1
ДАТЧИЦИ
1
1
.
.
Р
Р
Е
Е
З
З
И
И
С
С
Т
Т
И
И
В
В
Н
Н
И
И
Д
Д
А
А
Т
Т
Ч
Ч
И
И
Ц
Ц
И
И
1.1
Потенциометри
за
измерване
на
линейно
преместване
.
Те
се
състоят
от
цилиндър
или
паралелепипед
с
навит
върху
него
проводник
или
филм
от
проводящ
слой
.
Съпротивлението
на
единица
дължина
е
константно
,
така
че
съотношението
на
изходното
напрежение
към
захранващото
е
пропорционално
на
изместването
X
на
плъзгача
.
Грешката
от
квантоване
на
жичния
потенциометър
е
100/n
процента
,
където
n
е
броя
на
завъртанията
,
и
е
толкова
по
-
малка
колкото
е
по
-
малък
диаметъра
на
проводника
.
Типичната
фамилия
от
жични
потенциометри
покрива
диапазона
от
0.5
до
100
инча
,
с
нелинейност
от
±
0.2%
,
с
грешка
от
квантоване
от
0.008%
и
специфично
съпротивление
от
1
к
W
/
инч
.
Елементите
с
филм
от
проводящ
слой
имат
нулева
грешка
от
квантоване
,
но
по
-
висок
ТКС
.
Фамилията
на
тези
потенциометри
покрива
диапазона
от
25
до
250mm
,
имат
нелинейност
по
-
висока
от
±
0.04%
и
съпротивления
от
500
Ом
до
80
к
W
.
Технологично
най
-
нов
е
хибридният
пистов
потенциометър
,
който
е
произведен
чрез
прецизно
пластмасово
покритие
нанесено
върху
съпротивителния
проводник
и
обединява
най
-
доброто
от
жичните
и
филмовите
потенциометри
.
Съпротивлението
на
товара
{
регистратор
или
индикатор
}
трябва
да
бъде
по
-
голямо
отколкото
съпротивлението
на
потенциометъра
,
в
противен
случай
зависимостта
става
нелинейна
.
1.2
Терморезистори
и
термистори
за
измерване
на
температура
.
Съпротивлението
на
повечето
метали
се
увеличава
линейно
с
нарастването
на
температурата
в
диапазона
от
–100
до
+800
C
0
.
Главната
връзка
между
съпротивлението
R
т
[
W
]
на
метален
елемент
и
температурата
Т
се
дава
в
следната
форма
:
(
)
...
1
3
2
0
+
+
+
+
=
T
T
T
R
R
t
g
b
a
(1)
където
0
R
( )
W
е
съпротивлението
при
0
градуса
по
Целзий
,
а
a
,
b
и
g
са
температурни
коефициенти
.
Нелинейността
обикновено
е
малка
.
Фигура
1
а
показва
изменението
на
съотношението
t
R
/
0
R
във
функция
от
температурата
за
платина
,
мед
и
никел
.
Въпреки
,
че
е
относително
скъпа
платината
е
предпочитана
за
направата
на
индустриални
съпротивителни
термометри
.
Платината
е
за
предпочитане
,
защото
е
химически
инертна
,
има
линейна
и
повторима
R/T
характеристика
,
може
да
се
използва
в
много
широк
температурен
диапазон
[-200
до
+800 C]
и
в
различни
видове
среди
.
Платината
може
да
бъде
добита
в
много
чист
вид
,
което
гарантира
малки
вариации
2
съпротивлението
на
различните
елементи
при
еднаква
температура
.
Типичен
платинов
елемент
има
W
=
0
.
100
0
R
,
W
=
50
.
138
100
R
,
W
=
83
.
175
200
R
,
3
10
*
91
.
3
-
=
a
/
C
0
и
7
10
*
85
.
5
-
-
=
b
2
0
-
C
.
Разликата
в
съпротивленията
на
точката
на
замръзване
и
точката
на
кипене
0
100
R
R
-
се
нарича
основен
интервал
.
За
гореспоменатия
елемент
той
е
W
5
,
38
.
Максималната
приведена
грешка
от
нелинейност
като
процент
температурния
диапазон
от
0
до
200
C
0
е
+0.76%
.
На
фиг
. 1
б
е
показана
конструкцията
на
един
елемент
.
Фина
платинена
нишка
е
навита
на
малка
спирала
и
е
поставена
в
аксиален
отвор
на
много
чист
алуминиев
изолатор
.
В
отвора
е
поставена
стъклена
вата
и
детайла
е
нагрят
до
висока
температура
,
като
по
този
начин
се
фиксира
вътрешната
част
,
а
останалата
част
от
платинения
проводник
може
свободно
да
се
премества
.
На
фигурата
е
показано
,
че
елемента
се
намира
в
защитен
кожух
от
неръждаема
стомана
.
Терморезистивните
датчици
направени
от
полупроводников
материал
се
наричат
термистори
.
Най
-
често
използваният
тип
е
изготвен
от
оксид
на
хром
,
манган
,
желязо
,
кобалт
или
никел
.
Съпротивлението
на
тези
елементи
намалява
с
увеличаване
на
температурата
–
с
други
думи
имат
отрицателен
температурен
коефициент
–
по
нелинеен
закон
.
Равенството
(2)
показва
зависимостта
съпротивление
/
температура
на
типичен
термистор
:
÷
ø
ö
ç
è
æ
=
q
b
q
exp
K
R
(2)
където
0
R
e
съпротивлението
при
температура
K
q
,
а
K
и
b
са
константи
на
термистора
.
Обикновено
се
използва
алтернативното
уравнение
:
фиг
. 1
3
ú
û
ù
ê
ë
é
-
=
1
1
1
1
exp
q
q
q
q
R
R
(3)
където
W
1
q
R
е
съпротивление
при
температура
K
1
q
,
обикновено
C
0
1
25
=
q
.
Термисторите
обикновено
имат
форма
на
мънисто
,
цилиндър
или
диск
[
фиг
. 2].
T
ермисторите
с
форма
на
мънисто
са
затворени
в
стъклен
корпус
.
Типичният
NTC
термистор
има
съпротивление
от
12
W
k
при
C
0
25
,
което
пада
до
W
k
95
.
0
при
C
0
100
,
а
K
3750
=
b
.
Производственият
толеранс
даден
по
горе
на
фигурата
е
±
7
%
±
W
840
,
при
C
0
25
.
и
±
%
5
,
±
W
5
.
47
,
при
C
0
100
;
където
е
голямата
разлика
с
металните
елементи
.
Времеконстантата
на
елемента
е
19
сек
.
във
въздух
3
сек
.
във
масло
и
самоподгряващия
ефект
е
увеличаване
с
C
0
1
за
всеки
7mW
ел
.
енергия
.
Термистори
с
положителен
температурен
коефициент
също
съществуват
.
Съпротивлението
на
типичен
елемент
се
увеличава
от
W
100
при
C
0
55
-
до
W
k
10
при
C
0
120
.
1.3.
Метални
и
полупроводникови
резистори
за
измерване
на
сили
.
Преди
да
дискутираме
измерването
на
сила
трябва
първо
накратко
да
обясним
понятията
като
натиск
,
сила
,
модул
на
еластичност
и
коефициент
на
Поасон
.
Механичното
напрежение
се
определя
посредством
отношението
сила
/
площ
показано
на
фиг
. 3a.
Натиска
приложен
на
тяло
е
+F/A,
положителния
знак
показва
,
че
приложения
натиск
води
до
увеличаване
дължината
на
тялото
.
Ефекта
от
приложения
натиск
е
възникване
на
напрежение
в
тялото
което
се
дефинира
с
[
промяна
в
дължината
]/[
оригиналната
дължина
].
По
този
начин
на
фиг
. 3a
напрежението
е
e
l
l
/
D
+
=
,
а
на
фиг
. 3b,
напрежението
е
e
l
l
/
D
-
=
като
и
в
двата
случая
напрежението
е
по
посока
на
прилагане
натиска
.
фиг
. 2
4
Връзката
между
натиск
и
напрежение
е
линейна
за
даденото
тяло
в
определен
интервал
.
Наклона
на
правата
се
нарича
модул
на
еластичност
на
тялото
.
Модул
на
еластичност
=
напрежение
мех
надлъжно
напрежение
мех
напречно
.
_
.
_
(4)
За
линейно
напрежение
или
налягане
модула
на
еластичност
се
нарича
модул
на
Юнг
.
При
натиск
на
срязване
модула
на
еластичност
се
нарича
модул
на
срязване
S.
Да
се
върнем
на
фиг
. 3a,
забелязахме
че
увеличаване
дължината
на
тялото
е
съпроводено
с
намаляване
на
напречния
размер
т
.
е
.
намаляване
в
широчина
и
дебелина
.
По
този
начин
на
фиг
. 3
а
надлъжна
разтегателна
сила
е
съпроводена
с
напречна
сила
на
натиск
,
а
на
фиг
. 3
б
надлъжна
сила
на
натиск
е
съпроводена
с
напречна
разтегателна
сила
.
Връзката
между
надлъжното
е
l
и
напречното
e
t
напрежения
е
:
e
l
t
e
n
-
=
(5)
където
n
е
коефициент
на
Поасон
,
който
има
стойност
между
0.25
и
0.4
за
повечето
материали
.
Датчиците
за
измерване
на
натиск
са
метални
или
плупроводникови
елементи
,
чието
съпротивление
се
променя
под
действието
на
натиск
.
Ние
можем
да
получим
връзката
между
изменението
на
съпротивлението
и
натиска
предвид
факторите
влияещи
на
съпротивлението
на
елемента
.
Съпротивлението
на
дължината
на
елемента
l,
напречното
сечение
А
и
специфичното
съпротивление
`
r
фиг
. 4
се
дава
с
уравнението
:
A
l
R
r
=
(6)
фиг
. 3
фиг
. 4
5
Обикновено
величините
r
,
l
и
А
могат
да
се
променят
ако
елемента
е
подложен
на
натиск
така
,
че
разликата
в
съпротивлението
R
D
се
дава
с
израза
:
r
r
D
÷÷
ø
ö
çç
è
æ
¶
¶
+
D
÷
ø
ö
ç
è
æ
¶
¶
+
D
÷
ø
ö
ç
è
æ
¶
¶
=
D
R
A
A
R
l
l
R
R
(7)
т
.
е
.
r
r
r
D
+
D
+
D
=
D
A
l
A
A
l
l
A
R
2
.
Замествайки
A
l
R
/
r
=
получаваме
:
r
r
D
+
D
-
D
=
D
A
A
l
l
R
R
(8)
Отношението
l
l
/
D
е
напрежението
l
e
в
елемента
.
Докато
напречното
сечение
е
t
A
w
=
[
фиг
. 4],
t
e
t
t
A
A
2
=
D
+
D
=
D
v
w
където
t
e
е
напречния
натиск
в
елемента
.
От
(5)
и
(8)
се
вижда
:
(
)
(
)
r
r
n
r
r
n
D
+
+
=
D
+
-
-
=
D
l
l
l
e
e
e
R
R
2
1
2
(9)
Сега
ще
дефинираме
измервателния
фактор
G
на
измервания
натиск
като
съотношение
на
[
безкрайно
малко
изменение
на
съпротивлението
]/[
натиск
]
т
.
е
.
e
R
R
G
0
/
D
=
Следователно
Ge
R
R
=
D
(10)
където
0
R
е
съпротивлението
на
датчика
без
да
е
приложен
натиск
върху
него
.
От
[ 8.9]
измервателния
фактор
се
дава
с
:
r
r
n
D
+
+
=
e
G
1
2
1
(11)
За
повечето
метали
n
=0.3,
а
отношението
( )(
)
r
r
/
/
1
D
e
представлява
натиска
довеждащ
до
промяна
на
съпротивлението
[
пиезорезистивен
ефект
].
То
е
малко
около
0.4.
Така
измервателния
фактор
G
е
около
2.0.
Най
-
често
използван
a
та
сплав
за
направата
на
датчици
за
натиск
съдържа
54%
мед
, 44%
никел
и
1%
манган
.
Сплавта
има
малък
ТКС
(
)
1
0
5
10
*
2
-
-
C
и
малък
температурен
коефициент
на
линейно
разширение
.
Най
-
общо
датчиците
за
натиск
са
обединен
тип
.
Състоят
се
от
метално
фолио
,
прорязано
във
формата
на
решетка
чрез
ецване
покрито
със
смола
.
Гърба
на
филма
е
прикрепен
към
структурата
за
измерване
с
подходящо
лепило
.
Измерването
трябва
да
бъде
ориентирано
така
,
че
активната
ос
да
съвпада
с
посоката
на
измервания
натиск
.
Промяната
в
съпротивлението
,
дължаща
се
на
приложената
сила
по
пасивната
ос
е
много
малко
в
сравнение
с
това
на
активната
.
Типичен
датчик
има
:
-
измервателен
фактор
от
0
.
2
до
2
.
2
;
-
съпротивление
без
да
е
приложен
натиск
от
120
± W
1
-
вътрешно
съпротивление
±
%
3
,
0
;
-
максимално
напрежение
при
натиск
2
10
*
2
-
+
;
6
-
максимално
налягане
при
натиск
2
10
*
1
-
-
;
-
максимална
работна
температура
C
0
150
.
Промяната
на
съпротивлението
при
максимално
напрежение
е
W
+
=
D
8
.
4
R
,
а
при
максимално
налягане
е
W
-
=
D
4
.
2
R
.
Максималният
измервателен
ток
е
между
mA
15
и
mA
100
,
Той
е
специфициран
в
зависимост
от
областта
на
приложение
за
да
се
избегне
самоподгряващия
ефект
.
Несвързаните
датчици
за
измерване
на
натиск
се
състоят
от
фин
метален
проводник
навит
върху
стълбчета
.
Те
намират
най
-
голямо
приложение
.
В
полупроводниковите
измерватели
пиезорезистивното
отношение
( )(
)
r
r
/
/
1
D
e
може
да
бъде
по
-
голямо
,
което
дава
по
-
голям
измервателен
фактор
.
Най
-
често
за
направата
им
се
използва
силиций
тип
Р
или
тип
N.
Измервателния
фактор
е
между
+100
и
+175
за
тип
Р
и
между
–100
и
–140
за
N
тип
.
Отрицателния
измервателен
фактор
води
до
намаляване
на
съпротивлението
при
прилагане
на
натиск
.
По
такъв
начин
полупроводниковия
датчик
има
предимството
,
че
е
по
-
чувсвителен
от
подобните
метални
,
но
недостатък
е
голямата
им
чувствителност
към
промяната
на
температурата
.
Обикновено
увеличаването
на
температурата
в
диапазона
от
0
до
40
C
0
води
до
намаляване
на
измервателния
фактор
от
135
до
120.
Също
така
ТКС
е
по
-
голям
,
така
,
че
съпротивлението
на
типичен
ненатоварен
датчик
ще
намалее
от
W
120
при
C
0
20
до
W
125
при
C
0
60
.
Датчиците
за
измерване
на
натиск
се
свързват
в
измервателен
мост
.
2.
КАПАЦИТИВНИ
ДАТЧИЦИ
.
фиг
. 5
7
Най
-
простия
капацитивен
елемент
или
кондензатор
се
състои
от
две
паралелни
метални
плочи
разделени
с
диелектрик
или
изолиращ
материал
[
фиг
. 5].
Капацитета
на
такъв
кондензатор
се
дава
с
:
d
A
C
e
e
0
=
(12)
където
0
e
е
диелектрична
константа
във
вакуум
и
е
със
стойност
1
85
,
8
-
pFm
,
e
е
диелектрична
константа
на
изолационен
материал
,
2
Am
е
площта
на
металните
плочи
,
а
d
е
разстоянието
между
тях
.
От
(12)
виждаме
,
че
C
може
да
се
променя
при
промяна
на
някои
от
коефициентите
:
d
,
A
или
e
.
Фиг
. 5
показва
капацитивен
датчик
използващ
всеки
от
тези
методи
.
Ако
изместването
х
води
до
увеличаване
на
разстоянието
между
плочите
до
d+ x
то
капацитета
на
датчика
е
:
x
d
A
C
+
=
e
e
0
(13)
т
.
е
.
има
нелинейна
зависимост
между
С
и
х
.
При
променливите
кондензатори
,
отместването
х
води
до
намаляване
на
площта
wx
A
=
D
,
където
w
е
широчината
на
плочите
,
следователно
:
(
)
wx
A
d
C
-
=
e
e
0
(14)
При
диелектричните
променливи
кондензатори
,
отместването
х
води
до
промяна
на
диелектричния
материал
(
)
1
2
2
e
e
e
>
поставен
между
плочите
.
Пълния
капацитет
на
датчика
е
сума
от
два
капацитета
,
един
с
площ
А
1
и
диелектрична
константа
1
e
,
един
с
площ
А
2
и
диелектрична
константа
2
e
т
.
е
.
d
A
d
A
C
2
2
0
1
1
0
e
e
e
e
+
=
Където
wx
A
=
1
,
(
)
x
l
w
A
-
=
2
,
w
e
широчината
на
плочите
,
(
)
[
]
x
l
d
w
C
1
2
2
0
e
e
e
e
-
-
=
.
(15)
Най
-
често
използвания
капацитивен
датчик
за
налягане
е
показан
на
фиг
. 5.
Тук
едната
плоча
е
неподвижен
метален
диск
, a
другата
е
гъвкава
плоска
кръгла
диафрагма
закрепена
около
него
.
Диелектрика
е
въздух
[
1
=
e
].
Диафрагмата
е
еластичен
чувствителен
елемент
,
който
се
огъва
под
действието
на
налягането
Р
.
Отклонението
y
за
всеки
радиус
r
е
равно
на
:
(
)(
)
P
r
a
Et
y
2
2
2
3
2
1
16
3
-
-
=
n
(16)
където
а
=
радиус
на
диафрагмата
t =
дебелина
на
диафрагмата
Е
=
модул
на
Юнг
v =
коефициент
на
Поасон
Деформацията
на
диафрагмата
води
до
намаляване
на
разстоянието
между
плочите
,
резултатното
увеличаване
на
капацитета
C
D
е
равно
на
:
(
)
P
Edt
a
C
C
3
4
2
16
1
n
-
=
D
(17)
8
Връзката
между
С
1,
С
2
и
х
е
нелинейна
,
но
когато
C1
и
C2
са
свързани
в
мост
,
връзката
между
изходното
напрежение
на
моста
и
х
е
линейна
d
a
C
/
2
0
p
e
=
.
Променливите
кондензатори
за
измерване
на
линейно
преместване
имат
голяма
нелинейност
във
функция
от
преместването
.
Този
проблем
може
да
се
избегне
като
се
използва
диференциален
кондензатор
с
3
плочи
показан
на
фигура
5.
Той
се
състои
от
плоча
М
която
се
движи
между
2
неподвижни
плочи
F
1
и
F
2.
Ако
Х
е
преместването
на
М
от
централната
линия
АВ
тогава
капацитетите
C
1
и
C
2
който
се
формират
между
MF
1
и
MF
2
са
съответно
:
x
d
A
C
+
=
e
e
0
1
x
d
A
C
-
=
e
e
0
2
(18)
Следващият
елемент
показан
на
фиг
. 5
е
датчик
за
ниво
,
състоящ
се
от
два
концентрични
метални
цилиндъра
.
Пространството
между
цилиндрите
съдържа
течност
с
височина
h
колкото
е
течността
в
съда
.
Ако
течността
е
непроводяща
[
електрическа
проводимост
по
-
малка
от
3
1
.
0
-
mhocm
m
]
това
е
подходящ
диелектрик
и
пълния
капацитет
на
сензора
е
сума
от
капацитетите
на
течния
и
въздушния
кондензатори
.
Капацитета
на
единица
дължина
на
два
коаксиални
цилиндъра
,
с
радиуси
b
и
a
(
)
a
b
>
разделени
с
диелектрик
е
(
)
÷
ø
ö
ç
è
æ
=
+
÷
ø
ö
ç
è
æ
=
a
b
h
l
a
b
h
C
h
ln
2
ln
2
0
0
pe
e
pe
;
(
)
[
]
h
l
a
b
C
h
1
ln
2
0
-
+
+
÷
ø
ö
ç
è
æ
=
e
pe
(19)
Последния
датчик
показан
на
фиг
.8.5
е
електролитен
кондензатор
.
Диелектрика
е
полимер
имащ
способността
да
абсорбира
водни
молекули
,
в
резултат
на
което
се
променя
диелектричната
константа
.
Следователно
капацитета
е
пропорционален
на
относителната
влага
погълната
от
атмосферата
.
Една
кондензаторна
плоча
се
състои
от
слой
от
тантал
нанесен
върху
стъкло
,
върху
което
е
нанесен
слой
от
диелектричен
полимер
,
следва
втората
плоча
,
която
представлява
тънък
слой
от
хром
.
Хромния
слой
е
подложен
на
високо
налягане
,
което
води
до
пукнатини
във
форма
на
фина
мозайка
,
позволяващ
o
водните
молекули
да
преминават
в
диелектрика
.
Датчик
от
този
тип
има
входен
диапазон
от
0
до
RH
%
100
,
капацитет
от
pF
375
при
%
0
RH
,
и
линейна
чувствителност
от
RH
pF
%
/
7
.
1
.
Връзката
между
капацитета
и
влажността
се
дава
със
следното
линейно
уравнение
:
RHpF
C
7
,
1
375
+
=
Максималното
линейно
отклонение
от
тази
права
е
%
2
(
грешка
от
нелинейност
)
и
%
1
съответно
от
хистерезис
.
Капацитивните
датчици
се
свързват
или
в
измервателен
мост
или
в
генераторна
верига
.
Кондензаторните
датчици
не
са
чисто
капацитивни
,
а
имат
паралелно
свързано
съпротивление
R
,
което
представлява
загубите
в
диелектрика
.
Това
има
важно
значение
при
проектирането
на
схемата
особено
за
генераторните
.
Например
типичен
капацитивен
датчик
за
влага
би
имал
съпротивление
на
диелектрика
по
-
малко
от
W
k
100
при
kHz
100
.
Качеството
на
диелектрика
се
определя
от
ъгъла
на
диелектричните
загуби
d
tan
където
:
CR
w
d
1
tan
=
Например
ако
,
pF
C
500
=
тогава
03
.
0
tan
=
d
.
Сензорна техника
Датчици, резистивни датчици. Потенциометри за измерване на линейно преместване...Сензорна техника
| Предмет: | Сигнали и системи |
| Тип: | Лекции |
| Брой страници: | 25 |
| Брой думи: | 5321 |
| Брой символи: | 32798 |