Потенциометрические чувствительные элементы

В датчиках, чувствительным элементом в которых является потенциометр – переменный резистор, подвижной контакт механически связан с устройством, параметр которого необходимо измерить.

Потенциометрические устройства широко используются для преобразования линейного или углового перемеще­ний (входная величина) в электрический сигнал (выходная величина).

Конструктивно потенциометрическое измерительное уст­ройство (рис. 9.5.) состоит из переменного резистора 1 с движком 2, к которому прикреплена жесткая механическая связь 3 с перемещаемым объектом 4. Потенциометр может быть выполнен линейным или круговым. В первом случае измеряются линейные перемещения, во втором - угловые. Обмотка резистора выполняется из металлической проволоки (константа, манганина, изабелина, никелина), навитой на каркас, или металлических пленок. На вход потенциометра подается напряжение U₁.

Объект, перемещение X которого необходимо измерить, через механическую связь перемещает движок потенциометра на то же расстояние X или кратное ему или на определенный угол, в зависимости от конструкции связи.

Напряже­ние на выходе U₂ определяется из выражения:

U₂=U₁R_x/R_n=U₁X/L=kX,

где k = U₁ /L – постоянная датчика.

Рисунок 9.5 – Потенциометрический чувствительный элемент: 1- потенциометр; 2- движок потенциометра; 3- жесткая связь; 4- перемещаемый объект; L- длина перемещения движка; Х- перемещение объекта; R_п- полное сопротивление потенциометра; R_x- измеряемое сопротивление ползуна; U₁- входное напряжение; U₂- выходное напряжение датчика.

Потенциометрические датчики просты по конструкции, дешевы. Однако, в силу применения движущихся механических частей, имеют значительную погрешности и низкую надежность.

9.2.3. Тензочувствительные элементы

Принцип дей­ствия тензорезисторов основан на явлении тензоэффекта – изменении величины активного сопротивления проводнико­вых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним механических напряжений (усилий).

В простейшем случае тензорезистор представляет собой тонкую проволоку, внедренную в бумагу, наклеиваемую на металлическую балку, которая подвергается механической деформации (растяжение, изгиб, скручивание, сжатие).

Полупроводниковый тензорезистор (рис.9.6) представляет собой кристалл кремния (n-проводимость) 1 с нанесенной на его поверхность дорожкой другого полупроводника с p-проводимостью – тензорезиста 2. Сопротивление дорожки 2 тензорезистора равно

R= ρl/s,

где ρ- удельное сопротивление материала тензорезиста; l- длина дорожки тензорезиста; s- площадь поперечного сечения тензорезиста.

При деформации дорожки под действием силы F, например, при ее сжатии, изменяется эффективная длина l (увеличивается) и площадь поперечного сечения s (уменьшается). В результате изменяется сопротивление подложки R (увеличивается), а значит и всего p-n перехода тензорезистора. Это изменение сопротивления фиксируется электронной схемой – таким образом, измеряется сила F.

Рисунок 9.6 – Тензорезистор: 1-полупроводниковый кристалл; 2- дорожка тензорезиста с p-проводимостью; 3- электроды.

Тензорезистор крепится к детали, которая воспринимает какие-либо усилия F. Чувствительность тензорезисторных преобразователей определяется тензорезисторным коэффициентом – отношением изменения сопротивления активной части тензорезистора к изменению приложенной силы. У большинства проволочных тензорезисторов К ~ 2, а у полупроводниковых – К ~ 100.

Применяются тензорезисторы для измерения сил, деформаций и малых перемещений.