Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем, страница 12

Например, для металлических тензорезисторов ~ = О,З, Й„= 0,4 и, следовательно, Б„= 2. Таким образом, функцию преобразования тензорезисторного ЧЭ можно представить в виде ЛЛ/М = = 5" ЬИ или, обозначив ЬКК = е,!, а ЬП = а,, получаем вв = 5,а . Важной характеристикой тензорезисторов является их температурная чувствительность, приводящая к изменению сопротивления даже в отсутствии деформации упругого элемента (рис. 2.2).

Для ее оценки используют ;,:,::-;:-:-:.. вемцеран1урный коэффи~!иенн! сопротивления и!~ — — ЬРг/(РЬТ), где ~Жу— .:';-'-:=:-':::::;: .изменение сопротивления тензорезистора под действием температуры; зна- 2. Элементы информационных систем ,5 чепия коэффициента о.„измег пяются от 2 10 С ' для кон- 40 1 2 стантана до 10 10 "С для нихрома и до 19 10 5 ОС 1 для изоэластика. Тснзорезисторы подразделяютна 0 200 400 600 Т, С три основные группы: проволочныс, Рис.

2.2. Влияние температуры на тем- фольговые и полУпРоводниковые. пературный коэффициент сопротивле- Основой тРоволо "нь'х тензоре пия(1) итензочувствительность(2) тен- зисторов является струна из конзорезистора стантановой (Си — М вЂ” Мп) проволоки диаметром 2...30 мкм, вклеенная с помощью фенолыюй смолы между бумажными подложками. Струну изготавливают либо волочением, либо методами микромсталлургии. В фольговых тензорезисторах (см.

рис. 2.1, а) используют константановую решетку, которую вытравливают фотохимическим способом из листов толщиной 5...10 мкм и приклеивают на бумагу толщиной 30...100 мкм. Тензорезисторы этого типа имеют наилучшую избирательность благодаря оптимизации рисунка решетки. Например, для уменьшения влияния поперечных деформаций поперечные части решетки делают толще продольных, При этом их сопротивление уменьшается.

Полупроводниковые тензорсзисторы (см. рис. 2.1, б) также представляют собой проволоку или решетку из монокристаллического германия или кремния; Их подразделяют на две группы: струнные и диффузионные. Струпные тензорезисторы изготавливают методом травления. Толщина струнных тензорезисторов составляет 20...50 мкм, ширина до 0,5 мм и длина 2...12 мм, Диффузионные тензорезисторы получают при помощи инжекти-, рования примесей непосредственно в монокристалл кремния, являющийся упругим элементом датчика. Изоляционный слой образуется благодаря р — л-переходу, смещенному в обратном направлении. Данная технология обеспечивает получение идентичных параметров у всех ЧЭ.

Сравнительная характеристика тснзорсзисторных ЧЭ дана в табл. 2.2. Наилучшими эксплуатационными характеристиками обладают фольговые тензорезисторы. Для них характерна малая поперечная тензочувствительность 5""" и хорошая температурная стабильность. В области линейных упругих деформаций (при в~ < 0,65 %, ч = 0,3) для константана 8 = 2 при -5 -1 а~~ =2 10 К .

Проволочным тензорезисторам свойственна большая, чем фольговым, поперечная тензочувствительность. В расчетах полагают, что для них Ятв " =2*10 Ят Полупроводниковые тензорезисторы при очень а 10, С ~ 20 2.1. Чувствительные элементы датчиков большой 5 (выше 100) обладают нелинейной функцией преобразования и самой высокой из всех тснзорезисторов тсмпсратурной чувствительностью. Для расширения температурного диапазона эксплуатации (от — 271 до 400 С ) их выполняют по технологии «кремний на сапфире».

Таблица 2.2 Основные параметры тензорезнсторов ~ Ширина 1еизорезистора. 11ри размещении тензорезистора па поверхности упругого элемента его температурный коэффициент сопротивления становится зависим от материала упругого элемента. Температурная компенсация тензорсзистора достигается при использовании материалов с согласованными для тензорезистора и упругого элемента температурными коэффициентами линейного расширения а~. В этом случае вместо а используют интегральный коэффициент Р, учитывающий материал упрутого элемента, Общее измененис сопротивления тензорезистора, установленного на упругий элемент, состаВит (ЛЬу/К)~ — — ~3Л7', Где ~3= 5(а1.„— а~,),а а~„, и а~у — температурные коэффициенты линейного расширения материалов тензорезистора и упругого элемента.

Датчик считается термо компенсированным, если ~1<1,5.10 С .Эффективная термокомпснсация обеспечивается для дат- чиков с упругими элементами из титана, стали, меди и других материалов с постоянными а~. Для тензорсзисторов, работающих в динамических рс- жимах, специальных мер тсрмокомпенсации не применяют. ь" -' 2. Элементы информационных систем 2.1.2. Электромагнитные чувствительные элементы Развитие методов бескоптактного съема информации привело к широкому использованию электромагнитных способов преобразования информации.

Именно элеюиромагнитные ЧЭ в настоящее время являются основой большинства промышленных датчиков разного назначения. Принцип действия электромагнитных ЧЭ основан на том, что в измеряемый параметр (например, перемещение) «вовлекается» один из элементов магнитного контура (обычно индуктивность).

Изменение индуктивности в свою очередь вызывает изм~~~ние М~г~итного потока через измерительную обмо~ку, а следовательно, и электрического сигнала. При построении электромагнитных датчиков наиболее известны два подхода: индуктивный и индукционный. В первом случае информативным параметром является индуктивность ЧЭ (катушки) Ь или коэффициент взаимной индукции Е.2, нескольких ЧЭ, во втором — ЭДС индукции.

Параметр Х, называют также коэффициентом самоиндукции, а Г,~1 — коэффициентом сВязи между ОбмОтками. Электромагнитные ЧЭ можно включать по дрОссельнОй и трансформаторной схемам. Дроссельная схема обычно содержит одну или две (при дифференциальном соединении) катушки, в которых изменяется коэффициснт самОиндукции 1 . В иЦюнсфОрмйжорнОЙ схеме используют не- С~ОЛГО катушек для и~ме~е~~я коэффициента взаимной индукции. При этом одна из катушек (обычно первичная) неподвижна.

Рассмотрим дроссельную схему. Индуктивность Х. дросселя с числом витков Ф катушки, магнитным сопротивлением К„и относи'гельной магнитной проницаемостью ц сердечника вычисляют по формуле Е.= — =Ф вЂ” я, 2 РРо Й1, ~а где Р = —; ц =10 ...10 (для ферромагнитного сердечника); ро —— Р =4п 10 Гнlм — магнитная постоянная; 1, ю — соответственно длина и площадь поперечного сечения сердечника. Вид функции преобразования ЧЭ зависит от того, какой из параметров является информативным; сели я, то функция линейна, если 1, то нет. Как правило, оба эти параметра зависят от перемещения сердечника х, Тогда Е = = Е(х) и К~1 = Х~1(х). Согласно правилу буравчика, вектор магнитной индукции В направлен вдоль-оси катушки. Если сечение:магнитопровода постоянно по длине, то для Н„справед- ливо выраженис 2.1. Чувствительные элементы датчиков 1м 10 м + Р 1 РоР~м Ро~о где 1м, 1о — длина силовых линий в магнитопроводе и воздухе соот- ветственно; юм, юΠ— площадь попереЧного сечения магнитопровода и воздушного зазора соответственно.

Принцип действия большинства электромагнитных ЧЭ основан на изменении зазора 61о (рис. 2.3, а). Индуктивность 1 ~=УФ ~ 1о + 1м IР. В расчетах используют упрощенную формулу 1.=Мол' ~11о Величина Ыосвязана с перемещением обкладки Ьх выражением Л1о —— = 2Ах (рис. 2.3, а). После упрощения получаем Лх 1 — = — 2— 1о 1+ 21~х11о Данное выражение можно рассматривать как функцию преобразования электромагнитного ЧЭ.

Видно, что зависимость коэффициента самоиндукцни 1. от перемещения Ьх нелинейна. При х«1Озависимость И,(Ах) аппроксимирустся рядом: 2 2 Рои я 2Лх 2ЛХ ЛИ,Лх)=2 Лх 1+ — + — +... 1о 1о 1о Существенное уменьшение погрешности, вызванной нелинейностью И..(Лх), достигается при дифференциальном (встречном) включении двух одинаковых катушек (рис. 2.3, б; 2.4, а), Для первой и второй катушек соответственно имеем Ьх Рис.

2З. Простая (а) н дифференциальная (6) дроссельныс схсмы: 1 — магнитопровод; 2 — катушка; 3 — подвижный ссрдсчник 2. Эыиенты ииформсщнонных сисв~еи ЛЕ1 Ьх 1 Щ Ьх 1 — = — 2— — =+2— А~ ~о 1+ 2~т~~о ~г ~о 1+2~х~~о Тогда при Ы.=(ЛЕ2 — ЛА~) чувствительность схемы удвоится, а нелинейность уменьшится до членов второго порядка малости вследствие компенсации.нелинейностсй первого и всех нечетных порядков (рис. 2,4, е). Действительно, Ро~ ~ 2 2 Л1,2 — ЛХ,1- — -4 Лх 1+ — +...

Ро ~о Приведем типичные параметры простейшего дросселя на несущей частоте 5 кГц: индуктивность около 5 мГн, индуктивное (реактивное) сопротивление около 150 Ом, активное сопротивление 20...200 Ом. В трансформаторной схеме (рис. 2.4, б) используют три. обмотки: первичную и две вторичные. Это позволяет электрически развязать первичную и вторичную цепи и существенно снизить влияние кагушек на подвижный элемент датчика, Первичная и вторичные обмотки могут быть включены в схеме согласно (встречно) либо взаимно заменены. Для питания датчиков дроссельного и трансформаторного типов используют синусоидальное напряжение с частотой сети до 50 кГц.