Резистивные ИП.

Принцип действия резистивных ИП основан на зависимости сопротивления постоянному току от измеряемой неэлектрической величины:

, где r - удельное сопротивление материала проводника, l – его длина, S – площадь поперечного сечения.

Первую и наиболее простейшую группу составляют контактные ИП, в которых входная неэлектрическая величина преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью. Естественной входной величиной является механическое перемещение, а выходной – сопротивление контакта. Такие ИП применяются при допусковом контроле механических и теплотехнических параметров деталей и процессов.

Основными параметрами контактных ИП можно считать сопротивление между контактами в замкнутом и разомкнутом состоянии и мощность управляющей ими цепи.

Электрический и механических износ контактных групп будут являться источниками погрешностей.

Вторая группа резистивных ИП – это реостатные ИП. Они применяются для измерения давления, уровня, массы, а также следящих системах.

Реостатный ИП представляет собой резистор переменного сопротивления (потенциометр, реостат, реохорд), подвижная щетка которого перемещается под воздействием неэлектрической величины, изменяя его выходное сопротивление.

Входной величиной является угловое или линейное перемещение движка, а выходной – изменение активного сопротивления.

К основным параметрам реостатных ИП относятся номинальное сопротивление, максимальная рассеиваемая на резистивном элементе мощность при номинальном сопротивлении, вид функциональной зависимости, чувствительность, погрешность преобразования.

Реостатные ИП включаются в основном в потенциометрические (делитель напряжения) и мостовые измерительные цепи. Питание измерительной цепи осуществляется постоянным или переменным током.

Источниками погрешностей будут температурное изменение сопротивления ИП; погрешность дискретности, обусловленная скачкообразным  изменением сопротивления ИП при переходе движка с одного витка на другой; погрешность из-за гистерезиса, вызванная трением в реостатном ИП.

К третьей группе резистивных ИП относятся тензорезистивные ИП, основанных на зависимости электрического сопротивления материала проводника от механического напряжения (явление тензоэффекта).

Относительное изменение сопротивления прямо пропорционально величине деформации:

, где e - величина деформации, G = const – тензометрический коэффициент. Для большинства материалов он больше нуля, что соответствует росту сопротивления при увеличении деформации.

При измерениях тензорезистивные ИП включаются в мостовые и потенциометрические измерительные цепи.

Источником погрешности является температурная зависимость сопротивления и коэффициента деформации  коэффициента линейного теплового расширения исследуемой детали, вызывающая «ползучесть» характеристики вследствие остаточных деформаций решетки и вследствие старения, а также снижение чувствительности с ростом частоты изменения измеряемой деформации.

Четвертую группу резистивных ИП составляют терморезистивные (термочувствительные) преобразователи, в которых используется зависимость сопротивления проводника (или полупроводника) от температуры:

Rt = R0(1 + at + bt2 + gt3 + … +),

где Rt – сопротивление отрезка провода при температуре t°С; R0 – его сопротивление при 0°С; a, b, g - коэффициенты температурной чувствительности сопротивления, причем a > b > g.

Входной величиной терморезистивных преобразователей является температура, а выходной – электрическое сопротивление.

Для большинства металлов сопротивление увеличивается в зависимости от температуры в основном по линейному закону, а коэффициенты b и g являются коэффициентами более высокого порядка, которые малы, и ими можно пренебречь. Тогда функция преобразования становится линейной:

Rt = R0(1 + at).

Но такая зависимость справедлива лишь для небольшого частотного диапазона.

В чистых металлах кристаллическая решетка не имеет примесей или искажений, и следовательно, a > 0. Сопротивление электрическому току обусловлено взаимодействием свободных электронов проводимости с колеблющимися атомами кристаллической решетки, что приводит к росту сопротивления с ростом температуры (температурный коэффициент сопротивления (ТКС) положителен).

В полупроводниковых материалах этот эффект скрыт более сильным эффектом: число свободных носителей заряда зависит от абсолютной температуры. Чем выше температура, тем больше электронов из валентной зоны преодолевает запрещенную зону и попадает в зону проводимости (в случае чистых полупроводников) или возрастает количество активированных донорных или акцепторных атомов (в случае примесных полупроводников). Число свободных носителей заряда увеличивается согласно соотношению

, где

Eg – энергия, необходимая для преодоления запрещенной зоны;

k – постоянная Больцмана.

Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с повышением температуры, в температурный коэффициент сопротивления (ТКС) отрицателен.

ТКС терморезистивных преобразователей определяется по формуле

, где R0 – сопротивление при начальной температуре (обычно это ноль или температур нормальных условий), Dt может выражаться либо в °С, либо в Кельвинах.

Зависимость ТКС от температуры может быть линейной, квадратичной или более сложной, но ТКС может и не зависеть  от температуры.

Металлические терморезистивные преобразователи получили название терморезисторов, а полупроводниковые – термисторов.

Материалы для терморезистивных ИП должны иметь высокостабильный и большой ТКС, линейную зависимость сопротивления от температуры, хорошую воспроизводимость свойств и инертность к воздействию окружающей среды. К таким материалам относятся медь, платина, вольфрам, никель, полупроводники на основе окислов переходных металлов (титана, кобальта, никеля), титанат натрия, двуокись ванадия и т.п.

Терморезистивные ИП применяются для измерения температуры, скорости потоков, плотности, состава, теплопроводности газов и жидкостей, вакуума.

Источниками погрешностей являются

- нестабильность во времени начального сопротивления и температурного коэффициента сопротивления;

- сопротивление проводов, соединяющих ИП с измерительным устройством;

- нелинейность функции преобразования;

- тепловая инерционность;

- нагрев ИП измерительным током.

К пятой группе резистивных преобразователей относятся фоторезистивные ИП. Принцип их действия основан на явлении внутреннего фотоэффекта, т.е. освобождения  электрических зарядов в материале преобразователя под действием света и обусловленное этим увеличение проводимости (соответственно уменьшение электрического сопротивления). Этот эффект присущ только полупроводниковым материалам, таким, как сернистый свинец, селенид кадмия, монокристаллический сернистый кадмий. Наиболее часто используется сернистый кадмий CdS, так как его чувствительность к цветовому спектру очень близка к спектральной чувствительности человеческого глаза. При этом максимальная чувствительность реализуется на длине волны порядка 0,6 мкм, а сопротивление изменяется от мегомов в условиях темноты до нескольких сотен Ом при ярком свете. Время отклика на световой импульс обычно близко к 50 мс. Функция преобразования фоторезистивного ИП представлена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Функция преобразования фоторезистивного преобразователя.

Как видно, функция преобразования нелинейна, но ее можно линеаризовать в ограниченном диапазоне с помощью постоянного резистора, включенного параллельно фоторезистору (шунтирование фоторезистора).

Сопротивление освещенного фоторезистора зависит от температуры, однако чувствительность к температуре с ростом освещенности ослабевает.

Фоторезистивные ИП находят применение в таких исследованиях, когда не требуется прецизионных измерений, а делается оценка уровня принимаемого поля (регистрируется свет – темнота или наличие светового импульса).

При использовании  фоторезистора в качестве приемника оптических сигналов сам фоторезистор и его схема преобразуют в форму электрических импульсов оптические импульсы, которые получаются, когда световой поток попеременно пропускается или прерывается в ритме, несущем требуемую информацию (например, счет предметов, измерение скорости сращения диска и т.п.).