1. Каковы устройство, принцип работы и применение:
а) фотоэлектрических преобразователей;
Фотоэлектрическими называются такие преобразователи, у которых выходной сигнал изменяется в зависимости от светового потока, падающего на преобразователь. Фотоэлектрические преобразователи или, как мы будем их называть в дальнейшем, фотоэлементы делятся на три типа:
1)фотоэлементы с внешним фотоэффектом
Они представляют собой вакуумные или газонаполненные сферические стеклянные баллоны, на внутреннюю поверхность которых наносится слой фоточувствительного материала, образующий катод. Анод выполняется в виде кольца или сетки из никелевой проволоки. В затемненном состоянии через фотоэлемент проходит темновой ток, как следствие термоэлектронной эмиссии и утечки между электродами. При освещении фотокатод под влиянием фотонов света имитирует электроны. Если между анодом и катодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток. При изменении освещенности фотоэлемента, включенного в электрическую цепь, изменяется соответственно фототок в этой цепи.
2)фотоэлементы с внутренним фотоэффектом
Они представляют собой однородную полупроводниковую пластину с контактами, например из селенида кадмия, которая под действием светового потока изменяет свое сопротивление. Внутренний фотоэффект заключается в появлении свободных электронов, выбитых квантами света из электронных орбит атомов, остающихся свободными внутри вещества. Появление свободных электронов в материале, например в полупроводнике, эквивалентно уменьшению электрического сопротивления. Фоторезисторы имеют высокую чувствительность и линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ), т.е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения.
3)фотогальванические преобразователи.
Данные преобразователи представляют собой активные светочувствительные полупроводники, создающие при поглощении света вследствие фотоэффектов в запорном слое свободные электроны и ЭДС.
Фотодиод (ФД) может работать в двух режимах — фотодиодном и генераторном (вентильном). Фототранзистор — полупроводниковый приемник лучистой энергии с двумя и большим числом р — «-переходов, в которых совмещен фотодиод и усилитель фототока.
Фототранзисторы, как и фотодиоды, применяются для преобразования световых сигналов в электрические
б) емкостных преобразователей;
Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор,емкость которого изменяется под действием измеряемой неэлектрической величины. В качестве емкостного преобразователя широко используют плоский конденсатор, емкость которого можно выразить формулой C =e0eS/5, где е0— диэлектрическая постоянная воздуха (е0= 8,85•10"12Ф/м;е — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками конденсатора; S—площадь обкладки; 5—расстояние между обкладками)
Так как измеряемая неэлектрическая величина может быть функционально связана с любым из этих параметров, то устройство емкостных преобразователей может быть самым различным в зависимости от области применения. Для измерения уровней жидких и сыпучих тел используют цилиндрические или плоские конденсаторы; для измерения малых перемещений, быстроизменяющихся сил и давлений — дифференциальные емкостные преобразователи с переменным зазором между обкладками. Рассмотрим принцип использования емкостных преобразователей для измерения различных неэлектрических величин.
в) тепловых преобразователей;
Тепловой преобразователь представляет собой проводник илиполупроводник с током, с большим температурным коэффициентом, находящийся в теплообмене с окружающей средой. Имеется несколько путей теплообмена: конвекцией; теплопроводностью среды; теплопроводностью самого проводника; излучением.
Интенсивность теплообмена проводника с окружающей средой зависит от следующих факторов: скорости газовой или жидкой среды; физических свойств среды (плотности, теплопроводности, вязкости); температуры среды; геометрических размеров проводника. Эту зависимость температуры проводника, а следовательно, и его сопротивления от перечисленных факторов можно
использовать для измерения различных неэлектрических величин,характеризующих газовую или жидкую среду: температуры, скорости, концентрации, плотности (вакуума).
г) ионизационных преобразователей;
Ионизационными преобразователями называют такие преобразователи, в которых измеряемая неэлектрическая величина функционально связана с током электронной и ионной проводимости газовой среды. Поток электронов и ионов получается в ионизационных преобразователях либо ионизацией газовой среды под воздействием того или иного ионизирующего агента, либо путем термоэлектронной эмиссии, либо путем бомбардировки молекул газовой среды электронами и т.д.
Обязательные элементы любого ионизационного преобразователя — источник и приемник излучений.
д) реостатных преобразователей;
Реостатный преобразователь представляет собой реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. На каркас из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока. Изоляция проволоки на верхней границе каркаса зачищается, и по металлу скользит щетка. Добавочная щетка скользит по токосъемному кольцу. Обе щетки изолированы от приводного валика. Реостатные преобразователи выполняются как с проводом, намотанным на каркас, так и реохордного типа. В качестве материала провода применяют нихром, манганин, константан и др. В ответственных случаях, когда требования к износоустойчивости контактных поверхностей очень велики или когда контактные давления очень малы, применяют сплавы платины с иридием, палладием и т.д. Провод реостата должен быть покрыт либо эмалью, либо слоем оксидов для изоляции соседних витков друг от друга. Движки бывают из двух-трех проволочек (платина с иридием) с контактным давлением 0,003...0,005 Н или пластинчатые (серебро, фосфористая бронза) с усилием 0,05...0,1 Н. Контактная поверхность намотанного провода полируется; ширина контактной поверхности равна двум-трем диаметрам провода. Каркас реостатного преобразователя выполняется из текстолита, пластмассы или из алюминия, покрытого изоляционным лаком, или оксидной пленкой. Формы каркасов разнообразные. Реактивное сопротивление реостатных преобразователей очень мало и им обычно можно пренебречь на частотах звукового диапазона.
Реостатные преобразователи могут быть использованы для измерения виброускорений и виброперемещений с ограниченным частотным диапазоном.
е) тензорезисторных преобразователей;
Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации растяжения или сжатия. Длина проводника / и площадь поперечного сечения S изменяются при его деформациях. Эти деформации кристаллической решетки приводят к изменению удельного сопротивления проводника р и, следовательно, к изменению полного сопротивления
Применение: для измерения деформаций и механических напряжений, а также других статических и динамических механических величин, которые пропорциональны деформации вспомогательного упругого элемента (пружины), например пути, ускорения, силы, изгибающего или вращающего момента, давления газа или жидкости и т.д. По этим измеряемым величинам можно определить производные величины, например массу (вес), степень заполнения резервуаров и т.д. Проволочные тензорезисторы на бумажной основе, а также фольговые и пленочные применяют для измерения относительных деформаций от 0,005... 0,02 до 1,5...2 %. Свободные проволочные тензорезисторы могут быть использованы для измерения деформаций до 6... 10 %. Тензорезисторы практически безынерционны и применяются в диапазоне частот 0... 100 кГц.
ж) индуктивных преобразователей;
Индуктивные измерительные преобразователи предназначены для преобразования положения (перемещения) в электрический сигнал. Они являются наиболее компактными, помехоустойчивыми, надежными и экономичными измерительными преобразователями при решении задач автоматизации измерения линейных размеров в машино- и приборостроении.
Индуктивный преобразователь состоит из корпуса, в котором на направляющих качения размещен шпиндель, на переднем конце которого расположен измерительный наконечник, а на заднем – якорь. Направляющая защищена от внешних воздействий резиновым манжетом. Связанный со шпинделем якорь находится внутри закрепленной в корпусе катушки. В свою очередь обмотки катушки электрически связаны с кабелем, закрепленным в корпусе и защищенным от перегибов конической пружиной. На свободном конце кабеля имеется разъем, служащий для подключения преобразователя к вторичному прибору. Корпус и шпиндель выполнены из закаленной нержавеющей стали. Переходник, соединяющий якорь со шпинделем состоит из титанового сплава. Пружина, создающая измерительное усилие, отцентрирована, что исключает трение при движении шпинделя. Такая конструкция преобразователя обеспечивает снижение случайной погрешности и вариации показаний до уровня менее 0,1 мкм.
Индуктивные преобразователи широко применяют в основном для измерения линейных и угловых перемещений.
з) магнитоупругих преобразователей;
Магнитоупругие преобразователи являются разновидностью электромагнитных преобразователей. Они основаны на явлении изменения магнитной проницаемости μ ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений σ, связанных с воздействием на ферромагнитные тела механических сил Р (растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих). Изменение магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника вызывает изменение магнитного сопротивления сердечника RM. Изменение же RM ведет к изменению индуктивности катушки L, находящейся на сердечнике. Таким образом, в магнитоупругом преобразователе имеем следующую цепь преобразований:
Р —> σ —> μ —> Rм —> L.
Магнитоупругие преобразователи могут иметь две обмотки (трансформаторного типа). Под действием силы вследствие изменения магнитной проницаемости изменяется взаимная индуктивность М между обмотками и наводимая ЭДС вторичной обмотки Е. Цепь преобразования в этом случае имеет вид
Р —> σ —> μ —> Rм —> М —> Е.
Эффект изменения магнитных свойств ферромагнитных материалов под влиянием механических деформаций называют магнитоупругим эффектом.
Магнитоупругие преобразователи применяют:
• для измерения больших давлений (больше 10 Н/мм2, или 100 кГ/см2), так как они непосредственно воспринимают давление и не нуждаются в дополнительных преобразователях;
• для измерения силы. В этом случае предел измерения прибора определяется площадью магнитоупругого преобразователя. Данные преобразователи деформируются под действием силы очень незначительно. Так, при l = 50 мм, △ l < 10 мкм они имеют высокую жесткость и собственную частоту до 20... 50 кГц. Допустимые напряжения в материале магнитоупругого преобразователя не должны превышать 40 Н/мм2.
и) электролитических преобразователей сопротивления;
Электролитические преобразователи относятся к типу электрохимических преобразователей. В общем случае электрохимический преобразователь представляет собой электролитическую ячейку, заполненную раствором с помещенными в нее электродами, служащими для включения преобразователя в измерительную цепь. Как элемент электрической цепи электролитическая ячейка может характеризоваться развиваемой ею ЭДС, падением напряжения от проходящего тока, сопротивлением, емкостью и индуктивностью. Выделяя зависимость между этими электрическими параметрами и измеряемой неэлектрической величиной, а также подавляя действие других факторов, можно создать преобразователи для измерения состава и концентрации жидких и газообразных сред, давлений, перемещений, скорости, ускорения и других величин. Электрические параметры ячейки зависят от состава раствора и электродов, химических превращений в ячейке, температуры, скорости перемещения раствора и др. Связи между электрическими параметрами электрохимических преобразователей и неэлектрическими величинами определяются законами электрохимии.
Принцип действия электролитических преобразователей основан на зависимости сопротивления электролитической ячейки от состава и концентрации электролита, а также от геометрических размеров ячейки. Сопротивление столба жидкости электролитического преобразователя:
R = ρh/S = k/૪
где ૪= 1/ρ — удельная проводимость электролита; k — постоянная преобразователя, зависящая от соотношения его геометрических размеров, определяемая обычно экспериментально.