Электрические измерения неэлектрических величин

Электрические приборы для измерения неэлектрических величин

Во множестве случаев возникает необходимость измерить не только электрические, но и неэлектрические величины, такие как давление, влажность, температура, скорость. Наиболее эффективно измерять неэлектрические величины электрическими приборами, потому что они имеют высокие чувствительность, точность, малые погрешности.

Электрические приборы для измерения неэлектрических величин содержат измерительный преобразователь ИП неэлектрической величины в электрическую. Электрические величины – напряжение, ток, частота, емкость. Они и измеряется электрическим прибором ЭП. Шкала прибора - в единицах измеряемой неэлектрической величины.

Резистивные преобразователи механических величин

Резистивные / реостатные - преобразователи, выполненные в виде реостата, движок которого перемещается из-за воздействия входной величины. Для таких ИП выходная величина - сопротивление, связанное с положением движка.

Реостатные преобразователи в зависимости от конструктивного исполнения делятся на преобразователи с вращательным и линейным перемещениями подвижного элемента.

Функции преобразования изображенных преобразователей:

;

Иногда реостатные преобразователи бывают с нелинейным распределением сопротивления. Такая функция преобразования R_x =F(x) обеспечивается или изменением профиля каркаса, или шунтированием участков линейного реостата дополнительными резисторами.

Погрешность квантования проволочных преобразователей определяется как , где R_B – сопротивление витка, W – число витков преобразователя. Число витков может быть очень велико, следовательно, погрешность может быть сведена к минимуму.

Тензорезистивные преобразователи – резисторы, у которых под действием деформации меняется сопротивление. Тензорезисторы применяются для измерения сил, давлений, перемещений. Бывают проводниковыми и полупроводниковыми. Проводниковый тензорезистор это подложка из плотной бумаги, на которой находится проводник.

Полупроводниковые тензорезисторы бывают с подложками и без них. Они более чувствительны, но и погрешность больше чем у проводниковых.

Электростатические преобразователи механических величин

Емкостной преобразователь – в виде конденсатора, емкость которого зависит от измеряемой неэлектрической величины. Бывают с плоскостными и цилиндрическими электродами.

Функция преобразования зависит от относительной диэлектрической проницаемости среды между электродами, площади взаимодействия обкладок, расстояния между ними, а во втором случае от длины цилиндрической поверхности и радиусов цилиндров.

Такие преобразователи используются для измерения свойств материалов и для измерения перемещений.

Используя дифференциальный преобразователь можно расширить диапазон преобразования.

Верхний и нижний электроды неподвижны, а средний может перемещаться, реагируя на соответствующее изменение измеряемой величины.

Пьезоэлектрический преобразователь использует прямой пьезоэлектрический эффект (электрическая поляризации некоторых диэлектриков при механическом напряжении в их кристаллах). Существенная особенность – знакочувствительность, т.е. изменение знака заряда при переходе от сжатия к растяжению. Такие преобразователи нельзя использовать для статических входных величин (генерируемый заряд постепенно стекает с поверхности преобразователей из-за конечного входного сопротивления).

Электромагнитные преобразователи механических величин

В индуктивных преобразователях используется зависимость индуктивности катушки от изменения сопротивления магнитной цепи. Преобразователь с переменной длинной воздушного зазора:

Функция преобразования L_x зависит от числа витков катушки, площади поперечного сечения магнитной цепи, длины воздушного зазора.

Для увеличения чувствительности: дифференциальный индуктивный преобразователь.

Состоит из неподвижных П-образных магнитопроводов с обмотками и подвижного «якоря» из магнитного материала.

Индуктивные преобразователи с переменной площадью воздушного зазора. Они имеют почти линейную функцию преобразования.

Ммагнитоупругие преобразователи: разновидность индуктивных.

В них используется зависимость магнитных свойств ферромагнитного материала от механических упругих деформаций.

Трансформаторные преобразователи по конструкции напоминают индуктивные и могут быть как с переменным воздушным зазором, так и с переменной площадью воздушного зазора.

Но у них выходной величиной является не индуктивность, а ЭДС. Для этого обмотка W1 запитывается током от источника переменного напряжения, а выходной сигнал снимается с обмотки W2. В данных преобразователях отсутствует гальваническая связь между питающими и выходными цепями, а следовательно значительна их помехозащищенность.

Оптико-электрические преобразователи

В них измеряемая и выходная величины связаны потоком электромагнитного излучения оптического диапазона волн. Оптико-электронный преобразователь включает в себя источник излучения, оптический канал и приемник излучения.

Источники оптического излучения: тепловые и люминесцентные. Часто источником излучения является сам объект измерения.

Приемники оптического излучения: тепловые и фотоэлектронные.

Действие тепловых приемников основано на преобразовании энергии излучения в тепловую, которая далее преобразуется в электрический параметр. Примеры: термоэлементы, болометры и пироэлектрики.

Действие фотоэлектронных приемников основано на фотоэффекте. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом представляет собой электронную лампу. В ней падающий на фотокатод свет вызывает эмиссию электронов. Фотоэлементом с внешним фотоэффектом является и фотоумножитель. В нем поток фотоэлектронов усиливается на нескольких ступенях.

Фотоэлемент с внутренним фотоэффектом - полупроводниковый фоторезистор, в котором свет вызывает изменение его электрической проводимости.

Исследуемая среда вводится в оптический канал. При этом используются свойства светового потока ослабляться, рассеиваться, отражаться, отклоняться при его прохождении сквозь исследуемую среду.

Терморезистивные преобразователи

Терморезистор – резистор с большим температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), сопротивление которого определяется температурой окружающей среды.

Для измерения сопротивления терморезисторов используют мостовые схемы.