Классификация измерительных преобразователей

Рис. 9 Ионизационное преобразование, при котором ионы мигрируют в жидкости к электродам и действуют как переносчики зарядов

     Типичным  примером  использования  ионизационного принципа является прибор для измерения кислотности раствора. Степень кислотности раствора определяется концентрацией в нем положительно заряженных ионов водорода, называемой водородным потенциалом (известного больше в виде аббревиатуры рН). Причем

,

     где [ ] – концентрация ионов водорода в граммах на литр.

     Значение  рН = 0 для чисто кислотного раствора, 7 – для нейтрального  раствора (например,  чистой воды)  и 14 –  для чисто щелочного раствора.

     Типичный  рН-зонд имеет электроды, находящиеся в желатине с известным значением водородного потенциала. Они формируются  специальной  стеклянной  мембраной,  которая находится в контакте с раствором, значение рН которого измеряется. Разность потенциалов между двумя электродами отражает значение рН раствора (около 59 мВ на единицу рН).

6. Фотоэлектрические преобразователи

       Фотоэлектрическими являются такие первичные измерительные преобразователи, которые реагируют на электромагнитное излучение, падающее на поверхность преобразующего элемента. Излучение может быть видимым, т. е. световым, а также иметь большую или меньшую длину волны и быть невидимым.  Известны  три основных  типа  фотоэлектрических преобразователей: два из них официально классифицируются как полупроводниковые приборы (фотоэлектрические и фотополупроводниковые). Они подробно рассмотрены ниже. Хотя фотоэлектрический преобразователь и не  относится к полупроводниковым приборам, он тоже будет описан ниже.

     Фотопроводящие  преобразователи

     Эти преобразователи превращают изменение  измеряемой величины в изменение сопротивления используемого материала (рис. 10). Несмотря на то, что используемые материалы являются  полупроводниковыми,  фотопроводящие  преобразователи  не  всегда  являются  полупроводниковыми  приборами, поскольку они не имеют переходов между различными типами полупроводников. Такие преобразователи называются пассивными, т. е. нуждаются во внешнем питании. Зачастую их название характеризует тип используемого преобразования, например, светочувствительные резисторы.

       

Рис.  10 Фотопроводящее преобразование

     Сопротивление материала является функцией   плотности основных носителей заряда, и так как плотность увеличивается с возрастанием  интенсивности  излучения,  то  проводимость возрастает. Поскольку проводимость обратно пропорциональна сопротивлению, можно заключить, что сопротивление является обратной функцией интенсивности облучения. Значение сопротивления при полном облучении составляет в общем случае 100 – 200 Ом, а в полной темноте это сопротивление равняется мегомам. В конструкции зависящих от света резисторов чаще всего используются такие материалы, как сульфид кадмия или селенид кадмия.

     Солнечные элементы

     Солнечные элементы представляют собой фотоэлектрические  преобразователи, которые  превращают  излучаемую электромагнитную энергию в электрическую, т.е. изменение измеряемого значения излучения преобразуется в изменение выходного  напряжения. Конструкция  преобразователя включает в себя слой фоточувствительного высокоомного материала, размещенного между двумя проводящими электродами.

     Один  из  электродов выполнен  из  прозрачного материала,  через который проходит излучение и попадает на фоточувствительный материал.  При  полном  освещении  один  элемент  вырабатывает выходное напряжение между электродами около 0,5 В.

7. Резистивные преобразователи

     Весьма  большим  классом  измерительных  преобразователей являются резистивные преобразователи, принцип действия которых основан на преобразовании значения измеряемой величины в изменение сопротивления. Это может быть вызвано различными эффектами в преобразующем элементе: нагреванием  или  охлаждением,  механическим  напряжением, воздействием светового потока, увлажнением, осушением, механическим перемещением контактной щетки реостата.

     

 
 
 
 
 

Рис. 11 Резистивный преобразователь (слева) и его эквивалентная схема (справа)

     Если  через резистивный материал во время  изменения измеряемой величины протекает фиксированный ток,  то результатом будет изменение, напряжения вдоль материала, которое отражает изменение измеряемой величины.

     Одним из вариантов резистивного преобразователя  является потенциометрический преобразователь, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение отношения  напряжений  вследствие  изменения  положения контактной щетки на резистивном материале, запитываемом от внешнего источника. Определенный механический элемент преобразует изменение измеряемой величины в перемещение щетки.

     Потенциометр, изображенный на рис. 11, можно пред- ставить в виде эквивалентной электрической схемы на этом рисунке (справа). Его выходное напряжение определяется выражением:

, 

     где V1 – напряжение на входе.

     Когда прикладываемое на вход прибора напряжение является постоянным и измеряемое значение определяется положением щетки потенциометра, тогда выходное напряжение есть непосредственно функция измеряемой величины.

     В преобразователях могут использоваться потенциометрические  устройства  (с  одним  или  несколькими  сопротивлениями в схеме) либо они сами являются потенциометром. В последнем случае потенциометрический элемент будет переменным.  Некоторые  преобразователи  имеют  непроволочные сопротивления, такие, как металлокерамическая подложка или проводящая пластиковая пленка. Встречаются потенциометры, которых полный диапазон изменений положения щетки равен 270°, в то время как другие конструкции имеют диапазон в 10 или даже 20 полных оборотов (3600 или 7200°).

     Мост  Уитстона

     Мост  Уитстона образуется путем параллельного  соединения двух потенциометрических устройств (рис. 12). Его можно использовать для высокоточных измерений сопротивления.  Выходное  напряжение  моста  Уитстона  определяется выражением:

     

.

При точной установке выходное напряжение моста  Уитстона должно быть равно нулю, откуда следует, что 

или .

       

Рис. 12 Комбинация двух потенциометрических  делителей, образующая мост Уитстона

     Тензодатчики

     Поскольку сопротивление проводника определяется соотношением

     

,

     где  ρ –  удельное сопротивление материала;

     L – длина; 

      A – площадь поперечного сечения, то сопротивление может изменяться при любом колебании измеряемой величины, которая влияет на один или несколько входящих в это выражение аргументов.

Рис. 13  Тензометрическое преобразование 
 

     Приведенная  зависимость  используется в тензодатчиках  – преобразователях, которые превращают изменение  прикладываемого  усилия  в изменение сопротивления (рис. 13). Как правило,  такой преобразователь применяется вместе с мостом Уитстона, когда одно, два или даже все четыре плеча представляют собою тензодатчики, а выходное напряжение изменяется в ответ на вариации измеряемого усилия.

•   тензодатчиках используются  металлические преобразующие элементы, при приложении механической нагрузки, к которым происходит изменение их длины и площади поперечного сечения, что приводит, в свою очередь, к изменению сопротивления.

     Некоторые материалы тензодатчиков, например полупроводниковые,  проявляют  пьезоэлектрический эффект,  при котором приложенная к материалу нагрузка вызывает большое изменение его удельного сопротивления.

     Тензодатчики  такого  типа  обладают  на  два  порядка большей чувствительностью. В общем случае любой параметр, который воспроизводит движение или силу, может быть использован для создания тензометрических преобразователей. Сопротивление иногда также изменяется при колебании температуры. Для металла это изменение имеет линейную зависимость:

,

     где R0 – сопротивление при температуре 0°С; Т – температура,°С; α – температурный коэффициент сопротивления.

     Типовые  зависимости  сопротивления  некоторых  металлов  от  температуры  показаны  на  рис.  14. Они  свидетельствуют о высокой степени линейности связи между сопротивлением и температурой.

     Для  создания  температурных измерительных преобразователей  такого  типа  обычно используется  проволока из  платины.

     

Рис. 14 Характеристики зависимости сопротивления некоторых металлов от температуры: 1 – никель; 2 – вольфрам; 3 – медь; 4 – платина

8. Полупроводниковые преобразователи

     Полупроводниковые  приборы  относятся  к  категории электронных компонентов, которые  называются  полупроводниками. Чистые или беспримесные полупроводники обычно не используются в этих приборах, но первоначально легированные примесями в полупроводниковую кристаллическую решетку они становятся примесными полупроводниками.

     Примесные  полупроводники  легируются  таким  образом, чтобы обеспечить избыток электронов (полупроводники n-типа) или их недостаток (полупроводники р-типа). Наличие примесей в полупроводниковой кристаллической решетке определяет степень электропроводности решетки.

     Одиночные слои п- или р-полупроводника не находят применения, и полупроводниковый материал становится полупроводниковым прибором только тогда, когда два или более слоев разных типов контактируют друг с другом. Простейший p-n-переход формирует  выпрямительный  прибор  или  диод. Вольт-амперная  характеристика  диода устанавливается согласно соотношению, известному как уравнение Шокли  либо уравнение идеального диода, а именно:

     

,

     где I 0 – ток насыщения (или ток утечки);

     Q – заряд электрона;

     V – прикладываемое к диоду напряжение;

     k – постоянная Больцмана;

     Т – температура, К.

     Любое  изменение  измеряемой  величины,  которое  вызывает  изменение  приведенного  выше  выражения,  может быть,  конечно,  использовано  для изменения тока,  протекающего через переход. Например, диод иногда применяется в качестве преобразователя температуры, поскольку ток утечки полупроводника изменяется в функции температуры. Ток утечки кремния составляет примерно 25 нА при температуре 25 °С и увеличивается до 6,5 мА при температуре 150 °С.

     Фотодетекторы

     Полупроводниковые  преобразователи,  предназначенные для измерения изменений  параметров  светового  излучения, называются фотодетекторами. Фотоэлектрический преобразователь, являющийся  простейшим  видом  фотодетекторов,  и

     представляет  собой полупроводниковый диод. Существует несколько типов таких преобразователей. Один из основных среди них – фотодиод, в котором используется эффект облучения светом (видимым или других длин волн) р-n-перехода с отрицательным смещением. При наличии облучения изменяется ток, протекающий через переход. Время отклика такого фото-диода составляет всего несколько наносекунд.