Класифікація первинних ВП.

По виду природної вихідної електричної величини поділяються на генераторні (енергетичні) і параметричні.

  Генераторні - це такі ВП, які під дією вхідної величини самі генерують електричну енергію. Вони можуть включатися у вимірювальний ланцюг, де відсутнє джерело енергії. Прикладами генераторних ВП є термоелектричні і фотоелектричні ВП.

Параметричні ВП - - це такі ВП, які під дією вимірюваної величини змінюють значення вихідної величини залежно від принципу дії (наприклад, ВП з вихідною величиною у вигляді зміни опору, ємності і так далі залежно від значення вхідної величини).

По фізичній закономірності, на якій заснована дія перетворювача, всі ВП можна розділити на наступні групи: резистивні; теплові; електромагнітні; електростатичні; електрохімічні; п'єзоелектричні; фотоелектричні; електронні; квантові.

Розглянемо первинні вимірювальні перетворювачі відповідно до цієї класифікації

1. Резистивні вимірювальні перетворювачі

Резистивні вимірювальні перетворювачі (РВП) в даний час є найпоширенішими. Принцип дії РВП заснований на зміні їх електричного опору при зміні вхідної величини. РВП складається з чутливого елементу з електродами і виводами і різного роду конструктивних елементів.

Чутливий елемент (ЧЕ) РВП виконується з:

1) провідникових матеріалів: r<10-6 Ом?м;

2) напівпровідникових матеріалів: < r <108 Ом?м;

3) діелектричних матеріалів: r>108 Ом?м.

Чутливі елементи можуть бути виконані: 1) твердими - у вигляді різних брусків, трубок, проволікав, плівок з певними розмірами і формою перетину; 2) рідкими; 3) газоподібними - у вигляді об'єму, в камері з певними розмірами і конструкцією.

 Електроди ЧЕ виконуються у вигляді ковпачків, виводів з високо електропровідних матеріалів (срібло, мідь, платина, золото і ін. - це так звані омічні електроди) і і напівпровідникових матеріалів (германій, кремній легованих домішками - інжекційні електроди). Для електричної ізоляції струмопровідних частин і ЧЕ використовуються ізоляційні матеріали: азбест, слюда, фарфор, кварц, скло і ін.       

Розглянемо найбільш часто вживані групи резистивних перетворювачів.

1.1.                

Реостатні перетворювачі

Реостатні перетворювачі є регульованими омічними опорами спеціального виготовлення. Природною вхідною величиною реостатного ВП є переміщення (лінійне або кутове), вихідною - опір. По конструкції реостатні ВП можна розбити на три групи: 1) реохордні ВП; 2)ВП із ступінчастою характеристикою;     3) нелінійні ВП.

Реохордні перетворювачі (рис) є намотаним на каркас з рівномірним кроком дротом 1, по якому переміщується рухома тоокозємна щітка - повзунок 2 (число витків не < 100). Характеристика перетворення такого ВП лінійна. Нелінійні реостатні ВП можна отримати, вибираючи відповідну форму каркаса. Реостатні перетворювачі застосовуються для вимірювання лінійних і кутових переміщень і величин з ними зв'язаних (тиску, сил, рівнів і т. Д)., а також як зворотні перетворювачі автоматичних мостів і компенсаторів).

1.2. Тензорезистивні ВП

Принцип дії тензорезистивних ВП заснований на явищі тензоефекту, який полягає в зміні електричного опору провідників і напівпровідників при їх деформації (тобто при зміні розмірів). Залежність питомого опору r матеріалу тензорезистора від деформації el виражається формулою

r = r0(1+ aПel), де r0 - питомий опір при el = 0, aП - деформаційний коефіцієнт опору.

 При лінійній деформації зразка квадратного або круглого перерізу відбувається зміна його розмірів і викликає зміну його опору,

DR = R0(1 + 2m+ aП)el  де R0 - початковий опір.

Як матеріали використовуються провідникові і напівпровідникові матеріали. До твердотілих відносяться: дротяні, фольгові, плівкові. Рідинні є гумовим капіляром з внутрішнім діаметром 0,1-0,5 мм, заповнений ртуттю або електролітом.

Резистивні тензоперетворювачі застосовуються в пристроях, що вимірюють статичні і динамічні деформації.

1.3. Терморезистивні ВП

Принцип дії терморезистивних ВП заснований на зміні питомого опору провідників, напівпровідників і діелектриків під дією температури.      Чутливість матеріалів до температури Т характеризується величиною температурного коефіцієнта питомого електричного опору матеріалу ТКr, який в загальному випадку визначається як  

ТКr = ar = r/T, [1/K].

Як матеріали для терморезисторів використовують: 1. Провідники: платину, мідь, нікель, вольфрам і ін. 2. Напівпровідникові з'єднання: мідно-марганцеві і ін. 3. Мононокристалічні напівпровідники: Ge і ін. 4. Діелектрики - тугоплавкі оксиди: BEO, MGO, Zro2, Sio2 і ін.

У провідникових терморезисторах (їх називають термометрами опору) ефект зміни питомого опору під дією температури обумовлений розсіянням електронів тепловими коливаннями кристалічної решітки. Зміна питомого опору напівпровідникових матеріалів під дією температури обумовлена, головним чином, зміною концентрації носіїв заряду.

Терморезистивні ВП використовуються для вимірювання: температури; швидкості рідини або газу (у термоанемометрах); переміщень; для аналізу складу і щільності газів.

1.4. Оптикоелектричні РВП (фоторезистивні ВП)

Принцип дії фоторезистивних ВП полягає в зміні питомого опору напівпровідників і діелектриків під дією оптичного випромінювання.   Чутливість матеріалів до оптичного випромінювання характеризується значенням оптичного коефіцієнта електричного опору aЕопт = (dr/dEопт)/r0,

де Eопт - інтенсивність оптичного випромінювання; r0 - значення питомого опору при Eопт = 0.

Використовують матеріали на основі з'єднань кадмію (Cdse - тип ФС-Д, CDS - тип ФСК), свинцю (PBS - тип ФС-А).

2.        Термоелектричні ВП

Принцип дії заснований на ефекті Зєєбека. При з'єднанні двох різнорідних провідників або напівпровідників кінцями при різній температурі кінців (Т0≠Т1) в ланцюзі виникає термоелектрорушійна сила ЕТ (ТЕРМОЕРС). ТЕРМОЕРС є функцією різниці температур спаїв

Коли коло складається з двох провідників або напівпровідників, вона називається термоелектричним перетворювачем або термопарою. Спай термопари, що сприймає вимірювану температуру Т1, називається робочим (гарячим) спаєм. Другого спаю зазвичай немає, а є два так звані "вільні" кінці, з яких знімається ТЕРМОЕРС.

  Залежність ТЕРМОЕРС термопари від різниці температур Т1 - Т0 в загальному випадку описується виразом ЕT = a11 - Т0) + a21 - Т0)2 + … + an1 - Т0)n, a1, a2, …, an - сталі, залежні від матеріалів термоелектродів. Для виготовлення термопар використовують головним чином метали і їх сплави. Термопари з напівпровідників характеризуються високою чутливістю, але володіють великим внутрішнім опором і малою механічною міцністю і знаходять обмежене вживання.

Термопари використовуються для вимірювання (перетворення) температури.

3. Ємнісні ВП (ЄВП)

Ємнісні ВП відносяться до групи електростатичних перетворювачів. Дія ємнісних перетворювачів заснована на перетворенні вхідної величини в зміну ємності конденсатора, яка є функцією відстані h між електродами, площі електродів Q і діелектричної проникності e діелектрика між електродами. Ємнісні ВП можуть бути використані для вимірювання переміщень, сили, геометричних розмірів - товщини, рівня і ін. Найбільше використовуються перетворювачі переміщення.

 ЄВП складається електродів, між якими розташовується діелектричний матеріал, виводів і різних конструктивних елементів - різні електроізоляційні матеріали і елементи захисту конденсатора від зовнішніх чинників. Діелектрик може знаходитися в рідкому, твердому і газоподібному стані. Електроди можуть виконуватися у вигляді плоскопаралельних пластин, коаксіальних циліндрів і інших конструкцій і форм. Ємність конденсатора з паралельними плоскими пластинами С = e0e Q/ h

Ємність циліндричного конденсатора С = 2 pe0eх/ln(D/d).

В основу принципу дії можуть бути покладені: 1) зміна відстані між обкладками (пластини чи циліндри); переміщення (лінійне і кутове); температура; 2) зміна площі перекриття обкладок; деформація, тиск; 3) зміна e діелектрика або його частини. зміну діелектричної проникності, застосовуються для вимірювання рівня. концентрації розчинів і сумішей;

3.        П'єзоелектричні ВП

 Принцип дії даних перетворювачів заснований на п'єзоелектричному ефекті, тобто на виникненні електричних зарядів на поверхні кристалічних діелектриків, схильних до механічних деформацій (прямий п'єзоефект). Окрім прямого п'єзоефекту існує і зворотний, який виявляється в зміні розмірів діелектрика при прикладанні до нього електричного поля. Речовини (нецентросиметричні іонні кристали, полікрісталли), в яких спостерігаються такі властивості, називаються пьєзоелектриками (кварц, титанат барію і ін.).

 У загальному випадку п'єзоелектричний перетворювач є пластинкою з п'єзоелектричного матеріалу, на протилежних гранях якої є два електроди. Заряд q, що виникає на гранях пластини пропорційний прикладеній силі F. Сигнал з пластин знімається за допомогою електродів, виконаних з фольги. Вихідною величиною є напруга.

 Функція перетворення перетворювача має вигляд UВЫХ = dF/C = dFd/(QeeO) = dPd/(2eeO ), де d - пьезомодуль; d - відстань межу електродами; Q - площа електродів; e - відносна діелектрична проникність пєзоелектрика; Р - тиск.

При вимірюванні статичних величин (сил, тиску і т. п.) на виході п'єзоелектричного ВП з'являється постійна напруга, яка через втрату заряду через об'ємний і поверхневий опір швидко падає. При дії змінної величини заряд постійно поповнюється. Тому п'єзоелектричні ВП застосовуються для вимірювання динамічних величин.

4. Електромагнітні ВП.

Електромагнітні ВП складаються з однієї або декількох взаємодіючих котушок. На практиці найширше застосовуються індуктивні, трансформаторні, індукційні і магнітопружні ВП.


4.1. Індуктивні ВП

Принцип дії індуктивних ВП заснований зміні власній індуктивності котушки. У загальному випадку індуктивний перетворювач складається з котушки індуктивності, магнітопровода і рухливого феромагнітного сердечника (якоря). Вхідна величина Х змінює взаємне розташування котушки і якоря, або окремих частин магнітопровода. При цьому змінюється індуктивність котушки і її повний опір. На рис представлені різні варіанти конструктивного виконання індуктивних ВП: найбільш розповсюджені - із змінною довжини повітряного зазору; із змінною площі повітряного зазору; соленоїд, з розподіленими параметрами.

У перетворювачах із змінною довжиною або площею повітряного зазору вхідна величина викликає переміщення Х якоря 2. В результаті цього змінюється магнітний опір системи, що приводить до зміни індуктивності котушки 1, розміщеною на магнітопроводі 3. Соленоїди індуктивні ВП це перетворювачі з розімкненим магнітним ланцюгом (мал. 8.1 в) і працюють на принципі зміни магнітного опору ділянок розсіяння магнітного потоку при переміщенні якоря 2. У перетворювачах (мал. 8.1 в) зміна магнітного опору відбувається унаслідок розмагнічуючої дії вторинних струмів. У таких індуктивних ВП замість феромагнітного якоря переміщається короткозамкнутий виток 2 (мал. 8.1 г). При цьому у витку індукуються струми, які створюють втрати, що приводить до появи додаткового реактивного опору магнітному ланцюгу. Замість витка в зазор магнітопровода можна вводити електропровідний елемент (наприклад, диск з міді або алюмінію), в якому наводяться вторинні струми.

Крім вимірювання лінійних та кутових переміщень індуктивні ВП використовують для вимірювання розмірів, товщини виробів і покриттів, сил і моментів, прискорень і параметрів вібрації.

4.2. Трансформаторні ВП

  Принцип дії трансформаторних (взаємоіндуктивних) ВП заснований на зміні взаємної індуктивності між двома обмотками під дією вхідного сигналу. Одна з обмоток є манагнічувальною, а з іншою знімається напруга. Конструкції магнітного ланцюга трансформаторних і індуктивних ВП однакові, відрізняються вони числом обмоток. Трансформаторні ВП із змінним повітряним зазором (мал. 8.4 а), і змінною площею повітряного зазору (мал. 8.4 б) складаються з магнітопровода 1, на який намотано дві обмотки 2 (обмотка збудження) і 3 (вторинна обмотка), і рухомого якоря 4 з феромагнітного матеріалу. При переміщенні рухомого якоря змінюється магнітний опір RМ і взаємна індуктивність М між обмотками. Якщо струм I1, що протікає по обмотці 2, залишається постійним, то ЕДС індукована у вторинній обмотці 3, визначатиметься як Е2 = jw w1 w2 I1/ RМ, де w1 і w2 - число витків обмотки збудження і вторинної обмотки; w - частота.

Підставивши значення магнітного опору, отримаємо рівняння перетворення трансформаторного перетворювача із змінним повітряним зазором

Е2 = jm0 Q w w1 w2 I1/ (2d + lСТ/mr) » jm0 Q w w1 w2 I1/ 2d.

Переваги трансформаторних ВП: 1) відсутність гальванічного зв'язку між ланцюгами живлення і виходу; 2) можливість їх використання без вимірювальних схем.

До недоліків відносяться вплив переміщення рухомого якоря на струм в первинному ланцюзі.

Сфера застосування трансформаторних ВП аналогічна сфері застосування індуктивних ВП.

4.3. Магнітопружні ВП

 Принцип дії магнітопружних ВП заснований на магнітопружному ефекті і полягає в зміні магнітної проникності феромагнітного матеріалу під дією пружних деформацій. Магнітопружні ВП є різновидом індуктивних ВП із замкнутим магнітопроводом. За наявності другої обмотки він може працювати як трансформаторний перетворювач.

При дії механічної сили F в чутливому елементі 1 виникають механічні напруження s, які обумовлюють зміну магнітної проникності m чутливого елементу і магнітного опору RM перетворювача. При цьому змінюється індуктивність L обмотки 2 (мал. 8.5 а) або взаємна індуктивність М між обмотками 2 і 3 (мал. 8.5 би, в).

Перевагами магнітопружних ВП є: 1) велика вихідна потужність, оскільки в них все тіло чутливого елементу, що сприймає вимірюване зусилля, є активним; 2) малий прогин під дією навантаження; 3) малий електричний опір.         

Дані ВП застосовуються для вимірювання крутних моментів, великих сил і тиску. Дозволяють вимірювати як статистичні так і динамічні величини.

 

 

Крім зміни фізичної природи сигналу виникає необхідність привести сигнал до вигляду, при якому можливе вимірювання його інформативних параметрів із заданою точністю.

Для цього використовують наступні види вимірювального перетворення:

- масштабування, тобто приведення сигналу до певного діапазону вимірювання;

- лінеаризація - операція, що забезпечує лінійну залежності між вхідним і вихідним сигналами;

- фільтрація — відокремлення сигналу від накладених перешкод;

- аналого-цифрове перетворення, тобто перетворення неперервної (аналогової) форми сигналу в цифровий код.