Меняются значения резистивного датчика

Регулировка громкости звуковой системы, фиксация положения пальца на сенсорном экране и определение появления в автомобиле человека – вот всего лишь несколько примеров использования переменных...

Меняются значения резистивного датчика

Сопротивление в движении: что нужно знать о переменных резисторах

Регулировка громкости звуковой системы, фиксация положения пальца на сенсорном экране и определение появления в автомобиле человека – вот всего лишь несколько примеров использования переменных резисторов в повседневной жизни. Возможность изменять сопротивление – это возможность взаимодействовать, поэтому переменные резисторы можно найти во множестве вещей. (Всё, что необходимо знать о постоянных резисторах, описано в предыдущей статье).

Принципы одинаковы, но способов разделения напряжения существует довольно много. Рассмотрим, что лежит в основе верньеров, реостатов, мембранных потенциометров, резистивных сенсорных экранов, а также датчиков изгиба и растяжения.

Потенциометр

Потенциометры, по сути – это делители напряжения. Это метод разделения заданного напряжения на меньшие значения. Согласно схеме, у потенциометра (серый) есть три точки соединения. Средняя – переменная (обозначена стрелкой), и она контактирует с материалом резистора внутри где-то в одной из точек протяжённого резистора.

Напряжение между регулируемой точкой и одной из оставшихся (концов резистора) определяется сопротивлением между ними. Если соединены только две точки, тогда у нас получится переменный резистор, или реостат.

На фото – потенциометр с цилиндрической поворотной ручкой. Круглая пластиковая ручка громкости на вашей звуковой системе прячет один из таких потенциометров. Обратите внимание на три контакта, из которых средний соединён с переменной точкой. На фото изображён новый потенциометр. А вот статья о том, как я использовал такое устройство на усилителе, сделанном из банки из-под арахисового масла.

Как меняется сопротивление потенциометра

У потенциометров может быть линейный или логарифмический диапазон сопротивления. Линейный означает, что при повороте ручки сопротивление меняется линейно. Если повернуть её на четверть, сопротивление изменится на четверть.

Но если так будет с ручкой громкости, нашим ушам покажется, что громкость растёт слишком быстро; так происходит из-за особенностей восприятия звуков мозгом. Поэтому для ручки громкости лучше использовать потенциометр, чьё сопротивление меняется логарифмически. На графике показано, как меняется громкость при повороте ручки, как для линейного, так и для логарифмического потенциометра. Некоторые потенциометры обеспечивают лишь псевдо-логарифмический рост, и они дешевле тех, что дают настоящий логарифм. Они состоят из двух линейных частей, встречающихся на 50% поворота. Их работа также отражена на графике.

Логарифмическое поведение достигается изменением формы резистивного элемента – его ширина меняется по всей длине. Поэтому потенциометры часто делят на линейно сужающиеся и логарифмически сужающиеся.

Ещё одна разновидность потенциометра – подстроечное сопротивление, или триммер. Они меньше размером, и используются на электронных платах. Подстраиваются одни обычно один раз, или очень редко – только для калибровки схемы.


Триммеры


Эквалайзер

Не все потенциометры работают с вращением. Они могут быть сделаны и в форме ползунов, как на фото с эквалайзером. Такие ползуны подвержены попаданию грязи, нарушающей их работу – именно такая проблема появилась у клавиатуры на фото (это моя клавиатура, и её ползуны действительно трудно передвигать).

Реостат

Как я уже упомянул, при подсоединении только двух контактов потенциометр часто называют реостатом. Реостаты обычно используются для больших токов, и, конечно же, не только для регулировки громкости.

Чтобы работать с большими токами, они обычно делаются при помощи провода, намотанного на изолированный сердечник, по которому ходит скользящий контакт. Вспомним символ потенциометра, у которого использовано три контакта. Поскольку здесь мы подключаем два контакта, мы используем другой символ; сопротивление со стрелочкой (не подсоединённой) поперёк. На изображении ниже вы можете видеть два варианта этого символа – по стандартам IEEE и IEC.

Мембранный потенциометр

Мембранный потенциометр состоит из гибкой диэлектрической, часто прозрачной мембраны с присоединённой снизу полоской сопротивления.

Ниже её находится основание, на поверхности которого нанесена токопроводящая дорожка. Когда палец, или другой объект прикасается к мембране, полоска устанавливает контакт с дорожкой. В результате на контактах полоски появляется напряжение. Оно зависит от того, в каком месте полоска соприкоснулась с дорожкой. Схема тут та же, что и самая первая схема на странице для потенциометра.

Сопротивление мембранного потенциометра SoftPot с сайта Sparkfun меняется линейно от 100 Ом до 10 кОм с номинальной мощностью в 1 Вт.

В случае, когда контакт не постоянен (например, он возникает только при нажатии пальцем), в схеме необходим подтягивающий резистор (к примеру, 100 кОм). Но у некоторых мембранных потенциометров есть магнит или скользящий контакт, всегда давящий на мембрану и поддерживающий постоянный контакт.

Резистивный сенсорный экран

Резистивный сенсорный экран похож на мембранный потенциометр, только резистивный материал есть на обоих его слоях, причём материал прозрачный. Передняя мембрана гибкая и также прозрачная, так что палец или стилус может надавить на неё и создать контакт. Технология использовалась в некоторых дешёвых карманных компьютерах или детских игрушках. Она всё ещё применяется, но революция смартфонов произошла благодаря ёмкостным экранам, не требующим гибкой мембраны.

Для 4-проводного резистивного сенсорного экрана напряжение подаётся на верхний слой, а результат считывается с нижнего, и таким образом считывается координата X. Затем всё происходит наоборот и получается координата Y. Всё это происходит за миллисекунды, и опрос экрана проводится непрерывно.

Все подсчёты ведутся вспомогательным контроллером. Резистивные экраны не такие отзывчивые, как ёмкостные, и для высокой точности обычно требуется стилус. Используются в очень дешёвых смартфонах.

Датчик давления

Датчики давления состоят из токопроводящего полимера, в котором есть проводящие и непроводящие частицы. Он расположен между двумя проводниками, переплетёнными, но не соединёнными. Прижимание полимера к проводникам создаёт контакт. Увеличение силы или площади нажатия увеличивает проводимость и уменьшает сопротивление. Без нажатия сопротивление конструкции может быть более 1 МОм, а точность обычно составляет около 10%. Этого достаточно для использования в музыкальных инструментах, протезах, датчиках наличия человека в машине и портативной электроники.

Гибкие и растяжимые датчики

Гибкий датчик – это резистивный материал, например, углерод, нанесённый на гибкую мембрану. При изгибании датчика материал растягивается и сопротивление увеличивается пропорционально радиусу изгиба. Судя по одной из спецификаций, сопротивление плоского датчика в 10 кОм может удваиваться при сгибании его на 180 градусов, когда оба конца соединяются. Распространённый пример – пальцы в игровых перчатках, такие, как в контроллере Nintendo Power Glove (в одном из проектов его хакнули для управления квадрокоптером). Сгибание пальцев приводит к изменению сопротивления, показывающему степень сгиба.


Датчик растяжения работает по тому же принципу, только его сопротивление увеличивается при растяжении. Резиновый шнур с углеродом выглядит, как шнур для банджи. Судя по одному примеру с Adafruit, 6-дюймовый шнурок сопротивлением 2,1 кОм при растяжении до 10″ меняет сопротивление до 3,5 кОм. Ещё один пример – проводящая нить из стальных волокон, смешанных с полиэстером, а ещё бывают датчики в виде резинок или ремней.

Резистивные датчики перемещения

Резистивный датчик перемещения представляет собой переменное, как правило, проволочное сопротивление, движок которого кинематически связан с источником входного сигнала [12] – углового или линейного перемещения.

По конструктивному исполнению каркаса различают плоские и цилиндрические резистивные преобразователи с прямолинейным перемещением подвижного контакта, а также с угловым перемещением движка (кольцевые и спиральные).

Резистивные датчики перемещения (рис. 2.9) в зависимости от схемы включения преобразователя Rд и нагрузки измерительной цепи Rн подразделяются на потенциометрическиеи реостатные преобразователи. Потенциометрический датчик включается по схеме делителя напряжения (рис. 2.9, а). Реостатный преобразователь включается последовательно с нагрузкой измерительной цепи (рис. 2.9, б).


а б
Рис. 2.9. Потенциометрическое (а) и реостатное (б)
включения резистивного датчика перемещения

Потенциометрическое включение резистивного преобразователя является наиболее предпочтительным при соотношении Rн >> Rд, реостатное включение требует соразмерности Rн и Rд, а также постоянства значения Rн.

На рис. 2.10 показано устройство резистивного преобразователя углового перемещения. На каркас 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2.Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по металлу проволоки скользит щетка 3.Добавочная щетка 5 скользит по токосъемному кольцу 4.Обе щетки изолированы от приводного валика 6.

Каркас выполняют из диэлектрического материала (текстолита, эбонита и др.) или металла (оксидированного алюминия). Для обмотки используют тонкий провод из константана, манганина, нихрома, а также сплавы из благородных металлов на основе платины, серебра и др. Провод датчика может быть покрыт либо эмалью, либо слоем окислов, изолирующих соседние витки друг от друга. Диаметр провода выбирают в пределах 0,03 – 0,1 мм для прецизионных датчиков и 0,3 – 0,4 мм – для датчиков низкого класса точности. Подвижный контакт (движок, щетка) выполняется либо из двух-трех проволок, изготовленных из сплава платины с иридием или из платины с бериллием, либо в виде пластинчатых щеток из серебра или фосфористой бронзы.

Рассмотрим работу датчика в режиме холостого хода, когда сопротивление нагрузки . На практике режим, близкий к холостому ходу, имеет место, например, при подаче выходного напряжения датчика на усилитель с очень высоким входным сопротивлением (например на операционный усилитель). Выходное напряжение датчика в режиме холостого хода

,

где Rд – полное сопротивление датчика, a Rx – сопротивление введенной части потенциометра.

Если lх – длина обмотки потенциометра, то при постоянном сопротивлении проволоки на единицу длины и равномерной намотке

.

Следовательно, в режиме холостого хода выходное напряжение датчика связано с входным перемещением lх линейной зависимостью

где коэффициент передачи

. (2.17)

Рассмотренный датчик позволяет измерять перемещения только одного знака и является однотактным. Для построения датчика, реагирующего на знак входного перемещения, необходимо иметь сопротивление с отводом от некоторой промежуточной (обычно средней) точки обмотки. Схема такого датчика приведена на рис. 2.11. Если перемещение движка отсчитывать от средней точки обмотки, то статическая характеристика датчика при сделанных выше допущениях по-прежнему будет определяться выражением (2.16), только пределы изменения lx будут другими:

Читайте также  На что реагирует инфракрасный датчик движения?

. (2.18)

Рис. 2.10. Конструкция резистивного преобразователя перемещения Рис. 2.11. Расчетная схема однотактного потенциометрического датчика

При изменении знака входного перемещения выходное напряжение датчика изменяет свой знак на противоположный, поэтому датчик, выполненный по схеме, изображенной на рис. 2.12, а, является двухтактным. Коэффициент передачи датчика определяется выражением (2.17).


а б

Рис. 2.12. Простейший двухтактный потенциометрический датчик:
а – схема включения; б – статическая характеристика в режиме холостого хода

Соотношения (2.16) и (2.17) сохраняют силу и в том случае, когда питание датчика осуществляется от источника переменного тока, если под Uпит и Uвых понимать действующие значения напряжений.

Одним из основных требований, предъявляемых к потенциометрическим датчикам, является линейность статической характеристики Uвых = U(lx). Статическая характеристика реальных датчиков является нелинейной, и выражение (2.16) описывает ее лишь приближенно. Основными причинами, нарушающими линейность статической характеристики потенциометрических датчиков, являются: влияние нагрузки, ошибка ступенчатости (витковая ошибка, погрешность квантования) и инструментальные погрешности.

Влияние нагрузки – одна из основных причин, вызывающих отклонение («провисание») статической характеристики датчика от линейной зависимости (рис. 2.13). Аналитическое выражение статической характеристикипри подключении нагрузки Rнимеет следующий вид:

(2.19)

Но и в режиме холостого хода статическая характеристика реальных датчиков не является линейной вследствие наличия ошибки ступенчатости и инструментальных погрешностей. Ошибка ступенчатости обусловлена тем, что при перемещении подвижного контакта он последовательно переходит с одного витка обмотки на другой. Так как сопротивление витка (w – число витков обмотки датчика) имеет конечную величину, то в результате выходное напряжение датчика при перемещении движка изменяется по ступенчатой кривой, показанной на рис. 2.14. При переходе подвижного контакта с витка на виток выходное напряжение датчика изменяется скачком на величину падения напряжения на одном витке . Максимальное отклонение напряжения датчика от линейной зависимости вследствие наличия ступенчатости

.

Поскольку индуктивное и емкостное сопротивления резистивных преобразователей перемещения весьма малы, и их можно не принимать во внимание до частот питающего напряжения переменного тока порядка нескольких десятков килогерц. Поэтому при рассмотрении резистивных датчиков в качестве звена автоматической системы необходимо учитывать также сопротивление нагрузки измерительной (усилительной) цепи. При активной нагрузке датчик является безынерционным звеном. При активно-реактивной нагрузке начинает проявляться инерционность устройства.

Рис. 2.13. Эффект «провисания» статической характеристики при уменьшения сопротивления нагрузки Рис. 2.14. Статическая характеристика потенциометрического датчика с учетом ошибки ступенчатости

К достоинствам резистивных датчиков перемещения следует отнести малый вес и габариты, сравнительную простоту конструкции и возможность питания от источников как постоянного, так и переменного тока. Основным недостатком таких датчиков является их низкая надежность, обусловленная наличием скользящего контакта, усилия перемещения, а также ограниченная разрешающая способность.

Резистивный датчик давления и Arduino

Резистивные датчики давления (Force Sensitive Resistors(FSRs)) — это датчики, которые позволяют вам оценить уровень давления, силу нажатия и вес.

Они просты в использовании и недорого стоят. Ниже приведено фото датчика силы от Interlink, модель 402. Чувствительный элемент — окружность диаметром 1/2 дюйма.

Датчик состоит из двух слоев, которые разделены специальной прокладкой (spacer). Чем сильнее мы на него давим, тем лучше становится контакт между рисками активных элементов и полупроводником. В результате сопротивление начинает уменьшается.

Резистивные датчики давления по по сути являются резисторами, которые меняют значение своего сопротивления (в Ом) в зависимости от силы нажатия на чувствительный элемент. Эти сенсоры недорогие, легки в использовании, но не очень точные. Разброс в точности показаний подобных датчиков давления может составлять до 10%. То есть, подобные датчики не помогут вам точно определить силу (или вес), но однозначно дадут понять, приложено ли усилие на чувствительный элемент.

В любом случае, такие датчики силы отлично подойдут для проектов на Arduino вроде «была ли приложена нагрузка и примерно какая она была».

Основные технические характеристики резистивных датчиков давления

Эти характеристики относятся к модели датчика давления Interlink 402, но практически все остальные датчики (недорогой Китай в том числе) обладают похожими параметрами. Естественно, уточнение характеристик по даташиту вашей модели не помешает.

  • Размер: 1/2″ (12.5 мм) чувствительной поверхности. Толщина — 0.02″ (Interlink выпускает некоторые модели, размер которых составляет 1.5″x1.5″)
  • Цена: около 7 долларов от западных производителей. 2-3 доллара в Китае.
  • Диапазон сопротивлений: бесконечность/разомкнутая цепь (нет внешнего давления), от 100 КОм (легкое давление) до 200 Ом (максимальное давление)
  • Диапазон силы: от 0 до 20 lb. (0 — 100 Ньютонов) на каждый 0.125 квадратный дюйм поверхности
  • Источник питания: любой! Использует силу тока менее 1 мА (зависит от резисторов и напряжения питания)

Как измерять силу/давление с помощью резистивного датчика давления

Как было сказано выше, сопротивление резистивного датчика давления меняется в зависимости от приложенного давления. Когда внешняя нагрузка отсутствует, сенсор представляет из себя резистор с бесконечным сопротивлением (не замкнутая цепь). С увеличением давления, сопротивление уменьшается. На графике ниже приведены приблизительные значения сопротивления датчика в зависимости от приложенной силы (обратите внимание, что сила не измеряется в граммах. Эти значения соответствуют Н*100!).

Вы заметили, что зависимость нелинейная? То есть, при измерении небольшой силы, значения очень быстро переходят от бесконечности к 100 КОм.

Проверка резистивного датчика давления

Самый простой способ проверить ваш резистивный датчик давления — воспользоваться мультиметром в режиме проверки сопротивления. Щупы мультиметра подключатся к ногам датчика и напрямую снимаются показания сопротивления. Так как сопротивление изменяется в большом диапазоне, рекомендуется использовать масштаб в автоматическом режиме.

Подключение резистивного датчика давления

Так как резистивные датчики давления по сути являются резисторами, у них нет полярности. Это значит, что вы вы можете подключать контакты, не выясняя, где минус, а где плюс.

Резистивные датчики давления часто изготавливаются из полимера с токопроводящим покрытием. Один из самых лучших и простых вариантов — установить сенсор на монтажную плату:

Можно использовать клипсы («крокодилы») или разъемы мама-мама:

Еще один вариант — блок терминалов как на рисунке снизу:

Контакты резистивного датчика давления можно паять, но надо быть предельно осторожным! Припаивать надо очень быстро. Промедление в несколько секунд — и вы расплавите пластик. После этого резистивный датчик давления не будет работать! То есть, не рекомендуется припаивать контакты к сенсору, если у вас нет качественных инструментов и опыта пайки.

Использование резистивного датчика давления с Arduino

Считывание аналоговых значений

Самый простой метод измерить силу — подключить сенсор одним контактом к питанию, вторым (через понижающий резистор) — к земле. Потом точка цепи между резистором и переменным резистором (чувствительным элементом резистивного датчика давления) подключается к аналоговому входу на микроконтроллере Arduino. Схема подключения резистивного датчика давления к Arduino и электросхема показаны на рисунках ниже.

В примере на рисунке выше используется источник питания 5 В с Arduino. Не забывайте, что вы с тем же успехом можете использовать контакт 3.3 В. В нашем примере аналоговые значения напряжения будут находится в диапазоне от 0 В (земля) до 5 В (такое же значение, что и напряжение источника питания).

Работает это следующим образом: когда сопротивление резистивного датчика давления уменьшается, общее сопротивление датчика и понижающего резистора уменьшается от 100 КОм до 10 КОм. Это значит, что ток, проходящий через оба резистора, увеличивается. Соответственно, будет увеличиваться и напряжение на резисторе 10 КОм.

В таблице выше приведены приблизительные значения аналогового напряжения при работе резистивного датчика давления с питанием от 5 В и понижающим резистором 10 КОм в электрической цепи.

Обратите внимание, что приведенная методика использует линейную зависимость сопротивления, но не обеспечивает линейную характеристику изменения напряжения! Это происходит из-за того, что уравнение для расчета напряжения имеет вид:

То есть, напряжение пропорционально обратному сопротивлению чувствительного элемента резистивного датчика давления.

Простой пример использования резистивного датчика давления с Arduino

Подключите резистивный датчик давления так же как в примере выше и добавьте в схему светодиод на 11 пине Arduino.

В скетче, который приведен ниже, считываются аналоговые значения с резистивного датчика давления и используются для управления яркостью светодиода на 11 пине Arduino. Чем сильнее вы будете давить на сенсор, тем ярче будет гореть светодиод! Обратите внимание, что светодиод необходимо подключать к ШИМ контакту на Arduino. 11 — ШИМ на Arduino Uno.

/* проверка работы датчика силы.

Подключите один контакт датчика силы к 5 В, второй — к аналоговому пина Arduino Analog 0.

Потом подключите один конец резистора 10 КОм между аналоговым пином 0 и землей. Подключите светодиод через резистор к земле.

Для более детальной информации смотрите статью на сайте: www.ladyada.net/learn/sensors/fsr.html */

int fsrAnalogPin = 0; // датчик силы подключен к пину analog 0

int LEDpin = 11; // подключаем красный светодиод к контакту 11 (ШИМ выход)

int fsrReading; // аналоговые значения с датчика силы

Serial.begin(9600); // будем отправлять информацию в серийный монитор в Arduino IDE

// надо масштабировать диапазон аналоговых значений (0-1023) к диапазону,

// который используется функцией analogWrite (0-255) с помощью команды map!

LEDbrightness = map(fsrReading, 0, 1023, 0, 255);

// светодиод горят ярче, если вы прилагаете большую нагрузку

Простой скетч для измерения аналоговых значений с резистивного датчика давления

Ниже приведен скетч для снятия аналоговых значений с резистивного датчика давления с использованием Arduino Uno.

В программе не проводятся никакие математические операции. Просто выводятся значения, которые можно в дальнейшем интерпретировать как уровень давления на чувствительный элемент резистивного датчика давления. Для многих проектов на Arduino этого вполне достаточно.

/* простой скетч для проверки работоспособности датчика силы

Подключите один контакт датчика силы к источнику питания, второй — к контакту Analog 0 на Arduino.

Читайте также  Инструкция по настройке датчика движения

После этого подключите резистор на 10 КОм от пина Analog 0 к пину GND

Более детальная информация на: /arduino-rezistivnyy-datchik-davleniya */

int fsrPin = 0; // датчик силы и понижающий резистор на 10 КОм подключены к a0

int fsrReading; // переменная для хранения аналоговых значений с датчика силы

// передаем информацию на серийный монитор Arduino IDE

Serial.print(fsrReading); // последовательность аналоговых значений

// выставляем несколько диапазонов с соответствующими сообщениями

Резистивные измерительные преобразователи

Резистивные измерительные преобразователи относятся к классу параметрических датчиков, включаемых в электрическую цепь с источником питания. Общим свойством является зависимость сопротивления датчика от измеряемой величины.

Реостатный преобразователь — прецизионный реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины. Входной величиной датчика является линейное или угловое перемещение движка, выходной — изменение его сопротивления. Обмотка реостата изготавливается из провода с высоким удельным сопротивлением: константана, манганина, нихрома. Достоинство датчика заключается в его простоте, а недостаток — в механическом износе и химической коррозии, которые способны изменить рабочую характеристику датчика. Легко показать, что реостатный преобразователь перемещений имеет линейную функцию преобразования ( u_ <н>= f(x)=frac>x) только при условии ( R_ <нагр>gg R_<реост>), в противном случае появляется нелинейность.

Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) — проводник, изменяющий своё сопротивление при деформации растяжения–сжатия за счёт тензоэффекта. Функцией преобразования тензорезистора является зависимость его относительного сопротивления от деформации: . Различают металлические (проволочные, фольговые, плёночные) и полупроводниковые тензорезисторы. Полупроводниковые тензорезисторы имеют на два порядка большую чувствительность по сравнению с металлическими, но и сама чувствительность, и их сопротивление сильно зависят от температуры. Тензорезисторы применяют для измерений деформаций объекта контроля, для этого их наклеивают на объект контроля, чтобы они испытывали одинаковые с ним деформации.

Терморезисторные преобразователи (терморезисторы) — датчики, активное сопротивление которых меняется с изменением температуры, поэтому их называют термометры сопротивления. В качестве терморезистора используют металлические или полупроводниковые резисторы. Последние также называют термисторами. Для изготовления металлических терморезисторов обычно используют медь или платину. Функция преобразования медного терморезистора линейна:(R_T=R_0(1+alpha T)), где ( R_0) — сопротивление датчика при (T=0 °С), (alpha) — температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Функция преобразования платинового терморезистора нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трёхчленом:(R_T=R_0(1+alpha T+beta T^2)). Коэффициенты зависимости равны: (alpha = 3,91cdot 10^<–3>K^<–1>), (beta = 5,78cdot 10^<–7>K^<–2>). Термометры сопротивлений обычно включают последовательно со вторичным прибором, часто с использованием компенсационных схем. В менее ответственных случаях для измерения сопротивлений используют мостовые схемы: в лабораторной практике — с ручным уравновешиванием, в производственных условиях — автоматические.

Полупроводниковые терморезисторы — термисторы изготавливают из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца, с номинальным сопротивлением от (1) до (200) кОм. В зависимости от типа они применяются для измерения температур от (−100) до (600) °С. Их чувствительность в (6–10) раз больше чувствительности металлических терморезисторов. Недостатком термисторов является нелинейность функции преобразования, обычно описываемой выражением:

где (R_T) — сопротивление термистора при температуре T в кельвинах; A,B — постоянные, зависящие от материала и технологии. Термисторы обычно включаются в схему неравновесного или автоматического моста.

Фоторезиторные преобразователи (фоторезисторы) — датчики, относящиеся к классу фотоэлектронных (оптоэлектронных) приёмников. Принцип их работы основан на внутреннем фотоэффекте — явлении образования свободных электронов и дырок в полупроводнике при поглощении квантов света и резком возрастании его фотопроводимости. Фоторезистор представляет собой пластинку, на которую нанесён слой полупроводникового фоточувствительного материала (обычно из сернистого кадмия, селенистого кадмия или сернистого свинца). Одной из основных характеристик фоторезисторов является фоточувствительность: токовая чувствительность к световому потоку: определяемая отношением изменения фототока к вызвавшему это изменение лучистому потоку. Эта чувствительность зависит не только от свойств фотоприёмника, но и от схемы, в которую он включён. Чувствительность фоторезисторов может определяться кратностью изменения их сопротивления:, где (R_T) — темновое сопротивление неосвещённого преобразователя (обычно ( R_T = 10^3 – 10^7) Ом), (R_<200>) — сопротивление при освещённости E = 200 лк.

У некоторых типов фоторезисторов k достигает значений до (10^5). В целом фоторезисторы характеризуются высокой чувствительностью, большим спектральным диапазоном, возможностью использования в инфракрасной области спектра. К их недостаткам относят значительную инерционность: постоянная времени сернисто–кадмиевых датчиков лежит в пределах (1–140) мс, селенисто–кадмиевых — (0,5–20) мс. Отсюда сравнительно низкая граничная частота их использования — (10^3 – 10^4 )Гц. Кроме того, сопротивление фоторезисторов зависит от температуры подобно сопротивлению термисторов, поэтому с целью уменьшения температурной погрешности их включают в смежные плечи моста.

Магниторезистивные преобразователи (магниторезисторы) относятся к классу гальваномагнитных преобразователей, изменение сопротивления которых обусловлено изменением подвижности носителей зарядов в полупроводниках под действием магнитного поля. При воздействии магнитного поля с индукцией B скорость движения носителей зарядов в направлении поля уменьшается. Функция преобразования магниторезистора, описывающая зависимость его сопротивления от индукции, имеет вид:

где A — магниторезистивный коэффициент, зависящий от свойств материала и формы преобразователя, (mu) — подвижность носителей заряда, m — показатель степени, равный (2) в слабых магнитных полях ((Ble0,2-0,5) Тл), и равный (1) в сильных магнитных полях.

Омические (резистивные) датчики. Контактные, потенциометрические (реостатные), тензорезисторные, терморезисторные.

Датчик — это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.
Омические (резистивные) датчики — приборы, принцип действия которых основан на изменении их активного сопротивления при изменении длины I, площади сечения S или удельного сопротивления р.
Кроме того, используется зависимость величины активного сопротивления от контактного давления и освещенности фотоэлементов. В соответствии с этим омические датчики делят на группы:

  • контактные;
  • потенциометрические (реостатные);
  • тензорезисторные;
  • терморезисторные;
  • фоторезисторные.

Контактные датчики — это простейший вид резисторных датчиков, которые преобразуют перемещение первичного элемента в скачкообразное изменение сопротивления электрической цепи. С помощью контактных датчиков измеряют и контролируют усилия, перемещения, температуру, размеры объектов, контролируют их форму и т. д. К контактным датчикам относятся:

  • путевые и концевые выключатели;
  • контактные термометры;
  • электродные датчики, используемые в основном для измерения предельных уровней электропроводных жидкостей.

Контактные датчики могут работать как на постоянном, так и на переменном токе. В зависимости от пределов измерения контактные датчики могут быть однопредельными и многопредельными. Последние используют для измерения величин, изменяющихся в значительных пределах, при этом части резистора R, включенного в электрическую цепь, последовательно закорачиваются.
Недостаток контактных датчиков — сложность осуществления непре­рывного контроля и ограниченный срок службы контактной системы. Но благодаря предельной простоте этих датчиков их широко применяют в си­стемах автоматики.
Реостатные датчики представляют собой резистор с изменяющимся активным сопротивлением. Входной величиной датчика является перемещение контакта, а выходной — изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать.
Наибольшее распространение получила потенциометрическая схема включения реостатного датчика, в которой реостат включают по схеме делителя напряжения. Делителем напряжения называют электротехническое устройство для деления постоянного или переменного напряжения на части.
Делитель напряжения позволяет снимать (использовать) только часть имеющегося напряжения посредством элементов электрической цепи, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Переменный резистор, включаемый по схеме делителя напряжения, называют потенциометром.
Обычно реостатные датчики применяют в механических измерительных приборах для преобразования их показаний в электрические величины (ток или напряжение), например, в поплавковых измерителях уровня жидкостей, различных манометрах.
Датчик в виде простого реостата почти не используется вследствие значительной нелинейности его статической характеристики Iн = f(x), где Iн — ток в нагрузке.
Выходной величиной такого датчика является падение напряжения Uвых между подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходного напряжения от перемещения х контакта Uвых = f(x) соответствует закону изменения сопротивления вдоль потенциометра. Закон распределения сопротивления по длине потенциометра, определяемый его конструкцией, может быть линейным или нелинейным.
Потенииометрические датчики, конструктивно представляющие собой переменные резисторы, выполняют из различных материалов — обмоточного провода, металлических пленок, полупроводников и т. д.
Тензорезисторы (тензометрические датчики) служат для измерения механических напряжений, небольших деформаций, вибрации. Действие тензорезисторов основано на тензоэффекте, заключающемся в изменении ак­тивного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним усилий.
Термометрические датчики (терморезисторы) — сопротивление зависит от температуры. Терморезисторы в качестве датчиков используют двумя способами.
Способ 1. Температура терморезистора определяется окружающей средой; ток, проходящий через терморезистор, настолько мал, что не вызывает нагрева терморезистора. При этом условии терморезистор используется как датчик температуры и часто называется «термометром сопротивления».
Способ 2. Температура терморезистора определяется степенью нагрева постоянным по величине током и условиями охлаждения. В этом случае установившаяся температура определяется условиями теплоотдачи поверхности терморезистора (скоростью движения окружающей среды — газа или жидкости — относительно терморезистора, ее плотностью, вязкостью и температурой), поэтому терморезистор может быть использован как датчик скорости потока, теплопроводности окружающей среды, плотности газов и т. п.
В датчиках такого рода происходит как бы двухступенчатое преобразование: измеряемая величина сначала преобразуется в изменение температуры терморезистора, которое затем преобразуется в изменение сопротивления.
Терморезисторы изготовляют как из чистых металлов, так и из полупроводников. Материал, из которого изготавливаются такие датчики, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по воз­можности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей — медь и никель.
По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы).

Резистивные датчики температуры. Принципы работы и характеристики

Задача получения правильных результатов измерения температуры в большинстве случаев может быть решена при применении резистивных датчиков температуры (РТД), которые представлены на рынке в большом количестве конструктивных исполнений и точностных характеристик. Они являются одними из наиболее стабильных и точных температурных датчиков, работающих в температурном диапазоне приблизительно от -200 до 800 °C, и используются там, где требуется хорошая повторяемость результатов измерений при их высокой точности.

Работа РТД основана на свойстве металлов к изменению своего электрического сопротивления при изменении температуры. Известно, что все металлы изменяют свое сопротивление при изменении температуры. Этот факт и определил появление РТД.

Читайте также  Что такое тензодатчик и как он работает

Сопротивление отрезка провода прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения:

где p — удельное сопротивление материала.

Каждый металл имеет определенное и уникальное удельное сопротивление, которое может быть определено экспериментально. РТД изготавливают из металлов, сопротивление которых растет с температурой. В пределах ограниченного температурного диапазона удельное сопротивление линейно растет с ростом температуры:

где p
t — удельное сопротивление при температуре t, p
— удельное сопротивление при стандартной температуре t 0 ,
a — температурный коэффициент сопротивления (°C –1).

Считая t 0 =0 °C, решим совместно уравнения 1 и 2. После приведения решения к стандартной линейной форме (y =mx +b) становится ясно, что изменение сопротивления в зависимости от температуры является линейной функцией с наклоном, равным
a :

Теоретически, любой металл может быть использован в качестве датчика температуры, однако идеальный металл должен иметь специфические характеристики:

  • высокую точку плавления;
  • устойчивость к коррозии;
  • иметь линейную характеристику R=F(t);
  • быть долговечным.

Платиновый провод хрупок, но материал высокоустойчив к загрязнению и обладает только слегка нелинейной характеристикой dR/dt, поэтому платина и была выбрана для применения в РТД. К ее положительным характеристикам следует отнести химическую стабильность, возможность достаточно легкого получения материала в химически чистой форме, а также электрические свойства, которые имеют высокую повторяемость.

РТД изготавливают или из сплава IEC/DIN (американский стандарт) или из химически чистой платины (европейский стандарт). Отличие — в степени чистоты. Если стандарт IEC/DIN определяет, что датчик изготавливается из платины, которая преднамеренно загрязнена другими металлами платиновой группы, то платина, применяемая в датчиках, изготавливаемых по европейскому стандарту, имеет степень чистоты не менее 99,99%. Если датчики, сделанные из разных материалов, будут иметь сопротивление 100 Ом при 0 °C, то при 100 °C датчик, изготовленный из сплава IEC/DIN, будет иметь сопротивление 138,5 Ом, а датчик, изготовленный по европейскому стандарту, — 139,02 Ом.

Международными комитетами были установлены стандартные кривые для РТД. Они определили средний температурный коэффициент
a , который определяет наклон функции R =F (t) в диапазоне температур между 0 и 100 °C. Из уравнения 3 получаем выражение для
a :

Для платины стандарта IEC/DIN
a =0,00385 Ом/(Ом ·°C). Для платины европейского стандарта — 0,003926 Ом/(Ом ·°C)(максимально).

Зависимость между сопротивлением и температурой может быть приближенно описана уравнением Каллендар —Ван Дусена:

где T — температура (°C), R — сопротивление при температуре T, R 0 — сопротивление при температуре таяния льда,
a =постоянный коэффициент (определяет наклон функции R =F(T)при T =0 °C),
d — постоянный коэффициент,
b — постоянный коэффициент (
b =0 при T >0 °C).

Фактические значения коэффициентов
a ,
d и
b определяются экспериментально путем измерения значения РТД при разных температурах и решения уравнения 5.

Уравнение Каллендар — Вана Дусена может быть упрощено:

При по ожительных температурах поведение платинового РТД упрощается, так как коэффициент C становится равным нулю, и может быть определено как

Как было сказано выше,уравнения были получены Каллендар — Ван Дусеном из экспериментальных данных. Он использовал для калибровки три точки:0 °C и еще две произвольно выбранных по ожительных температуры:

  • точку кипения воды — 100 °C;
  • тройную точку цинка — 419,58 °C.

Коэффициенты A, B, и C зависят от материала провода и его чистоты. Ничто не вечно, даже очень хорошие датчики иногда выходят из строя, и их необходимо менять. Для того чтобы эта операция была безболезненной для пользователя, датчики должны иметь идентичные характеристики, поэтому международный стандарт IEC 751 в целях взаимозаменяемости датчиков определил коэффициенты уравнения Каллендар — Ван Дусена, которые должен иметь любой выпускаемый РТД. Значения коэффициентов приведены ниже.

Коэффициенты для платиновых датчиков по стандарту IEC 751-2 (ITS90):

A B C
3,9083×10
–3 °C –1
–5,775 x10
–7 °C –2
–4,183 x10
–12 °C –3

Для отдельно взятого датчика постоянные A, B и C могут слегка отличаться от стандартных, в зависимости от выбранных калибровочных температур и техно огии его изготовления. Поэтому при проведении точных измерений следует уточнить его характеристики у производителя.

Конструкция датчиков

Датчики изготавливают двух видов: провоочные или тонкопленочные.

Проволочные датчики наматывают очень тонким платиновым проводом на катушку до получения сопротивления равным 100 Ом. Потом катушка вставляется в керамическую оправку для предотвращения замыканий на корпус и обеспечения виброустойчивости. Этот процесс очень трудоемок, а вся работа выполняется вручную под микроскопом.

Тонкопленочные датчики изготавливаются методом осаждения тонкого слоя платины или ее сплавов на керамическое основание и следующей подгонки сопротивления резистора к требуемому значению. После этого элементы датчика для обеспечения влагоустойчивости покрываются стеклом или эпоксидной смолой. Преимуществом тонкопленочных датчиков по сравнению с прово очными является то, что по этой техно огии можно получить более высокоомные датчики при значительно меньших габаритах. Это ведет к увеличению разрешения на градус и, соответственно, минимизирует ошибки, вызываемые сопротивлением подводящих проводов. Например, выпускаются датчики, имеющие сопротивление 1000 Ом при 0 °С. Тонкопленочные датчики восприимчивы к деформации,и имеют максимальный температурный коэффициент 0,00385 Ом/(Ом ·°C).

Параметры датчиков

При выборе конкретного датчика должны анализироваться следующие его характеристики:

  • схема подключения (двух-, трех-или четырехпроводная);
  • саморазогрев;
  • точность;
  • стабильность;
  • повторяемость;
  • время выхода на режим.

Схемы подключения

Используются двух-, трех-или четырехпроводные схемы подключения датчика к измерительному устройству. Они хорошо известны и поэтому не будут детально описываться. Но все же коротко рассмотрим основные аспекты их применения. Двухпроводная схема подключения используется там, где подводящие провода являются очень короткими и может быть допущена некоторая ошибка измерения. При трехпроводном подключении имеются три подводящих проводника вместо двух, что позволяет в некоторой степени уменьшить ошибки измерения, вносимые протеканием тока через подводящие провода. Четырехпроводная конфигурация может быть рекомендована для получения наилучших результатов измерения.

Ток возбуждения датчика проходит через одну пару проводов, а измерение сопротивления осуществляется через другую пару. Это исключает ошибку, вызванную разным сопротивлением подводящих проводов. Этот способ более дорог, чем двух-или трехпроводные конфигурации (особенно при длинных линиях связи), но это лучший способ обеспечения высокой точности измерения.

Еще хотелось бы привести достаточно удачную схему подключения двух РДТ, опубликованную на сайте caxapa.ru (см.рисунок). Здесь используется четырехпроводная схема подключения и логометрический метод измерения. По утверждению авторов, она обладает следующими характеристиками:

  • 16-разрядное разрешение;
  • реальная точность 0,02 °С (при использовании 100-омных датчиков);
  • удаление схемы измерения от дачика до 500 метров;
  • возможность применения 100,500 или (max) 1000-омных датчиков.

Следует отметить, что здесь точность и стабильность измерения определяются не только параметрами датчика, но и точностью и стабильностью резистора 1,00 кОм, включенного между REF+и REF-, поэтому рекомендуется использовать высокоточный и высокостабильный резистор типа С2-29С.

Саморазогрев

Как известно, для измерения сопротивления необходимо пропустить через него ток. Протекающий ток вызывает нагрев резистора, поэтому температура, измеряемая датчиком, будет всегда слегка выше фактической. Саморазогрев сильно зависит от среды, в которую помещен датчик. Например, саморазогрев датчика на воздухе может быть в 100 раз выше, чем в воде.

Точность, стабильность и повторяемость

Эти три термина часто путают, поэтому важно понять их различие.

Стандарт IEC 751 определяет два класса точности —класс «A » и класс «B »:

Класс «A »:t =±(0,15 +0,002 •|t |)

Класс «B »:t =±(0,30 +0,005 •|t |)

где:|t |— абсолютная температура в °C.

Класс «A » применяется для датчиков, работающих в температурном диапазоне от –200 до 650 °C, и только для трех-или четырехпроводной схемы подключения.

Класс «B » охватывает полный диапазон температур от –200 °C до 850 °C.

Стабильность — это способность датчика поддерживать свое неизменное сопротивление при постоянном входном воздействии. Физические или химические воздействия могут вызывать дрейф градуировки. Кроме этого, так как платина — материал достаточно жесткий, то провод на сердечнике или на подожке может расширяться или сжиматься, вызывая его деформацию и ухудшение стабильности. Дрейф, обычно указываемый изготовителями, составляет обычно 0,05 °C/год.

Повторяемость — это способность датчика иметь неизменную характеристику в течение длительного времени при идентичных условиях применения. Во многих случаях не требуется получения абсолютной точности, а все внимание обращается на стабильность и повторяемость характеристик датчика. Если, например, РТД в точке 100,00 °C всегда показывает 100,06 °C, то схема обработки всегда может легко компенсировать эту ошибку. Повторяемость характеристик датчиков исключительна, в большинстве случаев она составляет 0,05 °C в течение пяти лет.

Время выхода на режим

Время выхода на режим — это способность датчика реагировать на изменение температуры объекта. Оно зависит от тепловой массы датчика, а также близости и места распо ожения по отношению к измеряемому объекту, то есть от конкретной схемы измерения температуры. Например, датчик, помещенный в термокарман, реагирует на изменение температуры более медленно, чем тот же самый датчик, помещенный непосредственно в процесс. Технические требования определяют постоянную времени датчика как время, необходимое датчику для того, чтобы при ступенчатом воздействии температуры его показание составило 63% от амплитуды ступеньки. Время выхода на режим рассчитывается как при помещении датчика в воду, текущую со скоростью 0,2 м/с, и так и в воздух, текущий со скоростью 1 м/с.

Алексей Бартош/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Gk-Rosenergo.ru
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: