2.2.4. Переваги і недоліки потенціометричних вимірювальних перетворювачів. Шляхи подолання недоліків

До переваг розглянутих потенціометричних вимірювальних перетворювачів можна віднести:

простоту конструкції, малі габарити і масу; можливість отримання лінійних статичних характеристик з високою точністю; стабільність характеристик; можливість роботи на змінному і постійному струмах; малий перехідний опір; низький температурний коефіцієнт опору (ТКО).

Недоліками цих елементів потрібно вважати:

наявність контакту ковзання, який може стати причиною відмови внаслідок окислення контактної доріжки, перетирання витків або відхилення ковзунка; похибка в роботі за рахунок навантаження; порівняно невеликий коефіцієнт перетворення і високий поріг чутливості; наявність шумів; схильність до електроерозії під дією імпульсних розрядів; обмеженість швидкості лінійного переміщення або обертання (до 100…200 об/хв) струмознімача внаслідок його вібрації при переході з витка на виток і підвищення при цьому рівня динамічного шуму; обмежена можливість використання на змінному струмі підвищеної частоти (до 1 кГц), що обумовлено збільшенням індуктивності і ємності намотки; низька зносостійкість.

Прагнення подолати відмічені недоліки потенціометричних давачів, а також розширення кола задач, які розв’язуються з їх допомогою, призвели до створення непроволочних прецизійних потенціометрів з резисторними елементами на основі провідної пластмаси. Однорідна за структурою резистивна плівка забезпечує велику роздільну здатність, низький рівень динамічних шумів і можливість роботи при високих швидкостях переміщення струмознімача (до 1000 об/хв), а мала індуктивність та ємність створюють сприятливі умови при роботі непроволочних потенціометрів на високих частотах. Але ці елементи мають більш низьку точність і стабільність, а також мають великий ТКО і високий перехідних опір в точці контакту.

При підвищених вимогах до зносостійкості потенціометричного вимірювального перетворювача доцільно використати фотоелектричні потенціометричні давачі, або магніторезистивні потенціометри, в яких відсутній рухомий струмознімач. Фотопотенціометр за характером перетворення сигналу являє собою аналог електричного потенціометричного перетворювача. Відсутність рухомого контакту, який треться, дозволяє досягти високої зносостійкості. Крім того, безконтактні потенціометри порівняно зі звичайними володіють більш низьким рівнем шумів, які виникають в процесі регулювання, високою надійністю і швидкістю регулювання вихідного сигналу. Останнім часом активно використовуються рідинні потенціометри, про що розмова піде в останніх главах книги.

Але жоден з розглянутих видів потенціометрів не може повною мірою витіснити інший оскільки кожен з них разом з перевагами має суттєві недоліки, а тому найбільш раціонально може бути використаний тільки в конкретних умовах.

2.2.5. Тензорезистивні вп

Принцип дії тензорезисторів оснований на явищі тензоефекту - зміні величини активного опору провідникових і напівпровідникових матеріалів під дією прикладених до них механічних напруг.

Тензоефект різних матеріалів при деформації розтягнення або стискання характеризується коефіцієнтом тензочутливості

де

(R - приріст опору при зміні довжини l на величину l) ; Е - модуль пружності матеріалу ;  - механічна напруга.

Коефіцієнт тензочутливості показує, в скільки разів відносна зміна опору R більше його відносної деформації l.

Коефіцієнт тензочутливості пов’язаний з деформацією матеріалу і його питомим опором такими виразами :

де  -коефіцієнт Пуасона ;  - відносний приріст питомого опору  матеріалу при деформації; d - величина поперечної деформації, d - поперечний розмір матеріалу (круглого або квадратного перерізу).

Коефіцієнт тензочутливості для металів, які найбільш часто використовуються в тензорезисторах, наближений до двох. Так, наприклад, для константана 2, для ніхрома 2,2, для хромеля 2,5.

Більш високою тензочутливістю, ніж метали, володіють напівпровідникові матеріали (германій, кремній). Так, наприклад, для германія К_Т100. Однак напівпровідникові матеріали характеризуються малою механічною міцністю і більш низькою стабільністю порівняно з металами.

Тензорезистори, що виготовляються з металів, розподіляються на дротяні та фольгові. Вони застосовуються для вимірювання деформації та напруги в механічних конструкціях, а також в якості чутливих елементів в манометрах, динамометрах, витратомірах і т.п.

Дротяний тензорезистор (рис. 2.2.13, а) виконується з дроту діаметром 0,0020,05 мм з високим питомим опором (константан, ніхром, елінвар, едванс та ін.), який укладається у вигляді частих петель на тонкому папері чи ізоляційній плівці і приклеюється до неї.

Кінці дроту мають виводи, за допомогою яких тензорезистор підключається до вимірювальної схеми.

Тензорезистор наклеюється на поверхню дослідної деталі таким чином, щоб його поздовжня вісь була розташована в напрямку вимірюваної деформації деталі, тобто щоб можливі деформації деталей проходили вздовж петель резистора. Це дозволяє точніше вимірювати лінійні деформації.

Характеристика управління дротяних тензорезисторів в межах пружної деформації близька до лінійної і визначається виразом

Її лінійність досягає 0,1%.

Чутливість дротяного тензорезистора

Для збільшення чутливості дротяних тензорезисторів необхідно обирати матеріали з високим коефіцієнтом тензочутливості К_Т, великим питомим опором  і малою площею поперечного перерізу s.

Похибки дротяних тензорезисторів залежать від зміни температури, опору ізоляції, вологостійкості, якості наклеювання та наявності поперечної деформації (для наклеюваних перетворювачів). Зміни температури можуть нести особливо великі похибки. Це пов’язано як зі зміною питомого опору тензорезистора, так і з появою додаткових механічних напруг через різницю температурних розширень матеріалів тензорезисторів та деталі, деформація якої вимірюється. Тому часто застосовують тензорезистори з дротом із константану, що володіє малим температурним коефіцієнтом опору.

Максимальний струм через дротяний тензорезистор обмежується допустимою потужністю, що визначається виразом P  _ s_ох , де _ – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(см²∙град); s_ох – площа поверхні охолодження обмотки, см²;  =  – _{0 max} – дозволене перевищення температури обмотки при нагріві її струмом, град. В даному випадку поверхня охолодження

де p i l - відповідно периметр і довжина дроту тензорезистора.

Зазвичай для дротяних тензорезисторів максимальний струм складає величину порядка декількох десятків міліампер.

Дротяні тензорезистори виконуються з опором 101000 Ом і мають розміри основи 2100 мм. Найбільше подовження тензорезистора в процесі вимірювання не повинно перевищувати меж пружної деформації. Зазвичай відносне подовження складає близько 1%.

До переваг дротяних тензорезисторів слід віднести незначну вагу і розміри, малу інерцію, відсутність гістерезису, а до недоліків – відносно невисоку чутливість і можливість використання для випробувань тільки однієї деталі.

Фольговий тензорезистор (рис. 2.2.13, б), в принципі, аналогічний дротяному. Лише гратка його виконана з константанової фольги товщиною порядка 10 мкм . Малюнок гратки вибирають таким, щоб можна було знизити похибку через поперечну деформацію, котра в фольгових тензорезисторах практично дорівнює нулю. Фольгові тензорезистори можуть пропускати більший струм, ніж дротяні; це обумовлено великою площею поперечного перерізу провідника при тих самих розмірах резистора і великою тепловіддачею, оскільки гратка примикає до досліджуваної деталі більшою поверхнею, що поліпшує умови теплообміну.

Напівпровідникові тензорезистори мають ряд суттєвих переваг: їх чутливість в 50-60 раз перевищує чутливість дротяних, розміри суттєво менші, рівень вихідного сигналу в ряді випадків достатній для використання без складних і дорогих підсилювачів. Основною їх відмінністю від дротяних є велика (до 50%) зміна опору тензоперетворювача при деформації.

До недоліків напівпровідникових тензорезисторів слід віднести малі механічну міцність і гнучкість. Велику тензочутливість цих тензорезисторів реалізувати виявляється дуже складно через нелінійність характеристики, високу чутливість до впливів зовнішніх умов і істотного розкиду параметрів від зразка до зразка.