Тензометрические первичные

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Работа тензометрического преобразователя (тензорези- стора) основана на изменении электрического сопротивления про­водников при упругих деформациях растяжения или сжатия. Они применяются для преобразования деформаций, усилий и напряжений в электрический сигнал. В зависимости от конструк­ции и материала чувствительного элемента тензорезисторы под­разделяются на проволочные, фольговые, полупроводниковые и тензолитовые.

Простейшим проволочным тензорезистором может служить от­резок тонкой проволоки. При деформации детали одновременно будет деформироваться и наклеенная проволока. Изменение элек­тросопротивления Д/? проволоки при ее растяжении или сжатии связано с относительной деформацией е соотношением

Д^? — /Ы?,

где Я — номинальное сопротивление проволоки. Ом; к — коэф­фициент чувствительности.

Коэффициент чувствительности & зависит от вида материала и технологии изготовления преобразователя; его значение опре­деляют экспериментально. Наибольшее распространение полу­чили константан и нихром, для которых И = 1,9—-2,1.

Размеры детали часто не позволяют закрепить на ней преоб­разователь в виде прямолинейного отрезка проволоки большой длины. Поэтому промышленностьфизготовляет тензометрические преобразователи в виде спирали (решетки) из нескольких петель проволоки (рис. 9, а). Проволоку / наклеивают на подложку 2 из тонкой бумаги или лаковой пленки и сверху наклеивают

а) 6) в)

Рис. 9. Тензометрические преобразователи: а — проволочные; б — с медными перемычками; в — фольговые

такую же тонкую бумагу. К проволоке приваривают (или при паивают) выводы 3, выполненные из тонких полосок медном фольги. Недостатком данной конструкции решетки является чув­ствительность преобразователя к поперечным деформациям. Для устранения этого недостатка петли между рядами заменяют мед­ными перемычками 4 (рис. 9, б). Основными параметрами решетки являются: длина I (3 ... 75 мм), ширина а (0,03 ... 10 мм) и радиус закругления г (0,1 ... 0,3 мм).

Проволочные тензорезисторы просты по конструкции, имеют малую массу и невысокую стоимость. Их статическая характе­ристика линейна и реверсивна. К недостаткам проволочных тензо- резисторов относятся низкая чувствительность и одноразовость действия. Они подвержены влиянию окружающей среды (темпе­ратура и влага).

Фольговые тензорезисторы по принципу действия и основным параметрам сходны с проволочными преобразователями и отли­чаются только конструкцией решетки (рис. 9, в) и способом ее получения. Для фольговых тензорезисторов применяется фольга толщиной 4 ... 12 мкм из константана, нихрома, титан-алюми- ниевого или золото-серебряного сплавов. Решетку фольговых тензодатчиков получают методом фотолитографии, который позво­ляет изготовлять преобразователи любой конструкции (линейные, розеточные, мембранные и т. и.) с высокой повторяемостью пара­метров. Фольговые тензорезисторы по сравнению с проволочными имеют ряд преимуществ. Они более чувствительны и точны за счет лучшей передачи деформаиии от детали к фольге, имеют хоро­ший механический контакт с контролируемой деталью и позво­ляют пропускать через фольгу большой ток.

В настоящее время начинают находить применение полупро­водниковые тензопреобразователи, изготовленные из полупровод­никовых материалов — кремния, германия, мышьяка, галия и др.

В отличие от проволочных и фольговых преобразователей изме­нение сопротивления при деформации у полупроводниковых происходит благодаря изменению удельного сопротивления.

Основным преимуществом полупроводниковых преобразова­телей является высокая чувствительность (почти в 100 раз выше, чем у проволочных). Они имеют большой выходной сигнал, что позволяет в некоторых случаях отказаться от применения уси­лителя. Однако у них большой разброс параметров и низкая механическая прочность, т. е. они хрупки.

Тензометрические преобразователи находят применение в ма­шинах литья под давлением для определения давления металла в камере прессования, а также при контроле качества термиче­ской обработки.

в. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРВИЧНЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Принцип действия фотоэлектрических преобразовате­лей (фотоэлементов) основан на использовании фотоэлектрического эффекта, т. е. они реагируют на изменение светового потока. Создание фотоэлектрических преобразователей оказалось возмож­ным, когда были открыты материалы, электроны которых полу­чают дополнительную энергию при воздействии световой энергии. Причем значение дополнительной энергии может быть таково, что часть электронов оказывается свободной.

В зависимости от поведения электронов, высвобождающихся под действием светового потока, различают три группы фотоэле­ментов: с внешним и внутренним фотоэффектом и с запирающим слоем (вентильные).

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (рис. 10, а) представляет собой вакуумную двухэлектродную лампу. Катод 1 образован светочувствительным слоем (цезий или сплав сурьмы с цезием) и нанесен на внутреннюю поверхность лампы, а анод 2 выпол­няется в виде кольца или пластины. Нередко в лампу вводят некоторое количество нейтрального газа (аргона), который не окисляет поверхность металла, но способен ионизироваться под ударами летящих электронов и увеличивать за счет своих ионов значение протекающего тока. Под действием световой энергии с поверхности выбиваются электроны, образующие электрический ток (внешний фотоэффект). Промышленность выпускает фото­элементы следующих типов: ЦГ — цезиевый газонакопленный; СЦВ'— сурьмяно-цезиевый, вакуумный; ЦВ — цезиевый, вакуумный.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом обладают высокой чувствительностью и высокой температурной стабильностью. Для них характерна линейная зависимость фототока от светового потока. К числу недостатков рассмотренных фотоэлементов, ко­торые ограничивают их применение в автоматических системах управления, относятся: необходимость в повышенном напряжении питания; хрупкость стеклянного баллона; старение и утомляемость, т. е. снижение чувствительности при сильной освещенности.

Рис. 10. Фотоэлектрические пре­образователи:

а — с внешним фотоэффектом; б — с внутренним фотоэффектом; в — вен­тильные

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) чувствительнее элементов первого типа, использующих фотоэф фект со свободной поверхности металла. Фотоэлементы с вну­тренним фотоэффектом не нуждаются во вспомогательной энер­гии, и им может быть придана весьма разнообразная и очень удобная форма. Недостатками их являются: подверженность влия­нию окружающей температуры, утомляемость и высокая инер­ционность. Последнее ограничивает применение фотоэлементов с внутренним фотоэффектом при частоте прерывания светового потока в несколько десятков герц.

Фоторезисторы (рис. 10, б) представляют собой стеклянную пластинку 1 с нанесенным тонким слоем селена или сернистых соединений различных металлов (таллня, висмута, кадмия, свин­ца). К пластине прикреплены электроды 2, имеющие контакт с полупроводниковым слоем. Размеры фоторезисторов очень не­велики. При подаче к электродам напряжения через фоторезистор будет протекать ток, значение которого пропорционально осве­щенности. Зависимость тока от освещения имеет нелинейную величину. Однако чувствительность фоторезисторов в. сотни раз превышает чувствительность вакуумных элементов, что позволяет их использовать в автоматических устройствах без усилителей.

У вентильных преобразователей свободные электроны, изме­няя свою энергию под действием светового потока, остаются в веществе. В промышленности получили наибольшее распро­странение селеновые и меднозакисные фотоэлементы.

Селеновый фотоэлемент (рис. 10, в) имеет четыре рабочих слоя. Первый слой образован тонкой пленкой золота 1, далее идут запирающий слой 2, селеновый слой 3 и стальная подкладка 4. Запирающий слой, обладая детекторным свойством, пропускает электроны, выделившиеся из пленки золота и препятствуют про­хождению электронов противоположного направления. Таким образом, световой поток, проходя через пленку золота, создает вентильный фотоэффект, т. е. электроны из освещенного слоя переходят в неосвещенный. Это приводит к возникновению раз­ности потенциалов 1/_вых.

Фотоэлектрические преобразователи просты по устройству и достаточно надежны в работе. Они находят широкое применение в системах автоматики в литейных и термических цехах: для автоматического управления освещением цехов, для измерения температуры жидкого металла и нагретых деталей (фотоэлектри­ческий пирометр), определения прозрачности жидкостей или га­зов, подсчета форм и изделий, проходящих по конвейеру, для контроля пламени в топках топливных печей. Они применяются в системах защиты обслуживающего персонала от травм и т. п. В целом возможности фотоэлектрических преобразователей в ме­таллургическом производстве чрезвычайно велики.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие элементы автоматического управления (контроля) называются первичными преобразователями (датчиками)?

2. В чем заключается различие между параметрическими и генераторными преобразователями?

3. Расскажите об устройстве потенциометрических преобразователей,

4. Почему у индуктивных преобразователей статическая характеристика (вход-выход) нелинейная?

5. Расскажите об устройстве трансформаторного преобразователя.

6. Объясните принцип действия ферродииамического преобразователя.

7. Объясните принцип действия и назначение емкостных преобразователей.

8. В чем заключаются достоинства и недостатки тензометрических преоб­разователей?

9. Перечислите типы фотоэлектрических преобразователей и укажите их достоинства н недостатки.

10. Объясните принцип действия фотоэлектрических преобразователей.

Лабораторная работа 1. Исследование статических характеристик тензометрических преобразователей

Цель работы. Изучить конструкцию и принцип действия про­волочных и фольговых тензорезисторов. Получить статические характеристики испытуемых преобразователей.

Рис. 11. Лабораторнаи установка для ис­пытания тензорезисторов: а — схема включення; б — схема нагружения

Порядок выполнения работы. 1. Ознакомиться с преобразова­телями, установленными на стенде, и изучить электрическую схему соединений тензорезисторов и измерительного прибора. 2. Собрать электрическую схему испытаний (рис. 11, а). 3. Изме­няя массу груза т от нуля до максимального и от максимального до нуля, снимают зависимости для тензорезисторов 1 — f (m). Для повышения чувствительности тензорезисторов два из них R1 и R2 наклеивают на стальную пластину сверху и снизу. 4. Ре­зультаты измерений заносят в протокол испытаний и по ним строят зависимость I — f (а), где а — напряжение изгиба, опре­деляемое как отношение момента изгиба М к моменту сопро­тивления пластины N в месте наклейки терморезисторов; а = — M/N; М — mL; N — bh²/6, где buh — ширина и высота пластины, м; I — расстояние от места приложения груза до цен­тра тензорезистора, м.

Содержание отчета. Отчет должен содержать краткое описа­ние принципа действия и назначение тензорезисторов, таблицу результатов испытаний, расчетные формулы и графики зависимо­стей выходных и входных величин.