Загальні положення. Тема: Дослідження впливу навантаження на вихідний сигнал резестивного перетворювача

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2

Тема: Дослідження впливу навантаження на вихідний сигнал резестивного перетворювача

Мета роботи:

1. Вивчити способи вимірювання лінійних переміщень об’єкту за допомогою резестивних перетворювачів.

2. Дослідити вплив опору навантаження на показання вимірювальної схеми датчику.

3. Визначити похибку вимірювання переміщень.

Порядок виконання лабораторної роботи.

Загальні положення

Резестивні датчики виконуються з використанням трьох типів первинних перетворювачів.

Реостатні перетворювачі виконані у вигляді реостату, рухомий контакт якого переміщується під дією вимірювальної величини (при вмиканні такого вимірювального перетворювача (ВП) за схемою потенціометру використовується термін «потенціометричні перетворювачі»). Вихідною величною ВП є електричний опір, функціонально пов’язаний з положенням рухомого контакту при обертальному або лінійному пересуванні. У пристроях автоматики найбільшого розповсюдження знаходять проволочні реостатні та реохордні (безвиткові) ВП, які володіють високою точністю і стабільністю функції перетворення, можливістю отримання необхідних функціональних залежностей відносно простими засобами, низькими значеннями перехідного опору, рівня власних шумів та температурного коефіцієнту опору (ТКО). До недоліків ВП відносять: схильність до електроерозії за рахунок електричних розрядів при русі струмознімача, обмежена швидкість його переміщення та низька зносостійкість, порівняльно невеликий опір (до десятків кОм), обмежена можливість застосування на змінному струмі (до 1000Гц), обумовлена індуктивністю та ємністю обмотки.

За конструктивним виконанням реостатні ВП поділяють на перетворювачі з поступальним (рис.1, а) і обертальним (рис.1, б) пересуванням рухомого контакту: останні, можуть бути одно- та багатооборотними. До складу реостатних ВП входять виводи 1, 2, 3, каркас 4, струмознімальний контакт 3, який ковзає по виткам обмотки з високоомного проводу 5 з підвищеною зносо- та корозостійкістю (сплави платини, ірідію, а також манганін, константан, фехраль і т.д). Каркас з ізоляційного матеріалу (гетинакс, текстоліт, кераміка або метал, покритий оксидною плівкою) може мати форму стрижня, кільця, зігнутої пластини і повинен зберігати свої розміри у широкому температурному діапазоні (в умовах підвищеної вологості та хімічної забрудненості атмосфери), а також володіти високою теплопровідністю для підвищення розсіюваної ВП потужності.

Рис.1 – Конструктивні схеми реостатних ВП (а, б), ВП контактного опору (в) і тензометричних ВП (г, д, е)

Перетворювачі контактного опору засновані на зміні (під дією тиску) опору між провідними елементами, які розділені слоями резестивного матеріалу; ВП такого типу мають великі похибки гістерезису та лінійності (до 10%), досить прості за конструкцією та володіють високою надійністю. ВП виконується у вигляді стовпчику з ряду прошарків провідної бумаги, електропровідної гуми та металічних пластин, на які шляхом напилювання наноситься висооомний резестивний шар. Конструкція такого ВП наведена на рис.1, в, до його складу входить два електроди 1 з припаяними до нього гнучкими виводами 5, 6 та приклеєному за периметром ізолятором 4 з гуми (3 – прошарок клею); внутрішній об’єм 2 заповнений резестивним матеріалом.

Тензорезестивні ВП характеризуються коефіцієнтом тензочуттєвості , де – коефіцієнт Пуассона; – відносний приріст питомого опору при деформації . Коефіцієнт тензочутливості для металів, найбільш часто застосовуваних для тензорезисторів, близький до двох: для константану 2; ніхрому 2, 2; хромелю 2, 5. Для напівпровідникових матеріалів коефіцієнт тензочутливості набагато більший, ніж для металів (наприклад, для германію – 100), однак напівпровідникові тензорезистори характеризуються малою механічною міцністю та суттєвою нестабільністю характеристик у порівнянні з металами.

Тензорезистори з металу поділяються на проволочні та фольгові. Проволочні виконуються з проволоки діаметром 0, 002…0, 05мм, яку укладають петлями на тонку бумагу або лакову плівку з наступним просиченням клеєм (наприклад БФ-2) для роботи у діапазоні температур від до або бакелитовим лаком – при роботі до ; для більш високих температур використовують спеціальні клеї та цементи. Тензорезистор наклеюють на поверхню дослідної деталі таким чином, щоб його продольна вісь (база) була розташована у напрямі вимірювальної деформації деталі.

Так як зміна опору тензорезисторів, викликана деформацією, незначне та коливається від одиниць міліом до декількох десятків долей ома, то для вимірів застосовують високочутливі потенціометричні та мостові схеми; для підвищення чутливості тензорезистори включають у два і навіть чотири плеча мостової схеми. Нелінійність статичної характеристики проволочних тензорезисторів у межах пружної деформації не перевищує 0, 1%.

Фольгові тензорезистори більш досконалі, ніж проволочні. Вони мають решітку з тонких полосок фольги прямокутного перетину товщиною 4…12мкм, яка отримана задопомогою травлення і нанесена на лакову підложку (рис.1, г, д, е).

Розглянемо, у якості прикладу, однотактну схему підключення потенціометричного датчику (рис.2). Тут – загальний оммічний опір датчику (зміннючи відсоткове значення клавішею R, можна змінювати величину опору), – опір навантаження, Е – напруга живлення, – напруга на навантаженні. Засобами Electronics Workbench (EWB 5.12), клавшею [R] ми ділемо опір на дві частини та , так що . Напругу на навантаженні можна визначити як:

. (1)

Якщо позначити (коефіцієнт навантаження), то вираз (1) зводиться до виду:

, (2)

де – кофіцієнт ділення.

Проаналізуємо вираз (2). Якщо ( – ідеальний випадок навантаження датчику, наприклад, його підключення до входу операційного підсилювача з високим вхідним опором), то . Позначимо сигнал датчику у ідеальному випадку через , маючи наувазі, що . Вихідний сигнал у ідеалізованому випадку наведений на рис.1 (характеристика 1).

У реальному випадку , тобто згідно з (2) починає виявляти вплив і сигнал датчику відхиляється від лінійної залежності. Це відхилення можна записати так:

. (3)

Якщо проаналізувати вираз (3), у знаменнику , так як у більшості випадків , а значення коефіцієнту ділення завжди знаходиться у межах діапазону . Це дає можливість знехтувати меншою складовою у знаменнику та представити вираз (3) у вигляді:

. (4)

Рівняння для пошуку максимального значення :

. (5)

Розв’язування рівняння (5) дає значення , при якому абсолютна похибка приймає максимальне значення :

. (6)

З виразу (6) випливає, що статична характеристика (графік залежності вихідного сигналу від вхідної величини) датчику відхиляється від лінійного графіку (рис.1, характеристика 2) тим більше, чим менше значення ().

Відносна похибка датчику, навантаженого опором :

. (7)

Максимальна величина відносної похибки відповідає деякому значенню , яке може бути визначено з рівняння:

. (8)

Звідси , тобто максимальна відносна похибка має місце при розташування движку потенціометричного датчику у точці з координатою . Значення у цій точці складає:

. (9)

Задаючись максимальним значенням , можна визначити то мінімальне значення опору навантаження, яке забезпечує необхідну точність показань:

, (10)

. (11)

Так при , при і т.д.

Рис.2 – Однотактна схема підключення потенціометричного датчику