9.2.2. 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, юти 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_х/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„- 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 (п-проводимость) 1 с нанесенной на его поверх­ность дорожкой другого полупроводника с р-проводимостью - тензорезиста 2. Сопротивление дорожки 2 тензорезистора равно

R= pl/s,

где р- 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 р-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 р-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.