

Тензорезисторные датчикиоснованы на явлении тензоэффекта, за­ключающегося в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Первоначально тензорезисторы изготав­ливались из тонкой проволоки, уложенной зигзагообразно и наклеенной на основу. Сверху преобразователь покрывался слоем лака. Будучи приклеен­ным к поверхности испытуемого объекта, тензорезистор воспринимает ее деформации. Современные тензорезисторы изготавливаются на основе тех­нологии печатания схем (фольговые тензорезисторы) или методами осаждения тонких пленок, позволяющих значительно улучшить их характе­ристики. Для датчиков работающих в диапазоне температур до 180⁰С, в качестве тензочувствительного материала используется константан. Для бо­лее высоких температур (200-1000⁰С) применяются специальные сплавы.

Как правило, для всех тензорезисторов необходимы надежные способы их закрепление на поверхности испытываемых (деформируемых) объектов, а также требуется нанесение герметизирующих покрытий, предотвращающих нежелательные загрязнения. Особого искусства и техники требует также вы­полнение электрических соединений.

В последние годы изготавливают датчики с полупроводниками тензоре­зисторами, выращенными непосредственно на упругом элементе, выполненном из кремния и сапфира. Упругие элементы из кристаллических материалов обладают упругими свойствами, близкими к идеальным, и суще­ственно меньшим гистерезисом и нелинейностью по сравнению с металлическими.

На одном упругом элементе обычно выращивается не один тензорези­стор, а структура в виде полумоста или даже целый мост, кроме того, термокомпенсирующие элементы. В частности, КНС-структура (кремний на сапфире) положена в основу большой серии унифицированных датчиков давления, образующие приборный комплекс «Сапфир-22». Дальнейшим раз­витием унифицированных датчиков абсолютного давления и перепада давлений является создание комплекса датчиков «Сапфир-300», которые ба­зируются на чувствительном элементе с МДМ-структурой (металл - диэлектрик - металл).

Наиболее распространенной измерительной цепью для тензорезисторов является мостовая измерительная цепь.

Терморезисторы, в отличие от потенциометрических и тензорезисторных датчиков, применяются только для измерения температуры. Подробнее рассмотрим в разделе «Измерение температуры».