Тема 2 (Раздаточные материалы)

Тема 2. Чувствительные элементы датчиков

План занятия

1. Основные положения

2. Резистивные чувствительные элементы

3. Электромагнитные чувствительные элементы

4. Преобразователи Холла

5. Оптические чувствительные элементы

6. Пьезоэлектрические чувствительные элементы

1. Основные понятия и определения

В общем случае каждый ЧЭ реагирует на различные воздействия, не являясь, таким образом, датчиком определенного параметра. Именно это обстоятельство привело к появлению погрешностей измерения. Предварительная обработка, в том числе и компенсация погрешностей, осуществляется измерительной цепью. В нее кроме основных ЧЭ, предназначенных для измерения параметров сигналов, включают дополнительные компенсационные ЧЭ, служащие для устранения погрешностей.

1. Резистивные ЧЭ

2.1. Тензодатчики

Тензоэффектом (или пьезорезистивным эффектом) называется свойство проводников и полупроводников изменять электрическое сопротивление при деформации. У полупроводников тензоэффект связан с изменением удельного электросопротивления, причем знак тензоэффекта зависит от типа проводимости материала, а значение –– от кристаллографического направления.

Тензочувствительность первичного преобразователя S_Т определяется зависимостью:

Тензорезистор является элементом параметрического датчика с низким выходным импедансом, и, как правило, включается в мостовую измерительную схему. Если в схеме используется единственный тензорезистор, то его подключают по четырех и шестипроводной схемам.

1. Термодатчики

Ф ункция преобразования термометра сопротивления описывается зависимостью:

Ф ункция преобразования термистора экспоненциальная:

Терморезисторы и термисторы относятся к классу преобразователей параметрического типа.

1. Электромагнитные ЧЭ

магнитоупругие

трансформаторные

индукционные

индуктивные

О сновным электромагнитным ЧЭ является катушка индуктивности — соленоид — винтовая или спиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении.

И ндуктивность L дросселя с числом витков N катушки, магнитным сопротивлением Rm и относительной магнитной проницаемостью m сердечника вычисляют по формуле:

Вид функции преобразования ЧЭ зависит от того, какой из параметров является информативным: если изменяется площадь s зазора, то функция линейна, если его длина l, то нет. Как правило, оба эти параметра зависят от перемещения сердечника x

Электромагнитные ЧЭ можно включать по дроссельной и трансформаторной схемам.

При построении электромагнитных датчиков наиболее часто используют два подхода:

• индуктивный

• индукционный.

В расчетах используют упрощенную формулу:

Существенное уменьшение погрешности, вызванной нелинейностью DL(Dx), достигается при дифференциальной (встречной) схеме включения двух одинаковых катушек

1. Преобразователи Холла

В ыходным сигналом преобразователя Холла является напряжение Холла U_Х, которое возникает в случае, если через находящийся в магнитном поле кристалл протекает опорный ток I_оп:

Обычно преобразователи Холла выполняют в виде интегральных микросхем.

1. Оптические ЧЭ

1. Излучатели

Э нергия излучаемого фотона W зависит от длины волны излучения l:

Д иаграмма направленности характеризует зависимость мощности излучения Р от его направления r (или угла q):

5.2. Фотоприемники

Функция преобразования фотоприемника имеет вид:

Фотодиод может работать в двух режимах:

• фотогальваническом (без внешнего источника напряжения);

• фотодиодном (с внешним обратным напряжением).

Пример построения навигационного датчика

6. Пьезоэлектрические ЧЭ

Рассмотрим упрощенную модель пьезоэффекта на примере кварца. Элементарная кристаллическая ячейка состоит из трех молекул SiO₂, которые, группируясь по две, образуют гексагональную структуру. Кристалл имеет срезы вдоль осей x, y и z.

Рассмотрение физической природы пьезоэффекта показывает, что при напряженном состоянии материала заряды принципиально могут возникать между тремя парами граней. Это означает, что поляризационный заряд Q является вектором и описывается тремя компонентами