на подвижном объекте, и сигнальную катушку, укрепляемую неподвижно (рис. 19-9, о).

Другой разновидностью импульсного датчика может быть такой датчик, у которого неподвижной является система из постоянного магнита, магнитопровода и сигнальной катушки; в качестве подвижной части используется диск из ферромагнитного материала с отверстиями (рис. 19-9, б).

Для преобразования малых линейных перемещений и исследования различного рода вибраций могут использоваться индукционные датчики с возбуждением (рис. 19-9, е) и вибрационные датчики (рис. 19-9, г):

00 0

%10С Рис. 19-9. Устройство индукционных датчиков.

а и б - импульсные датчики; в -датчик с возбуждением; г-вибрационный датчик.

Погрешности индукционных датчиков определяются: 1) изменениями магнитного поля с течением времени (эта погрешность устраняется периодической регулировкой магнитного шунта); 2) изменениями сопротивления обмоток и силы магнитного поля зачет нагрева (эта погрешность устраняется применением термомагнитного шунта или термистора в цепи якоря). Погрешность их может быть сведена к величине 0,5-1,5%.

Термоэлектрические датчики (термопары)

. Принцип действия термоэлектрических датчиков основан на явлении термоэлектрического эффекта, заключающегося в том, что если два разнородных проводника соединить одними концами н одной точке и место соединения нагреть, то на свободных холодных концах [проводников появится э. д. с. Величина этой э. д. с. зависит от материалов, из которых изготовлены элементы термопары, и от разности температур соединенных и свободных концов (72 - Ti).

Для сравнения материалов по термочувствительности определяют их термо-э. д. с. в ларе с платиной (принятой за эталон), поддерживая температуру свободных концов, равной 0° С. В табл. 19-8 приведены величины термо-э. д. с. для некоторых материалов. Для термоэлектрических датчиков выбирают такие сочетания термоэлектродов, которые дают наибольшие значения терно-э. д. с.

К материалам, используемым для изготовления электродов термопар, предъявляются следующие требования: 1) механическая и химическая устойчивость при высоких

Таблица 19-8

Термо-9. д. с. некоторых материалов в паре с платиной при Г, = 100° С и Ti = 0° С

Примечание, Указанные в таблице цифры являются ориентировочными, так как термо-э, д. с, зависит от незначительных примесей в материале проводников и от технологии их изготовления.

температурах; 2) хорошая электропроводность; 3) постоянство термоэлектрических свойств; 4) однозначная зависимость термо-э. д. с. от температуры. Чувствительность термопары

Д£

определяется из градуировочного графика или ориентировочно по табл. 19-8. В интервале температур, где зависимость термо-э. д. с. от температуры нелинейна, величина чувствительности S будет переменной.

Для измерения температур до 1 000° С включительно используются термопары из неблагородных металлов. Температуры до 1 600° С измеряются термопарами из благородных металлов. Свыше 1 600° С используются термопары из жароупорных материалов: уголь - карбид кремния (до 1 800° С); вольфрам-молибден (до 2 100° С). В табл. 1G-9 приведены данные некоторых термопар.

Таблица 19-9 Данные некоторых термопар

При кратковременном применении до 1 600° С.

Предельная температура применения терм-опары зависит не только от свойств ее электродов, но и от конструкции приемной части датчика (армировки), длительности применения и свойств среды, в которой работает термопара.

Свободные концы электродов термопары соединяются с изнepитeлe посредством проводов. Если материал соединительных проводов и материалы электродов термопары разнородны, то в местах соединения (точки тип

на рис. 19-10) будут создаваться термо-э. д. с, величины которых зависят от температуры среды, окружающей выводы термопары.

Термо-э. д. с, наведенные на свободных ( холодных ) концах термопары, алгебраически складываются с основной термо-э. д. с, характеризующей измеряемую температуру, и тем самым вносят соответствующие искажения в измерения. При постоянстве температуры среды, окружающей головку с выводными зажимами, эти искажения могут быть учтены при градуировке термопары.

Если температура головки термопары изменяется, то погрешности измерения за счет термо-э. д. с, наводимых на выходных зажимах, не могут быть учтены при градуировке. 15 таких случаях к измерителю термопары придается график поправок на измерение в зависиюсти от температуры головки (зажимов измерителя) или же применяются специальные схемы соединения термопары с измерителем.

Рис. )9-10. Соединение термопары с прибором.

Одна из таких схем приведена на рис. 19-10, б. Провода 3 к 5 здесь из такого же материала, что и 1 (электрод термопары), а провод 4 - из того же материала, что и 2 (второй электрод термопары). Спай х является холодным . Его можно заключить в термостат и исключить таким образом погрешности.

Для уменьшения погрешности термопары за счет температуры свободных концов могут использоваться и другие схемы, например мостовая схема с компенсирующим термосопротивлением.

Инерционность термопар определяется их конструкцией, условиями теплообмена с окружающей средой. Постоянная времени терлюпар может находиться в пределах от единиц до нескольких сотен секунд.

Пьезоэлектрические датчики

В пьезоэлектрических датчиках используется эффект появления зарядов на гранях кристалла при его механической деформации. У кристаллов различают оптическую Z, электрическую X и механическую или нейтральную Y оси (рис. 19-11).

Если вырезать из кристалла VJCT* !)! пластинку, грани которой будут

параллельны этим осям, то при действии механической силы вдоль электрической или механической осей на гранях, перпендикулярных электрической оси, появятся электрические заряды. Величина зарядов пропорциональна величине упругих напряжений и не зависит от размеров поверхности нагруженного кристалла. При действии силы вдоль оптической оси электрических зарядов не возникает. С учетом указанных особенностей изготовляются пьезоэлектрические датчики, основным элементом которых является пластина, вырезанная из кристалла. Наибольший пьезоэффект проявляется у кристаллов турмалина, кварца и сегнетовой соли. В последнее время получили широкое распростра-

Рнс. 19-11. Расположение осей в кристалле кварца и кварцевой пластинке.

нение пьезоэлементы из поляризованной керамики тита-ната бария.

При силе, действующей на пластину вдоль электрической оси, величина разности потенциалов, образуемая между металлическими электродами, сжимающими пластину (рис. 19-12), может быть определена из выражения

[/=,

С + С„

где - пьезомодуль, к/кг (для кварца 6g=2,1.10- , Е = 4,5, для керамики титаната бария = = 107-10- , 8= 1300; для сегнетовой соли 6 = 300.10-11,8 = 200); р - усилие, /сГ;

С - емкость конденсатора, образуемого электродами

и пластиной между ними, ф; Cq - емкость измерительной схемы датчика, ф. Чувствительность датчика

с + с„

Она может быть повышена за счет у.меньшения емкости измерительной схемы. С этой целью датчик изготовляется из нескольких (и) включенных механически последовательно и элисгрически параллельно пластин (рис. 19-12, б).

Рис. 19-12. Пьезоэлектрические датчики.

а - датчик с одной пластиной; б - датчик с несколькими пластинами.

Чувствительность такого датчика может быть определена из выражения

5= -

Пьезоэлектрические датчики практически безынерционны, поэтому они могут быть использованы для исследования быстроизмёняющихся усилий. Для исследования статических режимов эти датчики не применяются из-за утечки зарядов через объемную и поверхностную проводимости пластины и сопротивление изоляции соединительных проводов.

Выходное напряжение пьезоэлектрического датчика может быть измерено только с помощью катодного вольт* метра, практически не потребляющего мощности от цепи, к которой он подключается.

19-5. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Фотоэлектрическими датчиками называются устройства, изменяющие свои параметры при воздействии на них световой энергии. Достоинствами фотоэлектрических датчиков являются их простота, малые габариты, высокая чувствительность и отсутствие механической связи с преобразуемым процессом. Фотоэлектрические датчики называют таюке фотоэлементами.

Основные характеристики фотоэлектрических датчиков:

1. Световая характеристика - зависимость фототока от интенсивности падающего на фотоэлемент светового потока.

2. Спектральная характеристика - зависимость фототока от длины волны падающих лучей при постоянной освещенности.

3. Инерционная (частотная) характеристика - зависимость фоготока от частоты изменения интенсивности падающего светового потока.

4. Вольт-амперная характеристика - зависимость фототока от прикладываемого между электродами фото-

элемента напряжения при постоянном световом потоке. Кроме указанных характеристик, фотоэлементы оцениваются по стабильности их параметров с течением времени (старение) и при изменении температуры рабочей среды.

Фотоэлементы находят широкое применение в качестве датчиков различных измерительных и регулирующих устройств для измерения и регулирования температуры, уровней, перемещений и скоростей, для сортировки и отбраковки деталей и т. п.

Применяются три типа фотоэлементов: 1) фотоэлементы с запирающим слоем, или вентильные фотоэлементы; 2) фотоэлементы с внешним фотоэффектом; 3) фотосопротивления или фотоэлементы с внутренним фотоэффектом.

Вентильный фотоэлемент

Фотоэлемент представляет собой устройство, состоящее из металлической подложки, тонкого слоя полупроводника и верхнего металлического полупрозрачного электрода. Технология изготовления фотоэлемента предусматривает образование запирающего слоя в районе подложки или же в районе полупрозрачного металлического электрода. При освещении полупроводника кванты света выбивают из полупроводника электроны, которые проходят через запирающий слой и заряжают проводник отрицательно. Сам полупроводник и его металлическая обкладка (электрод) заряжаются положительно. Если .замкнуть внешнюю цепь, то в ней потечет ток.

Таким образом, вентильный фотоэлемент при его освещении становится генератором электрической энергии, величина э. д. с. которого зависит от интенсивности падающего светового потока.

Чувствительность фотоэлемента определяется как отношение приращения фототока к приращению светового потока: ,

Д/ф

Таблица 19-Ю Параметры некоторых вентильных фотоэлементов

Она зависит от типа фотоэлемента и величины нагрузочного сопротивления. Для повышения чувствительности фотоэлементы могут быть включены электрически последовательно друг с другом.

Инерционность фотоэлементов этого вида различна. Так, например, если у селенового фотоэлемента (К-5 и др.) полоса пропускания частот составляет О-100 гц, то у сернисто-серебряного фотоэлемента (ФЭСО она не превышает единиц герц.

В табл. 19-10 приведены основные данные некоторых типов вентильных фотоэлементов.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Под действием света с поверхности металлов могут выбиваться электроны. Это явление, называемое внешним фотоэффектом, используется в фотоэлементах.

Если имитирующую поверхность использовать как границу электрического поля (электрод в вакууме), то при ее освещении в цепи (рис. 19-13) потечет ток, величина которого будет определяться интенсивностью освещения.

СВет-=

Рис. 19-13. Схема включения фотоэлемента с внешним фотоэффектом.

- Фотоэлементы этого вида требуют дополнительных источников питания для создания внутри элемента электрического поля.

Вакуумные фотоэлементы практически безынерционны. Газонаполненные фотоэлементы более инерционны.

В табл. 19-11 приведены основные данные фотоэлементов с внешним фотоэффектом.

Фотосопротивления

Фотопреобразователи этого вида основаны на свойстве некоторых полупроводников изменять свою проводимость (сопротивление) при действии на них света. Это явление называется внутренним фотоэффектом.

Схематическое устройство фотосопротивления показано на рис. 19-14. Решетка из электродов сделана с целью увеличения чувствительности датчика.

Фотосопротивления удобно сочетаются с мостовой и усилительной схемами, позволяют создать высокочувствительные измерители интенсивности светового потока. Однако при изменении температуры и с течением времени они существенно изменяют Свои параметры.

Основные данные некоторых типов фотосопротиБлений приведены в табл. 10-6 (стр. 200).

Рис. 19-14. Устройство фотоэлемента с внутренним фотоэффектом (фотосопротивление).

/ - изоляционная пластина: 2 - электроды; 3 - фотопо-верхиость.