Главная Об электрических измерениях. Достоинства и недостатки



Погрешность (изменение напряжения на нагрузке) можно рассчитать, исходя из схемы включения, номинальных значений входящих в нее сопротивлений и их температурных коэффициентов. При включении преобразователя по потенциометрической схеме в режиме холостого хода изменение температуры не меняет распределение напряжений и температурная погрешность отсутствует.

Реостатному преобразователю присуща также погрешность дискретности. Она обусловлена скачкообразным изменением сопротивления преобразователя AR при переходе движка с одного витка на другой. Если в качестве номинальной функции преобразования принять функцию, проходящую посредине "ступенек", то максимальное значение приведенной погрешности, обусловленное дискретностью

= ±ДД/(2Лр), (4.64)

где Rp - полное сопротивление преобразователя.

Если преобразователь имеет пропорциональную функцию преобразования, то "скачки" сопротивления будут одинаковы по всему диапазону перемещения движка. В этом случае Rp = nAR и

= ±1/2и, (4.65)

где п - число витков в обмотке.

Трение в реостатном преобразователе вызывает случайные гистере-зисные изменения силы и момента, необходимых для перемещения движка по обмотке. Это может привести к возникновению погрешности преобразователя, предшествующего реостатному.

Погрешность, обусловленная нелинейностью потенциометрической схемы включения, и методы ее уменьшения рассмотрены выше.

4.2.2. Тензорезисторные преобразователи

Принцип действия и конструкция. Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия-растяжения. При деформации проводника изменяются его длина / и площадь поперечного сечения Q. Деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления р. Эти изменения приводят к изменению сопротивления проводника

= pl/Q . (4.66)

Этим свойством обладают в большей или меньшей степени все проводники. В настоящее время находят применение проводниковые (фольговые, проволочные и пленочные) и полупроводниковые тензорезисто-ры. Наилучшим отечественным материалом для изготовления проводниковых тензорезисторов, используемых при температурах ниже 180 °С,




Рис. 4.12

является констатант. Зависимость сопротивления R от относительной деформации е с достаточной точностью описывается линейным двучленом

i?=i?o(l+V) (4.67)

где Ro - сопротивление тензорезистора без деформации; 5, - тензсиувствительность материала.

Теязочувствительность константана лежит в пределах 2,0-2,1. Нелинейность функции преобразования не превышает 1%.

Фольговые тензорезисторы представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензо-чувствительная решетка из константана толщиной 4-12 мкм (рис. 4.12). Решетка сверху покрыта лаком. Фольговые тензорезисторы нечувствительны к поперечной деформации вследствие малого сопротивления перемычек, соединяющих тензочувствительные элементы.

Проволочный тензорезистор имеет аналогичное устройство, но его решетка выполнена из константановой проволоки толщиной 20-50 мкм. По метрологическим и эксплуатационным характеристикам проволочные преобразователи уступают фольговым.

Фольговые и проволочные тензорезисторы обычно имеют длину 5-20 мм, ширину 3-10 мм. Их номинальное сопротивление равно 50, 100, 200, 400 и 800 Ом. Параметры тензорезисторов общего назначения регламентирует ГОСТ 21616-76.

Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия длиной 5-10 мм, шириной 0,2-0,8 мм. К ее торцам приварены вьшодные проводники. Номинальное сопротивление лежит в пределах 50-800 Ом. Свойства полупроводниковых и металлических преобразователей сильно различаются. Чувствительность полупроводниковых преобразователей может быть как положительной, так и отрицательной и лежит в пределах = 55 130. Как сопротивление, так и чувствительность сильно зависят от температуры. Недостатком является также большой разброс параметров и характеристик.

Тензорезисторы применяются для преобразования деформации деталей в изменение сопротивления. Для этого они приклеиваются к этим деталям и испытывают одинаковые с ними деформации.

Схемы включения. Наиболее часто тензорезисторные преобразователи включаются в схему неравновесного моста (рис. 4.13, а).

Если сопротивление нагрузки Л„ достаточно велико (режим холостого хода), то выходное напряжение моста

= URyliRy + - Шз/(?з + R) = = U[{RyR - RMKRi + R2){R3 + i?4)].

(4.68)




Рис. 4.13

rpfi и - напряжение питания. В качестве R1 и R2 включаются одинаковые тензорезисторы.

При отсутствии измеряемой деформации их сопротивления равны: 10 = 2 0 = о- Кроме того, обычно выбирают R = R. Ъ этом случае, когда деформация тензорезистора отсутствует (е = 0), U = 0.

При деформации тензорезисторов, когда еФО rRi ФR2, выходное напряжение моста пропорционально разности сопротивлений тензорезисторов:

и = UiRi - R2)l2{Ri + R2).

(4.69)

Мостовая цепь является дифференциальной, следовательно, в ней компенсируются аддитивные погрешности. С применением мостовой цепи тензорезисторные приборы строятся по дифференциальной схеме первого или второго типа.

При использовании дифференциальной схемы первого типа, т.е. при Ri = Ro + AR и R2 = Ro, выходное напряжение цепи и чувствительность в режиме холостого хода

= UAR/(4Ro), S = UJ(AR/Ro) = t 4. (4.70)

При использовании дифференциальной схемы второго типа, когда Ri = Ro + AR и R2 = Ro - AR, выходное напряжение и чувствительность в режиме холостого хода увеличиваются вдвое:

UARIilRo), = UJ{AR/Ro) = UI2.

(4.71)

При R Ф °° выходное напряжение и чувствительность меньше полученных значений.

Выходное напряжение тензорезисторного моста обычно не превышает 10-20 мВ. Для дальнейшего преобразования такое напряжение без усиления использовать трудно. Поэтому в тензорезисторных приборах обычно используются усилители.

Если напряжение питания моста U не стабилизировано, то при его вариациях возможна мультипликативная погрешность. Ддя ее исключения используется компенсационный метод измерения выходного на-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 [42] 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114


0.0091