Резистивные измерительные преобразователи

Резистивные измерительные преобразователи относятся к классу параметрических датчиков, включаемых в электрическую цепь с источником питания. Общим свойством является зависимость сопротивления датчика от измеряемой величины.

Реостатный преобразователь — прецизионный реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины. Входной величиной датчика является линейное или угловое перемещение движка, выходной — изменение его сопротивления. Обмотка реостата изготавливается из провода с высоким удельным сопротивлением: константана, манганина, нихрома. Достоинство датчика заключается в его простоте, а недостаток — в механическом износе и химической коррозии, которые способны изменить рабочую характеристику датчика. Легко показать, что реостатный преобразователь перемещений имеет линейную функцию преобразования \( u_{н} = f(x)=\frac{U_{пит}}{l}x\) только при условии \( R_{нагр} \gg R_{реост}\), в противном случае появляется нелинейность.

Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) — проводник, изменяющий своё сопротивление при деформации растяжения–сжатия за счёт тензоэффекта. Функцией преобразования тензорезистора является зависимость его относительного сопротивления от деформации: . Различают металлические (проволочные, фольговые, плёночные) и полупроводниковые тензорезисторы. Полупроводниковые тензорезисторы имеют на два порядка большую чувствительность по сравнению с металлическими, но и сама чувствительность, и их сопротивление сильно зависят от температуры. Тензорезисторы применяют для измерений деформаций объекта контроля, для этого их наклеивают на объект контроля, чтобы они испытывали одинаковые с ним деформации.

Терморезисторные преобразователи (терморезисторы) — датчики, активное сопротивление которых меняется с изменением температуры, поэтому их называют термометры сопротивления. В качестве терморезистора используют металлические или полупроводниковые резисторы. Последние также называют термисторами. Для изготовления металлических терморезисторов обычно используют медь или платину. Функция преобразования медного терморезистора линейна:\(R_T=R_0(1+\alpha T)\), где \( R_0\) — сопротивление датчика при \(T=0 °С\), \(\alpha\) — температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Функция преобразования платинового терморезистора нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трёхчленом:\(R_T=R_0(1+\alpha T+\beta T^2)\). Коэффициенты зависимости равны: \(\alpha = 3,91\cdot 10^{–3}K^{–1}\), \(\beta = 5,78\cdot 10^{–7}K^{–2}\). Термометры сопротивлений обычно включают последовательно со вторичным прибором, часто с использованием компенсационных схем. В менее ответственных случаях для измерения сопротивлений используют мостовые схемы: в лабораторной практике — с ручным уравновешиванием, в производственных условиях — автоматические.

Полупроводниковые терморезисторы — термисторы изготавливают из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца, с номинальным сопротивлением от \(1\) до \(200\) кОм. В зависимости от типа они применяются для измерения температур от \(−100\) до \(600\) °С. Их чувствительность в \(6–10\) раз больше чувствительности металлических терморезисторов. Недостатком термисторов является нелинейность функции преобразования, обычно описываемой выражением:

где \(R_T\) — сопротивление термистора при температуре T в кельвинах; A,B — постоянные, зависящие от материала и технологии. Термисторы обычно включаются в схему неравновесного или автоматического моста.

Фоторезиторные преобразователи (фоторезисторы) — датчики, относящиеся к классу фотоэлектронных (оптоэлектронных) приёмников. Принцип их работы основан на внутреннем фотоэффекте — явлении образования свободных электронов и дырок в полупроводнике при поглощении квантов света и резком возрастании его фотопроводимости. Фоторезистор представляет собой пластинку, на которую нанесён слой полупроводникового фоточувствительного материала (обычно из сернистого кадмия, селенистого кадмия или сернистого свинца). Одной из основных характеристик фоторезисторов является фоточувствительность: токовая чувствительность к световому потоку: определяемая отношением изменения фототока к вызвавшему это изменение лучистому потоку. Эта чувствительность зависит не только от свойств фотоприёмника, но и от схемы, в которую он включён. Чувствительность фоторезисторов может определяться кратностью изменения их сопротивления:, где \(R_T\) — темновое сопротивление неосвещённого преобразователя (обычно \( R_T = 10^3 – 10^7\) Ом), \(R_{200}\) — сопротивление при освещённости E = 200 лк.

У некоторых типов фоторезисторов k достигает значений до \(10^5\). В целом фоторезисторы характеризуются высокой чувствительностью, большим спектральным диапазоном, возможностью использования в инфракрасной области спектра. К их недостаткам относят значительную инерционность: постоянная времени сернисто–кадмиевых датчиков лежит в пределах \(1–140\) мс, селенисто–кадмиевых — \(0,5–20\) мс. Отсюда сравнительно низкая граничная частота их использования — \(10^3 – 10^4 \)Гц. Кроме того, сопротивление фоторезисторов зависит от температуры подобно сопротивлению термисторов, поэтому с целью уменьшения температурной погрешности их включают в смежные плечи моста.

Магниторезистивные преобразователи (магниторезисторы) относятся к классу гальваномагнитных преобразователей, изменение сопротивления которых обусловлено изменением подвижности носителей зарядов в полупроводниках под действием магнитного поля. При воздействии магнитного поля с индукцией B скорость движения носителей зарядов в направлении поля уменьшается. Функция преобразования магниторезистора, описывающая зависимость его сопротивления от индукции, имеет вид:

где A — магниторезистивный коэффициент, зависящий от свойств материала и формы преобразователя, \(\mu\) — подвижность носителей заряда, m — показатель степени, равный \(2\) в слабых магнитных полях (\(B\le0,2-0,5\) Тл), и равный \(1\) в сильных магнитных полях.