Файл: Измерительные преобразователи может понадобится.doc

если считать, как это и бывает в большинстве случаев, что нагрузка делителя тока имеет индуктивную составляющую, а нагрузка делителя напряжения — емкостную.

Многоступенчатые резистивные делители напряжения и тока при­ведены на рис. 1, г и д, где в качестве примеров указаны значения сопротивлений. Подобные схемы используются для переключения пределов амперметров и аналоговых электронных вольтметров. Особую роль играют многоступенчатые делители с многозначными регу­лируемыми коэффициентами деления, используемые в современных цифровых приборах и компенсаторах ручного уравновешивания. В ка­честве примера на рис.2 показан трехзначный делитель, который может выполняться как с ручным, так и с автоматическим изменением коэффициента деления. Принцип действия делителя поясняется рис.2, а. Делитель состоит из идентичных резисторов, по которым перемещаются два механически соединенных, но электрически изоли­рованных движка. Часть резистора, к которой приложено напряже­ние, показана штриховкой; та часть резистора, с которой снимается напряжение, показана более густой штриховкой. На рис.2, б, в представлены построенные на этом принципе соответственно делитель с ручным управлением (при указанном положении движков Uвых = 0,120 Uвх) и с автоматическим управлением путем замыкания и размыкания соответствующих контактов реле (при указанном положении контактов (Uвых = 0,538 Uвх).

Число знаков коэффициента деления определяется возможным диа­пазоном сопротивлений резисторов, поскольку, как видно из рис.2, в, для того чтобы не сказывались остаточные параметры ключей, меньшее сопротивление должно быть на 1—2 порядка больше сопротивления rк замкнутого ключа, а большее сопротивление — на 2—3 порядка меньше сопротивления Rк разомкнутого ключа.

Рис. 2.

Если предположить, что r_к = 0,01 Ом, а Rк = 108 Ом, то можно реализовать пятизначный делитель, в котором коэффициент деления будет иметь погрешность, не превышающую последнего знака. Анали­зируя различные схемы делителей, следует обратить внимание на следующие характеристики: постоянство входного сопротивления, постоянство выходного сопротивления, наличие общей шины между цепями входного и выходного напряжения, влияние остаточных пара­метров ключей, число используемых в делителе номиналов резисторов. В современных цифровых приборах применяются лестничные делители тока и напряжения на выполненных по интегральной технологии мат­рицах резисторов, содержащих всего два номинала резисторов R и 2R. Схемы таких делителей показаны на рис.3.

Рис. 3.

В делителе напряжения (рис.3, а) используется один источник напряжения и усилитель с бесконечно большим входным сопротивле­нием, с выхода которого снимается нужная часть входного сигнала. В делителе тока (рис.3, в) используется несколько идентичных источ­ников тока и суммирующий усилитель с бесконечно малым входным сопротивлением. На рис.3, б и г показаны эквивалентные схемы того и другого делителя при замыкании (n - 2)-го ключа в положе­ние 1.

Резистивная матрица имеет постоянное выходное сопротивление Rвых = R. Коэффициенты деления делителя тока и делителя напря­жения составляют:

,

где α_i принимают значения 0 и 1 в зависимости от положения ключей.

При подключении к выходу делителей конечных сопротивлений нагрузок коэффициенты деления меняются.

Лучшие делители имеют до 16 разрядов, погрешность линейности ±0,002%, температурную погрешность ± 0,0007% на 1 К.

9.Электростатические преобразователи (принцип действия, область применения).

Простейший электростатический преобразователь содержит два электрода площадью S, параллельно распложенных на расстоянии δ в среде с диэлектрической проницаемостью ε.

С электрической стороны преобразователь характеризуется напряжением U между пластинами, зарядом q=CU, где С – ёмкость, равная при плоскопараллельном расположении пластин (без учета краевого эффекта), током , энергией электрического поля . Если одна из пластин (или диэлектрик между ними) имеет возможность перемещаться, то с механической стороны преобразователь характеризуется жесткостью подвеса подвижной пластины ω, ее перемещением x, скоростью перемещения и электростатической силой притяжения .

Взаимосвязь механической и электростатической сторон преобразователя отражается уравнениями:

Эти уравнения даны в линеаризованной форме, т.е. в предположении, что значение u и x малы по сравнению с начальными напряжением и зазором между пластинами (С₀, E₀ = const). Из приведенных уравнений видно, что любое воздействие с механической стороны изменяет электрическое состояние преобразователя и, наоборот, изменение электрического поля приводит к изменению механических характеристик. Коэффициент электромеханической связи k_эм = С₀E₀. Эта взаимосвязь должна учитываться при любых применениях электростатических преобразователей. Например, из первого уравнения следует, что если напряжение u зависит от перемещения x, то эквивалентная жесткость включенного в цепь преобразователя отличается от жесткости подвеса. Из второго уравнения видно, что ток через преобразователь определяется не только составляющей , но и не всегда учитываемой составляющей, обусловленной перемещением электродов: .

Выходной величиной электростатического преобразователя может быть:

1. изменение емкости С.

2. сила

3. ЭДС, генерируемая при взаимном перемещении электродов, находящихся в электрическом поле.

Для электростатических преобразователей, в которых изменяется емкость, входными величинами могут быть механическое перемещение, изменяющее зазор или площадь, или изменение диэлектрической проницаемости ε под действием изменения температуры или состава диэлектрика.

Электростатические преобразователи с изменяющейся емкостью (емкостные) используются в различных датчиках прямого преобразования, а также как преобразователи неравновесия в датчиках уравновешивания. Емкостные преобразователи работают на переменном токе несущей частоты ω, которая должна значительно превышать наибольшую частоту Ω изменения емкости под действием измеряемой величины. В качестве емкостных преобразователей используют также запертые p-n переходы: p и n-области играют роль пластин, разделенных обедненным слоем, ширина которого δ, а соответственно и емкость p-n перехода изменяются под действием приложенного напряжения. Эти полупроводниковые элементы называются варикапами.

Для электростатических преобразователей с выходной величиной в виде силы входной величиной является напряжение. Эти преобразователи используются в электростатических вольтметрах, а также в датчиках уравновешивания в качестве обратных преобразователей давления.

При емкости, принудительно изменяемой по известному закону, например , электростатический преобразователь работает в емкостных модуляторах и измерителях поверхностных зарядов (генераторный режим). Электростатический преобразователь емкостного модулятора в зависимости от постоянной времени RC-цепи (рис. 7-1) может работать в режиме заданного заряда при ΩRC>>1 и заданного напряжения при ΩRC<<1.

В первом случае:

т. е. выходной величиной является переменная составляющая напряжения U_C (или U_R).

Во втором случае:

т. е. выходной величиной модулятора, пропорциональной постоянному напряжению U_X, является ток .

В том же генераторном режиме работают и конденсаторные микрофоны, преобразующие энергию акустических колебаний в электрическую. В этом случае U_X=U₀ задается от стабильного источника и переменная составляющая напряжения пропорциональна в зависимости от режима перемещению пластины конденсатора или скорости ее перемещения.

Ёмкостные преобразователи

Рис. 1

На рис. 1 показано устройство различных ёмкостных преобразователей. Их принцип работы основан на зависимости ёмкости конденсатора от размеров, его взаиморасположения обкладок и среды между ними.

Ёмкость конденсатора ,

Где ε₀- 8,85*10^-12 Ф\м, ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды.

В ёмкостном преобразователе переменной величиной (входной) может быть зазор м/у обкладками, площадь обкладок или диэлектрическая проницаемость среды.

Функция преобразователя С=f(δ) оказывается нелинейной, следовательно, приходится прибегать к линеаризации. Чувствительность этого преобразователя возрастает с уменьшением зазора. Минимальное значение зазора δ определяется напряжением пробоя конденсатора. Такие преобразователи используются для измерения малых перемещений < 1мм (рис1.а). На рис.1.б показан дифференциальный ёмкостной преобразователь, в котором при перемещении центральной пластины, ёмкость одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается.

На рис.1.в изображён дифференциальный преобразователь, но в нём происходит изменение активной площади пластины. В таком преобразователе можно получить функцию преобразования путём профилирования пластины. Их целесообразно использовать для сравнения больших линейных величин >1 мм, а также угловых перемещений.

Достоинства.

Простота конструкции, высокая чувствительность и возможность получения малой инерционности преобразователя.

Недостатки .

Влияние внешних магнитных полей, температуры, влажности, относительная сложность схем включения и необходимость специальных источников питания повышенной частоты.

10. Пьезоэлектрические преобразователи. Прямой и обратный пьезоэффект.