Измерительные преобразователи

r_экв = r и С_экв = С₀ + С_П 

Влияние сопротивления утечки может выть учтено соответствующей добавкой в сопротивлении r_экв = r + 1/ (w² C ²_эквR_ут)

Эффективная емкость  С_w на высокой частоте оказывается за счет индуктивности L больше емкости С_экв  ибо

С_w = C_экв /(1 -- w²LC_экв) 

Действие индуктивности токоподводов начинает сказываться обычно на частотах свыше 10 МГц.

В эквивалентной схеме ЭС преобразователя с диэлектриком должны быть учтены потери в последнем. Из-за потерь в ЭС преобразователе сдвиг фаз между напряжением и током оказывается меньше p/2 на угол потерь d.

В образцовых воздушных конденсаторах tg d не превышает 5*10 ^--5, так как определяется только потерями в изоляции и в материале электродов.

В конденсаторах с диэлектриком угол потерь значительно больше и, кроме того, может зависеть от напряжения на конденсаторе, частоты, температуры и влажности.

В некоторых случаях при наличии диэлектрика между электродами преобразователя приходится считаться с тем, что после поляризации диэлектрики еще в течение какого-то времени (0,1 -- 2 с) сохраняют заряд (абсорбция), что приводит к остаточным напряжениям, достигающим нескольких процентов от значения приложенного напряжения. Влияние абсорбции в эквивалентной схеме конденсатора в первом приближении можно учесть включением параллельно емкости С₀  цепочки, состоящей из емкости С_а   и сопротивления R _а .

Конструкции емкостных преобразователей.

Преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов: конденсатор С₁образован частью электродов и диэлектриком - жидкостью, уровень которой измеряется; конденсатор С₀  - остальной частью электродов и диэлектриком - воздухом. Емкость преобразователя,  где l ₀ - полная длина цилиндра; l -- длина на которую цилиндр заполнен жидкостью; e - диэлектрическая проницаемость жидкости; R₁ и R₂ - радиусы внешнего и внутреннего цилиндров.

Огромным достоинством емкостного элемента является также принципиальное отсутствие шумов в отличие от резистивных и индуктивных элементов и отсутствие самонагрева. Все это приводит к тому, что в настоящее время в качестве наиболее высокочувствительных преобразователей в научных исследованиях используются емкостные преобразователи.

Область применения.

Емкостные преобразователи могут быть использованы при измерении различных неэлектрических величин по четырем направлениям: измеряемая неэлектрическая величина может быть функционально связана либо с δ, либо с S, либо с ε, либо с диэлектрическими потерями конденсатора. В последних двух случаях емкостные преобразователи можно применять для анализа состава вещества. При этом естественной входной величиной преобразователя будет состав вещества, заполняющего пространство между пластинами. Особенно широко емкостные преобразователи этого типа применяются при измерении влажности твердых и жидких тел. 

Электростатические преобразователи с изменяющейся емкостью используются в различных датчиках прямого преобразования, а также как преобразователи неравновесия в датчиках уравновешивания.

Область применения емкостных преобразователей весьма разнообразна, однако наиболее широко они используются для измерения малых перемещений и величин, легко преобразуемых в перемещение, например давлений.

При современной технологии изготовления датчиков начальный зазор может быть доведен до 5 - 10 мкм и порог чувствительности по перемещению оценивается значениями порядка 10^-14 м. Все это приводит к тому, что в настоящее время в качестве наиболее высокочувствительных преобразователей в научных исследованиях используются емкостные преобразователи. Наблюдается также тенденция к применению емкостных преобразователей для всех измерений, проводимых в области сверхнизких температур.

 

 

 

 

 

5. Гальваномагнитные преобразователи

 

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ХОЛЛА

Гальваномагнитные преобразователи (ГМП) основаны на физических эффектах, возникающих в находящихся в магнитном поле твердых телах при движении в них заряженных частиц. В качестве измерительных преобразователей практическое применение получили главным образом полупроводниковые ГМП, основанные на использовании эффектов Холла и Гаусса. Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) на боковых гранях пластины, а эффект Гаусса, или магниторезистивный эффект, проявляется в изменении электрического сопротивления пластины. Оба эффекта обусловлены изменением траектории движения заряженных частиц в магнитном поле, возникают одновременно и связаны между собой так, что каждый из них приводит к ослаблению другого. Выбирая определенным образом конструкцию и состав материала преобразователя, можно усилить один из эффектов и ослабить другой, создавая таким образом преобразователи Холла, или магнитарезистивные преобразователи.

Преобразователь Холла представляет собой четырехполюсник, обычно выполняемый в виде тонкой пластинки или пленки из полупроводникового материала. Токовые электроды  выполняются по всей ширине поперечных граней, что обеспечивает равномерное распределение входного тока по сечению преобразователя. Потенциальные (Холловые) электроды 3 и 4 расположены в центральной части продольных граней.

 

 

 

 

В магнитном поле носители заряда под действием сил Лоренца F =evB изменяют свою траекторию, вследствие чего на одной из боковых граней концентрация зарядов одного знака увеличивается, в то время как на противоположной грани - уменьшается. Возникающая при этом разность потенциалов (ЭДС Холла) определяется выражением:

R_хл - постоянная Холла, зависящая от свойств материала преобразователя; 
-  функция, зависящая от геометрии преобразователя и так называемого угла Холла 6 между векторами плотности тока и напряженности вызывающего его электрического поля, определяемого    подвижностью носителей зарядов и значением   магнитной   индукции (при l/b = 2 и a/l ≤0,1 функция φ≈1); α - угол между вектором магнитной   индукции и магнитной осью преобразователя, совпадающей в первом приближении с нормалью к плоскости преобразователя.

Особенно сильно эффект Холла  проявляется  в германии (С-е), кремнии (Si) полупроводниках, состоящих элементов III и V групп периодической системы.

Кристаллические преобразователи Холла выполняются в виде тонких пластинок (d = 0,01 -- 0,2 мм), которые вырезаются из монокристаллов и шлифовкой доводятся до необходимой толщины. Выводы укрепляются на боковых гранях путем пайки или сварки. Пластинки наклеиваются на подложки из радиотехнической слюды, ультрафарфора или ситалла.

Хорошими метрологическими характеристиками отличаются пленочные преобразователи Холла из тонких поликристаллических пленок InAs и InSb на стеклянных подложках и преобразователи на основе гетероэпнтак-снальных структур InSb и GaAs на подложках нз полунзолнрующего арсенида галлия. Чувствительный элемент преобразователя выполняется в виде тонкой пленки (5 - 10 мкм) способом фотолитографии. Такие преобразователи можно выполнять сложной формы с малой площадью чувствительной зоны (0,2 X 0,05 мм и менее).

Выходная величина преобразователя Холла пропорциональна произведению двух входных величин - тока и магнитной индукции. Таким образом, преобразователь Холла является множительным преобразователем. При постоянных во времени I и B ЭДС Холла является постоянной величиной. Если одна из входных величин (В или I) постоянная, а другая - переменная, то ЭДС Холла будет переменной величиной той же частоты, что и частота входной величины. В случае если обе входные величины имеют одну и ту же частоту и сдвинуты по фазе на угол φ, ЭДС Холла будет состоять из постоянной и переменной двойной частоты составляющих:

Если ток изменяется с частотой ω_1; а магнитная индукция - с частотой ω₂, то ЭДС Холла содержит две составляющие, одна из которых имеет частоту ω₁ - ω₂, а другая ω₁ + ω₂.

Входное сопротивление R_BX преобразователя Холла определяется как сопротивление между токовыми электродами, а выходное сопротивление R_выx равно сопротивлению между Холловыми электродами. У серийно выпускаемых преобразователей Холла R_BX и Я_вых близки по значению и лежат в пределах от 0,5 Ом до нескольких килоОм. Вследствие магниторезистивного эффекта R_BX и R_выx увеличиваются с ростом магнитной индукции.

Чувствительность к магнитной индукции определяется при номинальном значении входного тока I = const как и для серийно выпускаемых преобразователей составляет 0,03--1 В/Тл. Значение тока I_ном ограничено допустимой температурой перегрева преобразователя. Для высокоомных преобразователей допустимые значения токов составляют 5--50 мА, для низкоомных 100-- 200 мА. Гальваномагнитная чувствительность S_BI и чувствительность к магнитной индукции S_B зависят от магнитной индукции В, так как R_хл= f1(В) и φ = f2(В). Эти зависимости главным образом определяют нелинейность характеристик преобразователей Холла в сильных полях.

Остаточным напряжением преобразователя Холла называется напряжение, которое возникает между Холловьши электродами при прохождении через преобразователь тока в отсутствии магнитного поля. Причиной остаточного напряжения в первую очередь является расположение Холловых электродов в неэквипотенциальных точках пластаны.

При наличии температурного градиента между Холловыми контактами, каждый из которых является соединением медного вывода с полупроводниковым материалом, в цепи возникает термо-ЭДС. При разности температур между контактами 0,1 °С возникает термо-ЭДС е_т = 10-100 мкВ. Для уменьшения градиента температур преобразователь следует укреплять на подложке из материала с хорошей теплопроводностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Тепловые преобразователи.

 

Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что вся теплота, поступающая к преобразователю, идет на повышение его теплосодержания Q_TC и, следовательно, если теплосодержание преобразователя остается неизменным (не меняется температура и агрегатное состояние), то количество поступающей в единицу времени теплоты равно количеству отдаваемой теплоты. Теплота, поступающая к преобразователю, является суммой количества теплоты Q_Э, создаваемой в результате выделения в нем электрической мощности и количества теплоты Q_T0, поступающей в преобразователь или отдаваемой им в результате теплообмена с окружающей средой.

Теплосодержание при неизменном агрегатном состоянии вещества зависит от массы т и удельной теплоемкости с материала преобразователя и связано с температурой в преобразователя формулой Q_TC = тсθ. 
Теплообмен осуществляется тремя различными способами. 
При теплообмене посредством теплопроводности перенос тепловой энергии происходит только путем взаимодействия частиц, находящихся в непосредственном соприкосновении друг с другом и имеющих различную температуру. Теплообмен путем теплопроводности в чистом виде имеет место только в твердых телах.

Теплообмен посредством конвекции совершается путем перемещения материальных частиц и может иметь место только в жидкостях или газах. Если причиной движения потоков жидкости или газа является неодинаковая плотность среды, вызванная разностью температур, то говорят о естественной конвекции. Движение потоков под действием внешних причин вызывает вынужденную конвекцию. Третьим способом теплообмена является теплообмен посредством излучения. Тепловое излучение представляет собой поток электромагнитных волн, излучаемых телом за счет его тепловой энергии и полностью или частично поглощаемых другими телами.

На практике обычно имеет место комбинация различных способов теплообмена, которые могут быть учтены приводимыми ниже формулами. 
Теплопроводность:  

Распространение теплоты путем теплопроводности определяется законом Фурье. Теплопроводность зависит от природы и физического состояния вещества. В анизотропных телах она зависит, кроме того, от направления распространения теплоты. Лучшими проводниками теплоты являются металлы. Наименьшей теплопроводностью обладают газы. Для газов теплопроводность зависит не только от состава газа, но и от температуры и при большом разрежении - от давления. 
Полный тепловой поток, создаваемый разностью температур, определяется формулой 
,   где G_Q -- тепловая проводимость среды; R_Q - тепловое (или термическое) сопротивление среды. 

Тепловая проводимость среды зависит от теплопроводности, определяемой по справочным данным из геометрических соотношений, и для ее расчета можно использовать аналогичные формулы электрической проводимости, заменив удельную проводимость теплопроводностью. 
Тепловая проводимость плоской стенки G_Q = lS/d, где S - ж площадь стенки; d - толщина стенки. Тепловая проводимость цилиндрической стенки  
, где l - длина цилиндра; d₁, d₂ -- диаметры соответственно внешней и внутренней стенок цилиндра.

 

 

 

 

 

7. Оптоэлектрические преобразователи

 

Оптоэлектрический преобразователь содержит источник излучения потока, оптический канал и фотоприёмник, воспринимающий поток и преобразующий его в электрическую величину.

Воздействия измеряемой величины на поток излучения может осуществляться двумя путями: измеряемая величина непосредственно воздействует на излучаемый поток, изменяя его параметры, или модулирует соответствующий параметр потока в процессе его распространения по оптическому каналу.

В оптоэлектрических преобразователях используется оптическое излучение видимого, инфракрасного или ультрафиолетового диапазона. В качестве источников излучения используются лампы накаливания, светодиоды и лазеры, а в качестве фотоприёмников фотоэлементы, фотоумножители, фототранзисторы, сканисторы, интегральные фотодиодные матрицы, оптоэлектронные преобразователи на основе ПЗС-структуры.