Текст
                    СПРАВОЧНИК
Под редакцией
3. Ю. Готры и О. И. Чайковского
•
львов
«КАМЕНЯР»
1995


СОДЕРЖАНИЕ Предисловие 3 ГЛАВА l Основные сведения о преобразователях физических величин и их классификация 1.1 . Основные понятия и оnреде.11ения 6 l .2 . Статические характеристики 8 1.3 . Динамические характеристики 17 1.4 . Коррек ц ия характеристик п реобразова теJ1 ей физических вел ичин 25 1.5 . Классифика ция пр еобразова теJ1ей физи ч еских ве.11ичин . Основные КJ1ассификаuионные признаки 34 ГЛАВА 2 Резистивные датчики 2.1. Общие замечания 39 2 .2 . Проволочные тензорезисторы 40 2 .3 . Полупроводниковые те н зопреобразовате.1и 55 2.4. Провол оч н ые терморезисторы 77. 2 .5 . Полупроводниковые термодат ч ики 93 ГЛАВА 3 Полупроводниковые фотопреобразователи 3.1. 3.2 . 3.3 . 3.4 . 3.5. 3.6 . 3.7. 3.8 . 3.9 . 3.10. ГЛАВА 4 Фоторез исторы Схемы включения фоторезисторов Методы и схемы коррекции характеристик Фотодиоды Схемы вкл ю ч ения фотодиодов Схемы коррекции функций преобразоватеJ1 Я Лавинный фотодиод Инжекционные и S - фотодио ды Фототранзисторы Схемы вкJ1 ю ч ения и применен и е фототранзисто ­ ров Гальваномагнитные преобразователи 4 . 1. Основные г альванома г нитные эффекты 4 .2 . Преобразова теJ1и XoJ1 J1 a 4 .3 . ,\1агниторезисторы 4 .4 . Магнитодиоды и магниторезисторы 109 130 134 138 148 157 159 163 164 166 173 178 192 197
ГЛАВА 5 ТермоЗJJектрические преобразоватеJJи 5.1. Основные термоэлектрические явления 5.2 . 5.3 . 5.4. 5.5 . 5.6 . 5.7 . ГЛАВА 6 Принцип действия термоэ.11ектрических преобра­ зователей . . . . . . Материалы, испо.11ьзуемые д.11я изготовления тер­ мопар . . . . . I<онструкцни термоэлектрических преобразовате- лей . . Типы и характеристики серийно выпускаемых термоэлектрических преобразовате.11ей Основные схемы и погрешности измерения темпе ­ ратуры посредством термоэлектрических пре­ образовате.11ей Особенности экспJ1уатации термоэJ1ектрических преобразователей Емкостные преобразователи 6. 1. Общие сведения . . 6.2 . Емкостные преобразователи давления 6.3 . Емкостные преобразователи уровней ГЛАВА 7 Пьезоэлектрические преобразователи 204 208 208 209 211 216 220 223 228 230 7. 1. Пьезоэ.11ектрический эффект 236 7.2 . Срезы криста.11лических э.11сментов 237 7.3 . Пьезоэ.11ектрические материа.11ы 239 7.4 . Принцип действия и конструкция пьезоэ.11ектри - ческих преобразователей 245 7.5 . Технические характеристики и особенности эксп.11уатации некоторых отечественных и зару- бежных пьезоэлектрических датчиков 250 ГЛАВА 8 Элемеиты микроэлектроиики 8. 1. Обшие замечания 262 8.2 . I<оммутаторы 264 8.3 . Уси.11ите.11и 272 8.4 . Uифроаналоговые и ана.11ого - цифровые преобра- зовате.11и 292 8.5 . Стаби.11изаторы напряжения 297 Краткий русско-украинский терминологический словарь по измерительной технике 309
ПРЕДИСЛОВИЕ Дальнейшее развитие различных отраслей народно ­ го хозяйства во многом завifсй:f от совершенствования производственных проuессов, средств контроля и управ­ ления параметрами последних, в первую очередь - средств измерений. Именно поэтому производству изме ­ рительной техники для автоматизированных систем управления энергопотреблением , а также приборов и средств контроля качества продукuии сельского хозяй ­ ства и других отраслей, расширению производства приборов и измерительных устройств для научных ис­ следований, контроля за расходованием топливно-энер­ гетических ресурсов, состоянием условий труда, окру­ жающей среды, современных медиuинских приборов, иных средств измерительной техники в настоящее время уде,11яется особое внимание. /Проuесс измерения, в результате которо го устанав­ ливаются количественные свойства объекта исследова­ ния, базируетс'я на использовании измерительных пре­ образований . Техническое устройство, в котором реа­ .'!изуется опредеденное измерительное преобразование, получило название измерительного преобразователя. Очевидно, что развитие измерительной техники, автома­ тизаuия измерительных устройств предполагает также и разработку новых измерительных преобразователей, улучшение их технических характеристик, повышение их эффективности, надежности и их микроминиатю­ ризаuию/ В связи с этим арсенал измерительных преобразо­ вателей, составляющих основу датчиков различных фи­ зических величин, непрерывно пополняется./ Датчики Ю:\К средства измерений, содержащие не только первичные преобразователи, но и элементы из­ мерительных схем, в которые включены эти преобразо­ ватели (усилители , функuиональные преобразователи, устройства сопряжения с последующими средствами из­ мерения и автоматизаuии), в настоящее время реали­ зуются на основе различных физических явлений и раз­ личных технологий. Это дает возможность делать их как
многофункциональными*, т . е . обеспечивающими по­ средством одного датчика пр еобразован ие многих фи­ зических величин, т ак и «Интел JJ ектуаль н ы ми », позво­ ляющими выявлять при преобразовании определе нн о й величин ы воздействия других величин, которые искажа­ ют результат преобразования . Значения этих величин, преобразованных в электрич еские, могут и спользовать ­ ся для ко ррекци и результата измерения измеряемой величины . Например, при измерении давления сущест­ венное влияние оказывает изменение температуры сре­ ды, в которой это давление измеряется. Поэтому при наличии датчика давления, обеспечивающего при опре­ деленных условиях преобразование также и тем п ера ­ туры, при чем результат измерениf! последней исполь ­ зуется для коррекции результата измерения давления, имеет место не только многофункциональность, но и совершен но новые свойства дат чика, в частности свой­ ство самокорректировки, т. е . его «интеллектуа л иза ­ цию» . В последнее время при создании датчиков различ­ ных вели ч ин наметились сочетания различн ых физи ­ ческих принципов действия и новых направлений техно­ логии, например микромеханики и микроэлектроники. Воз­ вращаясь к случаю преобразования дав"1ений, в ка­ честве примера можно привести построение да тч ика, в котором используются кремниевые упругие элементы, на которых размещены кремниевые тензорезисторы , а также элементы схемы усиления, линеаризации и нор­ мирования электрических сигналов . В микромехан и ке используются те же технологические процессы, что и в микроэлектронике при производстве интегральных схем, а именно: стандартные фотолитографические методы переноса изображения с маски на поверхность крем­ ниевой пластины и техника химического травле н ия . Эти датчики, кроме улучшенных метрологически х х арак­ теристик, малых габари тных размеров и небольшой массы по мере развития обеих техноло гий будут иметь и невысокую стоимость. В данном справочнике из всего многообразия пер­ вичных измерительных преобразователей (датчиков) и устройств их согласования со вторичными средствами измерений рассмотрены те из них, которые наиболее широко применяются на практике и мо гут без особых * Д у б р о в о й Н. Д . Автоматические многофункцио н альные изме­ рительные преобразователи. М.: Радио и связь, 1989.
дополнительных з атра т состави ть осн ову так называе­ мых интеллектуальных датчиков. Безуслов н о, предла гае мый читателю справочник ни по назначению, ни по полноте охвата материала не мо­ жет сравниваться с таким и фундаментальными изда­ н иями, как книги Д. И. Агейкина, Е. Н. Костино й, Н . Н. Кузнецовой «датчики контроля и регулирования» ил и А. А. Осиповича «Датчики- физических величию>, и зда нн ых издательством «М ашиностроение » (Москва) соответств енно в 1965 и 197!t- ГJ!I; Однако в на стоящем справочнике изложены сведени'St8об относительно новых первичных и змерительны х преобразователях и узлах их сопряжения в микроэлектронном исполнении (усилите­ ли, коммутаторы, источники об раз цово го напряжения и др .). При описании средств сопряжения авто ры также не могли и зложить в се ас п екты построения последних, как это сделано, на пример, в переводной книге Д. Гар­ рэта «Аналоговые устройств а м икропроцессо ро в и мини­ ЭВМ» (М. : Мир, 198 1). В предлагаемом читателю справочнике 'более детально, чем, нап ример, в книге японских специалистов Н . Како и Я. Яманэ «да тч ики и микро - ЭВМ» (Л .: Энергоатомиздат , 1986) описаны принципы действия, технология и характеристики ши­ рокой гаммы датчиков для пр еобразова ни я различных физических величин, поэтому информа ци я, изложенная в справочнике. может быть полезной широкому кругу читателей - от рабочих, изготавливающих и эксплуа­ тирующих датчики, учащихся профтехучилищ и техни ­ кумов, а также студентов ' высших учебных заведений приборостроительного профиля до и н женеров и техни­ ков, работающих в области измерительной техники. Указанные в справочнике стандарты на разли чн ые виды и типы датчиков действовали на период напи ­ сания книги. Авторы выражают благодарность ре­ цензенту доктору технических наук, профессору Ла­ ху В . И. за пол езные замечания , которые были учте ­ ны при переработке первоначального варианта руко­ писи книги.
Глава 1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ 1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Измерительная информация . Под термином «Информа­ ция» подразумеваются сведения или совокупность сведений. Информация является отображением существа материаль ­ ного мира, отображением свойств физических объектов в ви­ де физических величин. Количественная информация о свой ­ ствах физических объектов ( информаЦия о чисJювых значе- ~ ниях физических величин), получаемая в результате измере­ ний, носит название измерительной информации . Измерительные сигналы и их параметры . Материальным носите"1ем измерительной информации является измеритель­ ный сигнал. Входной измерительный сигнал, т. е. сигнал, воз­ действующий на вход средства измерения (преобразователь, прибор или система), является в- большинстве случаев физи ­ ч еским процессом, параметры которого - та или иная функ­ ция времени . Измеряемая же величина - это определенное свойство или определенный параметр этого процесса. Поэто ­ му различают понятия измерительного сигнала и измеряемой величины . Физический процесс может обладать многими па ­ раметрами, но в каждом конкретном случае нас интересуют определенный параметр этого процесса, какая -то одна физи ­ ческая величина . Активные величины (ток, напряжение, тем ­ пература и т. п . ) сами являются параметрами измери тельных сигналов, а при измерении пассивных величин (сопрот ивле­ ние, емкость, индуктивность и др .) измерительный сигнал об ­ разуется путем воздействия на объект активной величины . Тогда один из параметров этого сигнала содержит информа­ цию о размере измеряемой величины. Параметр входного сигнала, который явл яется измеря­ емой величиной либо функционально связан с ней, называют ин форматив ным параметром . Неинформативным называют параметр входного сигнала, который функционально с измеряемой величиной не связан. Такой параметр может оказывать воздействие на средство из мерения и быть источником погрешности. Так, при измере ­ нии амплитуды гармонического сигнала неинформативным параметром является частота. Выходным называют сигнал, возникающий на выходе сред-
ства изме рений. В большинстве случаев выходным сигналом также является некоторый физический процесс, который мо­ жет характеризоваться мно гими параметрами. Информативный параметр выходного сигнала - это па­ раметр выходного си гнала, однозначно функционально свя­ занный с информативным параметром входного сигнала . Измерительное преобразование и измерительный пре­ образователь. Измерите.rуьное преобразование - это пре ­ образование с заданной точностью входного измерительно­ го сигнала в функционально <;.ря~.анный с ним выходной сигнал. Рассматриваемый про"ц~с зачастую реализуется путем преобразования сигналов одной физической приро ­ ды в сигнал иной физической природы. Физической ос ­ новой измерительного преобразователя является преобра­ зование и передача энергии . Передача и преобразование из ­ мерительных сигналов осуществляется цепями измеритель­ но го преобразования. Посл едние состоят из преобразователь­ ных элементов, которые сами по себе не имеют нормирован ­ ных метрологических характеристик, однако их характерис ­ тики (стабильность, погрешность, частотный диапазон и т. п . ) должны соответствовать качеству тех средств измерений, в состав которых они входят. Элемент цепи измерительного преобразования, на который воздействует преобразуемая ве­ личина, называется чувствительным элементом . Измерительный преобразователь (ИП) как средство из­ мерений является преобразователем его входного измери­ тельного сигнала в выходной сигнал, более удобный для даль­ нейшего преобразования, передачи, обработки вычислитель­ ными устройствами или хранения, но непригодный для непо­ средственного восприятия наблюдателем. В отличие от из­ мерительн о го преобразователя измерительный прибор яв­ ляется средством измерений, вырабатывающим выходной сигнал в форме, позволяющей наб.!Jюдателю непосредствен­ но воспринять значение измеряемой физической величины . Измерительный преобразователь как средс т во измерений имеет нормирован н ые метроло ги ческие характеристики и вы­ полняется обычно в виде отдел ьного независимого устрой ­ ства. В общем выходной сигнал измерительного преобразова­ теля формируется под воздействием не только информатив­ но го параметра входного сигна л а, н о и многих других пара ­ метров как измери тел ь ного сигнал а , так и окружающей сре­ ды, например, температуры, вл ажности, в н ешних и внутрен ­ них помех и т. п. В усл овиях воздействия указанных факто­ р ов измерительный преобразователь должен быт ь макси ­ мал ьно чувствител ьным к измеряемой величине (информа-
тивному параметру входно го сигнала) и очень незначитель ­ но реагировать на влияющие факторы . Измерительные преобразователи, включенные первым и в цепи измерительных преобразований, называются первич н ы­ ми (ПП). Наряду с термином «Первичный измерительны й преобра ­ зователь» (ПИП) широкое распространение в автоматике и измерительной технике получил термин датч ик [1.1 . .. . 1 .3 .] . Иногда эти термины отождествл яются, что приводит к не ­ правильным представлениям и недоразумениям, усложня ­ ющими общение специалистов различного профиля и уровня . Датчиком следует называть средство измерения, пред­ ставляющее собой конструктивно завершенное устройство, размещаемое непосредственно в зоне исследуемого объекта . Надо отметить, что в состав датчика может входить ряд из ­ 'Мерительных преобразователей [1 .4 .] . Наличие датчика дает возможность реализовать важные особенности современных методов измеренмй, в частности преобразование одних физических величин в другие величи ны . (об ыч но - электрические) . последующие преобразования, хранение и испоJiьзование; дисганционность измерительных -п реобразований . 1.2. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Функция преобразования. Связь между входной Х и вы­ ходной У величинами преобразователя описывается функци­ ей преобразования (ФП) [1.4 ... 1.6] У= f(X), (1.1.) где Х и У - истинные (при теоретическом анализе) и дей­ ствительные (при экспериментальных исследованиях) зна­ чения соответственно выходной и входной величи н. Поскольку истинные значения величин не могут быть определены, то, соответственно, не может быть определена истинная функция преобразова н ия . Можно определить лишь действительную функцию преобразования , принимая за Х и У некоторые их действительные значения, найденные экспери ­ ментальным путем и настолько приближающееся к истинным, что для данной цели могут использоваться вместо них. Функции преобразования отдельных однотипных ИП бу­ дут несколько отличаться друг от друга, поэтому каждый отдельный преобразователь может характеризоваться своей индиви~уальной действительной функцией преобразования. Эту функцию преобразования ИП определяют в различ ны х
режимах их работы как в нормальных условиях, так и при воздействии внешних факторов, оговоре нных в нормативных документах на данный ти п ИП . В качестве обобщенной ха­ рактеристики ИП данного ти па при·нимается некоторая усред­ ненная функция преобразова н ия большой группы одноти п ­ ных rrреобразова теле й . Измерительному пр еобразовател ю присваивают некоторую математическую функцию, которая является наилучшим приближением к усредне нн ой. Присвое нная и зме ри тел ьно му преобразователю функция носит назва н ие номинал ьной (п~с~ртной) функции преобра­ зования ил и градуировочной ·характеристики . Она может быть записана анал итически, представлена в виде таблицы или графика. В зависимости от конструктивных особенностей, необхо­ димой точности преобразован и я или других требова н ий для каждо го преобразователя устанавливается определенный диапазо н преобразований, ограниче нный начальным Хн и ко­ нечным Х, пределами преобразуемой в ел и чины и соответствен­ но начальным Ун и конечным У. пределами его выходно й ве­ личины. Коэффициент преобразования. Коэфф и циентом преобра­ зования называют отношение выходной велич ины ко вход­ ной величине Х К(Х)=~ =F<;). ( 1.2) Номинальный коэффициент преобразования определяется по номинальной функции преобразования как к (х)_ Fном(Х) ном - х . Очевидно, что Кно м (Х) = const только тогда, ко гда номи­ нальная ФП линейна и ее график проходит через начало сис ­ темы координат. Если номинальная функция преобразования ИП нелинейна, то такие преобразователи называют нели ­ нейными или функциональными [ l .6 ] . Преобразователь с линейной Fиом (Х) представляет собой ча стный случай функ­ ционального . С помощью номинального коэффициента пр е­ образования выходная вели ч ина У мо жет быть приведена ко входу ИП, в результате чего получим приведенную фу нк ­ цию преобразования У F(X) X=--=- -=f(X). (1 .3) Кном(Х) Кном(Х) Чувствительность. Производная от фун кции преобразо­ вания называется чувст в ительностью ИП
S = :~ =F'(X). Экспериментадьно ее можно определить по конечным при­ ращениям входной и выходной величины при незначительных !:::,.Х S=дУ/дХ. Для преобразовател е й , ФП которых линейная чувстви ­ тельность будет постоянной . Если, кроме это го, график функ­ ции Fном(х) проходит ч ерез начало системы · координат, то номинальная чувствительность будет равна номинальному коэффициенту преобразования . Если же функция преобра ­ зования нелинейна, то чувствите.'1 ьность является функцией входной величины и связана с коэфф,:ициентом преобразо- ва н ия зависимостью · " S(X) = dY = d(K(X)·X]X+K(X) dX dX . (1.4) На основании зависимости (1.4) , зная К(Х) всегда можно определить S(X), но не наоборот. Это значит, что коэффици­ ент преобразования является бoJJee общей и информативно й Х'арактеристикой ИП, чем чувствительность. Характеризуя ИП с нелинейными номинальными ФП, часто пользуются также понятием средней чувствительнос ­ ти У.-Ун Scp=-x Х' .- " гдеУк-УниХк - Хн - диапазон преобразований выход­ ной и входной величин соответственно, а Ук, Хк и Ун , Хн - ко ­ не ч ные и начальные пределы преобразования. Под относительной чувствительностью ИП понимают ОТ " ношение относительно го изменения выходной величины к от­ носительному изменению входной ве.1ичины ЛУ/ У Sотн = ЛХ/Л. Изменение выходного сигнала ИП может быть обусловле­ но также влиянием неинформативных параметров входно­ го сиг нал а . Поэтому ИП характер и зуется также и чувстви ­ тельностью к неинформативным параметрам. Приближенно полное прираще ни е выходного с и гнал а с учето м неинформа ­ т и вных параме т ров вход но го сигнала можно vпределить из выражения 10
Здесь коэффициенты при приращениях da , db ... dm пред - - ставляют собой чувствительности ИП к соответствующим неинформативным параметрам а, Ь, ... , т дУ дУ дУ Sa=да;Sь=дЬ; Sm=дт· Порог чувствительности. Под порогом чувствительности ИП, по аналогии с порогом чувствительности измерительно ­ го прибора [1 .7], следует понимать значение входной вели­ чины (Х)=Ло), относительная ~о~~ешность преобразования которой составляет б = Л0/Х =°100 %. На современном этапе развития измерительного приборо ­ строения чувствительность и порог чувствительности ИП за - частую достигают значений , граничащих с предельно воз­ можными. Порог чувствительности ИП определяется, в част ­ ности, внешними и внутренними помехами, в том числе и шумами . Если бы удалось устранить все внешние помехи, то остались бы не исключенными внутренние шумы элемен ­ тов, в частности, термодинамические. Средняя мощность термодинамической флуктуации опре­ деляется по формуле Р, = 4kTЛf, гдеk=1,3810- 23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; Лf - ширина частотной полосы пропускания измерительного преобразователя, огра­ ниченная нижним и верхним граничными значениями на уровне 3 дБ. Для ИП с эквивалентным входным сопротивлением R наличие термодинамической помехи проявляется в том, что на его входе возникает напряжение тепловых шумов, дей­ ствующее значение которого определяет термодинамический порог чувствительности, будет равно U, = {P;R = · .j4kTЛfR. В полупроводниковых преобразователях с разнородной структурой наблюдается температурный дрейф напряжения смещения и токов переходов, которые также ухудшают по ­ рог чувствительности при п реобразовании медленно изменя­ ющихся сигналов . Кроме того, значен ие «погрешности ну­ ля» Ло для таких сигналов обусловлено также наличием тер­ моэлектрических и контактных э . д . с ., возникающих при со­ единении различных проводников . Погрешности в статическом режиме и их нормирование . Погрешности ИП, как и погрешности друг и х средств из · 11
мерений, могут быть классифицированы по различным при ­ знакам, в ча стност и, по способу их выражения, по условиям их возникновения, по степени неопредел енности, по характ е ­ ру за в иси мости от входной (преобразуемой) величи н ь1. По способу выражения погрешности ИП подразделяют на абс олютные, относительные и приведенные. Номиналь ­ ны й коэффициент преобразования большинства ИП н е ра­ вен единице, как это имеет место в из мерительн ых пр ибор ах, п оэ тому погрешности ИП могут быть определены как по вы­ ходу, так и по входу преобразова теля. Поскольку возникнове н ие погрешностей является след ­ ствием несовпадения действительной функции преобразова ­ ния Fц(Х) и градуировочной характеристики (номинальной функции преобразования) Fном(Х)) (рис . 1. 1.), то абсолют ­ н ая погрешность по выходу может бЬ1ть определена как \;! Лвых = У - Уном = У - Fном(Х) = (Кд(Х) - Кном(Х)]Х, у Рис. 1. 1. Графическое представление погрешностей измерительного о ~-----'--'L------ преобразователя на входе хх Х и выходе Кном(Х) и Кц(Х)=f- номинальный и действительный коэф­ фициенты преобразования, соответствующие действительно ­ му значению входной величины Х; Уном - номинальное значение выходной величины, кото­ рое определяется по градуировочной характеристике Fном(Х) для входной величины Х. Выражая действительное значение входной величины Х че рез выходную величину У, окончательно получим [ 1.8] . Л _ Ка(Х) - Кном(Х) у вых - Ка(Х) . (1 .5) Так как Кл(Х} и Кном(Х) являются функциями действитель- 12
ного значения входн ой величины Х, то Лвых определяют при и звестно м зна чении Х. . Абсолютную пог реш ност ь п о входу , наобо рот, определя ­ ют при заданном У [1.8.] л:. = х - Х = р-•ном(У) .:__ Х = Кномуу(Х) - Х= К~=~Х!~ - Х, где х - значение входной величин ы, соответствующее дейс т­ в ит ельному значению выходно й велич и ны У, опр еделенное по градуировочной характери9-~ с учетом номинального коэффициент а преобразования; р -1( У) = х - обрат н ая фу н кция преобразования; Кном у(Х) - ном и нальный коэффициент преобразования, соответствующий значен ию У по градуировочной характерис­ тике. Выражение для определения абсол ютной погрешно сти по входу можна прив ести к виду Лвх = Кд(Х) - Кном(Х) Х = Кд(Х) - Кном /...Х) у ( l.б) Кном /...Х) Кд(Х)Кном у{_Х) ' Из выражений ( 1.5) и ( 1. 6) устанавл ивается связь между абсолют ными по грешнос т ями по входу и выходу. Кл(Х) - Кном(Х) К (Х) () Лвых = Кд(Х) _ Кном у(Х) ном у Лвх• 1.7 Относительные погрешности ИП по входу и по выходу опр е­ деляются гак: б., = л., = Кл(Х) - Кном у(Х) = Кд(Х) - 1, Х Кном у(Х) Кном у(Х) " _ Лвых _ Кд(Х) - Кном(Х) _ l _ Кном(Х) Uвы><- У - Кд(Х) - Кд(Х) • Раздел ив правую и левую ч асти выражения (1 .7) на ве­ личину У = Кд(Х)Х, получим " Кл(Х) - Кном(Х) Кному(Х) б (18) Uвых = Кд(Х) - Кному(Х) • Кд(Х) вх • • Если погрешности неболь шие или ФП линейна, Кном(Х) = = Кно·м у(Х) = Кном и Кном ~ Kg. тогда Кном" " Лnых = КномЛвх; бвых ::::::::= Кд Uвх ~ U1>x· Последние выражения, к а к правило, и использую т на практи­ ке. Приведенные погреш ности ИП определяю тся путем нор ­ мировки абсолютных погрешностей по входу и по выходу л•• "\'вх = XN
Нормирующие значения XN входной величины и YN выход ­ ной согласно ГОСТ 8.401 - 80 устанавливаются равным и боль ш ему из пределов из м ерения, если нулевое значение входной (выходной) величины находится вн а ч але ди апазона преобразования , или равным большему и з модулей пределов измерения, если нулевое зна ч ен и е находит ся внутр и диапа­ зона измерения или преобразова н ия . В зависимости от степени неопределенности погреш нос­ ти подразделяют на систематические и случайные . С и стема­ тической погрешностью называют составляющую погреш нос­ ти ИП, значение которой при повторных преобразованиях величины с неизменным размером остается постоянны м ил и изменяется по известному закону. Следовательно, характе р­ ной особенностью системат ич еской по г решности является детерминированность ее значени й. Случайно й погре шностью называют ту составляющую по грешности, зн ачение которой при повторных преобразованиях величины с неизменным раз ­ мером изменяется произвольно . По грешность ИП (приведен· ная ко входу или выходу) может рассматриваться ка к слу­ чайная величина с систематическими составляющими, кото­ f)Ые являются центрами рассеивания центрированных (чисто случайных) составляющих, - о Лвх= Лвх - Лвх - о Лвых = Лвых + Лвых· о ~десь л . ,, Лвых - систематические составляющи е, Л вх . Лвых - центрированные составляющие . В общем случае значения погрешностей преобразова те­ лей, как и средств измерения вообще, зависят от действитель ­ ных значений преобразуемой величины Х , что весьма пол н о отображается многочленными формулами [1 .9) . Приведен ­ ная функция преобразования х = f(X), а также обратная приведенная Х = ср(х) , в отличие от номинальных, для кото ­ рых х = Х, могут быть представлены в виде рядов Маклоре ­ на х = f(X) = f(O) + f'(O)X + ~! f"(O)X2 + ii f"'(O)X 3 ••. ; 1 1 Х = IP(x) = 1Р(О) + 1Р'(О)х+ш1Р"(О)х 2 +3f1Р"' (О)х3 + .... Тогда формулы для погрешностей записываются в виде Л(Х)=х -Х =f(X)-Х =f(O)+[f'(O)- l]X+}if"(O)x2+ + _!_f"' (O )X3 +...=Ло+б.Х+Ех2+~3+...= 3! п L a;· X;(l .9) i=O
иЛ(х)=х-Х=х-IJX'x)= - 1р(О) - [1р'(О) - l]x - 1"()2 л· ". •2 1:• з 2f\j)0Х- ••• = О+usX+ЕХ+!..Х+...= л ·= I a•,,t, i=O (1.10) где Ло и Л*о - аддитивные (от лат. additio - суммирование ) погрешности, значения которых не зависят от преобразуемой величины; бsХ и fJ* sX - мульт!}П_.jWКативные (от лат. multi- plicatio - умножение); пропорйИональные преобразуемой величине; вХ2 и в·х 2 нелинейные квадратные (пропор циональ­ ные квадрату преобразуемой величины), а GX3 и G*x 3 - ку­ бические погрешности; ао = Ло; а1 = бs; а2 = в; аз = G; а·о=л·о;а·. =б*s... Обычно ограничиваются дв умя членами ряда (ГОСТ 8.401-80) , хотя ино гда приходится учитывать квадратичес ­ кие и даже кубические составляющие . В общем случае аб­ солютная погрешность представляет собой сумму Л(Х)=Ло+Лм+Лкв+Лкуб+..., гдеЛо,Лм=бsХ,Лкв =вХ 2 ,Лкуб= GX3 - аддитивная, муль­ типликативная , квадратическая и кубическая составляющие абсолютной погрешности . Составляющие Ло, Лм. Лкв и более высоких степеней в об­ щем случае являются случайными величинами с системати­ ческими (детерминированными) и центрированными (инде ­ терминированными) слагаемыми. В зависимости от условий возникновения погрешностей их подразделяют на основные и дополнительные . Основная погрешность - это погрешность, свойственвая преобразователю при нормальных условиях его применения, т. е. в условиях, когда влияющие величины (например, температура, частота и т . п.) имеют нормальные значения или находятся в пределах нормальной области их значений. Влияющей называют величину, которая непосредственно данным преобразователем не преобразуется, однако влияет на значение информативного параметра выходного сигнала преобразователя . Дополнительная погрешность - это составляющая по ­ грешности ИП, вызванная отклонением одной из влияющих величин от нормального значения или выходом ее значения за пределы нормальной области . Пределы допускаемых от­ клонений условий работы преобразователей нормируются и ограничиваются рабочей (расширенной) областью значе­ ний влияющей величины , в пределах которой также норми ­ руется дополнительная погрешность. 15
Обобщенной х а рактери стико й , определ яющей предел ы допускаемой основной и дополнительной погрешностей, яв­ ляется класс точ ности . Классы точности измерительных пре­ образователей нормируются стандартом ГОСТ 8.401 - 80, согласно которому пределы допускаемых значений основ­ ной и дополнительной погре ш ностей дл я каждого кл асса точности устанавливаются в виде абсолютных, относитель­ ных или приведенных значений. Нормирование погрешности сводится к представлению ее в виде одночленной и двухчлен­ ной формул и указанию полосы погрешностей в диапазоне преобразований. При нормировании погрешностей двухчленной формулой относительн ая погрешность преобразователя определяется как (1.11) где уо - приведенная погрешность в начале диапазона пре­ образования, обусловленная различного вида внутренними шумами. В большинстве случаев устанавливают нижний предел • преобразования Хо = О. Тогда XN = Хк и приведенная по­ грешность х '\'(Х)=1'о+б.Хк. При Х = Хк, то есть в конце диапазона преобразования , приведенная погрешность ИП будет равна Ук = уо + бs. Пр и р асчете ил и экспериментальном и сследовании свойств ИП легче всего получить зна чения погрешностей у0 и Ук , по ­ этому Г ОСТ 8.401-80 при нормировании погрешностей в в и­ де двухчленной формулы принимает их в качестве основ н ых то ч ностн ы х характеристик . Формула дл я нормирования пре­ делов допускаемых относител ьных погрешностей в процен ­ тах имеет ви д где с = у., d = у0 - коэффи циенты, равные, выраженным в процентах , приведенным по грешностям преобразован ия . Кл асс то чн ости ИП в этом случае записывается в виде отношения с/ d. на пример, 0,2/0,1; 0,05/0,02 . Если различ ие между Ук и уо оказывается незначител ь­ н ым , что может иметь место при существенном преоблада ­ нии аддитивной составляющей погрешности, то допустимое значе н ие Щ)Грешности нормируется в виде одночленной фор-
мулы. При этом указывается предельная приведенная по ­ грешность, выраженная в процентах : л у=±IXкl•100=±Р. Коэффициент Р является показателем класса точности . При заданном классе точности в виде с/d можно опреде ­ лить предел ы допускаемых значений у0 1Хк1 и б" поскольку из формулы для нормирования пределов погрешностей сле ­ дует, что ..., ;o!i)' б(Х)•Х •• ~-· 1 Л(Х) = -Т00 = ± [dlX.I +(с - d)X] IOO, где б(х) - относительная погрешность , выраженная в процен - d c-d т ах . Таким образом, можно записать , что 100 = уо, alOO= = бs. то есть коэффициент d определяется приведенной по ­ грешностью в начале диапазона преобразования, а разность значений у. и Уо является коэффициентом при мультиплика­ тивной погрешности преобразовате.'lя, которую часто назы­ вают погрешностью чувствительности . Вариация выходной величины . Важной характеристикой ИП является вариация выходной величины, которая опреде ­ ляется как разность между значениями выходной величины, соответствующими одному и тому же действительному зна­ чению преобразуемой величины при двух направлениях мед ­ ленных изменений последней в процессе подхода к опреде ­ ленной точке диапазона преобразования . 1.3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Динамическими называют такие характеристики ИП, ко­ торые проявляются только при преобразованиях перемен­ ных во времени величин. Основной характеристикой, описы­ вающей работу преобразователя как линейной стационар ­ ной динамической системы с сосредоточенными параметра­ ми, является дифференциональное уравнение с постоянны­ ми коэффициентами dnY d"- 1 dmX dm- ix Gп dtn +an - ldl" - 1+ ... +аоУ=Ьт dlm +Ьт - 1 dlт-г+ ... +ЬоХ, (1 .12) где ап ... а0 и Ьт .. . Ьо - постоянные коэффициенты . Дифференциальное уравнение необходимого. порядка полностью характеризуют поведение динамическои системы во временной о_бласти, однако коэффициешЬl.~ЛаIШ-,- ния тяжело определить на практ ике . . 17
Для анализа дифференциального уравнения использу ­ ется преобразован ие по Л апласу. ll олагая, что опера торные изображения по Лапласу входной и выходной вел и чи н бу­ дут соответствен н о L[X(t)] = X(s) и L[Y(t)] = Y(s), определим отношение изображе н ия выходной величины Y(s) к изобра­ же н ию входной величины X(s) Y(s) =bmsm+bm-1Sm-I+···+Ьо=W(s) (1 .13) X(s) GnSn + Gn-1Sn - +...+ао ' которое носит название передаточной функции ИП. В статистическом режиме (при X(t) = const, Y(t) = const или s-0, передаточная функция примет вид Ьо Ws~o= - =Ко. ао nо где К0 - статистический коэффициент пр еобразования , рав­ ный действительному коэффициенту преобразования Кд(Х) ИП с линейной функцией преобразования. Передаточная функция W(s) - исчер пыв ающая характе ­ ристика динамических свойств ИП в ч астотной области. Од­ нако она маJюнагля д на и трудно поддается эксперименталь- • ному опредеJ1ению. Поэтому на практике используются дру­ гие характеристики, которые можно рассматривать как ре­ шения дифференциально го уравнения ( 1.12) при заданных видах входных сигналов и начал ьных условий. В качестве таких типовых сигналов _слу жат единич1-1ый скачок, корот­ кий импульс единичной площади, линейно нарастающее или синусоидальное входной воздейст вие . Реакция (отклик) невозбужденного (с нулевыми началь­ ными условия ми) ИП на воздействие в виде ед ини чного скачка l(t) называется переходной функцией /i(t). Скорость приближения переходной функции к установившемуся зна­ чению h ( оо) = Ко является мерой инерционности ИП. Поэ­ том у наиболее рас пространенный способ нормирования ди­ намических характеристик преобразователей - указание промежутка времени, соответствующего определе нной орди­ нате переходной функции. Реакция преобразователя на воздействие в виде корот­ кого импульса единичной площади X(t) = б(t) называется импульсной переходной функцией веса g(t). Между переход­ ной функцией и и мпульсной переходной функцией веса cyщe- d/i(t) ствует зависимость g(t) = -;Jt или t h(t) = ~g(t)dt. о 18 (1.14)
Переходная и импульсная переходная функция исполь­ зуется для определения реакции ИП на любое реальное воз­ действие X(t), кото р ое может быть представлено в виде бес­ конечного количества примыкающих друг к другу бесконеч­ но коротких импульсов с амплитудами, равными мгновенным значен'иям X(t), либо в виде бесконечного количества беско- , dX(t) нечно малых скачков, пропорциональных Х (t) = ~. Установившаяся реакция на синусоидальное входное воз­ действие описывается амплитудА'"Q.~~астотной и фаза-частот­ ной характеристиками. В установившемся режиме реакции Y(t) линейного измерительного преобразователя на синусо­ идальное воздействие является также си нусои дальной. Угло­ вые частоты входного и выходного сигналов совпа даю т. Амплитудно-фазовая характеристика W(jw) И П легко может быть получена из передато чной функции преобразова теля (1.13) путем замены символа s на j{J). Функция W(j{J)) от не­ прерывного аргумента называется также комплексным коэф­ фициентом преобразования. Модуль амплитудно -фазово й характеристики 1 W(j{J))I характеризует изменение амплиту­ ды гармонического сигнала при преобразовании последнего в ИП, а аргумент ее __:_ фазовый сдвиг сигнала. Функция 1 W(j{J))I = K({J)) получила название амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ИП, а функция arg W(j{J) ) = q\{J)) - фазочастотной характеристики (ФЧХ) ИП. В зависимости от порядка дифференциального уравнения (l.1 2), т . е. значений показателей степени т и n; различают ИП первого, второго и высших порядков. В ряде случаев целесообразно пользоваться характерис­ тиками идеальных преобразователей, а динамические по­ грешности реальных преобразователей рассматривать как следствие отклонения их динамических характер ис тик от соответствующих характеристик идеальных. В табл . 1.1 при­ ведены основные разновидности идеальных и реальных пре­ образователей первого порядка (безынерционного, диффе­ ренцирующего и интегрирующего), а также аналитические и графические зависимости их динамических характеристик. Амплитудно-частотные характеристики реального инте­ гриру«Jщего преобразователя сильно отклоняются от гипер­ болы(;) (характер истики идеального интергратора) при низ- ких частотах. В некоторой узкой начальной области частот реальный интегрирующий преобразователь ведет себя как безынерционное звено и лишь на высоких частотах он ста­ новится интегрирующим. Переходная характеристика реаль­ ного и идеального преобразователей совпадают при t ~ Т. 2* 19
Таблица / . / Динамические характеристики преобразователеА первоrо порядка Ви пре об- Номиналь - ра- Уравнение ная пере - Частотн ые Временные зо- днна мнкн даточная ха рактернстнкн характернстнкн ва- функuин те- ля ... h(t} " ~~, " К (w!=К,, h(t} с l<o ·flf} " W(s) =Ко "• о "=r aoY(t) = boX.(t) о с. Ьо "' "' v:I ~·1 " Ко=- " " ао V(w}=O - "' ~~ g(t}=~tt(t} l.Q "' .., " Klw! ~t hlt}~ ;; .., S2 dY(t) l ",., Wfs)= - "'с. о~::_ о_:::_ .с :с а1--= . т. "=r dt -- --μ1 .~~ _;1 t "'с. = boX(t) Т =а• \'(W)~~ :1 :S:"' 9lt!~!f/2 -& Ьо -& " "' W(s) = K {w) ~Е= ... dY(t) + 1 ~ :с а1{[Г =Кот.+I~ ""; ; :ИS2 :С>. + aoY(t) = ". .с с. Ьо ""' glt} t " с. + aoY(t)= Ко=- w "' ... ~ке-~ "":!! ао :л :с = bvX(t) -7i :с Т=~ :л - 2 ао т .., /<(1~2/ h(tJ " tl'(t} .., ;; aoY(t) = W(s) = Ts h(t)cTrf'(tJ ~S2 .с» "с. Ь dX(t) Т=1!.!_ "" y!I w d" (t} "' с. " ... • (lt g(t} = T<1"'/t} :s:I:! ао Y'(wJ = ffj о " " w .., w() tf(wJ hft}k::__ dY(t) + s :с ~ ;; а1СiГ Ts .,. 52 =KiTs+1 t(~~ ";;: о ":с .с =r :л 9/t} т ·t "" + aoY(t) = т "'"' ь. 2 о "' с. к.=- """' Ь dX(t) -& а1 :л -& Т=а1 7j "' lliГ " "' --т ао 20
В облас~:и низких частот ((J)T << l) ампли тудно - фазо ­ вые характеристики реально го дифференuирующего п реобра ­ зователя совпадают с характерист ика м и идеа л ьног о п реоб ра­ зователя, _а в области высоких частот ((J)T~ l ) - р еальный преобразователь п ракти ч ески безынерционный . Рассмотренный выше апериодический характер перехо д­ ного процесса свойственен тепловым и химическим преобра­ зователям. В элект рическ и х, механи ч еских , акусти ческих пр е ­ образователях, кроме апер иоди ческого, н абл юдается коле­ бательный характер переходного"'ll р't\цесса, когда Y(t) прежде, чем прийти к уст ановившемуся уровню, несколько раз ста ­ новится то больше, то меньше его, т. е . совершае т колеба­ тельное движение возле этого уровня . Работа таких преобра ­ зователей описывается дифференциальными уравнениями второго порядка . При этом вид дифференциальн ы х урав ­ нений преобразователей различной физической природ ы ока ­ зывается аналогичным . В силу этого динамические свойства п реобразователей с различной физической природой находятся из решения диф ­ ференциаJ1ьно го уравнения преобразователя с обобщенными параметрами d2Y(t) dY(t) а2 (j(Г +а, dГ + aoY(t) = boX(t), (1.15) где а0 , а1, а2, Ь 0 - коэффициенты, значения которых зависят от особенностей преобразователя . Передаточная функция преобразователя 2-го порядка имеет вид Ьо 1 W(s) = =Ко , a2s 2 + a,s+ao T~s2+T,s+1 (1.16) а комплексный коэффициент преобразования W(j(\)) = Ко T~(j(\) )2 +1 T1j(I) + 1 ' где т~=~:т, =~..!... ао ао Обозначив 2~ = !.2_ степень ускорения преобразователя , Т2 1 u Wo=Т 2 - собственную частоту его колебании, получим W(j(\)) = Ко----..,.------- (1- ~+j2~:о). 21
Если воспользоваться понятием относительной частоты ffi u ТJ= - в ходноr·о воздеиствия, то частотная характеристика шо примет вид 1 W(/11)=Ко(I_ 11 2) + j2f\ 11 = A(11)eM~J , (1.17) r·де А(ТJ) = Ko/./(l - ТJ 2) + 2f3ТJ - амплитудно-частотная характеристика, ЧJ(ТJ) = - arctg 1 2f3ТJ 2 - фазочастот­ - ТJ ная характеристика преобр азователя. При ст атическом входном воздействии ( при часто­ те входного сигнал а ш = О) ам плитудно- ча стот ная ха рак­ теристика принимает значение А(11)\ =Ко 1)=о , Учитывая это обстоятел ьство можн о выра1ить амплитуд­ но-частотную характеристку преобразователя 2- r o по рядка в относительных координатах М(Г]J 0 ~=--+-~-~~~+---+~~4 ' f(!]) 22 Рис. 1.2. Частотные характеристики п реобразова теля 2-ro п орядка
M(YJ) = А(11) = 1 Ко ,f[1_ 112)2 + 4~2112 · ( J.18) В выражение не входит ни одно абсолютное значение пара­ ме тр ов преобразователя , поэтому о но мо жет применятьс я для описа,-шя работы любого по физичес1юй природе преобразо­ вателя с любыми значениями его параметров, если только эти параметры выразить в относительных значениях (рис. 1.2,а). На рис. 1.2, 6 изображено семейство ФЧХ преобразователя 2- го порядка для различных ЗНJ;!Ч~ний f3. Динамические погрешности.~решностью преобразова­ теля в динамическом режиме называют погрешность, появ­ ляющуюся при преобразовании переменных во времени ве­ личин. Динамической погрешностью преобразователя, у ко­ торого специально не задается вид передаточной функции, обычно считают разность между погрешностью в динами­ ческом режиме и его статической погрешн остью. Дина ­ мические погреш ности обусловлены инерционными свойства­ ми преобразователя и поэтому их значения зависят от ско­ рости изменения преобразуемой величины. При анализе ди­ намических пог решностей обычно п ренеб регают статичес­ кими п огрешностями, а д и намически е погрешнос т и с чи тыва­ ют равными суммарно й пог ре ш ности пр еобразовател я в ди ­ н амическом р еж и ме. Если по ан алогии со ста тически ми по грешностя ми рас­ сматривать динамическую погре шность как следствие нер а­ венства действительной пе редаточной функции Wд(s) и н о­ минальной Wном (s) , то для оценки динами ческой по грешности можно использовать о п ерато рн о е уравнение и для приведен­ ной ко входу динамической погрешности Лхдии записать Лхдин(s)=~ - X(s) = Wд(s)X(s) - X(s) = X(s)[ Wд(s) - 1] Wном{s) Wном(s) Wиом(s) или Лхднн(s) = X(s)WЛ(s), (1.1 9) Wд(s) где WЛ(s) = [ Wном(s) - l ] - передаточная функция по- грешности преобразователя. При гар моническо м входном сиг н але , ко гда X(t) = Хтах • (sinwt + <р) динамическая погрешность, также будет гар­ монической функцией времени с амплитудой ЛХтах((J)) и фа­ зой <рЛ (w) Лхднн(t) = ЛXmax(ro)sin[roi + (jJ + qJЛ( ro )J. (1.20) 23
Амплитуда и фаза комплексной динамической погреш ­ ности могут быть определены из комплексной ампли тудно ­ фазовой характеристики по грешности W Л(jw) как ЛХтах(rо) = 1WЛ(jw)IXmax; qJЛ(ro) = arg WЛ(jro) . ( 1.21) Выражение ( 1.21) представляет собой временную харак­ теристику мгновенного значения динамической погрешности, определенного как разность между одновременно существу ­ ющими значениями входного и приведенного ко входу выход ­ ного сигнала . Когда мгновенным значениям выходного си гна ­ ла непосредственно не интересуются, динамическую погреш­ ность определяют как разность между мгновенным значе­ нием сигнала X(t) и мгновенным значением сигнала x(t), сов­ мещенного по фазе с сигналом X(t), т. е . воспроизведенного " qJЛ( w) спустя время тз = --, равному среднему в р емени запазды ­ (J) вания выходного сигнала. Абсолютная амплитуда динами­ ческой погрешности в последнем случае равна Утах [ Кд(rо) ] • ЛХа(rо) = Кном(rо) - Хтах = Кном(rо) - 1 Хтах, (1.22) а относительная амплитудная погрешность б(rо) = ЛХа(rо) = Кд(rо) _ l = 1Wд(jro) I _ I, (l.2З) Хтах Кном(rо) 1Wнoм(iro)I где Кд(w) и Киом(w) - действительное и номинальное значе­ ния модулей действительной и номинальной комплексной АЧХ ИП. Фазовая погрешность в этом случае равна Лср(rо) = arg Wд(jro) - агg Wнoм(iro), (1 .24) где arg обозначает аргумент функции W(jw) = K(w)e/~< 00 J, т. е. qJ(w). ЕсJш известны относительная амплитудная б(w) и фазо­ вая ЛqJ((J)) динамические погрешности, то динамические по­ rрешности преобразования гармонической функции равны (l .5] ЛXmax(ro) = Xma x - . J [1 + б(rо)] 2 - 2[1 - б(ro))coSЛqJ(ю)+I, (1.25) [1 - б(ro))sinЛqJ(ю) qJЛ(ю)=arctg 1 - [1 + б(ю)]соsЛqJ(ю) · ( 1.26) Динамическая погрешность Лхдии (/) является функцией времени, поэтому она используется лишь для преобразова ­ телей, информативными параметрами входных и выходных сигналов которых являются мгновенные значения (измери ­ тельные усилители, трансформаторы, преобразователи пе- 24
ремещений и т. п . ) . Если информативным параметром сигна ­ ла является какое -л ибо е го интегральное значение (среднее, средневыпрямленное , с реднеквадратическое) , указывают усредненные оценки динамической погреш ности [ 1.1 1]. Так , например, для стационарных процессов (периодических или стационарных стохастических) используют средневыпрям­ ленное Лев или среднеквадратическое Лек значения динами­ ческой погре ш ности : Лев = lim ~ Лхдии(t)dl, т-оо ~- ~1' 7 Лек =lim \ Л 2хдин(i)dt. т-оо о Важными параметрами, которые характеризуют динами­ ческие свойства ИП, являются : время преобразования ln - при временном представл ении, граничная частота преобра ­ зования Ulгp - при частотном пред ставлении . Временем преобразования называется т акое время fп, по истечении которого динамическая погрешность умень­ шаясь, становится равной допустимой Лхднн . доп. Соответ­ ственно, граничной частотой преобразования UJгp называет ­ ся такая частота сигнала, при которой динамическая погреш­ ность становится равной допустимой . 1.4 . КОРРЕКЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕП ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Большое значение для повышения качества метрологи­ ческих свойств имеет стабилизация статических и дина­ мических характеристик средств измерения (СИ), а также минимизация погрешностей в статическом и динамическом режимах . Эти задачи в настоящее время решаются как конструкторско-технологическими , так и структурными мето­ дами. Первая группа методов предполагает использование более качественных элементов, применение экранов, термо­ стабилизацию и т. п . Структурные методы коррекции метро­ логических характеристик СИ (особенно статических), основанные на использовании корректирующих цепей и свя­ зей, получили в последнее время широкое распространение . Среди этих методов различают методы уравновешивающе­ го преобразования и метод~~ ·коррекции погрешностей [ 1.12] . При преобразовании неэлектрических величин в э"1ектри­ ческие посредством различных датчиков метод уравновеши­ вающего преобразования может оказаться непригодным из­ за трудностей ~;остроения прецизионных обратных преобразо- 25
вателей электри ческих вел ичин в неэле кг рические. Боле,'" перспективным в э то м пл ане являютс я м етоды коррекции по гр ешностей н а осно ве разомкнуты х структур. Особенн о акт уа льн ым вопросом коррекци и характер и сти к да тч и ко в различных физических величин, применяемых в информаци­ онно-измери тельных си стемах (ИИС), явл яется л ин еар и за­ ция ФП измерител ьно го тракта. Если ФП нел инейна и это обусловлено физи ческими основами принцип а дейс твия пре­ образова тел я, то в этом слу ч ае стр уктурные методы кор­ рекци и поr·решностей нелинейности являются весьма эффек­ тивными. При этом схема коррекции. нелинейности может быть размещена в самом датчике. Линеаризация статических характеристик. Одним из важны х условий пр именения первичных преобразователей ( ПП) физических величи н в и змериiел ьн ых системах и в ;J2 ис тем а х автома ти ки является лине йность их функций пр еоб­ разования. Это может быть достигнуто в отдельных случаях конструк т орско-техно л ог ич ескими прие ма ми, в час тнос ти , использованием специальных материало в , применением специальной технологии изготов л ения датчиков или с пеци­ ального конструктив н ого выпол нения элементов преобра­ ,;ювателя. Однако эти способы дале ко не всегда позволяют полу чить с дост аточной сте пен ью точности линей ную ФП. Поэтому во многих сл учаях пр иходи тся прибегать и к другим, в ч а стности, структурным методам получения линейной функ­ ции преобразования. Совокупность математических, кон­ ст рукторско-технологических и структурных приемов, ''\ш­ правленных на обеспечение с з ад анной точностью линейной функции преобразования называют ее линеаризацией. Ли­ неаризация является отдельным частным случаем коррек ции стат и ческих характеристик преобразователей, н аправ­ л е н ных на получение заданно й ФП. Первым этапом лин еаризации является рациональный выбо р линейной номинал ьной функции преобразования, то .есть совмещение линейной аппро кси мирующей и нел ин ей­ . ной аппроксимируемой фу н кции должно производи т ься та­ ким образом, чтобы. обеспечит ь минимальную по грешность аппрокси мации (з а мены) . Н апример, если функция преобра­ зова н ия ФП зап и сывается в виде полинома второй степени У = ао + а1Х + а2Х2, то наилучшим линейнь~м приближе­ н ием, к ней является секушая Уа = а0 + (а1 + а~Хк)Х, (а6 = ао - О,125а2Х~, где: а6, ао, а1, а2, - коэффициенты выражений аппрокс имирующе й и аппроксимируемых фу н к­ ции; Хк - конечное зна ч ение диапазона преобразования вход­ ной вел ичины. П ри таком способе аппроксимации погреш- 26
- Хк Хк ность равна нулю в точках Х·.2 = 2 + 2 ,; 2 ,авовсемди- апазоне изменения Х (от О до Хк ) не превышает зна ч ения + O, l25a2X2к- П оследующее уменьшение остато ч ной погрешност и мо­ жет 'быт ь достигнуто структурными методами. Структурные методы линеари з ации ФП пр еобразо в ателей, сушность кото ­ рых з аключается в Применении - до полнител ьных коррект и ­ рующих устройств, соответствующим обра зом включенных в т ра кт преобра зо ва н ия, наибо.д.е~универсал ь ны , от носител ь ­ но просты в реализации и обеtПечивают высо!\:ую степень приближения р езультирующей функци и преобразования к т ребуе мой. Поскольку линеаризация статической Ф П связана, как правило, с формирова н ием в корректирующем устрой­ стве сиг н алов , функциона л ьно связанных с преобразуемой величиной, то простейшая структурная схема линеа р изован­ ного преобразователя им еет вид последовательно го или па­ раллеJ1ьного соединения основного (корректируемо го) и до ­ полнительного корректирующего преобразователей. Коррек ­ тирующих преобразов_ател ей може т быть несколько. Рис. 1.3. С тр уктурные схем ы ли неариз а цин стат ич еских характеристи к п реобразователе й f(XJ Ф1 {':J) Фп (Уn-1 ! -Gtf-~ кпп 1~·~ а f(X) х у АУ z 6 f(X) пп z ф(':J] 1 , КП1 : 1 1 1 1 ч ~: f---""J {j
При последовательном соединении основного первично го преобразователя ПП и корректирующих преобразователей КП 1 •• • КПп (рис. 1 . 3,а) к последним должны предъявлять ­ ся очень высокие требования по точнос т и. Выполнения эти х требований во многих случаях связано с бо-1ьшими труд­ ностями . Так, если функции преобразования основного преобразо ­ вателя квадратическая У= а1Х + щХ2, то обратная функция р - 1 (У) равна Х_ - а , + -.j~a~2 ,_+_4 _a_2У~ - 2а2 ' а функция п реобразования корректи·рую щего устройства ~ Ф(У)=2К(-,jai +4а2У - а,) = K,(...jЮ+У-К2), а, гдеК1= К/../а2иК2 = & - постоянные коэффициенты . 2-va • Из последней формулы путем дифференцирования Ф( У) по а 1 , а2 , У и с учетом K-const получаем приближенное вы ­ ражение относительной погрешности выходного си гнала б,~( а, - J_)ба2- 1 ба, + ...Jai + 4щУ 2К a ,...Jai + 4а2У + [2aY/(...jai+4a2Y (...jaf + 4а2У- а 1)]6У. Из анализа полученного выражения видно, что в резуль ­ тирующую погрешность скорректированного преобразова ­ теля входит погрешность из - за неточности задания и неста- . бильности коэ ффи ци ент ов а 1 и а2, предопределяющая погреш ­ ность корректирующего преобразовате.1я бкп и приведенную к выходу погрешность основного преобразователя бr, то есть бz=бкn+бz,гдеб~ =хбr, где х = 2a~[vf' ai + 4а2У ( ..У~а2~1_+_4_а_2_У - а1)). Ес.'ш У= а2Х2 (а 1 = О), то бz = 0,5 бУ. Таким образом, при последо ­ вательной схеме включения КП к последнему предъявляют ­ ся жесткие требования по точности, поскольку его погреш ­ ность полностью входит в резул ьтирующую . При параллельном соединении основного и корректирую­ щих преобразователей (рис . 1.3, 6) и применении в качест­ ве арифметического устройства (АУ) сумматора выходные сигналы всех преобразователей суммируются и 28
" п z=у+Lу,=F(X)+LФ,{Х), i=I i-=I (1.27) а функция преобразования корректирующих преобразова ­ телей п LФ,{Х)=КХ - F(X)= - [F(X) - К(Х)) = - Лн(Х), i=I ( 1.28) где Ли(Х) = F(X) - КХ - погрешность нелинейности функ- ции F(X). ,;.: ~· Линеаризацию характеристи~· преобразователей по схеме (рис. 1.3, б) обычно называют коррекцией погрешности от нелинейности. п Так как полный дифференциал функции Z =У+ L У; i=I п равен dZ = dY + L dY;, то относительное приращение вы ­ i=I ходного сигнала dZ=dY.Z+Лн(Х)+i dY, . ~- z у z 1=1у,z (1.29) Тогда су~марная относите.r~ьная погрешность скорректиро­ ванного преобразователя может быть записана следующим образом: п 6, = 6у+6н6у+ [ s161, i=I где бу - погрешность основного преобразователя ; (1.30) б; - погрешность i-го корректирующего преобразователя ; J: Ли(Х) " uи = КХ - относительная погрешность от не.11инеинос- ти функции F(X ); s; = ~ - коэффициент влияния i-го корректи­ рующего преобразователя. Из выражения ( 1.30} следует, что при коррекции погреш­ ности от нелинейности по схеме ( р11с . 1.3 . 6) корректирую­ щие преобразователи могут быть достаточно низкой точнос­ ти . Действительно, значения погрешностей корректирующих преобразовател ей в выражении для суммарной погрешнос­ ти входят с коэффициентами би и s;, значения которых зна ­ чительно меньше единицы . Коэффициенты 9 тем меньше, чем меньше степень нелинейности основного преобразова ­ теля и чем меньше значение выходного сигнала корректи- 29
р ующеrо преобразователя пu сгавнению с выходным си гна­ лом скорректи рованного преоб р азоЕател я . Разновидностей структурных схем ли н еаризации может быть мно го. В частности, это могут быт ь схемы (рис . 1.3, в ) , в которых входн ой вел ичиной корректирующих преобразо­ вателей является выходная величина основного преобразо­ вателя. Для устройства с одним корректирую щим преобразо­ вателем, включенным по схеме рис. 1.3, в, выходная величина Z равн а сумме Z= У+У1=F(X)+Ф(У). Ф ункция преобразовате л я Ф (У) корректирующе го преоб ­ разователя должна определяться как Ф(У) = - Лн(Х) = - Лн[F;:- 1 ( У)]. (1.31) "' Относительная погрешность в этом случае состоит из двух слагаемых dZУ dZ У1 б,=dYzбу+dY~•zбу1=~убу+~уД1, где бу. бу 1 - относительные погрешности основного и коррек­ "fирующего преобразова телей; dZУ dZ У1 ~У = (JY • z, ~у1 = llY." · 7- коэффициенты влияния соответствующих со ста вляющих на результирующую по­ греш н ость. При небольших нел инейностях осно вного преобразовате­ ля, когда ~У ~ 1, будем име ть б. = бу + ~у1бу1. П ри этом ~у1 значительно меньше единицы, поэтому влия ние погрешности корректир ующе го п реобразователя на зна че ние результирующей погрешности будет невелико. В связ и с этим к коррект ирующему преобра зо ва тел ю могут предъявл ят ь­ ся сравнительно невысокие требования по точности. Воз можны также схемы коррекции, в .которых на вход ко рректирующе го пр еобразо в ателя подается выход ной си г ­ нал с корректирован ного преобразователя. При ре али з ации та ких схем вы ходной си гн ал основного п реобр а зо вателя под ается на од и н из входов арифметического устройства, на другой вход которого пода етс я корректир ующ ий си гнал с выхода КП. Для таки х схем в основном справедливы все особенности схем рис. 1.3, 6 и 1.3, в в части влиян ия погреш­ ности КП на результирующую погрешность скоррект и рован ­ ного преобра зов ател я. В рассмотренных в ыше схемах коррекции нелинейности
выходные величины основного и корр ектирующе го преобра­ зова теле й суммировались . Та кую коррекцию называют адд и ­ тивной . В п а раметр ических преобразов ателя х, предназнач е нных для преобразова ния, зависящих от определенных физичес­ ких величи н, пар аметров электрически х цепей в электричес­ кий сигнал, можно линеаризовать фун кцию преобр азовате­ ля методом пара метрической корр екции . Сущность этого ме ­ тода закл ючается в следующем. Парамет р ический д атчик ПД вмес те с ли ней ной кор рект иfУу~ей цепью КЦ (рис. 1.4,а) образуют параметрический четырехполюсник . Коэф фициен т перед ачи тако го че ты рехполюсника по на пр яже нию или по току представляет собой дробно-рацион ал ьную функцию Ф(z) от информативного параметра датчика Z. Поэто му можно з аписать У = ЕоФ(Z), где Е0 - нап ряжение, приложе нное _ко входн ым зажимам четырех полюсника. Рис. 1.4. П араметрическ ая коррекция: а - параметрически й Ео четырехполюсн ик, б - измерительный преобразо вател ь с п араме трической корре кцией /·Щ а х пэ ':1 6 В свою очередь па ра метр Z является некоторой нел иней­ ной функцией измеряемой физической величины Х: Z = F(X). При ли неаризации функции преобразов ател я информ а ­ тивный пара метр выходного сигнш1 а У должен быть про­ порцион ален измеряемой величине У= kX. ( 1.32)
УСJJовие линеаризации удовлетворяется, если Ф(Z) = р- '(Z). В отличие от метода взаимнообратных преобразований при использовании метода параметрической коррекции нет необходимости в моделировании нелинейных функций. Ра­ венство ( 1.32) можно получить выбором коэффи циентов при параметре Z в коэффициенте преобразова ния измери­ тельного преобразователя . Одна из простей ш их схем п ри ­ ведена на рис. 1.4, 6 . Параметрический элемент ПЭ пред ­ ставляет собой операционный усилитель, в цепь обратной связи или на вход которо го включается импеданс Z(X). Такая корректирующая цепь идеально линеаризует ФП , если зависимость F(X) представляет собой дробно - раци- ональную функ цию · F(X) =Со+ С,Х I +ах· где Со, С1, а - некоторые постоян\1ые. Используя более сложные КЦ можно линеаризовать ФП с существенной нелинейностью . Параметрическая коррекция достаточно универсальна, но она может испос1ьзоваться только для линеаризации ФП параметрических датчиков. Корректирующие цепи, испоJiь ­ зующие параметрическую линеаризацию, позволяют одно ­ временно без существенного усложнения схемы осущест­ влять температурную стабилизацию ФП . Коррекция динамических характеристик. Коррекция ди ­ намических характеристик ИП сводится к коррекции пере ­ даточной функции Wд(s) с помощью дополнительного кор­ ректирующего звена, передаточная функция W.(s) которого определяется, исходя из требуемой или номинаJlЬной Wном (s) функции преобразования . При коррекции динамических характеристик первичных ИП обычно используется схема последовательного включе ­ ния корректируемого и корректирующего преобразователей . Выражение для передаточной функции КП можно определить в этом случае из условия [1 . 14] Wном(s) = Wд(s) • W.(s). Очевидно, что W()=Wном(s) "s Wд(s) . Идеально скорректированный по динамической характе ­ ристике ИП должен иметь постоянную передаточную функ ­ цию ( Wно м(s) = Ко). Это условие выполняется в CJJyчae, ког-
да КП и меет передаточную функцию , обратную передаточной функции корректируемого ИП : W.(s) = Ko/ Wд(s). (1 .33) Уравнение предст авляет собой усл овие и де ально й кор рек ­ ции , ,физическая сущност ь которой может быт ь объясне на, если перей ти от передаточной функции к комплексному коэф­ фициенту преобразования и амп л итудно - фазочастотным ха ­ рактеристикам W.(jы) = 1W.(jы)l'iФk(ro~=ilt:*I W~~ы)I ei~д<ro > (1 .34) При преобразовании физических величи н первичными преобразователями чаще все го информативным п араметром является амплитуда выходного сигнала, поэтому интерес представляет ам пл итудно -ча стотная характер и сти ка преоб ­ разователя . Идеал ьная коррекция в этом случ а е может быть осуществле н а при усл ов ии , когд а п роизведение а м плитуд­ но-частотных характ еристик корректируемого и коррект иру­ ющего преобразовател ей будет равно постоянной величине К. Рис. 1.5. К коррекции •динамических характеристик I Wн ljwJI 1 • На рис. 1.5 приведены амп.1итудно-частотные характерис- тики 1Wд(jw)I корректируемого и 1Wк(iw)I корректирующе ­ го преобразователей . Как видно из приведенного графика, корректирующий преобразователь должен ослаблять как раз те спектральные составляющие, которые выделяет коррек­ тируемый , на пример вследствие резонанс ных явлений , и уси­ лить те спектральные составл яющие, которые осл абляют­ ся корректируемым преобразователем . Реал ьный преобр а зо ­ ватель в силу присущей ему инерционности не в состоянии преобразоват ь си гналы очень высоких частот . Это следует также и из передаточн ой функции, для которой lim W(s)-+O, выпо л няется, если степень полинома в числителе т меньше степени полиноl\1а в знаменателе п . 3 831·0 33
Теоретически (если преобразователь реализован на иде ­ альных элементах) может выполняться усJiовие т = п, тогда lim W(s)-+C, С< оо s~oo Однако, поскольку идеальных элементов не су ществует, а ре­ альные элементы обладают паразитными параметрами, то практически всегда выполняе тся неравенство m<n. Следовательно, для коррекции динамических характер ис­ тик преобразователя, передаточная функция которого удов­ летворяет условию т < п, необходимо корректирующее зве ­ но, для которого К· l~m[W.(s) = Wц(s) is-+~, Сrто физически не осуществимо , поэтому в качестве реально­ го корректирующе го звена необходимо использова ть такую электрическую цепь, корректирующее действие которо й м ак­ симально удовлетворяет условию коррекции . Рекомендуется [ 1. 14 ] в качестве реального корректирующего звена пр им е­ нять устройство, передаточная функuия которого имеет вид . . 1 1 Wк1(s)=Wд(s) • (I+T.s)<" т+11 • Корректирующее звеI:Iо, выполненное на идеальных эле ­ ментах, должно обл адать следующей передато чн ой функци­ ей: к l W.i(s) = Wц(s). (1 + T.s) п-т ' где Тк - постоянная времени скорректирова н ного преобразо­ вателя. При Тс~О переда точная функция Wк1(s) в заданном час­ тотном диа п азоне сколь угодно точно переходит в Wк(s) . Та ­ ким образом, в заданном частотном диапазо не теорети чески возможно полная коррекция динамических характеристик первичн ых преобразователей. Однако постоянно присущ ие помехи, утечки, неизбежный шум элементов корректирующе­ го зве н а огранич ив ают частотный диапазон, в котором реаль­ но осуществима коррекция дина мических характеристик. 1.5 . КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВА ТЕЛЕ Я ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН. ОСН ОВНЫЕ КЛАСС И ФИКАЦИОННЫ Е ПРИЗН~КИ В настоящее время существует множество разнообраз ­ ных по принципу действия и по назначению ИП различных 34
физических величин. С развитием науки и техники ИП совер­ шенствуются, возникают новые · виды ИП . Изучение всего разнообразия ИП невозможно без систематиза ции их свой ­ ств, без классифика ци и. Для классификации ИП необходимо в первую очередь установить целесообразные классификационные признаки . Эти признаки должны быть достаточно общими, чтобы уч и­ тывать требования как специалистов, работающих в области исследования и проектирования преобразовател ей , так и те х , кто занимается вопросами их прi~~нения . Одним из классификационных признаков измерительных преобразователей для потребителя является вид входной и вьiходной величин. Для конструкторов и технол огов целесообразнее класси ­ фицировать ИП по прин ци пу их действия . В качестве классифика цио нных признаков можно принят ь также вид ФП, который определя ется назна чением преобра ­ зователя, структурную схему ИП или ero место в струю;ур ­ ной схеме средства измерений, энергетические свойства в ы ­ ходного параметра и т. п. Использовав те или иные классифи­ кационные признаки, можно привести ряд классификаций , каждая из которых по своему отражает основные свойства преобразователей и имеет свои как положител ьные стороны, так и недостатки. Классификация . В зависимости от рода входной и выход ­ ной величин различают: преобразова тел и электрических величин в электрические . Входными и выходными величинами таких преобразователей являются электрические величины. Это - преоб ра зователи размера электрической велич и ны (измерительные трансфор­ маторы, измерительные дел ители тока и напряжения), а так­ же преобразователи вида электрической величины (шунты, добавочные сопротивления); преобразователи неэлектрических вел и ч ин в неэлектри­ ческие. Это также могут быть преобразова тели размера той или иной неэлектри че ской вел ичины (рычаги , редукторы) или преобразователи вида входной величины , например ко нсоли, мембраны, пружины и други е упругие механические преобра­ зователи. Последние получили широкое распространение в качестве первичных преобразовател ей элементов да тчиков давления, вибраций, ускоре ний; преобразователи электрических величин в неэлектричес ­ кие . Основную группу эти х преобразователей составляют из­ мерительные механизмы электр иче ских п риборов непосредст­ венного преобразования, в котор ых входн ая электрическая величина пр еобр азуется в перемещение указателя . Вторую 3* 35
большую группу составляют, так называемые обратные ИП (преобразовательные элементы), которые являются состав ­ ной частью сложных ИП уравновешивающего преобразова­ ния и находятся в цепях обратной связи; преобразовател и неэ.1ектрических ве.1ичин в э.1ектричес­ кие представляют собой наиболее многочисленную и разно­ образную группу ИП . Это объясняется, с одной стороны, мно­ гочисленностью самих неэлектри ческих величин и, с дру гой стороны, преимуществами электрических методов измерений и, соответственно, целесообразностью преобразования не­ электрических величин именно в электрические . Выходным сигналом ИП может быть энергетический про­ цесс либо определенное свойство вещества . Соответственно различают генераторные и параметрические преобразовате­ л и. К генераторным относя тся преобр~зователи, которые под " действием входных преобразуемых си гналов могут выраба - тывать энергию, т . е . являются источниками э. д . с., тока , механической си.1ы, дав.1ения и т . п . Параметрическими яв­ ляются те преобразователи, в которых изменение входного сигнала приводит к изменению их определенных парамет­ ров - сопротив.1ения, емкости, индуктивности, упругости и • др . Для получения выходного энергетического сигнала в этих случаях требуются дополнительные источники энергии . В зависимости от места ИП в структурной схеме средства измерения различают первичные, которые являются первы ­ ми в цепи последовате.т~ьно соединенных преобразователей , и промежуточные, занимающие в измерительной цепи место после первичного . _ Изучение свойств преобразователей по физическим явле­ ниям и эффектам, положенным в основу их работы, позволя­ ет наиболее полно уяснить общие свойства той и,1и иной груп ­ пы преобразователей, найти общий подход к вопросу схемно ­ го и конструктивного решения uелого ряда задач, связанных с их расчетом, конструированием и применением . Уч итывая преимущество электрических методов измерения физических величин, здесь рассмотрим в основном преобразовател и с электрическим выходным сигналом . Таким образом, наиболее распр~"траненные в измер и­ тельной техн ике преобразователи с У' ' ~ м их физи ч еских за­ кономерностей, положенных в основу ·-~~ нцип а дейстЕ ;' 11, мо - гут быть разделены на : "'·" l.Резистивныепреобразователи.Резистив­ ными называют преобразователи, в которых переносчико м измерительной информации является электрическое со про ­ тивление . Резистивные преобразователи составляют две боль­ ш и е группы : электрические и механоэлектрические . В основу 36
принципа преобразования электрических резистивных преоб ­ разоватеJ1ей (шунтов, добавочных резисторов, резистивных делителей и т . п . ) положена зави_симость между напряже ­ нием, током и электрическим сопротивлением, определяемая законом Ома. и зависимость э.r~ектрического сопротивления проводника от его длины, удельного сопротив.r~ения . Прин­ цип работы механоэлектрических резистивных преобразова­ телей (например, реостатных) основан на изменении электри­ ческого сопротивления под действием входной преобразуемой механической величины . К реЗ,14С:НIВНЫМ преобразователям часто относят и тензорезисторы, сПринцип действия которых основан на изменении электрического сопротивления раз­ личных материалов под действием механической деформа­ ции . В качестве материалов таких преобразователей исполь­ зуются проводники с проволочными и фольговыми чувстви­ тельными элементами или полупроводники . В последнее вре ­ мя для построения тензопреобразователей стали применять эффекты изменения характеристик р-п переходов под дав­ лением механического воздействия (тензодиоды и тензотран­ зисторы) . 2.Термопреобразователи.Средиэтогокласса преобразователей наиболее распространение получили термоэлектрические преобразователи температуры из про _­ водниковых материалов (металлов и их сплавов), причем в принципе действия генераторных термоэлектрических преоб­ разователей положены явления термоэлектричества. Также применяются полупроводниковые термопреобразователи и преобразователи, принцип действия которых заключается в изменении свойств р-п перехода при изменении темпера ­ туры . 3.Фотоэлектрическиепреобразователи. В основу принципа действия оптических преобразователей положено преобразование потока оптического из.1учения. Фо­ тоэ.1ектрические преобразователи в зависимости от характе­ ра получения и преобразования информации могут состоять из приемника излучения, либо приемника, и источника излу­ чения, либо приемника, источника и оптического канала . Функциональные возможности фотоэлектрических преобра ­ зователей и область их применения значительно расшири­ лись в связи с достижениями оптоэлектронной техники, соз­ данием оптических квантовых генераторов, светодиодов и др. 4. Электростатические преобразовате­ л и . К электростатическим относятся преобразователи, пе­ реносчиком измерительной информации в которых является электрический заряд . Различают две основные группы элек- 37
тростатических преобразоватеJ1ей : емкостные, прин цип действия которых основан на взаимодействии двух заряжен­ ных тел, и пьезоэлектрические, возникновение электр ич ес­ кого заряда в которых является следствием действия на преобразователь механических, тепловых и других факторов . 5. Гальваномагнитные измерительные преобразователи. Принципработыэтихпреобразо­ ватеJ1ей основан на использовании гальваномагнит ных эф­ фектов, сущность которых заключается в изменении элект ри­ ческих параметров преобразователей под воздействием пре­ образуемого магнитного по.11я, в частности, в изменении эл ек­ трического сопротивления (эффект Гаусса) или появлении э . ·д . с. (эффект Холла). Основными разновидностями галь ­ ваномагнитных преобразователей являются соответственно преобразователи Холла и магниторезисторные преобразова- "тели. 6.Электромагнитные преобразователи. Они составляют очень большую и разнообразную по прин­ ципу действия и по назначению группу преобразователей, · объединенных общностью теории, принципа преобразования, осноnанного на использовании ЭJ1ектромагнитных явлений . •Это масштабные электромагнитные преобразователи (изме­ рительные трансформаторы, индуктивные делители напря ­ жения и тока), индуктивные трансформаторные и авто ­ трансформаторные преобразователи неэлектрических вели­ чин, а также индуктивные и индукционные преобразова­ тели . Преобразователи последнего класса широко описаны в литературе [1 .1". 1.5] и в настоящем справочнике не рас­ сматриваются. Список литературы к главе 1: · 1.1. Аrейкнн Д. И., Костнна Е.Н., Кузнецов Н. Н.Датчики контроля н регулирования. - М .: Машиностроение, 1965. - 6 2 8 с. 1.2. О с и по в и ч А. А. Датчики физических величин.- М.: Машинострое­ ние, 1979 .- 159 с. 1. 3 . Проектирование датчиков для измерения механических величин/Под ред. Е . П. Осадчего . - М .: Машиностроение, 1979 .- 480 с. 1.4 . Электрические измерения незлектрических ве.'lичнн / Под ред . П . В . Но ­ вицкого .- Л. : Энергия, 1975. - 57 6 с . 1.5 . Полищук Е. С. Измерительные преобразователи . - l(иев : Вища шк ., 1981.- 296 с. 1. 6 . Электрические измерительные преобразователи / Под ред . Р . Р . Хар ­ ченко.- М.; Л.: Энергия, 1967.- 408 с. 1. 7 . Но в и цк и й П. В. Основы информационной теории измеритель­ ных устройств.- Л . : Энергия, 1968 .- 248с..
1. 8 . Е.nектричнi вимiрювання електричних та неелектричних величин/ За ред. € . С. По.niщука.- К: Вища шк., 1978. - 352 с. 1.9. Образ о в с ь кий С . С. Елементи тeopii многочленных похибок засобiв вимiрювань . - Львiв; 1981 . - .89 с. 1.1О. О р н ат с к и й П . П. Теоретические основы информационно-изме­ рительной техники.- Киев; Выща шк., 1982.- 455 с. 1. 11 . ttзмерения в промышленности: Справочник / .Под ред. П. Профо· са .- М.: Металлургия, 1980.- 6 48 с. 1. 12 . Туз Ю. М . Структурные методы повышения точности измерител ь­ ных устройств.- Киев: Выща шк., 1976.- 256 с. 1. 13 . В о лги и Л . И. Линейные злектрические преобразователи для измерите.nьных приборов и систем .- М.: Сов. радио, 197 1. - 336 с. 1. 14 . Краус М . , Вошни Э. ИзмерИТtt4ные информационные системы. - М.: Мир, 1975.- 310 с. Глава 2 РЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ 2. 1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ ) Первичным измерительным преобразователем резистив- ного датчика является резистор, выполненный из проводяще­ го материала, например - из металла или металлических сплавов . Измеряемая физическая величина, воздействуя на резистор, обуславливает изменение его сопротивления, при­ ращение которого может служить информативным парамет­ ром электрической цепи, зависящим от воздействия . Наибо ­ лее простыми по принципу действия ЯВJ1яются контактные пре­ образователи, служащие для преобразования дискретных значений !\1еханическо го перемещения в сопротивление . Та­ кие преобразователи изготавливаются для выполнения узко - ! ~пецифических измерительных задач и не н аходят широкого ~ рименения . Более совершенными преобразователями механического перемещения в сопротивление являю тся реостатные датчи­ ки. В этом случ ае под воздействием измеряемой величины передвигается движок реостата. При этом сопротивление участка реостата между подвижным и н еподвижным контак­ тами меняется . Реостаты выпол няются из металл ической проволоки, которая наматывается на диэлектрический кар ­ кас. Необходимый закон изменения сопротивления при пере­ мещении движка может быть установлен выбором формы каркаса . 39
Г К резистивным преобразователям относятся также и про­ волочные тензорезисторы и терморезисторы. Они выпускают­ ся в широких масштабах и довольно часто используются в измерительных системах. Для их изготовления применяют металлические проводниковые материалы: проволоку, фоль- / гу, металлические пленки, наносимые методом напыления LJi т. п. К основным свойствам металлических материалов, приме­ няемых для резистивных датчиков, относятся : а) удельная проводимость или удельное сопротивление . На практике удельное сопротивление р принято измерять в единицах с разме~ностью Ом · мм2 / м. Одна такая единица соответствует io- единиц СИ ( 1 Ом· м); б) температурный коэффициент удельного сопротивления. Для тензорезисторов подбираются материалы с низким или близким нулю температурным коэффи циентом. Для термо­ резисторов температурный коэффициент определяет чувстви­ тельность первичного преобразователя, поэтому его значение должно быть достаточно большим; в) удельная теплопроводность. В некоторой мере от этого свойства материала зависит возможность рассеяния тепла -12.езистором и инерционность терморезисторов. ~ · Для резистивных датчиков используется металлическая проволока диаметром не менее 40 мкм . БоJ1ее тонкая прово­ лока механически непрочная . Сопротивление металлической проволоки определяется известной формулой R = pl/S, где l - длина проволоки; ~ s - площадь поперечного сечениu Хорошими параметрами обладают резистивные датчики, изготавливаемые по технологии микроэлектроники . Тонко ­ пленочные металлические резисторы уже при комнатной тем­ пературе имеют сопротивление порядка нескольких килоом и обладают высокой стабильностью . Это позволяет успешно конкурировать им с полупроводниковыми преобразователя­ ми. 2.2 . ПРОВОЛОЧНЫЕ ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ Тензоэффект, который лежит в основе работы тензоре­ зисторов, заключается в изменении сопротивления резистора (проволоки) под действием внешней деформирующей силы . Деформация объекта, на котором укреплен тензорезистор, 40
вызывает деформацию проволоки тензорезистора, в резуль ­ тате чего изменяется его длина, поперечное сечение, что в конечном счете приводит к изменению электрического сопро ­ тив"'lения проволоки тензорезистора [2 . 1 . . . 2 .3] . Относительное изменение сопротивления тензорезистора, обусловленное деформацией геометрических размеров прово ­ локи, определяется отношением дR'/R= .c:,.l(I +2μ)//, где д l - изменение длины про!?оi@ки под действием дефор­ мации; дR' - изменение сопротивления тензорезистора под действием деформации; μ - коэффициент Пуассона. В результате экспериментальных исследований установ­ лено, что деформация материала проволоки сказывается так­ же и на его физических свойствах, в частности на уде"1ьном сопротив.'lении . В связи с этим "'lевая часть приведенного ра ­ венства дополняется членом дR" др /Г=-р- учитывающим относительное приращение удельного сопро­ тивления др, который необходимо учитывать в процессе из­ мерения д l/l, поскольку дополнительное изменение сопро­ тивления д R' обуславливает методическую погрешность . Основными характеристиками тензорезистора (в соответ­ ствии с ГОСТ 21 616-76) являются его активное сопротив­ ление R. база L и коэффициент тензочувствительности К, который определяется выражением [2.1] : К=дR/R=1+2 + др/р дl/l μ Д///' (2.1) гдедR=дR'+дR" - полное изменение сопротивления проволоки в результате деформации . Коэффициент тензочувствительности зависит от техноло ­ гии изготовления тензорезистора, применяемого материала, качества подложки (основы) и клея . ' Конструкция проволочного тензорезистора приведена на рис . 2.1 J Тензочувствительным элементом является проволо ­ ка з.Jm'аметр которой выбирают в .пределах 0,02-0,05 мм . Проволока наклеивается на полоску основы 2, образуя при этом так .называемую решетку. К концам проволоки 3 припаи­ ваются и.1и привариваются выводные проводники /, матери­ а.ТJом д.1я которого чаще всего служит медь. Сверху провОJlО­ ка также покрывается тонкой бумагой или слоем лака 4. Что­ бы преобразователь воспринимал деформацию, его наклеи- "
Рис. 2.1. Конструкция проволочного тензорезистора вают на исследуемый объект . Следовател ь но , входная вели- "' чина тензопреобразова теля представЛяет собой деформацию поверхностного слоя объекта, на котор ы й он наклеен, а вы­ ходная - изменение сопротивления, которое пропор ц ионал ь ­ но измеряемой деформации . Для изготовления проволочных тензорезисторов испол ь ­ зуются материалы, имеющие большое значение коэффи ци - • ента тензочувствительности и малое значение температур ­ ного коэффициента сопротивлен_ия. Основные параметры та­ ких материалов приведены в табл . 2. 1. [2 .2] . Основным критерием оценки пригодности матери ала про ­ волоки. для тензорезисторов является зявисимость относи­ тельного изменения сопротивления от изменения относитель ­ ной деформации самой проволоки в областях упругой и плас ­ тической деформации . В результате экспериментальных ис ­ следований установлено, что константан является единствен ­ ным материалом, который имеет одинаковую зависимость для обеих областей деформации . Поэтому наиболее часто для изготовления тензорезисторов применяется константановая проволока , реже проВОJlока из элинвара и нихрома . Основа, на которой наклеена проволока тензорезистора и которая крепится к поверхности исследуемого объекта, долж ­ на удовлетворять нескольким требованиям. Ее толщина должна быть очень ма.11ой, чтобы прово.;1очная ре шетка те н­ зорезистора располагалась близко к поверхности исследуе ­ мого объекта. При этом основа должна гарантировать на­ дежность изоляции решетки тензорезистора от носител ьно поверхности исследуемого объекта. В качестве основы при ­ меняют бумагу или пленку . Для пленочной основы использу ­ ется бакелитовый лак, клей БФ - 2 и специальные композиции . Основа, также как и проклеивание для закрепления про ­ волоки, должна обеспечить датчику максимальную гибкость , позволяющую ему полностью следовать за деформациями 42
[ Таблица 2.1 Параметры материалов терморезисторов Температур- Температур - Коэффици - ный коэф- ныА коэф - Термо- Матер и ал ент тенэо - фициент со- фиuиент ли- з.д.с.с чувстви - противлен.ия нейног.о рас- медью. тельности ,0С _!_ . 10-• ширения мк В/0С 'С 1.10-•1°с Константан 1.7 ". 2,1 ±50 14". 15 - 40 Нихром 2,1 ". 2,3 150 14 +22 Никель 12 в~ 12 - 22,6 Манганин 0,47 ". 0,5 ± 10 16 ". 18. -2 Элннвар 3,2 ". 3,5 300 13". 14 20 100 ". 500 Хромель 2,5 14,8 +16 объе~~ачале для проклейки применялись клеи на осно­ ве целлюлозы, так как ее структура обеспечивает сильное сцепление проволоки и пренебрежимо малую ползучесть. Поv1зучесть искажает зависимость между деформацией и из­ менением сопротивления преобразователя. В настоящее вре­ мя широко применяются полимеризующие клеи . При исполь­ зовании бумаги в качестве основы в процессе наклеивания проволоки последняя вдавливается в размягченную бумажную основу и может легко ее разорвать, что иногда приводит к замыканию решетки тензорезистора и детали. Наличие ос­ новы и клея, кроме ползучести, вызывает и гистерезис зави­ симости относительного изменения сопротивления от агноси­ тельной деформации . Отсюда вытекает требование упругости основы, благодаря которой после снятия нагрузки основа принимает исходные положение и размеры. Возвращение в исходное состояние должно происходить без запаздывания во времени. И, наконец, бумажная основа должна быть порис- . той с тем, чтобы растворитель клея имел возможность испа ­ риться . Клей, с помощью которого тензорезистор приклеивается к детали. является наиболее ответственным компонентом пре­ образователя . Он должен обладать хорошей адгезией к раз­ личным· материалам и выдерживать без размягчения как можно большую температуру , при этом его ползучесть при длительном нагружении должна бытЬ пренебрежимо мала . Клей должен быть устойчивым к воздействию воды и масел. Кроме того, он должен в точности повторять деформацию по­ верхности испытуемой детали, в том числе при изменении деформации во времени . Первое свойство предопределяет точность преобразования напряжения в материале в сопро­ тивления, второе - ограничивает верхнюю предельную час­ тоту, которую еще можно преобразовывать посредством 43
тензорезистора динамических (изменяющихся времени) на ­ пряжений . Клеи, которые в настоящее время чаще всего применяют­ ся для обычных измерений, в большинстве своем гигроско­ пичны . Однако это свойство не в.1ияет на рабочие качества тензорезисторов, поскольку при помощи соответствующего покрытия после наклейки тензорезистор становится нечув­ ствительным к воздействиям влаги окружающей среды . Од­ нако эти клеи не выдерживают повышенных температур . В зависимости от типа применяемых тензорезисторов , ма­ териаJ1а исследуемой конструкции и условий испытания при­ меняют те или иные сорта клеев. Так, для тензорезисторов, используемых для измерения динамических процессов, су­ ществует быстрый способ приклейки с помощью нитроклея, составленного из нитроцеллюлозы и ацетона . Для измерения QТатических процессов этот к.пей применять не следует, так как он обладает очень большой ползучестью. Для наклейки тензорезисторов на пленочной ·основе лучше всего применять лаки и клеи, которые использованы при из­ готовлении основы . Резисторы, размещенные на пленке из клея БФ, работоспособны при температурах от минус 40 до плюс 70 ° С, а из бакелитового лака - до 200 ° С. Для на­ клейки тензорезисторов, · работающих в нормальных и повы­ шенных температурных условиях, в основном применяются ацетатно-целлюлозные, бакелитофенольные кдеи, лаки на ос­ нове органических смол, кремненитроглифталевые клеи, эпо­ ксидные композиции и т . п. [2 .2, 2 .4) . Для работы в услови­ ях высоких температур (до 700 ". 800 ° С) применяются крем­ ний-органические цементы и специальные цементы типа Ц- 165-32 . Перспективными для тензометрической техники явля­ юся цианокри.1атный клей (циакрин) и винифлексовый "1ак ВЛ-931. Циакрин целесообразнее всего применять при изме­ рении динамических процессов . В условиях нормальных температур целесообразно при­ менять клей Котинского, представляющий собой термоплас­ тичный материал . При температуре порядка 140 ° С клей Котинского размягчается, что позволяет отклеивать тензоре­ зистор при нагреве испытуемой детали с целью многократ­ ного использования и индивидуальной градуировки тензо­ преобразователей . Все выпускаемые проволочные тензорезисторы в соответ­ ствии с размера:\1и базы можно условно разде.1ить на три группы: l . Малобазные тензорезисторы, база которых L (см . рис . 2.1) не превышает 7 мм; 44
2 . Среднебазные тензорезисторы , база которых лежит в пределах 7 ... 20 мм ; 3 . Большебазные тензорезисто р ы с базой L> 20 мм. Номинальная база тензорезисторов выбирае тся из ряда : 0,25; 0,5; 1,0 ; 2,0; 3,0; 5,0; 7,0; 10,0; 15,0; 20,0; 50,0; 100,0 и 200,0 мм, который регламентирован ГОСТ 21616-76. Откло ­ нение от номина.1ьного значения не до.1жно превышать +20 % д.пябаздо5мми±10%длябазболее5мм.Длинавыво­ дов для разных тензо р езисторов составляет примерно 10- ... 80 мм. ~=- ,,.-j· Активное сопротивление пр·оволочных тензорезисторов должно быть равным одному из значений ряда: 50 ; 100; 200; 400; 800 Ом по ГОСТ 21615- 76. Коэффициент тензочувстви­ теJiьности серийно выпускаемых проволочных тензорезисто­ ров, изготовленных из конст антановой проволоки, составля ­ ет 2,1 + 0,2 (табл. 2.2) . Отклонение активного сопротивле­ ния внутри серии, как правило, не превышает + 0,5 % от номинала, а отклонение коэффициента тензочувствительнос ­ ти + 2 %. Номинальный рабочий ток При наклейке на метал­ .IJические детаJIИ состав.1яет 30 мА, а максимаJiьные допусти­ мые относительные деформации не превышаю т 0,003 . ТабАица 2.2 Характеристики константановых тензорезисторов Норма л ьное Размеры, мм Обозначение База . L. соnротив- теизорезис т ора мм ление. Ом А с Бумажная основа 2ПКБ -5-50 А(Б,В) 5 50 17 8 2ПКБ -5-100 А(Б , В) 5 100 17 8 2ПКБ-10-100 А(Б, В) 10 100 22 10 2ПКБ-10-200 А(Б , В) 10 200 22 10 2ПКБ-20- 100 А(Б, В) 20 100 32 9,1 2ПКБ-20-200 А(Б , В) 20 200 9,1 2ПКБ-50-200 А(Б, В) 50 200 62 9,1 2ПКБ-50-400 А(Б, В) 50 400 62 10 2ПКБ-100- 800 А(Б, В) 100 800 12 12 Пленочная основа 2ПКП-5-50 А(Б, В) 5 50 17 8 2ПКП -5-100 А(Б,В) 5 100 17 8 2ПКП - 10· 100 А(Б,В) 10 100 22 10 2ПКП - 10 - 200 А(Б,В) 10 200 22 10 2ПКП-15 - 100 А(Б , В) 15 100 27 10 2ПКП - 15-200 А(Б,В) 15 200 27 10 2ПКП-20-100 А(Б,В) 20 100 32 9,1 2ПКП -20-200 А(Б,В) 20 200 32 9,1 2ПКП-50-200 А(Б,В) 50 200 62 9,1 2ПКП-50-400 А(Б , В) 50 400 62 10 45
Необходимо отметить . что значение сопротивJiения тензо­ резистора не влияет на его чуветвительность . Последн яя за ­ висит от напряжен и я питания (например, ·тензо м оста) и чувствительности тензорезистора к деформ аu ии. Однако в случае применения тензорезисторов с большим сопротивле­ ние м имеем большое в ы ходное на п ряжение, а тем самым и боль ш ую чувств ительность схемы . Большебазные тензоре ­ зисторы имеют бо л ьшое ном и нал ьное сопрот ивление , а это обеспечивает меньшую чувствительность к неравномерно му р аспределению напряжений на поверхнос т и детали, которое возникает из-за на л ичия трещи н на пове р хност и. Тензорезисторы с большой базой и м еют боль шую отн о ­ сите·льную длину, а поскольку р езультирующее и зменен ие е го сопротивления о п реде.11яется с редн и м зн а чение м сопротивле­ ния всех проволочек, точность бол ее дл й нного тензорези сто ­ ра все гд а выше . К сказанному следует добавить, что боль ­ ш ебазные тензорезистор ы имеют мень ш ую поперечную чув ­ ствительность . Это относится к те н зорезисторам петл евой конструкuии (ри с. 2. 1) . Тензорезисторы с небольшим сопротивлен ием ( 100 О м) обычно имеют большой допустимый ток, который з н ачител ь ­ н@ нагружае т вы~одной каскад исто ч ника тока. Нап р яже ­ н ия питания тензомоста, выполненного из тензо р ез и сто р ов с малым сопротивлением , не превышает 8 В. Для всех тензорезисторов , выпускаемых сер и й но пр о­ мышленностью , усЛ овные обозначения устанавливаются в со ­ ответствии с ГОСТ 21 616- 76 . Первая буква (П ) указы­ вает , что решетка выполнена из проволоки ; вт орая - м а ­ териа л тензорешетки (К - констан т ан); третья буква - основа (Б - бумажная , П - пленочная); далее при водят­ ся номинальная база тензорезистора в милли метрах; номи­ нальное сопротивление в омах; группа качества: А, Б, В; температурный коэффиuиент линейного расширения мате­ риала, умножен ный на 10- 6 . При установке чувствитель­ ного элемента на такой же материал тензорезистор стано­ вится термокомпенсированным. Для нетермокомпенсирован­ ных тензорезисторов эта позиuия не заполняется. Группы качества устанавливаются в зависимости от зна­ чений нормируемых параметров метрологических характери­ стик и пок азателей наде жн ост и. Вероятность безотказной работы тензорезисторов для заданной наработки не ниже 0,9. Чувствительность проволочных тензорезисторов несколь­ ко отличается от чувствительности проволоки, из которой изготовлена решетка. Это связано с тем, что при изготовле­ нии петлевых решеток в местах закругления (см. рис. 2.1) образуются участки, которые не восприни мают деформаuии 46
вдоль оси базы . Это обс тоятельство обусловливает умен ь­ шение точност и измерен и й и чувствительности тенз ор ез и сто ­ ров. Умен ьш ен ие относитель но й чувствител ьности у мало­ базных пет л евых проволочных тензорезисторов до сти г ает 25 .. . 30 %? Вместе с тем повышается чувствительн ость к нор ­ мальнь1м составляющим измеряемой нагрузки и з-з а н алич ия участков в петле перпендикулярных к базе . Это - основной недостаток петлевых тензорезисторов . Дальнейшим разв итием проволочных тензорез исторов являются фольгов ые тензорезис~;Рl?Jf· Он и отлич аю тся от про 0 волочных лишь тем , ч то вместо проволоки к основе пр икле­ ивают фольгу, которой путем трав л е ния придаю т тр ебуемую форму. Обладая все м и достоинства ми проволочных тен зо­ резисторов фоль говые тензорез ис торы им еют , по срав н ению с ними, ряд дополнительных пр еи му ществ . Благодаря боль­ шей пло щади сопри ка са н ия фольгово го тензорез истора с объектом измерения , его теплоотдача значительно в ыше, чем у проволочного, что позволяет увеличить ток, протека­ ющий через тензорезистор (до 200 м А ) ~ и тем са мым повы­ сить чувств ительнос ть тензорезистора. Д ругим достоин ств ом фольговых тензорезисторов является то, что благодаря ши­ роким перемычкам между полосками тензор еш етки, у них практическ и сводится к м и н имуму попе р еч ная чувствитель­ ность к деформаци и . Важным достоин ст вом фольговых те н - зорезисторов являе тся лучшая восприимчивость деформа­ ции объекта , вследствие боль шего периметра сечени я плоской чувсrви тельной полосы к площади ее сечения по сра вн е нию с проволочн ыми тен зорез истор ами. Это позволяет обе с пе ­ чить большую точнос ть из м ерен и я деформаци й. В на стоя щее время больши нст во фольговых тензорезисторов изготовля­ ется из константановой фольги толщиной 4- 15 м км мето ­ дом фототравления. Получ ил ра спространение также и метод из готовления фольговых тензорезисторов из прокатан ных металличес ких полос путем штамповки. При этом лист металл а или сплава на клеив ается н а лист бумаги . Пос л е склейки получаемый ли~т штампуется, обра зуя решетку тензорезистора с подлож ­ кои. Несомненным преимуществом фольговых тензорезисто­ ров явл яется возможность изготовления решеток любого ри ­ су~ка, наиболее полно удовлетв о ряю щих условиям измере­ нии. Так, прямоугол ьные тензорешетки наиболее удобны при изм_ерении деформ ац ий, розеточные подход ят для измерения крутящ и х мо ментов на круглых валах, а мембранные - для наклейк и на ме мбраны . В табл. 2.3 . приведены основные п а раметры некоторых фольговых тензорезисторов, выпускаемых промышленностью. 47
Для фольговых тензорезисторов приняты следующие обо ­ значения : Ф - фольговый; К - константан; конструкция решетки прямая - П; (розеточная - Р; мембранная - М); конструктивные особенности (подти п ); за тем указывается номина.1ьная база тензорезистора, номинаJ1ьное сопротив­ ление, группа качества и коэффициент л инейно го расш и­ рения материа.па . Таблица 2.3 Параметры фольговых тензорезисторов База (дна· Номниаль- Размеры, мм Тип тензорезистора метр) L . ное сопротив мм ление, Ом А с 1 2 3 4 5 - 2ФКПА-1 - 50 А(Б,В ) 1 50 7 5 2ФКПА-3 - 100 А(Б,В) 3 100 9 6 2ФКПА-5- 100 А(Б,В) 5 100 11 9,5 2ФКПА-5- 200 А(Б,В) 5 200 - 6 2ФКПА-10- 100 А(Б,В) 10 100 20 13 i?ФКПА-20-100 А(Б , В) 20 100 30 9 2ФКПА-20-200 А(Б,В) 20 200 30 15 2ФКПД - 5-50 А(Б,В) 5 50 - 24 2ФКПД- 5 -100 А(Б,В) 5 100 - 37 КФАПI - 0,5-100 А(Б,В) 0,5 100 5 3,2 КФ4ПI- 0,5-200 А(Б,В) 0,5 200 5 3,2 КФ5ПI- 1 -200 А(Б,В) 1 200 6 4,7 КФ5ПI - 3 -100 А(Б,В) 3 100 8,3 4,7 КФ4П2- 0,5-100 А(Б ,В) 0,5 100 6,4 3,5 КФ5П2- 1 -200 А(Б , В) 1 200 8,3 4,2 КФ4П2 - 5 -400 А(Б,В) 5 400 13,5 10 КФ5П2- 10 -200 А(Б,В) 10 200 13,5 14,1 КФ4П3- 5 -100 А(Б,В ) 5 100 13 4,7 2ФКРВ- 3 -100 А(Б,В) 3 100 9 7 2ФКРВ- 5 -100 А(Б , В) 5 100 23 19 2ФКРВ-10 -100 А(Б,В) 10 100 .23 21 2ФКРВ - 5 - 50 А(Б,В) 5 50 21 21 2ФКРГ-10 -100 А(б,В) 10 100 32 32 КФ4РI- 1 -200 А(Б , В) 1 200 10,3 5,6 КФ5РI- 5 -400 А(Б , В) 5 400 20 9,3 КФ4Р2- 0, 5- 100 А(Б , В) 0,5 100 7,4 5,7 КФ4Р2- 3 -400 А(Б ,В) 3 400 11,2 9,5 КФ4Р2-10 -200 А(Б,В) 10 200 20 ,5 15,3 КФ5Р2- 1 -200 А(Б,В) 1 200 7,6 6,3 КФ5Р2- 5 -100 А(Б,В) · 5 100 17,5 12,7 КФ4Р3- 0,5-200 А(Б , В) - 0,5 200 17 17 КФ4Р3- 1 -100 А(Б , В) 1 100 18 18 КФ4П3- 3 -400 А(Б . В) 3 400 22 22 КФ4Р3- 5 -200 А(Б , В) 5 200 28 28 КФ4Р3-10 -400 А(Б , В) 10 400 38 38 КФ4Р4· 5 -100 А(Б,В) . 5 100 12 12 48
Продолжение табл. 2.3 &аза ( п.иа - Номиналь- Размеры, мм Тнn тенэорезистора метр) L, н ое сопротнв с мм пение. Ом А 1 2 3 4 5 КФ4Р4-l0- 400 А(Б,В) 10 400 16 16 КФ4Р4-15-200 А(Б,В) 15 200 23 23 КФ4Р5- 5-200 А(б,В) 5 200 12 12 КФ4Р5-10-200 А(Б,В) 10 200 16 16 КФ4Р5-1 5-200 А(Б.В) 15 200 23 23 2ФКМВ- 10-100 А(Б,В) 10 " "' 100 12 12 2ФКМВ-20- 50 А(Б,В) 20 :;!-> 50 24 24 2ФКМВ-30-100 А(Б,В) 30 100 34 34 2ФКМГ- 20- 50 А(Б,В) 20 50 24 24 2ФКМГ - 20-100 А(Б,В) 20 100 24 24 2ФКМГ - 50-200 А(Б,В) 50 200 54 54 КФ4М - 10 - 100 А(Б,В) 10 100 12 12 КФ4М-15-200 А(Б,В) 15 200 17 17 КФ4М-15-400 А(Б,В) 15 400 17 17 КФ4М-20-200 А(Б,В) 20 200 22 22 КФ4М -20- 400 А(Б,В) 20 400 22 22 Тензочувствительность фольговых тензорезисторов такая же, как и у проволочных (К= 2, 1 + 0,2); предел измерения относительных деформаций 0,3 %; среднее значение ползу­ чести 0,3 - 0,5 %; температурный диапазон от 40 до 200 ° С. Для наклейки фольговых тензорезисторов на изделия используются те же клеи, что и для проволочных . При работе в нормальных условиях (от -30 до +во 0 С) применя­ ются также Z70 (аналог - циакрин ЭО), а при измерениях в интервале температур от минус 240 до плюс 25() 0 С - ЕР250 [2.5) . Приращение напряжения на нагруженном тензорезисто­ ре, как правило, не может быть зарегистрировано индика­ тором из-за его малого значения. Поэтому тензорезистор включается в электрическую измерительную схему, позволя­ ющую выделить полезный сигнал . Для тензоизмерений ис­ пользуются, в основном, две схемы включения тензорезисто­ ров : в делителе напряже ни я (рис . 2 . 2,а) и мостовая (рис . 2.2,б). Первая схема состоит из источника питания и последо­ вательно соединенных рез и сторов R1 и R2. из которых один или оба могут быть тензорезисторами . В последнем слу­ чае тензорезистор R1 устанавливается на упругий элемент таким образом, чтобы его деформация имела обратныf:! знак, чем у тензорезистора R2 • Для исключения на выхо де схемы постоянной составл яющей выходного напряжения делител я при динамической механичес1<ой нагрузке в схему включен конденсатор С,, В дальне й шем тензорезистор, к которому 4831-0 49
а Рис. 2.2. Схем ы включения тензо рез нсторов в тензометрической аппаратуре: а - в делителе напряжения; б - мостовая приложено усилие, будем называть активным, а недеформи­ рованный - пассивным. Если резистор R2 является активным тензорезистором, сопротивление которо го изменяется в результате деформа­ ции на д R2 , а резистор R 1 является пассивным элементом схемы (R1 = const) то , при услов ии, что сопротивление на ­ грузки Rн ~ R2, приращение напряжения н а выходе схемы vпределяется как R1дR2 R1R2 дU~U(R1 +R2)2= U(R1 +R2)2Кв, (2.2) где К - коэффициент тензочувствительности ; е - относительная деформаuия . Следовательно, значение напряжение д U для тензоре­ зистора определяется напряжением питания U и соотноше­ нием между резисторами R1 и R2 и в нормальных условиях эксплуатации при R 1 ~ R2 пропорционально пр и ложенной деформации . Максимальное значение напряжения питания ограничивается допустимым рабочим током тензорезисторов f ДОП. Исс.педования [2.1] показали, что увеличение напряже­ ния питания U и отношения R1/ R2 (при условии, что рабо­ чий ток /раб . не превышает /доп.) примерно до 5 ... 8 приводит к увеличению чувствительности схемы. Дальнейшее повы ше­ ние не обеспечивает заметного увеличения чувствительности и оно приводит только к неэффективному уве.пичению тока и разогреву тензорезистора . . Наиболее распространенной -схемой включения тензоре­ зисторов является мостовая (рис . 2.2,б) . Причем в тензомет­ рии, в зависимости от решаемых задач, применяются как уравновешенные, так и неуравновешенные мосты [2.6] . Условием равновесия для исключения начальной посто­ янной составляющей является соотношение (2.З) В уравновешенных мостах разбаланс, вызванный изме ­ нением сопротивления тензорезистора, компенсируется из ­ вестным (калиброванным) изменением сопротивления дру- 50
гого плеча, бл агодар я чему достигается равновесие. Пре­ имуществом уравновешенного моста являются большая точ­ ность и чувствительнос т ь, а недостатком - пригодность практически только для статических и медленно изменя­ ющихся деформаций. Неуравновешенные м осты, в которых изменение сопротив­ ления определяются по напряжению разбаланса, более уни­ версальны и используются как дл я измерения статических. так и динамических деформац11J1.'i!''$ . Питание мостовых схем осуществляется постоянным и переменным током . И при этом необходимо осуществлять их балансировку, что обуславливает введение в измеритель­ ную схему баланс н ых элементов . Балансировка мостов по­ стоянного тока производится по активному сопротивлению . В случае использования мостов переменного тока необ­ ходимо сбалансировать мает не только по активно й состав ­ ляющей, но и по реактивной . Для этого в диа гональ питания включается балансировочный (чаще всего, дифференциаль­ ный) конденсатор, либо цепочка, составляющая из перемен­ ного сопротивления, в среднюю точку которого включен кон­ денсатор . Вопросы теории и расчета тензометрических мостов как на постоянном, так и на переменном токе рассматриваются во многих работах [2.l, 2.2, 2.6, 2.8) . Кроме мостов постоянного и переменного тока, в тензо­ метрической аппаратуре используются импульсные мосты. Одним из преимуществ аппаратуры с импульсными мостами является ее повышенная чувствитеJ1ьность и меньшее потреб­ ление энергии . Особенно эти преимущества проявляются в многоканальных системах, где легко осуществляется времен ­ ное разделение каналов . Следует отметить, что применение импульсного питания мостов приводит к некоторому услож­ нению аппаратуры и ограничивает диапазон частот измеря­ емых деформаций. Однако·это усложнение оказывается впол­ не оправданным в многоканальных системах (более 16) и ограниченным частотным диапазоном измеряемых величин (до 100 Гц), а также в системах измерения деформаций на движущихся объектах. При тензометрических измерениях с помощью тензоре­ зисторов проволочных и фольговых появляются погрешности из-за ползучести, влияния температуры окружающей среды, гистерезиса и нелинейности. Ползучесть и гистерезис тензо­ метрических схем определяется качеством наклейки и при­ меняемым клеем. После наклейки тензорезистора на испы­ туемую конструкцию или при использовании тензометричес­ ких динамометров . перед щ~посредственными измерениями
необходимо несколько раз произвести нагружение с усилием, которое на 20 % превосходит ожидаемое усилие, определя­ емое конеч н ым значением диапазона преобразования. Если же тензорезистор нельзя нагружать и тарировать перед из­ мерениями, то в сл учае тарировки после измерений тензоре­ зистор нельзя нагружать силой больше той, которая действо- вала при измерении. · Наиболее ярко выражен н ым гистерезисом обладают аце­ тоновые клеи. Наибольшую стабильность обнаруживают клеи, выполненные на базе термореактивных смол. Механический гистерезис тензорезисторов определяется в соответствии о требованиями и методикой ГОСТ 21615-76 . С целью аналитического учета влияния температуры и ползучести в выражение, описывающее приращение сопро­ w тивления от измеряем~й деформации, вводят составляющее температурного воздеиствия и ползучести: • (дR)=(дR) + R R•• (дR) +(дR) R темп R полз. (2.4) Передача деформации от подложки на тензочувстви­ тельный элемент происходит неравномерно по его длине. В средней части деформации r:юдложки и элемента совпадают, а по краям отличаются друг от друга. При сильном растяже­ нии в подложке возникают релаксационные явления, спо­ собствующие увеличению переходных зон. Ползучесть так­ же возрастает с увеличением температуры и во времени. Вы­ вод количественных соотношений для оценки влияния ползу­ чести на точность измерения затрудняется трудно формали­ зуемыми влияниями многих величин. Ползучесть практичес­ ки не зависит от деформации и определяется эксперименталь­ но для различных температур в зависимости от времени. При­ ращение сопротивления тензорезистора из-за ползучести, имеет знак противоположный приращению от деформации _ объекта где .6 . Вполз - приращение деформации от ползучести. Это выражение описывает зависимость между относитель­ ной деформацией ползучести и вызываемой его приращение м сопротивления тензорезистора. Учитывая (2.4) можно запи­ сап~ : 52
(дR) +(дR) R мех R полз = (ДR) [ 1 _д8полз ] R мех 8 (2.5 ) Для уменьшения явления ползучести необходимо исполь - ' зовать · клеевой слой с минимаJ1ьно допустимой толщиной , сравнимой с неровностями основания . Кроме того, ползучесть может быть уменьше на путем увеличения эффективной дли ны контактной поверхност и тен - зоэлемента. ," 11'!1. Приращения сопротивления из - за изменения температу­ ры накладываются на измеряемую величину и приводят к смешению начальной (нулевой) точки диапазона преобразо ­ вания. Эти температурные приращения сопротивления не за ­ висят от измеряемой деформации и почти полностью компен­ сируются с п омощью компенсационных тензодатчиков . В большинстве тензодатчиков при меняются активные тензоре­ зисторы с компенсационными, которые в определенной тем ­ пературной области обеспечивают функцию преобразова ­ ния, не зависящую от изменения температуры внешней среды . Установлены три основные причины появления темпера - турных приращений сопротивления: температурное измене­ ·ние сопротивления материала тензочувствительного элемен­ та; тепловое расширение тензорезистора ; тепловое расши ­ рение исследуемой конструкции . Доля приращения сопротив­ ления, обусловленная влиянием температуры, вычисляется по формуле (2.6) где rxk - коэффициент теплового расш11рения материала объекта (конструкции) : . ар - коэффициент теплового расширения материала тен­ зочувствительного элемента . Температурный коэффициент rxR электрического сопротивления материала тензочувстви­ тельного элемента учитывает изменение его сопротивления . Зависимость aR(T) представляет собой нелинейную функцию . Коэффициент aR зависит от температуры , материала тензо­ чувствительного элемента и его предварительной обработки, что используется при изготовлении самокомпенсирующихся тензодатчиков. В термостабилизированном датчике должно быть .6 . R/Rтемп = О, откуда сл~дует условие (2.7) которое должно выпщшяться при из готовлении тензодатчи- 53
ков. Ползучесть и функции влияния температуры на параметры тензорезисторов определяются согласно ГОСТ 21615-76 . Погрешност ь, обусловлен н ая нелинейностью функции п реобразован ия первично го измерительного пр еобр азова ­ теля, содерж и т од н у составляющую, ко торая опреде л яе т ся в результа те изменения коэффициент а те н зочувстви тел ьнос-. т и, и вторую составляющую, вызываемую нелинейностью характер и стики мостовой измерительной схемы . При измере­ нии больших относительных деформаци й обыч но уч иты вает­ ся только последняя составляющая погрешности [2. 5 . .. 2 .7. ] . Это п риводит к расхождению между действител ьными зна­ чениями деформации и показаниями прибора . Чтобы макси­ мально скомпенсировать погрешность из-за изменения коэф ­ фициента тензочувствительности в зависимости от мех ани ­ ческого усилия в основном испо.J_Iьзуются свойства мостовых схем, т. к . обе составляющие погрешности нелинейности про- 11т ивоположны по знаку . Поэтому н ач альный сигнал тензорези сторов устан авли ва ­ ется обычно в пределах ± (5 ... 20) % от разности относи ­ тельных сигналов при нормальном усил ии или его отсутствии . Для компенсации используются тензочувстви тельные резис­ торы в питающей диагонали тензомоста . На {рис . 2.3) R1 ... •.. .Rn - тензорезисторы; R1;2 - термо чувствительные резис­ торы ; R6 и Rr - резисторы для общего и температурного балансов моста . Резисторы R1 ; 2, регулируя напряжени я пит а ­ ния моста при изменении температуры, снижают до ми н и­ мума температурную зависимость чувствительности тензо • моста . При помощи термочувствительного сопрот ивления Rr уменьшается температурная зависимость начального выход­ ного напряжения. Рис. 2.3. Тензометрическая мостовая схема с элементами температурной компенсации На базе тензорезисторов промышленностью выпускаются датчики для измерения линейных ускорений , избыточ ных давлений, крутящих моментов и т. д. Датчики очень часто выполняются в одном корпусе с усилителям и, которые и ме ют вст роенную защиту от короткого замыкания по выходу и обеспечивают на выходе нормированные сигналы . Дл я из - 54
мерения сил растяжения и сжатия применяются универсаль­ ные датчики силы типа У-0,1, У-0,2; У-0,5 ; У-1; У-2; У-5; У-10 ; ТДС-10-40; ТДС-30-120 ; ТДС - 100 - 400; ДСТБ-СОl6; 1778- ДТСит.д. Для работ ы с датчиками прим еняется тензометрическая аппар~тура, которая подробно о пи сана в работах [2.1, 2.5, 2.2). Кроме этой аппаратуры , в последние годы выпускаются унифицирован н ые приборы: ТОПАЗ- l - тензоусилитель унифицирован н ый полупроводни ковый 10-кана л ьный. ТО­ ПАЗ-2 - тензоусилитель унифи_цир_ованный полупроводни­ ковый 3-х-канальный; ТОПАЗ-3 й У.®ПАЗ-4 - десятиканаль­ ный и четырехканальный тензоусилители постоянного тока, предназначенные для усиления слаб ы х электрических сигна­ лов различных измерительных схем; НЕФРИТ-2 - семика­ нальный тензометрический усилитель напряжения ; БУС - 68 - тензоблок усилительный суммирующий для баланси­ ровки усиления и алгебраического суммирования сиг н алов; АЛМАЗ - индикатор шкальный для измерения выходного тока тензоусилителей типа НЕФРИТ и ТОПАЗ; САПФИР - ал­ гебраический сумматор выходных сигналов датчиков перед подачей их на тензо.усилители типа ТОПАЗ; МАЛАХИТ - прибор для тарировки и масштабирования усилительных ка­ налов и прибор для питания стабилизированным напряже­ нием аппаратуры ГРАНАТ . 2.3 . ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 2.3.1. Общие сведения о конструкции и технологии изготовления тензорезисторов За последние годы значительных успехов достигла тех­ ника получения различных полупроводниковых материалов, что открыло широкие перспективы в разработке и изготов­ лении пол упроводниковых тензорезисторов. Полупроводниковые тензорезисторы, сохраняя преимуще­ ства, присущие проволочным и фол ьговым тензорезисторам (ничтожная масса , малые размеры), имеют значительно большую тензочувс т вительн ость (примерно в 50-60 раз выше , чем у проволочных). Кроме то го, сопротивление тен­ зорезистора при тех же размерах путем добавл ения со­ ответст вующих присадок к материалу датчика и изменения технологии изготовления может быт ь изменено в очень широ­ ких пределах (от 100 Ом до 50 кОм) при коэффициенте тен ­ зочувствительности .от - JOO до + 200. У полупроводни­ ковых тензорезисторов изменение сопрот ивл ения при дефор­ мации достигает 50 %. 55
Наиболее сильно тензорезистивный эффект выражен в таких полупроводниковых материалах, как кремний, антимо­ нид индия, фосфид индия, арсенид галлия, антимонид гал­ лия. Для серийных тензорезисторов широко используют кремний и германий. Они обладают высокой тензочувстви­ тельностью, химически достаточно инертны, характеризуют ­ ся относительно высоким значением разрушающего напря­ жения (по сравнению с другими полупроводниковыми ма­ териалами), позволяют изготавливать тензорезисторы с большой допустимой рабочей температурой. Кремний и германий имеют кубическую кристаллическую решетку . В этой решетке различают три кристаллографичес ­ ких направления, которые обозначаются индексами Миллера . Направление, которое совпадает с диа r:ональю куба, обоз н а ­ чается индексом ( 111), совпадаЮщее с гранью - обозна ­ "~ается индексом ( 110) и с ребром куба - ( IOO). Сейчас для изготовления полупроводниковых тензорезис ­ торов чаще всего используют кремний, как п - типа, так и р - типа электропроводности с удельным сопротивлен ием 0,1 ... 10- 3 Ом· м легированный соответственно фосфором или бором . Чувствительность полупроводникового тензоре ­ !'Jистора зависит от его ориентации относительно кристалло­ графических направлений [2.9 .. . 2 .1 1] . Технология изготовления играет основную роль в созда­ нии полупроводниковых тензорезисторов с требуемыми электрическими и механическими свойствами. Существует нескодько способов изготов.аения полупроводниковых резис­ торов [2.12) : вырезание из полупроводникового монокрис­ талла в виде бруска; выращивание монокристаллов в виде «усов» посредством конденсации паров; нанесение на неко- . торые виды подложек тонких пленок со свойствами моно­ кристаллов; получение диффузионным способом тензорез ис­ торов, основанных на использовании р- п- переходов. Полупроводниковые тензорезисторы наиболее часто из­ готовляются непосредс т венно вырезанием из монокрис талла полупроводникового материала. Сли т ки монокристаллов гер­ мания или кремния длиной 400 ... 150 мм и диа метром 15 ... 30 мм подвергают контрольной п роверке: п роверяют тип про­ водимости и распределен и е удельного сопрот и влен ия вдол ь сл и тка, после чего из слитка вырезают участок с необходи­ мым удельным сопротивлением . Полученные за готовки раз­ резают на тонкие плоскопараллельные пластинки, которые затем шлифуют и полируют до высокой степени чистоты по­ верхности (среднее арифметическое отклонение абсолютных значений точек профиля от средней линии ~ 10 мкм) . Та­ кая обработка поверхности необходима для повышения меха-
нической прочности тензорезисторов . Перед операuией резки производя т ориентировку кристал л а по главным направле­ ниям кристаллографи ческой решетки на рентгеновских или оптических установках с точ н остью до l градуса . После шли­ фовки и полировки наносят невыпрямляющие контакт ы с ма­ лым переходным сопротивлением, для чего ч аще всего напы ­ ляется проводящее вещество (Аи, Ni) с подслоем материа л а, имеющего характеристики, близкие кислороду (Cr, Тi, Та) [2.13]. Иногда напыленные контактные площадки тензоре­ зисторов в нескольких местах _,,-«1J11обивают» лучем лазера. Такая операuия обеспечивает · нвименьшее сопротивление контактов. Напыленные контакты предпочтительнее вплав ­ ных, которые делались раньше, не только п отому, что могут быть нанесены с высокой точностью, а следовательно , обеспе­ чивают уменьшение разброса параметров, но еще и потому, что с уменьшением толщины нанесенного контактного ма­ териала уменьшается внутреннее перенапряжение. Заканчи- . вается процесс изготовления тензорезисторов тщательной очисткой контактов и п рисоединением выводов методом при ­ варки. Так как все тензорезисторы должны иметь одно и то же начальное сопротивление (в данной партии), то для подгонки к номинальному значению, как правило, применяют подтрав­ ливание. Омическое сопротивление определяется с помощью измерительного мост а, причем измерение проводится как при прямом, так и при обратном токе с целью проверки сопро­ тивления контактов . Очень важным параметром полупроводниковых тензо­ резисторов является температурный коэффициент сопротив ­ ления. Поэтому все тензорезисторы объединяются по тем­ пературному коэффиuиенту сопротивления в партии . Один из способов изготовления тензорезисторов основан на создании р-п перехода путем диффузии примесей в пластинку полупроводника (кремния или германия). В резуль­ тате образуется тензочувствительный диффузионный слой, отделенный в электрическом отношении от кристалла р-п переходом. Наиболее употребител ьными примесями являют­ ся бор, алюминий, галлий, индий (акцепторные примеси), фосфор, мышьяк, сурьма, висмут (донорные примеси). До­ стоинством этого метода является возможность создавать как отдельные, так и сдвоенные тензорезис т оры, изолиро­ ванные друг от друга прослойкой высокоомного кремния (германия) с р-п переходами и удобные для использова­ ния в мостовых схемах. Принципиально новые возможности в создании тензоре­ зисторов открьuзает использование в качестве чувствитель- 57
1\ЫХ элементов гетеро-эпиксальных монокристаллических по­ лупроводни ковых пленок на монокристаллических диэлектри­ ческих подложках . Из структур такого типа в настоящее вре­ мя используются пленки кремния на сапфире (КНС) [2.14]. Сапфир в качестве упругого элемента обладает высокой проч­ ностью, химической стойкостью и практически идеальными изолирующими характеристиками. Тензорезисторы, изготов­ ленные из гетероэпитаксиальной кремниевой пяенки мето­ дом фотолитографии, . не имеют изолирующего р-п перехо­ да и могут использоваться до температур , которые опреде­ ляются свойствами кремния . Особенности электрофизическ их свойств структур КНС позволяют создавать чувствительные элементы с малой и практически постоянной температурой погрешностью выходного сигнала (0,03 ... 0,3 %/ 10 ° С) в диапазоне температур от минус 200 до; плюс 400 ° С. Современные полупроводниковые тензорезисторы кон­ етруктивно оформлены в виде гантелеобразной пластины (рис. 2.4), вырезанной в кристаллографическом направлении наибольшего тензорезистивного эффекта. Эта конструкция характерна для одиночных приклеиваемых тензорезисторов [2 . 13). Рис. 2.4. Конструкция приклеиваемо::о полупроводникового тензорезистора Более сложной конструкцией и уJ1учшенными эксплуата­ ционными характеристиками обладают тензомодули. В них упругий элемент выполняется из монокристаллическо го полу­ проводника, на котором путем диффузии или ионного легиро­ вания формируют интегральную тензочувствительную схему. Подобное сочетание упругого элемента и моста тензорезис­ торов и получило название интегрального тензомодуля . Изо ­ ляция чувствительной схемы от тела упругого элемента осуществляется за счет запорных свойств р-п перехода. В зависимости от назначения тензомодули выполняют в ви ­ де балок , столбиков, мембран и т. п. Изготовление тензомо ­ дулей обычно осуществляется по планарной тех нологии производства транзисторов, позволяющей обеспечить микро ­ миниатюризацию датчиков . Дальнейшее совершенствование конструкций полупро­ водниковых тензорезисторов с целью устранения отдельных недостатков вызвало появление мостовых тензорезис т ивных структур , которые представляют собой монолитно объеди ­ ненные в схему моста Уитстона полупроводниковые тензо ­ резисторы . Выбор материала, типа проводимости, удельно-
го сопротивления и сопротивления плеч моста обусловлены теми же соображениями, что и у тензорезисторов. Мостовые структуры изготовляются по той же технологии, что и одиночные тензорезисторы {2.13]. Свойства и характеристики полупроводниковых тензоре­ зисторов определяются кристаллографическим направлени ­ ем, удельным сопротивлением и типом проводимости, зави­ сящим от количества и состава примесей. У германия п ­ р-типа проводимости наибол ьший тензоэффект имеет место в направлении ( 111), у кремния п-типа - в направле ­ нии ( 100), а р-типа - в напраБJJ.~ии (110). Знак тензоэ.Ф­ фекта (при растяжении) в полупроводниках п-типа прово­ димости отрицательный, а р-типа - положительный. 2.3.2. Характеристики тензорез исторов Зависимость относительного изменения сопротивления тензорезистора от деформации с достаточной то ч ностью описывается уравнением [2.15] ЛR ) 2 з Ro = С1(ро в + С2(ро)е + Сз(ро)е , (2.8) где С1(ро), С2(ро), Сз(ро) - коэффициенты, зависящие от удель­ ного сопротивления полупроводникового тензодатчика . Так как Сз(ро)83 не превышает 1 % от общего значения ЛR/R даже при значительных деформациях [2.15], то его можно исключить и выражение (2.8) примет вид: (2.9) Зависимость ЛR/ Ro = f(8) при t-25 °С представляет со­ бой квадратичную параболу, параметры которой С1 и С2 за­ висят от удельного сопротивления материала. Коэффиuи­ ент С1 будет являться тангенсом угла наклона касательной к кривой ЛR/ Ro / f(8) в точке , где 8 =О. На основании этого параметра С 1 называю т основным коэффициентом тензочув­ ствительности для данного материала (при t-25 °С). Коэффициент С2 определяет степень нелинейности ха­ рактеристики. Коэффициенты С1 и С2 определяются теоре­ тически для чистых материалов (с малым количеством при­ месей) и экспериментально для материалов с большим коли­ чеством примесей [2.16] . Из (2.9) видно что С1 и С2 можно рассчитать, если известны значения ЛR/ Ro для двух значений 81 и 82, которые берутся, как правило , вблизи предельных деформаций . Решая систему уравнений, составленную на ос­ нове (2 .9) при двух значениях деформаций 81 и 82, получаем 59
лк· лк С2=--иС1=К1-в1--, Ле Ле . 6.R1 где К1 = -R - коэффициент тензочувств ительности 081 тензорезистора при деформации 81; .6 .R2 К2= -R - при деформации 82; 082 К= К2 - К 1 - разность коэффициентов тензочувств ител ь­ ности; .6.8 = 81 --82 - разность деформаций. Коэффициент тензочувствительности у полупроводни.ко ­ вых тензорезисторов описывается тем же выражением, что и у проволочных (2. 1) ЛR/R . Лр/р К= Лl/l = 1 +2μп+ дl/l' (2. 10) К=1+2μn+ т. Величина 1 + 2μп характеризует изменение сопротивJ1е­ ния, связанное с изменением длины и сечения п олу п роводни­ кового тензорезистора, величина т характеризует изменение с@противления, обусловленное изменением удельного сопро­ тивления . Коэффициент тензочувствительности в значитель­ ной степени определяется большой для полупроводниковых материалов величиной т . Предельная деформация тензорезисторов зависит от площади поперечного сечения полупроводникового стержня, а также от обработки поверхности этого стержня. При малой площади поперечного сечения (0,3 мм 2 ) предельная отно­ сительная деформация тензорезисторов может достичь по­ рядка 10-з . Превышение предельной деформации приводит к выходу тензорезистора из строя . Важной особенностью полупроводниковых тензорезисто­ ров, кроме уже отмеченных, является возможность изготов­ ления их с различными механическими и электрическ и ми свойствами, что неосуществимо для проволочных и фольго­ вых тензорезисторов. Для серийных тензодатчиков в основном применяются кремний р-типа с ориентацией направления в кристал­ ле кубической симметрии ( 111) и удельным сопротивлением ро = 0,02 - 0,045 Ом· см и кремний п-типа с ориентацией на п равления в кристалле (100) и удельным сопротивлени­ ем р. = 0,025 - 0,040 Ом-см. Усредненная функция преобразования имеет вид : для тен ­ зорезистора р-типа ( 111) с ро = 0,02 Ом· см . 60
~: = 1 19,Бе + 4000е2, (2.11) для тензорезистора '? - типа (100) с ро = 0,03 Ом-см дR = - llOe + 10000е2• (2.12) Ro На рис . 2.5, а, 6 приведены графики, на которых изобра­ жены зависимости (2. l l) и (2. 13) (кр и вые 2) . Как J:\Идно из рис . 2.5, линейный участок характеристики тензорезистора из кремния р-типа больше при" ~тяжении . Тензорезисторы из кремния п-типа имеют большую нелинейность функции преобразования, а линейный участок располаrается в об.1ас­ ти сжатия . Как для п-типа, так и для р-типа тензорезисторов 1,0 д: 0.ll 0,6 г г 1,0 ~ О.д о.в 0.4 0,2 '-'----'-"~:........:"'-:::~'--'-=--=~--'----' Е.·10-5 .":::::--:::::: -:O::::-::':::-"!'k:=-'-'"'-"'- - . :: . .C::. - f, ·10-5 -L(()O -:КЮ-200 -!00 О - 0.2 - O,lf -о.в , а Рис. 2.5. Зависимость относительного изменения сопротивления от деформации для кремния : · а - р-типа; 1 - с высоким удельным сопротивлением; 2- с удельным сопротивлением 0,02 Ом-см; 6 - п-типа : 1 - с высоким удельным сопротивлением; 2 - с удельным сопротивлением 0,031 Ом·см нелинейность возрастает при увеличении удельного сопротив­ ления материала тензоэJiемента . У серийных тензорезисто­ ров, которые имеют удельное сопротивление порядка 0,02 Ом. см - 0,03 Ом· см нединейность функции преобразования го­ раздо меньше (кривые 2), чем для тензорезисторов с высо­ ким удельным сопротивле_нием (кривые 1). Отклонения от лин~йности для слабо легированных мате­ риалов при относительной деформации 10 - 3 может достигать У германия п-типа - 42 %. а у кремния п-типа - 20,8 % [2. 17] . В табл. 2.4 приведены характеристики серийно вы­ пускаемых полупроводниковых тензорезисторов. Номина.'lьный рабочий ток для тензорезисторов, приве­ денных в табл. 2.4, составляет 10 мА, максимально допусти­ мый ток через -тензорезистор допускается не более 12 _мА. 61
Таблица 2.4 Ос новные характеристики полупроводниковых тензорезисторов Тип тензо- Тип прово- Номинальное Коэффициен т База . сопротивление. тензочувстви - резистора димостн Ом тельности мм КТД2А р 110±5% + 100 2 КТд2Б р 220±5% + 100 2 КТЭ2А п 90±5% - 100 2 КТЭБ п 180±5% - 100 2 КТД7А р 110±5% + 100 7 КТД7Б р 620±5% +100 7 КТЭ7А п 90±5% - 100 7 КТЭ7Б п 510±5% - 100 7 Ю8А- 1 р 110±1% + 100 \,4 Ю8А -2 р 162±1% + 100 1,4 Ю8А-3 р 220±1% ·+ 100 1,4 Ю8Б-1 п 90±1% - 100 1,4 Ю8Б-2 п 138±1% - 100 1,4 Ю8Б-3 п 180±1% - 100 1,4 Ю12А- 1 5 р 110± 1% + 100 5 Ю12А - 35 р 220±1% + 100 5 Ю12А - 45 р 330±1% + 100 5 Ю12А-55 р 520±1% + 100 5 Ю12Б- 1 5 п 90±1% - 100 5 Ю12Б-35 п 180±1% - 100 5 Ю12Б-45 п 270±1% - 100 5 Ю12Б-55 п 420± 1% - 100 5 IOI2A - 17 р 110±1% +100 7 Ю12А-57 р 520±1% + 100 7 Ю12А -67 р 620±1% + 100 7 Ю12А-77 р 750±1% + 100 7 Ю12Б-17 1 п 90±1% - 100 7 Ю12Б-57 п 420±1% - 100 7 Ю12Б-67 п 510±1% - 100 7 Ю12Б-77 1 п 610±1% - 100 7 Тензорезисторы КТД2, КТЭ2, КТД7, КТЭ7, Ю8А, Б и ЮI2А , Б предназначены для измерения деформаций упругих сред и · конструкций в диапазоне температур от минус 60 до 100 ° С при наклейке их лаком ВЛ-931 (ГОСТ 10402- 75). Допус­ кается эксплуатация тензорезисторов в диапазоне от минус 160 до 300 ° С при наличии соответствующего связующего материала . 2.3 .3. Особенности измерения деформации полупроводниковыми тензорезисторами В процессе приклеивания тензорезистора к детали в тен­ зопреобразовате.1е могут возникнуть напряжения сжатия из-за усадки клея, так как при термообработке проявляет­ ся различие коэффициентов линейного теплового расшире- 62
ния тензорезистора и испытуемой детали. При этом началь­ ное сопротивление Rg приклеенного тензорезистора буде,т отличаться от сопротивления Ro неприклеенного тензорезис­ тора, что вызывает дополнительную погрешность измерения дефQ\~мации. Чтобы избежать этих погрешностей в процессе обработки результатов измерений вводится поправочный коэффициент Сп, который опредеJ1яется как Сп= (С 1 6.а. + +С26.а. 2 )(t- fн),гдеС1иС2 - постоянные коэффици­ енты для данного тензорезис~;рр!il,; 6. а. = СJ.м - CJ.g , а." - коэффициент линейного расширеtfИя материала, на который наклеен тензор ез и стор; CJ. g - коэффициент линейного рас­ ширения тензорезистора; t - температура окружающей сре­ ды; lн - температур а, при которой тензорезистор не испыты­ вает деформации со стороны материала детали в связи с раз­ ностью коэффицие нтов линейного расширения . Коэффици ­ ент Сп определяется из отношения Сп=Rg- Ro. Ro Сопротивлен ие тензорезисторов после наклей ки мож но рас­ считать по формуЛе Rg --: Ro (l + Сп) . С учетом введенного поправочного коэффи циента выра жение (2.9 ) п р иобрет ает вид : (2.13) В зависимости от типа тензорезистора деформация при его наклейке по разному влияет н а вид фу нкции прео бразо­ вания (ФП) . Так, для приклеенного тензорезистора из крем­ ния п-типа ФП будет менее линейна, чем неприклеенного, а для тензорезисторов из кремния р- ти па ли нейная обл асть ФП расширяется . Значение нелинейносrи ФП при комн атной температуре проявляется тем больше, Че~ меньше примесей в материале тензочувствител ьного элемент а . Р азличие степени нел и ней ­ ности при растяжении и сжатии завис ит от де фор мац и и усад­ ки при наклейке тензорезистора и определ яется (2.14) Выражение (2 . 14) получено из (2.13 ) 6.R/Ro = С1ер + + би). Коэффициент тензочувствительности К= d ( 6.а~ Ro) равен (2.15) и является функцией деформа ции . Для анализа и компенса- . ции нелинейности полупроводн иковых тензорезисторов иног-
да удобнее пользоваться зависимостью Rg / f (е), которая получается из соотношения (2.13), Rg= Ro(l+С1е+С2е2+Сп)- (2.16) Следует отметить, что все это справедливо, если исполь­ зуется высококачественный клей, и система тензорезистор - подложка - деталь является монолитной. К сожалению, яв­ ление ползучести характерно и для полупроводниковой тензо­ метрии. У полупроводниковых тензорезисторов начальное сопро­ тивление Ro зависит от подводимой э.1ектрической мощнос­ ти. В процессе изменения деформации происходит заметное изменение подводимой к тензорезистору электрической мощ­ ности, вследствие сравнительно большого изменения сопро- ""тивления под воздействием механической щ1грузки. Это из­ ~менение мощности зависит еще и от условий питания. Влияние изменения температуры приводит к появлению двух составляющих погрешности: уходу нуля и изменению чувствительности тензометрической схемы. Характер темпе­ ратурной зависимости ФП по,1упроводникового тензорезис- 0 тора определяется, в основном, :-1зменением удельного сопро­ тивления с изменением температуры. Влияние температуры на характеристики полупроводниковых тензорезисторов вы­ ражается с помощью коэффициентов С 1 1 и С21 (2. 15] 298 С11 = -1-С1. 298 2 С21=(-1)С2. (2.17) (2.18) С учетом (2.17) и (2.18) выражение (2.13) примет вид (2.19) где R1 - сопротивление ненапряженного тензорезистора при температуре t. Уравнение (2.16) можно записать как (2.20) Коэффициенты С 1 и С 2 являются функцией уровня легиро­ вания и температуры. Причем, с повышением уровня легиро­ вания и температуры коэффициент С2 (как для п-, так и для 1 1 р-типа) убывает быстрее, чем С 1 ( С21 ,....., р , С 11 ,.. ..., / )• Таким образом, нелинейность уменьшается с повышени­ ем температуры. Указанное обстоятельство позволяет иног- 64
да при работе тензорезистора в области высоких темпера­ тур не учитывать нелинейность функции преобразования . Основной коэффициент тензочувствительности С11 суще­ ственно снижается с ростом температуры . Относительное изменение коэффициента С11 при изменении температуры тензорезистора на 25 ° С составляет 7 .. . 10 %- Зависимость сопротивления полупроводникового тензо­ резистора от те!'-1.пературы имеет сложный характер . Для тензорезисторов, выполненных из кремния р-типа ( 111) и п-типа ( 100) со значительной ст~п~ью легирования (ро = = 0,02 .. . 0,05 Ом ·см) можно запiiсать, что Rgt = Ro[I - f3(t - 298)]. (2.21) Температурный коэффициент сопротивления f3 находится в пределах (1,1 . .. 1,35) · 10- 3 /lК. При анал изе схем с тем­ пературной компенсацией сопротивление тензорезистора на­ ходится из выражения Rgt = Ro(I + С11Е1) . (2.22) где е1 ~ температурная деформация . В этом случае считают, что на полупроводниковый тен­ зорезистор действует только деформация, вызванная разли­ чием коэффициентов линейного расширения материала тен­ зорезистора и материала испытуемого объекта . Воздействие внешнего усилия принимается равным нулю . Коэффициент тензочувствительности убывает с ростом содержания примесей, но температурная стабильность при этом возрастет весьма заметно [2.15, 2 . 16]. Так, при легиро­ вании до 10 20 см- 3 коэффициент тензочувствительности со­ ставляет около трети значения его у слаболегированных кристаллов, но зато изменения с температурой практически отсутствует . Меньший уровень легирования позволяет по­ лучить больший коэффициент тензочувствительности, но при этом возрастает чувствительность к температуре. 2.3.4. Линеаризация функции преобразования тензорезистора Для линеаризации зависимости 6. R/R как функции де­ формации можно вносить поправки в резул ьтаты измере ­ ния с помощью предварительно полученных кривых (2. 16, 2.17]. Такой способ весьма несовершенен, так как обработ ­ ка резул_ьтатов измерений занимает много времени и харак­ теризуется значительными погрешностями, связанными с индивидуальными особенностями и квалификацией опера­ тора. 5831-0 65
Уменьшить нел инейность функции преобразован и я можн о путем шунтирования тензорезистора омическим линей н ы м резистором . Но это вл ечет за собой уменьшен и е чувст вител ь ­ ности измерител ьной схем ы, которое в отдельных случ аях может .сост авлять бо.1ее 30%. Так как нелинейность в большей мере проявляется п ри деформациях растяжения, то тензорезистор можно подверг­ нуть предварительному растяжению , а затем наклеить н а конструкцию . Бла годаря этому расш и ряется лине й ная об ­ ласть ФП при деформации на сжатие . Недоста ток метода заключается в том, что ФП фактически не изменяется, рас ­ ширение же линейной области происходит за счет смещения начала отсчета деформации, вследствие чего п ри изменениях в широком диапазоне неизбежно появлt';ние по грешностей из­ за нелинейности в облас ти деформаций растяжения (2. 15 , 2.16]. Нелинейность ФП неуравновешенного моста можно ис ­ пользовать для линеаризации ФП тензорезистора . При этом одно плечо рассматривают как измерительное и в него вклю ­ чают активный тензорезистор, а другое - используется как холостое с компенсационным тензорезистором, обладающим более высоким сопротивлением . Кривизна нелинейности мос ­ та противоположна кривизне нелинейности активного тензо ­ резистора . Правильный выбор отношения сопрот и вле ния компенсационного тензорезистора к сопротивлению акт ивно ­ го тензорезистора может обеспечить компенсацию нелиней ­ ности [2 . 15 ... 2 . 17] . Этим способом чаще всего удается ли­ неаризовать ФП в очень узком диапазоне изменени й дефор ­ маций . Влияние нелинейности можно минимизировать также и при помощи моста с двумя тензорезисторами, подвергаемы ­ ми растяжению, и двумя тензорезисторами, подвергаемым и сжатию . Падение чувствительности сжимаемых тензорезис ­ торов удается частично возместить возрастанием чувс т ви ­ тел ьности растягиваемых тензорезисторов [2 . 15 ... 2 . 17] . Тензорезистор с положительным коэффициентом тензо ­ чувствительности (р -типа) может быть применен совместно с тензорезистором, у которого отрицательный коэффициент чувствительност и (п-типа), в смежных плечах мост а . Выход ­ ные сигналы обоих тензорезисторов, подвер гнутых дефор ­ мации одно го знака, аддитивны, но поскольку индивидуа л ь ­ ные ФП нелинейны со взаимнопротивопол ожными крив и з­ нами, то общая зависимость выходно го си гн ала от дефор ­ мации частично линеаризуется (2 . 16] . Добиться ли нейнос ти во всем диапазоне измеряемых деформаций практически не ­ возможно . Это объясняется тем, что не на всех участках про - 66
исходит взаи!"'!окомпенсация нелиней!lости из - за различно ­ го характера и з н ачений нел инейности ФП . ФП может линеаризова т ься с помо щь ю вклю ч ения на выходе моста усилителя. При этом нелинейность ФП всей измерительной схемы снижается почт и до 1,0 %- Но л инеари­ зация СI>П возможна тол ько в определенном и весь м а огра ­ ниченном интервале деформаций . Для компе н сации не.'lинейности используют т акже зав и­ симость выходного сигнал а от питания . Есл и пит ание моста (ток или напряжение) сделать ф~ионально управляемым , то тем самым можно воздействовать на выходной сигнал с целью уменьшения нелиней н ости ФП . Рассмот ренные спо ­ собы компенсации нелинейности обл адают однпм общим не ­ достатком . Это - невозможность дос тиже1-1 и я линейности ФП полупроводниковых тензорезисторов н а всем ее прот я ­ жении при воздействии деформирующих усилий , а также сни ­ жения нел инейности до значени й м енее I.S -% . Перспективным направлением для разработки схемных методов коррекции характеристик тензорезисторов являет­ ся использование теории функциональных преобразовате ­ лей с дробно - рациональной аппроксимацией . Как известно, моделирование дробно-рациональных функций осуществля ­ ется многозвенными цепными структурами с обратными свя­ зя м и . Элементами таких структур являются суммирующие устройства и линейно - управляемые усилители . В отличие от функциональных преобразователей тензометрическая схе ­ ма состоит только из операционных усилителей . Измерительная схе­ м а аналогична схеме функционального преобразовател я, тензорезистор включается в цепь прямой или обратной свя ­ зи . Способ включения и количество тензорезисторов в схеме зависит от характера нелине й ности и качества термокомпен ­ сации. Нелинейные характеристики тензорезисторов исполь ­ зуются в качестве базисных функций , с помошью которых и осуществляется прибJшжение к т ребуемой зависимости выходного сигнала от измеряемой деформации . ФП тензо­ метрической схемы выраЖается дробью, содержашей коэф ­ фициенты передач линейных элементов измерительной схе ­ мы и аналитические выражения нелинейных характеристик тензорезисторов . Подборо м коэффициентов переда ч можно добиться необходимой линеа р изации характеристики датчи ­ ка и требуемой термокомпе нсации . На рис . 2.6 изображена мостовая схема с компе нсацией нелинейности полупроводн и кового тензорез и стора простей ­ шим функциональным преобразователем . Практически все параметры сумматора не зависят от со ­ противления тензорезистора . П р и сбаланси р ованном мосте 5* 67
Рис. 2.6. Тензомост с компенсирующей цепочкой Рис. 2.7 . Тензометрическая измерительная схема, синтезированная на базе функuиоиального преобразователя и начальном значении передачи комriенсирующей цепочки ~ыходное напряжение обратится в нуль . Равновесие моста может нарушиться из-за изменения значения коэффициен­ та передачи компенсирующей цепочки . Напряжение на выхо­ де несбалансированного моста будет пропорционально при­ ращению этого коэффициента. Таким образом, характерис­ тику 1ензорезистора можно линеаризовать за счет свойств компенсирующей цепочки. Остаточная нелинейность содер ­ жит и квадратичную составляющую, но подбором посто­ янного коэффициента ее можно практически свести к нулю. За счет компенсации квадратичного члена линейная часть характеристики расширяется. Погрешность измерения, обу­ словленная остаточной нелинейностью, имеет тенденцию уве ­ личения с возрастанием деформации, но не достигает зна­ чений, которые могли бы оказать существенное влияние на выходное напряжение. Более совершенной является схема, приведенная на рис. 2.7 . В этой схеме тензорезистор может быть включен вместо резистора R1 либо R2 и обладает функцией преобразования Rg = R(e). Характеристика параметрического элемента. включающе­ го в себя операционный усилитель , тензорезистор и резистор, определяется способом включения тензорезистора и пред­ ставляет собой коэффициент передачи, который нелинейно изменяется при изменении измеряемого параметра . Если корректирующим напряжением пренебречь, то вы­ ходной сигнал измерительной схемы определяется как Uвых = аоUп•т[Ьо + Ь1Тп(Е)] 1 - а1Тп(Е) (2.23) где ао, и 1 - коэффициенты передачи по соответствующим входам первого сумматора; Ьо и Ь1 - коэффициенты передачи второго сумма тора . 68
Класс н елинейных характерист ик преобразования п а ­ раметрического элемента , котор ы е удовлетвор ит ел ьно кор ­ ректируются р ассм а триваемо й схемой, оп ределяются дроб ­ ной фу н кцией Т.(е) = Vвых - аоЬоUnит . аоЬ1Unит-а1 Uвых (2.24) На основании анализа можно сдел ать вывод , что ко р­ рект ирующее устро й ство с однок а нал ь ной обратной связью следует п рименять в тех слу ч ая!, к_о гда ха р актерис т ика пре ­ образования параметрического '·эn~мента с достаточной сте ­ пенью точности аппроксимируется дробно-рациональной функцией порядка 1/ 1. Для расширения корректирующих возможностей изме ­ рительных схем можно ис п ользовать ст руктур ы с многока­ н альными обратны м и связями . Из экспери менталь ны х и сс л е­ дований установлено, что достаточно испол ьзовать два ра ­ бочих да т чика , образующих два пара метр и ческие элемен ­ т а, чтобы обеспе чи ть много целевую коррекцию . Кроме после­ довательно го наращива н ия измери тельно й структуры , мож ­ но применять параллельное соединение звеньев, изображен ­ ных на рис . 2.8 . В этом случае приходим к так называемым параллельным измерительным схемам . Рассмотрим простей ­ шую пара ллельную схему . Тензорезисторы включены в оба канала потенциометрической схемы, коэффициент передачи операционного усилителя верхнего канала равен а 1 , нижне ­ го ~ а2• В операционном усилителе ОУ сигналы обоих кана - лов суммируются . R' g Рис. 2.8 . Потенциометрическая схема Ипит, с параллельными каналами .., R ll 9 измерите л ьной схемы описыва­ Напряжение на выходе ется выражением ( a 1R1 a2R~} (2.25) Uвых= Uпит R~ +~ · Значения сопротивл ений резисторов должны удовлетворять неравенствам 69
Используя вместо Rg его значение, можно записать /)ных = Ипнт(А +Ве+сSн}. (2.26) Если параметры схемы выбираются из условия a2R6RffC~ + a1R1R2[(C0 2 - С~ ] =О. то в выражении для бн. используемом для обозначения сум­ мы нелинейных членов, обратится в нуль коэффициент пр и квадрате деформации, что равносильно умень шен ию нел и­ нейности характеристики. Малый параметр, определяющий остаточную нелинейность измерительной схемы, будет пред­ ставлять собой функцию высоких степеней измеряемого воз­ действия, поэтому при малых значениях деформации этой ве­ личиной можно пренебрегать. Развитие микроэлектронной элеменr~ой базы позволяет пере- ~ смотреть некоторые принципы организации и пос тр оения схем компенсации. Микропроцессоры предоставляют более широ­ кие · возможности настройки и компенсации погрешносте й тензорезисторов [2.19]. Автоматическая настройка с по­ мощью микропроцессора дешевле; чем настройка современ­ ного измерительного преобразователя. Кроме того, использо­ вание микропроцессоров позволяет дополнительно снизить " стоимость измерительного преобразователя бла годаря сни­ жению требований к чувствительному элементу. Сами требования, предъяв,1яемые к чувствительным эле­ ментам, принципиально изменяются. На первое место выдви­ нутся требование временной стабильности ФП. Нелинейнос­ ти и температурные нестабильности тензорезисторов могут устраняться с нужной точностью посредством микропроцес­ сорных систем. Для цифровой коррекции ФП тензорезистора обычно аппроксимируют некоторым выражением. При этом погреш­ ность аппроксимации является одной из основных погре ш­ ностей. Задача коррекции заключается в определении зна­ чений постоянных коэффициентов приближающего выраже­ ния ФП тензорезистора и определении зависимости каждо го коэффициента от мешающих факторов. Этот этап , так назы­ ваемой автоматизированной градуировки, проводится обыч­ но на ЭВМ. Коэффициенты, полученные в цифровой форме, заносятся в одно или несколько постоянных запоминаю щих устройств (ПЗУ) и в дальнейшем используются для вычис­ ления скорректированного результата измерений : Следующим этапом является оценка дополнительных ме­ тодических погрешностей, неизбежно возникающих при ок­ руглении чисел. Кроме того, программа вычисления на мик­ ропроцессоре должна так составляться, чтобы исклю чить 70
операцию деления . Это приводит к появлению дополнитель­ ных погрешностей, которые должны быть оценены . Для исключения инструментальных погре шн остей ана­ логового коммутатора (АК) и аналого-цифрового пр еобра ­ зователя (АUП) в системе с микропроцессором (МП) же­ лательно этапы автоматизированной градуировки и коррек­ ции проводить с используемыми устройствам и. По показа­ ниям датчиков мешающих параметров (Д) состояние окру­ жающей -среды в процессе работы поддерживается адекват­ ным тому, которое было при гvадrировке . На рис . 2.9 приведена структурная схема измери тельной системы с цифровой коррекцией . На этапе коррекции через аналоговый коммутатор, управляемый МП, происходит считывание показаний датчиков деформации (ИП) и со­ ответствующих датчиков мешающих факторов. По этим показаниям и значениям коэффициентов, извл екаемых из ПЗУ и поступающих в МП через цифровой ком:v~утатор ЦК, МП вычисляет скорректированное значение измеряемой ве ­ личины. С помощью ИП может быть обеспечена любая тре­ буемая последовательность опроса, что позволяет улучшить информационные показатели всей системы. Рис. 2.9 . Структурная схема корректирующей системы При постоянном ил и медленном из:v~енении мешающих факторов во времени для сокращения продол жительности процесса измерения можно не считывать показания да т чи­ ков параметров среды Д при каждом измерении, а хранить их нача'льные значения и вычисленные по ним МП поправ­ ки к коэффициентам в оперативном запоминающем устрой­ стве (ОЗУ) . Эти поправки используются при вычислении скорректированного значения измеряемой величины до тех пор, пока параметры окружающей среды не изменятся. При изменении параметров осуществляются измерения новых 71
значений показаний датчиков и производится перезапись вновь вычисленных поправок в ОЗУ. Помимо операц и й л инеаризации и термо ком пенс а ции МП способен выполнять и дру гие дополнительные операци и : преобразование кодов, сжатие данных, управление, стати сти ­ ческую обработку данных, сопряжение с ЭВМ . Пр и этом сис­ тема практ ически не усложняется, а перечисленные функ ци и реализуются про гра м мн ы м путем посре дством допол н итель ­ ных команд, за п исанных в ПЗУ. 2.3 .5 . Термокомпенсация характеристик полупроводниковых тензорезисторов Кроме методов л инеаризации Ф.П полупроводниковых тензорезисторов, в технике тензометрu ч еских изме рений ш и- "' рока использую тся и методы термоком пенса ции, которые совместно позволяют повысить точнос ть пол учаемо й инфор ­ мации . Температур н ая погрешность имеет две составляю ­ щие : мультипликативную и аддитивную . Мульт ипл икатив ­ ная составляющая температурной погрешности проявляет ­ ся в температурном дрейфе чувствительности тензорезистора , • которая обуславливается сильной зависимостью коэффици ­ ен тов л е г ирования полупроводникового матер и ала от тем ­ пературы . Проявление аддитивной составляюще й выража ­ ется в температурном дрейфе нуля (изменение н уля выход ­ ного сигнала тензоизмерительной схемы при измерении тем ­ пературы в отсутствии деформирующего усилия) . Все методы температурной компенсации предназначены для компенсации обеих составляющих температурной по ­ грешности и делятся на методы пассивной и активной ком ­ пенсации . Методы активной компенсации, в свою очередь , подразделяются на аналоговые и цифровые . Пассивные методы компенсации основаны на включе ни и во входную или в выходную цепи тензоизмерительной схем ы пассивных компенсационных элементов . К этим методам от­ носятся: 1. Применение терморезисторов дл я температур ной ко м­ пенсации . Ком п енсаторы на основе терморезисторов с одним или двумя дополнительными постоянными резис торами по ­ зволяют снизить температурный коэффициент ч увствител ь ­ ности в 1О раз в диапазоне температур от - 60 до + 60 ° С. 2. Применение балансных схем . Напри мер, при при м ене­ нии мостовой схемы весьма эффективно включение компенса ­ ционного тензорезистора в смежное плечо измерител ьного моста. 3. Применение тензорезисторов с коэффициентом тензо- 72
чувствительности проти вопол ожного знака по отношению друг к другу , включаемых в противо положные плечи мост а . 4. Компенсация выходно го си гн ала с помощью те р мопар. Электродвижущая сил а пр и этом компенси рует составля ­ ющую выходного напряже н ия, обусловл енную вл иянием тем ­ пера;rуры на тензорезисторы . Для более точной компе нсаци и миниатюрные термопары р асполагают в непосредственно й близости от тензорезис тора. 5. Применение тензорезисторов. выполненных из полупро­ водникового материала с выс~к?j концентрацие й примесей, что приводит к некоторому снижению коэффициен та тензо ­ чувствител ьности при одновременном уменьшении темпера ­ турной зависимости. Сущес твующие в проволоч ной тензометрии методы темпе ­ ратурной компенсации мо гут применяться и для полупровод­ н и ковых тензорезисторов . Пр и чем дл я посл едних необходи ­ мо компенсировать не только «кажущуюся» деформацию (аддитивную составляю щую) и изменение сопротивления с температурой, но и изме нение тензочувст вительности . Если тензорезистор используется при фиксированных по ­ вышеных температурах , то учет влияния температуры на показания тензорезистора п роизводится сравни тельно прос­ то: мост балансируется при данной температуре, благодаря чему автома т ически учитывается изменение сопротивления тензорезистора по отношению к сопро т ивлению при комнат ­ ной температуре. Балансировка может осуществляться вруч ­ ную, но чаще всего применяют автоматические системы [2.15 ... 2.17] . Различие же в величинах коэффициентов линейно ­ го расширения тензорезистора и детали приводит к допол­ нительной деформации тензорезистора (ag < а.дет) . Учет ее влияния п роизводится путем смещения начала координа т на значение деформации, обусловленной разниней в коэффи ­ циентах линейного расширения материала тензодатчика и детали [2.15] . Широко распространенным методом температурной ком ­ пенсации изменения сопротивл ения является включение компенсационного тензорезис тора в смежное плечо измери ­ тельного моста. Компенсационный тензорезистор должен быть наклеен на компенсационную пластину из материала исс.11едуемой детали, иметь температуру, одинаковую с ра­ бочим тензорезистором и не подвергаться деформации . Те п­ ловые характеристики и коэффициенты тензочувствитель­ ности обоих тензорезисторов должны быть одинаковы [2. 15 ... 2.21]. Наряду с этим методом находят п рименение и его моди ­ фикации, испрльзующие особенности полупроводниковых кристаллов . -- 73
Как уже отмечалось, тензочувствительность по различ ­ ным осям кристалла неодинакова, а в некоторых направле ­ ниях она близка нулю . Поэтому тензоэлемент , вырезанный из нитей в направлении оси с минимальной тензочувствител ь­ ностью, позволяет добиться довольно хорошей компенсаuи и влияния температуры при размещении его около рабочего тензорезистора (температура элементов дол жна быть оди н а­ ковой) и включения рабо че го и компенсаuионного тензоре ­ з исторов в с м ежные плечи измерительного мост а. При этом одинаковые изменения сопротивления рабочего и компенса­ ционного элементов от температуры будут компенсированы, а выходной сигнал будет определяться значением механи­ ческой деформации, которую испытывает рабочий тензоре ­ зистор . Компенсационный тензорезист9р нет необходимости располагать особым образом, добиваясь отсутствия его де ­ ;фор мации, благодаря чему возможности метода существе н­ но расширяются (2.15, 2.17.]. Еще одной модификацией метода явл яется подбор двух тензорезисторов с одинаковыми температурными коэффици ­ ентами сопротивления, но с противоположными по знаку ко ­ эффициентами тензочувствительности. С этой целью в сопря ­ женных плечах моста используются тензоэлементы п - и р -т и ­ па . Тензодатчик р-типа вырезан в направлении ( 111) в крис ­ талле кубической симметрии . Он обладает положительны м коэффициентом тензочувствительности и положи тельным температурным коэффициентом . Тензоэлемент п-типа , выре ­ занный в направлении ( 100) в кристалле с кубической си м­ метрией, имеет отрицательный коэффициент тензочувстви ­ тельности и положительный температурный коэффициент . Это приводит к компенсации температурных изменений со­ противления и увеличивает тензочувствительност ь схемы . Если температурные коэффициенты тензочувствител ьнос ти отрицате "1ьного и положительного тензорезисторов неодина­ ковы, то разниuа полностью может компенсировать «кажу ­ щуюся» деформацию (2. 16, 2 . 17] . Такие датчики в компле к ­ те вы11ускаются промышленностью и их называют соста в ­ ными . Рассмотренные методы компенсации влияния температу ­ ры на результаты измерений с помощью полупроводниковых тензорезисторов применимы при условии, что окружающая температура и температура тензорезистора одинаковы . На ­ рушение указанного условия может привести к существен ­ ным погрешностям в измерениях и сделать эти измерения не ­ достоверными даже при комнатной температуре . Для компенсации температурной погрешности ш ироко применяются термочувствительн ые элементы . Термопары, на - 74
пример, монтируются вблизи тенз.?резистора (2.15 , 2.16]. Чтобы повысить точность измерении, миниатюрные термопа­ р.ы встраиваются в тензодатчики, а компенсация осуществля­ ется вруч н ую или автоматически. При динамических измерениях деформация изменяется обычно быстрее, чем температура. Изменения сопротивления тензорезисторов, обуСJlОвленные влиянием температуры, мо ­ гут быть легко отфильтрованы и никакой компенсации дрей -. фа «нуля» не нужно. Одним из методов компенсации являет­ ся управление приложенным ~ЦW"JИ напряжением при помо­ щи температурочувствительног8' устройства, смонтирован­ ного вблизи тензочувствительного элемента. Но введение термистора в выход моста изменяет эффективный выходной импеданс, что регистрируется контролирующим прибором и проявляется в виде погре ш ности . Почти во всех случаях маленькая термопара может бы т ь установлена вблизи тензочувствительного элемента, чтобы регистрировать температуру одновременно с деформацией и осуществлять коррекцию по изменению сопротивления и чувствительности с помощью градуировочных кривых. В настоящее время уже выпускаются датчики с самоком­ пенсацией температурной погрешности, из которых наиболее широко известны следующие: 1. Датчики с температурной компенсацией термистором. В датчике используется миниатюрный термистор, шунтиру­ ющий активную тензометрическую нить (2.16). 2. Миниатюрный, полуактивный мост с тензорезисторами р-типа /положительный коэффициент чувствительности/ и п-типа /отрицательный коэффициент чувствительности/, включенными в сопряженные плечи моста (2.16]. У этих датчиков нечувствительность ФП к температуре наблюдается до 35 ° С. При более высоких температурах мо­ жет проявляться обратный эффект в результате различия в коэффициентах линейного расширения испытываемого ма­ териала и полупроводниковых нитей . Более совершенными являются активные методы темпе­ ратурной компенсации. Они обеспечивают во входной цепи моста изменение питающего напряжения или тока в соответ­ ствии с температурной зависимостью ФП. Для этих целей применяются операционные усилители с термистором в цепи обратной связи. Возможно также включение операционного усилителя на выходе моста. Только в этом случае необходимо учиты­ вать характер ФП моста и характеристику операционно го усилителя с термистором в цепи обратной связи. Дальнейшим развитием способов термокомпенсации яв- 75
ляется разработка универсальных схем термокомпенса ции ФП тензорезисторов . Универсальность этих схем заключает­ ся в том, что они обеспечивают одновреме н ную компенсац ию мул ьтипликативной и аддитивной составл яющих темпера ­ турной погрешности и применимы дл я различных включе ни й тензорезисторов. Эти схемы можно разделить на анал оговые и цифровые . Кроме уже описанных схем, к анало говым от­ носятся и схемы, позвол яющие поддерживать пос тоя н ной темпера т уру тензорезистора пр и п омощи разо грева п одл ож ки интегральным нагревателем . Недостатком этого метода яв ­ ляется необходимость пере грева тензорезистора до тем пера ­ туры выше максимально рабочей, что приводит к резкому возраст анию потребляемой мощности . В цифровых схемах коррек цию производ ят на этапе об - р аботки сигнала . . .., Использование микр опроцессора в тензодатчике не обес­ печивает решен и я всех вопросов по ус т ра н ению по грешнос ­ тей , не всегда удается физическое объеди нен ие микропро uес ­ сора и тензорезистора ; слишком сложными получаются ал го ­ ри т мы обработки сигналов и не всегда это оказывается эко­ номически выгод н ым . 2.3.6 Тензодиоды и тензотранзисторы Наряду с полупроводниковыми тензорезисторами отечест ­ венной промышленностью выпускаются тензодиоды и тензо ­ транзисторы, которые рассмотрим вкратце в этом разделе, хотя их принцип действия несколько сложнее, чем тензоре­ зисторов . Качественные характеристики тензодиодов и тен зо ­ транзисторов, а также механизм влияния деформаций на параметры пол упроводниковых приборов хорошо и подроб ­ но описаны в литературе (2 .9 ... 2.11] . Коэффициент те нз очувствитеJiьности диодов дости гает 3000, но при этом ухудшается линейность и температурная стабильность . Диапазон измеряемых деформаuий и те н зо ­ чувствительность в рабочем интервале тем ператур мож но установить путем изменения сопротивления ш ун тирующе го резистора и, следовательно, значением тока, протекаю щего через диод . Принципиальные конструктивные схемы тензодиодов и тензотранзисторов (2. 11] не отличаются от конструктивных схем обычных полупроводниковых приборов . Технология их изготовления ничем также не отличается от планарной тех ­ нол о гии изготовления обычных полупроводниковых прибо - , ров . По сравнению с обычными транзисторами тензотранзис - 76
торы имеют низкий коэффициент передачи тока. Кроме того , тензотранзистор чувствителе н к механическим колебаниям от О до 100 кГц и применяется в качестве быстродействующих переключателей бескон такт но го управлен ия и регулирова­ ния . Тензотранзисторы т акже как и обычные транзисторы включ'аются в схемы с общим эмиттером, общей базой и об ­ щим коллектором. В последние годы появились тензочувствительные прибо­ ры, состоящие из тензодиода и ~ра!j,зистора, причем транзис­ тор служит для усиления сигнала ,: ~I'!оступающего с тензодио ­ да . Такая структура выпоJ1няется в виде одного элемента . Помимо специально выпускаемых тензодиодов и тензо ­ транзисторов в качестве тензочувствительных элементов ис ­ пользуются обычные диоды, стабилитроны , светодиоды и т. п . Основные параметры так~х тензоч увствительных э.пе­ ментов уступают параметрам тензодиодов и тензотранзисто­ ров . Для посл едних свойственна высокая тензочувствител ь­ ность, относительно хорошая линейность ФП и малая зави­ симость коэффициента тензочувствительности от температу ­ ры. В связи с этим тензодиоды И тензотранзисторы широко применяются в датчиках малых деформаций, малых давле­ ний, гидрофонах и сейсмографах. 2.4 . ПРОВОЛОЧНЫЕ ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ Термообразователи, принцип действия которых осно ­ ван на использовании зависимости электрического сопротив ­ ления материала чувствительного элемента от температуры называются терморезисторами. Согласно ГОСТ 6651 - 84 их называют термопреобразователями сопротивления . 2.4 .1 . Материалы терморезистивных элементов Для преобразований температуры испоJ1ьзуют материа­ лы, обладающие стабильностью ТКС, воспроизводимостью электрического сопротивления для данной температуры, зна­ чительным удельным электрическим сопротивл ением и вы­ соким ТКС, стабильностью химических и физических свойств при на гревании, инертностью к воздействию исследуемой среды. Из проводниковых материалов широкое применение полу­ чила платина . Этот благородный металл даже при высоких температурах в окислительной среде не изменяет своих физи- 77
ческих и химических свойств . Температурный коэффициент сопротивления в диапазоне О ... 100 ° С составляет примерно 1/273 °С, удельное сопротивление при 2() 0 С равно О, 105 Ом мм 2 /м, диапазон преобразуемых температур составля­ ет- 260... +1300°С[2.22 ... 2.24] . Температурная зависимость сопротивления платины в ди- . апазоне О .. . 600 ° С описывается уравнением Rt= Ro(l+At+Bt2), (2.27) где R1, Ro - сопротивления преобразователя при темпера- турахtиО0С; u А и В - постоянные коэффициенты для платиновои про ­ волоки, применяемой в промышленных термопреобразовате­ лях температуры : " А = 3,96847 Х 10- 3 1/0С; в=- 5,847 10 - 1 11°с 2 • Уравнение (2.27) может быть переписано в форме, дан ­ ной Х . JI . Каллендаром и приведенной в работе [2.22] : f=___!_·(.!!..!_- l) +f\ (-t -1) аRo t!oo f100. где t - температура в 0 С; а=_l_(Rioo- 1);f100=100°С. f100 Ro Связь между коэффициентами последнего выражения и вы­ ражения (2.27) определяется соотношениями: А=а(1+_tf\) ;а=А+Bf100; 100 . В= _ ~.f\= Bt~oo f100 ' А + Bf100. В интервале температур О ... - 200 ° С зависимость со ­ противления платины от температуры имеет вид Rt = Ro(l + At +В/+ C(t - 100)3), (2.28) где С= - 4,3558 10- 12 1/ 0 С 3 - постоянный коэффициент; W Rioo 100 = Ro = 1,3910. Зависимости (2 .27) и (2.28) в интервале от - 200 до + 650 ° С являются весьма точной аппроксимацией функции преобразования платиновых преобразователей температуры, вследствие чего их используют как эталонные для воспроиз­ ведения Международной температурной шкалы . К недостат­ кам платиновых преобразователей температуры относится 78
довольно высокая загрязняемость платины при высоких тем­ пературах парами металлов (особенно железа). сравнитель­ но невысокая химическая стойкость_ в восстановительной сре­ де, в результате чего она становится хруп кой , теряет стабил ь­ ность характеристик . Ме\дь, благодаря своей низкой стоимости широко приме­ няется в преобразователях температуры в диапазоне - 200 ... + 200 ° С. Темпера турный коэффициент меди СХт = 4,28 · . 10- 3 0 с - •, зависимость электри ч еского сопротивления от температуры - линейная : ," !i:i. Rt = Ro(I + a,t). К недостаткам медных преобразователей температуры относится высокая окисляемость меди при нагревании, по­ этому терморезисторы из меди применяются в указанном сравнительно узком диапазоне температур в средах с низкой влажностью и при отсутствии агрессивных газов. Кроме платины и меди, для чувствительных элементов термопреобразователей температуры ·применяют никель, вольфрам и другие чистые металлы (табл . 2.5). Таблица 2.5 Некоторые физические свойства материалов терморезистивных преобразователей (при 20 ° С) Материал Платина Медь Никель Вольфрам Молибден Ренин Родин Графит Платинородий (20 % родия) ткс 10- 3 1/0 С 3,91 (3,85) * 4,28 (4,26) * 6,3...6,6 4,82 4,57 3,11 4,57 0,02 1,21 • Дл я импортных лре обр аз ова те леi :t Уделhное сопротнв - Омл~Н::2/м 0,105 0,017 0,068 0,055 0,052 0,211 0,047 46 ,0 0,160 Темлерату- ра плавле- ния,ос 1773 1083 1455 3410 2630 3170 1960 3870 1900 Термо-э.д.с. в ларе с медью , мкВ/0С 7,5 о 22,5 0,5 Никель химически стойкий материал даже при высоких температурах, однако имеет сл ожную зависимость сопротив­ ления от температуры и невысокую ее воспроизводимость . В диапазоне температур - 60 . . . + 180 ° С температурная за­ висимость сопротивления никеля следующая: R1= Ro(l+At+Bt2+C(t- 100)/2 ), гдеА=0,005491/0С,В = 0,680 . 10- 5 1/0С 2 , С= 0,924· 79
. io-s 1/ 0 С 3 постоянные коэффициенты . При t :::;:;;; 100 ° С член С(t - 100)/2 =О. Ту гоплавкие металлы - вольфрам, молибден, тантал и ниобий - имеют ограниченное применение . Влияние рекрис ­ таллизации и роста зерен в результате действия температу­ ры делает чувствительный еJiемент из этих материалов хруп­ ким и поэтому очень чувствительным к механическим вибра ­ циям . Сплавы, обладающие более высоким удельным электри ­ ческим сопротивлением, чем чистые металлы, не на шл и при­ менения как материалы чувствительных элементов термопре­ образователей из - за сравнительно низкого ТКС, значение ко ­ торого в значительной степени зависит от количественного и качественного состава примесей. ~ 2.4.2. Основные характеристики терморезистивных преобразователей Сейчас серийно выпускаются терморезистивные преобра ­ зователи с платиновыми (ТСП) и медными (ТСМ) чувстви­ ~;ельными элементами (ЧЭ). Первые предназначены для пре ­ образования температуры в диапазоне от - 260 до 1ООО 0 С; вторые - от - 200 до + 200 ° С (табл. 2.6) (ГОСТ 6651- 84) . Таблица 2.6 Основные типы терморезнстивных преобразователей и диапазоны преобразуемых температур - Условное обозна Номиналь - ченне номи- Дна п азон пре - Тип преобразователя ное con po- на льно й ст ати с - обра з уемых тивление при тическоi:t харак - температур . О0С,Ом теристики ·с (международное ) Платиновый (ТСП) 1 1П (Pt 1) О... +1100 10 10 IОП (Pt 10) -200.. . +юоо 50 50П (Pt 50) -260... + 1000 100 IООП (Rt 100) -260... +1000 500 500П (Pt500) -260... + 300 Медный (ТСМ) 10 \ОМ (Си20) -50... +200 50 БОМ (Си50) -50.. . +200 100 IOOM (CulOO) -200... +200 Никелевый (ТСН) -60... +180 Стандартом ГОСТ 6651 - 84 на терморезистивные преобра­ зователи нормируются допустимые отклонения сопрот ивле­ ния Ro при температуре О 0 С в процентах от номинального
значения (табл . 2.7) , а также допустимые отклонения отно­ шений W 100 сопротивления R 100 при 100 °С к сопротивлению Ro (т а бл. 2.8) для разли чн ых классо в точности . Таблица 2.7 Пределы допускаемых отклонениil сопротивления Ro от номинального при О 0 С значения, % Класс допуска Ти n преобр а зователя ,"А.,.,,. в с Платиновый (ТСП) ±d,'05 ± 0,1 ± 0,2 Медный (ТСМ) - ±0,1 ±0,24 Никелевый (ТСН) - - 0,24 Таблица 2.8 Наименьшее допускае мое значение •W R1 00 отношении 100 = R o На и меньшее допус1< аемое эн а'!ени·е W 100 для раз пи 11.1i ЫХ классов Тип пре- образ о- Ном и- вателя А в с нальные значения W 100 тсп 1,3845 1,3840 1,3835 1,3850 1,3905 1,3900 1,3898 1,3910 тем - 1, 4250 1,4240 1,4260 1,4270 1,4260 1,4280 Независимо от классов допуска имеются по два номиналь­ ныя значения W 100 для ТСП (1 ,3850 и 1,3810) и для ТСМ (1 ,4260 и 1,4280) и один для ТСН (1,61 70 для класса С). Основ ными источниками погреш носте й терморезист и вн ы х преобразователей тем пературы явл яются неточность подгон­ ки Roи отклонение W100 от номинального, а также нестабиль­ ность эт их параметров за время э кспл у ат ации, причем в р е ­ менные изменения Ro и R100 зависят от измеряемой темпера­ тур ы [2 .22 .. . 2 .25) . Относи тельн ы е погрешности терморезис­ тивны х пр еобраз ователей (в %), обусл овленные неточ­ ностью подгонки Ro и отклонением W100 от номинального зна­ чени я , определяютс я выражениями [2.22) 1+At+Bt2 бnод2= 6Ro (А+2Вt)t · 100 ( 2.29) дА ботнош = А + 2Вt 100, (2.30 ) 81
где бRо - ·относительное отклонение Ro от номинально го зна ­ чения; дА - отклонение коэффициента А от номинального значения. Поскольку дW100 дА~ 100 ' дW100 ботнош ~А+ 2Bl' (2.31) где Д W1 00 = W100 - W1ооном; W100 и W1ooiwм - действитель­ ное и номинальное значения отношения 1( 100 и Ro соответ­ ственно . Нестабильность терморезистивных преобразователей (ТРП) объясняется изменением значения Ro и W1o o вследствие за ­ грязнения чувствительного элемента конструкционными ма­ териалами. Погрешности, возникающие вследствие измене - "' ний Ro и W10o, имеют разные знаки, поэтому они частично компенсируютс я. В технических условиях на преобразователи указывают ­ ся допускаемое значение тока через чувствительный элеме нт и вызываемый им нагрев с соответствующим изменением со ­ .противления при внешней температуре О 0 С. Поскольку в ТПР объем материала чувствительного элемента по срав­ нению с объемом пространства, занимаемого самим элемен ­ том незначителен, поверхность охлаждения целесообразно . определять как по ве р хн о ст ь про вол оки ЧЭ или принять [2.22] , что нагрев ЧЭ измерительным током 1 равен дt= с12 4Р n2dз • откуда ток нагрева 1 = С'dз12 дt•12, с,л где = 2="-т:с; L;-VP" - ' . С - коэффициент пропорциональности, равный ь.;s (S - поверхность· охлаждения проволоки) ; Р - мощность, выдеJ1яемая в термопреобразователе; d - диаметр проволоки ЧЭ; р - удельное сопротивление проволоки . Если погрешность от нагрева должна быть пренебрежи - u u 1 б u мо малои, то ее принимают равнои Б предела а солютнои до- пускаемой погрешности изменения температуры д tдоп, то есть дна rр· = Дfдо п 5 82
Тогда максимально допустимое значение измерительного тока определится из выражения 12/12 _ .6 кагр i·c - l1·c . Откуда нетрудно получить 1= 11·с -J,v:~ , (2.32) где 11 о с - значение тока , вызыJ~а~щего нагрев ТРП на l 0 С в диапазоне температур от tт;п До tmax ; tN - нормирующее значение диапазона измерений, рав­ ное tmax - tт;п; у - допускаемая приведенная погрешно 1~ть измерения температуры . 2.4.3. Конструкции терморезистивных преобразователеИ Конструктивные формы чувствите.'!Ьных ЭJ1ементов термо ­ резистивных преобразователей температуры в зависимости от пределов преобразуемых температур, условий эксплуата ­ ции и т. п . очень разнообразны . В последнее время была про ­ ведена большая работа по унификации конструкций и харак ­ теристик терморезистивных преобразователей [2 .25, 2 .26] . Одна из наиболее распространенных конструкций чувстви ­ тельного элемента современного платинового терморезистив ­ ного преобразователя температуры (рис . 2 . lOa) имеет вид спирали 3, помещенной в канавках двух- или четырехканаль ­ ного керамического каркаса 2 и уплотненной порошкооб ­ разной окисью алюминия / . Окись алюминия является хо ­ рошим электрическим изолятором, обладает большой тепл о ­ стойкостью и хорошей теплопроводностью . Крепление п.1а­ тиновой спирали к каркасу осуществляется с помощью гл а ­ зури на основе окиси алюминия и кремния. Такая конструк ­ ция отличается хорошей герметичностью и малой загрязня­ емостью, обеспечивает незначительн ые механические напря­ жения в материа л е чувствительного эл емента, высокую за ­ щищенность платиновой спирали, позволяющую в отдел ьных случаях использовать тер мопреобразователь без защитной арматуры . Чувствительный элемент медных термопреобразователей сопротивления представляет собой бескаркасную обмотку 1 из медной изолированной проволоки (рис . 2.10,6) . Сверху обмотка покрывается фторопластовой пленкой 3. Для обес ­ печения необходимой механической прочности обмотка по - 83
а ~~~~трукции чувствительных элементов терморез_.истивных преобразователей температуры: "'а - платинового; б - медно,го мещается в тонкостенную металлическую гильзу 2, засыпа­ ется керамическим порошком 4 и герметизируется. На рис. 2. ll показаны две конструктивные разновиднос­ ти погружаемых терморезистивных преобразователей темпе­ ~атуры. В приведенных конструкциях для защиты от влияния внешних механических воздействий чувствительный элемент 4 помещен в защитную арматуру 3 (обычно из нержавеющей стали)_ Для крепления датчика на об:ьекте исследования Рис. 2.JJ. Конструкция погружаемых ТРП 84
· Рис. 2.12. ;;. ~':'$· Конструкция поверхностного ТРП предусмотре н подвижный ил и неподвижны й ш туцер 2. Вы ­ воды чувствительного эл еме нт а внесены н а контакт ную ко ­ лодку головки 1 датчика (рис. 2. 10,а) , а в преобразователях без головки (рис . 2. 11 6 ) он и имеют соот ветствующую задел ­ ку и заканчиваются обычно наконечниками. Кроме погружаемых ТРП, выпускаются пове р хн остные термопреобразователи . Их назначение предопределило «плос ­ кую» конструкцию ЧЭ поверх н ост ного ТРП . Такой ЧЭ пред­ ставляет собой намотку из платины диаметром 0,05 мм, по ­ крытую винифлексовым л аком ; он установлен в не п осред ­ ственной бл изости от дна защитной гильзы (рис. 2. 12) . На рис . 2.12 обозначены : 1 - чувст ~;~ительный элемент ; отделен ­ ный от исследуемо го объекта и колодки 3 прокладками 2 ; 4- выводы. Это конструктивное решение положено в основу из готов ­ ления серийно выпускаемых поверхностных терморезистив­ ных преобразователей, обесдеч и в аюших верхний предел из ­ мерения температуры до 150 ° С. Платиновые терморезистивные преобразователи выпус ­ кают одинарными и двойными . В одинарный ТРП вмонти ­ рован один чувствительный элемен т, а в двой ном в общую арматуру помещены два чувствительных элемента, электри ­ чески между собой не связан н ые . Медные ТРП б ы вают толь ­ ко одинарными [2 .25]. 2.4.4. Типы и характеристики выпускаемых терморезистивных преобразователеИ Среди терморезистивных преобразователей, выпускаемых серийно, кроме погружаемых и поверхностных выпускают ТРП для преобразования температуры в помещениях. Некоторые типы и характеристики погружаемых ТРП при ­ ведены в табл. 2.9 . Под показателем тепловой и нерции в табл . 2.9 подра - 85
зумевается время, необходимое щ1 я того, чтобы при внесении ТРП в среду с постоянной температурой, разность темпера ­ туры среды и л юбой точки ТРП составила 0,37 значе ни я тем ­ пературы, которую имела среда в момент установления регу ­ лярного теплового режима [2 .25] . Показатель тепловой и нер­ ции ТРП, определенный при коэффициенте теплоотдачи, рав ­ ном бесконечности не должен превышать следующих зна че­ ний: для ТРП с бол ьш ой инерционностью - 4 мин; для ТРП со средней инерционностью - l мин 20 с ; для ТРП с мало й инерционностью 8 с. Таблица 2.9 Некоторые типы погружаемых ТРП Предел ы и~- Обозначения Показатель ТРП Иссле дуемая сре да мерения , гра дуировочной тепловой ;4 ос характеристики инерции . с ТСП - 0879 Жидкая и газообраз - ная -2 6 0... +600 РtБО 20 ТСМ- 1088 То же - 50... + 18( БОМ; IOOM 20; 30; 60; 120 ТСМ- 1188 -»- - 50... + 18( БОМ; IOOM 20; 40; 60; 120 "fСП-1287 - »- -2 2 0... +5ос Pt50; PtlOO 8 ТСП -0581 Жидкая и газообраз - О... 200 40 ная среда, не разруша - ющая арматуру ТСП - 361 - Вода морская - 2... + 3~ 0,5 - 01 ТСП - 1187 Агрессивные среды во -200. .. +500 Pt50; PtlOO 8 взрывоопасных поме - щениях ТСМ- 1187 То же - 50... +180 Си50 ; СиlОО 20 Си2000 ; Примеры типов и характеристик поверхностных ТРП и ТРП для измерения температуры помещений приведены в таблице 2.10 . Серийно выпускаемые поверхностные ТРП и ТРП для измерения температуры помещений Тип ТРП Исследуе м ая сред а Пределы из- мерен ия. ос .. ТСМ - 1388 Подшипники -50 ... +12с ТСП - 0987 Температура воздуха -50 ... +100 ТСМ-0987 То же -50 ... +100 Таблица 2.10 Обоз начения Показател ь гра дуировочной те пловой " характеристики инерции , с 50м 8 PtlOO 70 Си 50 70 В таблице 2. 11 приведены основные характеристики пре ­ образователей температуры в унифицированные сигналы , 86
т. е. собственно датчиков температуры, не только преобра ­ зующих тем пературу в сопротивление, но и обеспечивающих уси ление си г наJ1а первичных преобразователей , гальвани ­ ческое разделение цепей перви ч но го преобразования , анало­ го - цифровое преобразование сигнал а и получение токового сигнала 0 ...5 или 4 .. .20 мА. Таблица .2 .11 Преобразователи температуры в унифицированные сиги.алы Диапазон пре- Предеп ОС· :=-· ;i~' Тип новн ой ДО· ПоказатеJJ ь преобра - образуе м ых пускае мой тепловой При мечание те м nератур , зователя ·с поrрешиости , инерции , С % ТСПУ - 0183 -200.. . + 50 1,0 20; 40; 60 Диа п азон п реобразования -25...+ 25 1,0 - )) и предел основной допус- О... + 100 0,5 - »- каемой погреш ности за- О... +200 0,5 -»- висит от порядкового ио- + 50... + 100 1,0 - »- мера ис полнения -200...+ 50 1,0 - »- - 50... + 400 0,25 - ))- О... +600 1,0 - ))- ТСМУ-0283 О... + 50 1,0 - »- -»- - - 25... + 25 1,0 -»- О... + 100 0,5 - »- О... +200 0,5 -»- + 50... +100 1,0 - »- 2.4.5 . Погрешности измерения температуры посредством терморезистивных преобразователей и схемы включения последних При подключении ТРП к измерительному прибору в ос­ новном возникают погрешности, обусл овленные : отклонениями параметров ТРП (Ro, W 1o0 ) от номинальных при изготовлении и эксплуатации; основными и дополнительными по грешностями измеритель ­ ного прибора; наличием сопротивлений линий связи и их изменением при изменении температуры окружающем среды и во времени ; погрешностям метода измерения . При питании ТРП переменным током возникаю т погреш­ ности из - за наличия собствен ных парази т"ных емкостей и ин ­ дуктивностей чувствительного элемента ТРП и распределен ­ ных реактивностей линии связи . Рассмотрим погрешности бол ее детально . l . Погрешность ТРП зависит от точности подгонки со ­ противления отношения W 100• Как указано в [2.22] , при су ­ ществующих методах и средствах подгонки зна чения Ro ТРП весьма трудно обеспечить погре ш ност ь этой подгонки не бо - 87
лее 0,2 погрешности измерительного прибора . Поэтому ТРП следует подгонять по определенному классу, но сопротивл е­ ние измерять на порядок точнее по сравнению с этим классом, указывая на термопреобразователе и его точное значение, а в измерительном приборе предусмотреть возможность учета неточной подгонки чувствительного элемента [2.22, 2.23] . По грешность из-за отклонения от номинального зна чен ия W 100 в основном определяется значением отклонения коэф­ фициента А [2.25]. Для повышения достоверности резуль ­ тата измерения рекомендуется [2 .22] подбирать значение отношения W100 по классу В, указав на ТРП это значение с округлением до + 0,0001 и в измерительном (вторичном) приборе предусмотреть возможность учета отклонения W100 рт номинального . Необходимо также ·учитывать изменение '\v 100 в процессе эксплуатации, зависящее не только от вре ­ мени наработки п ри о пр еделенной температуре, но и от усло­ вий эксплуатации . Кроме рассмотренных погрешностей , терморезистивным преобразователям присущи погрешности от самогрева тела резистора измерительным током . С точки зрения обеспече ­ ния ничтожно малой погрешности от нагрева значение тока, протекающего через резистор, нужно выбирать как можно меньше, но при этом резко падает чувствительность измери­ тельной цепи, в которую включен чувствительный элемент ТРП. Поэтому при заданной погрешности измерения у значе­ ние тока / целесообразно определять из выражения (2.32). 2. Если в качестве измерительного прибора применен ана­ логовый (показывающий или регистрирующий) прибор, класс точности которого определяется пределом основной допускаемой . приведенной погрешности у, то предел относи­ тельной погрешности данного показания прибора fJ находит ­ ся из выражения где XN - нормирующее значение, которое устанавливается в зависимости от вида шкалы; Х - показание прибора. Например, если измерительный прибор, в цепь которого включен чувствительный элемент . ТРП на данном этапе имеет пределы измерений 200 и 600 ° С , тоXN= 400°С. В случае использования в качестве вторичного цифро­ . вого прибора, его класс точности, как правило, записыва­ ется в виде дроби cf d· Тоrда предел относительной погреш­ ности прибора при показании определяется по формуле
б=с+d( 1 ~1-1]- 3. Погрешность от влияния сопротивления линии связи ТРП и измерительного прибора зависит п режде всего от ви­ да измерительной схемы, поэтому эти погрешности рассмот­ рим ripи описании методов подключения чувствительного элемента ТРП в измерительную цепь . Особое внимание нуж­ но уделять выбору способа подключения в измерительную схему ЧЭ преобразователей, имеющих незначи тельное сопро­ тивление при Т = О 0 С (0,01 ...(}, 1,~f>м). Такие ТРП из туго­ плавких металлов и сплавов используются для измерения высоких температур . В зависимости от конструктивного исполнения ТРП воз­ можно его подключение в измерительную схему посредством двух, трех или четырех проводов . Двухпроводная схема мо­ жет быть использована только для измерений при непосред­ ственной близости объекта измерения, на котором размещен ТРП, и измерительного прибора. При любом методе измере­ ния сопротивления ТРП с двухпроводной линией связи воз- . никает погрешность: бл= дRл1!дRл2·IOO%. где /:::,. Rп1 и /:::,. Rп2 - изменения сопротивлений линии при изменении температуры внешней среды и во времени. Номинальные значения Rл 1 и Rл 2 нетрудно учесть при гра­ дуировке прибора. Рис. 2.13. Rm Трехпроводное подключение ТПР в мостовую схему ТРП с тремя соединительными проводами очень часто включают в мостовые измерительные цепи [2.27] (рис. 2. 13). На рис. 2.13 обозначены: R1 - сопротивление ЧЭ; R1 и R2 - сопротивление плеч моста; Rз - сопротивление плеча срав­ нения; Ип - напряжение питания моста; Н. О. - нуль-ор· ган (указатель равновесия мостовой схемы) . 89
Из условия равновесия моста (Rt + Rлз) R2 = (R1 + + Rл1) Rз можно определить R- R1Rз+RзRп1 - R2Rпз ,_ R2 . Если учесть лишь изменения сопротивлений линии, то отно­ сител ьная п огре ш ность от влияния л инии б_ЬR.1 _ ЬR.,зR2 = Ь Rп~ _ ЬRпз •- R1 R1R з R1 R1. Отсюда следует, что когда изменения сопротивле ния Rл 1 и Rп2 равны, погрешность от влияния сопротивлений линии мо­ жет быть равной нулю лишь в одной точке диапазон а измере ­ ния , когда Rt = R 1. Эту точку можно выбра ть посредин е диапазона,т.е.R1 = Rtmax - Rimiп и таким образом умень- ~ шить влияние во всем диапазоне. При использовании неуравновешенных мостов выходное напряжение моста не только зависит от R1, но и является не­ л инейной функцией приращения сопротивления одного из плеч [2.27] . Включение мостовых схем в цепях обратных свя­ зе.й операционных усил ителей дает возможность устранить оба недостатка [2.28] . Ио 1 Рис. 2.14. Включе ние термоэлектрического моста в цепь ООС опера ци онно г о ус илителя Рассмотрим мостовую схему (рис. 2.14) . в которой ЧЭ (R1) подключен посредством трехпроводной л инии, а ча сть моста включена в цепь последовател ьной отр и цательной об­ р атной связи (ООС) по выходному току [2.28] . На резисто ­ ре Rз с помощью операционного усилителя (ОУ) поддержи ­ вается постоянное напряжение. равное опорному Ио. За счет эт о го поддержив а ется постоя н ст во тока через сопрот и вл е­ ние R1независимо от изменения R1 и R.2. Если R1= R2 = = Rз = R1 и R1= Ro + /:::,. R1, то выходное напряжение 90
Рис. 2.15. Трехпроводное подключение ТРП в цепь ООС операцнонноrо усилителя Ио R2 Ио И.ых=Rз(R2+Rз+R,,1+Rп2)Ri+R2- R2(Rз+Rп2)= Ио = 2Ro(.6R1 +Rпt - R,,2). Таким образом, при использовании в мостовой схеме ОУ до­ стигается двойной эффект : устранение влияния на результат преобразования сопротивлений линии при дRл t = дRл 2 и линейная зависимость Ивых от д R1• Нелинейность функции Ивых ( Д R1) можно скорректировать, включив мост в цепь пол ожительной обратной связи [2.28] . Терморезисторы можно включать в uепи обратных свя­ зей операционных усилителей и без мостовых схем [2.27, 2.28] . На рис . 2. 15 изображен один из возможных вариантов та­ ких схем с трехпроводным включением ТРП . Обеспечив в этой схемеR4+Rs= R2+Rз,получим Ивых = E(R1 + Rл1)/R5 + Rл2· Рис. 2.16. Схема включения ТРП с двумя источниками тока При дR111 = дR11 2 можно устранить влияние линии в одной точке шкалы при R1 = Rs. Устранить влияние линий связи при трехпроводном под­ ключении можно и с помощью генераторов тока [2 .28] . В 91
R, )и, Рис. 2.17. Трехпровод ное подключение ТРП к двум идентичным источникам тока схеме, изображенно й на рис . 2.16, выходное напряжение определяется как Ивых=И12 - И11 - Ил~+Ил2- Илз =2/oRo- foRo- foRлt+ +2/0Rл1 - f0Rл2 = foRo - /о(Rл2 - Rл1). Аналогично для схемы, изображе н но й на ри с . 2. 17 , имеем Ивых=И1 - Ил\ - Ил2= foRt +fo(Rлt - Rл2). Как видно из п ри веденных выражений , при равенстве Rл1 и Rл2 влияние проводов соединител ьных л иний взаимокомпен ­ сируется . Используя четырехпроводную линию, можно включа ть ТI;П в цепи как отрицательных, так и положительных обрат ­ ных связей (ПОС) . Один из возможных вариантов схем ы , когда резистор R1 включен в цепь ПОС операционного уси­ лителя, показан на рис. 2.18. Преимуществом такой схемы является возможность за1<' \1 .1ения R1• _" Выходной ток схемы Иt!ых Рис. 2.18 . Четырехпровод ное подключе ние ТРП в цепь обрат ной связи ОУ I= Ео R 2R4 R1R2R· +(R2R4 - R1Rз) (Rt+ Rл1 +Rл2) . При R2R4 = R1Rз зависимост ь существенно упро щается и1= Eo/R1. При определенных соотношениях резисторов, наруша ­ ющих усл овие равновесия моста на резисторах R1, R2, Rз и 92
R4, можно достичь необходимой нел инейност и функции пре­ образ ов ания с хе мы, кот о рая может скомпрометировать не ­ линейн ую зависимость R1 = f(t). Погреш ности линеа ри зации явля ются методическими и могут быть почти устранены при использовании аналоговых измерителей с неравномерными шкалами. Е сл и же используются аналоговые либо цифровые изме­ р ители с линей н ыми шкалами, то п р и широких диапазонах измерения температуры с высокой точностью необходимо при'менять те или иные методы ~Иtifеаризации общей функции преобразования [2.29]. 2.5. ПОЛУПРОВОД НИКОВЫЕ Т ЕРМОДАТЧИКИ 2.5.1. Термо рези стор ы Терморезисторы могут иметь отрицательный и положи ­ тел ьный те мператур н ый коэфф иц и ент соп ротивления. Тер­ морезисторы с отрицательным температурным коэффициен­ том состоят в основном из смесей окисей металлов, которые при высоких температурах сплавляются в форме маленьких шариков, пластинок. стерженьков раз:v~ерами от 0,2 до 0,5 мм. Возможность получения их малых размеров уменьшает иска - жение измеряемых температурных полей и улучшает дина­ мику процесса измерения. В то же время несовер шенство процесса изготовления является основным источником не­ идентичности характеристик образцов и требует индивиду­ альных компенсирующих устройств. Пределы устойчивой работы этих термисторов лежат в диапазоне - 100 .. .400 °С [2.30, 2.31] . Погрешность с учетом измерительной схемы составляет 0,1... 1 % от диапазона измерения. Терморезисторы с положительным температурным коэф­ фициентом для некоторого диапазона изготовляют из сегне­ тоэлектрически х керамических м атериалов. Диапазон преоб­ разования их составляет 20...200 °С, но используются глав­ ным образом нижний предел из-за недостаточно высокой восп ро из водимости и стабильности в верхней части диа па ­ зона. В последнее время разверн улись работы по созданию но ­ вых полупроводниковых термочувствительных элементов, устраняющих в значительной мере названные недостат­ ки (2. 32]. К ним относятся полупроводниковые тер море ­ з исторы на ос но в е органических материалов. Температур- 93
ный коэффициент удельного электрического сопротивле­ ния для всех изученных органических материаJlОВ от рица­ телен, причем для органических полимеров с полупровод ­ никовыми свойствами характерно, как и в случае неор га ­ нических полупроводников, экспоненциальная зависимость удельного электрического сопротивления от температуры . Органические терморезисторы обладают рядом преиму ­ ществ . Так, при температуре до 700° С они практически не­ чувствительны к радиоактивным излучениям, а также имеют малую чувствительность к концентрациям различного рода пр.имесей, что значительно облегчает получение терморезис­ торов с идентичными температурными и вольт-амперными ха­ рактеристиками . По - видимому, для терморезисторов, изго ­ товленных на основе ор ганических полимеров различно й структуры, при использовании определенных технологичес- "'ких приемов можно обеспечить полу ч ение различно й тер м о ­ чувствительности и вол ьт - амперных характеристик зад анного вида . В настоящее время получают распространенные термо ­ резисторы на основе монокристал л ических структур, кото­ рые могут быть изготовлены по метода:м дендритной кристал ­ •лизации, газотранспортных реакций или по методу Степа­ нова . Перечисляя кратко все достоинства монокристаллических терморезисторов, следует отметить прежде всего, что их тем­ пературная чувствительность не уступает температурно й чувствительности поликристаллических структур и состав ­ ляет от 0,6 до 3 % (и выше) на Кельвин ; они вполне взаимо ­ заменяемы, в особенности по коэффициенту температурной чувствительности, что позволяет получать технологическим путем идентичные по этому параметру партии терморезисто ­ ров в 50 шт . и более; обладают хорошей воспроизводимостью и стабильностью, малоинерционны благодаря тому, что нити монокристаллов могут достигать в диаметре доли микрона ; допустимая температура составляет ОТ 300 ДО 1000 °С ; обес ­ печивают большой диапазон получения требуемых значени й номинального сопротивления (от десятков Ом до десятков кОм), при этом номинальное значение сопротивления, изме­ ренного при комнатной темпера туре среды, для германиевых монокристаллических терморезисторов равно 40-500 Ом , для германиевых терморезисторов, изготовленных по методу Степанова, от десятков Ом до единиц кОм; для терморезисто ­ ров, полученных методом газотранспортных реакций, - от 500 Ом до 10 кОм; монокристаллические терморезисторы имеют линейную температурную характеристику в широком диапазоне температур ; допускают пол учение при необходи - 94
мости положительно го, равного нулю, или отрицательного температурного коэффициента сопротивления . Конструкция терморезисторов. Полупроводниковые чув­ ствительные элементы в зависимости от требуемого диапазо­ на измерения защищают стеклянной, керамической или стальной оболочкой или покрывают слоем лака . Полупро­ водник располагаются как можно ближе к рабочему концу термодатчика и защищают теплопроводной оболочкой , лучше всего из серебра. За;цитный чехол из готовля~s"~· из нержавеющей стали с низкои теплопроводностью. Чтdоы избежать погрешности за счет теплопроводности, внутреннюю полость датчика за­ сыпают кварцевым песком . Принцип действия. Основные характеристики и расчетные соотношения . В термисторах используются свойства полу­ проводников с увеличением температуры изменять свое со­ противление . Основными характеристиками термисторов яв­ ляется температурная R = cp(t) и вольт-амперная И= cp(l), примерный вид которых показан на рис . 2.19, 2.20. Из этих характеристик следует, что некоторые типы термисторов мо­ гут применяться при малых токах в качестве стабилизаторов напряжения . кОм R 50 40 30 20 10 о т 273 353 "135 513 593 к Рис. 2.19. Пример температурной характеристики терморезистора 475 Рис. 2.20 . Пример вольт-амперной характеристик!! 513 Температурная характеристика обычно определяется экспериментально. С некоторым приближением в диапазоне температур от + 20 до 150 °С ее можно рассчитать, если воспользоватьсн формулой [2 .30 . . .2 .32] 95
"' R = Аев/Т, где А и В - коэффициенты, постоянные для данного экземп ­ ляра терморезистора; Т- температура среды в Кельвинах, равная t [ 0 С] 273,16; е - основание натурального логарифма . Коэффициенты А и В иногда даются в паспорте термис ­ тора. Их можно определить и а н алитически, если измерить значения сопротивления термистора Rт 1 и Rт2 при температу ­ рах окружающей среды Т 1 и Т2. В этом случае коэффиuиент В находится по формуле B=~ln~. Т2-Т1 R" При известном В коэффициент А определяем из равенства: А = R11e-в/t1_ Термисторы обладают большим внутренним сопротивлением (сотни и тысячи Ом). Поэтому изменения сопротивления под­ водящих проводов мало влияют на точность измерения . К • достоинствам также относятся большой срок службы (ты­ сячи часов), дешевизна и простота обслуживания [2.12) . Статическая вольт-амперная характеристика полупро­ водниковых терморезисторов представляет собой зависи­ мость между протекающим через них током и падением на­ пряжения при установившемся режиме нагрева. Так как при прохождении через терморезистор тока в нем выделяется тепло, температура рабоче-го тела оказывается выше температуры окружающей среды. Сопротивление тер­ морезистора принимает значение, соответствующее этой сум­ марной температуре (температура среды плюс перегрев) . Поскольку сопротивление связано с температурой, нелиней­ ной зависимостью, вольт-амперная характеристика снимает­ ся экспериментально при постоянной температуре окружа­ ющей среды. Основные статистические характеристики полупроводни­ ковых резисторов приведены на рис . 2 .21 . Из них представляет интерес характеристика дендр итно­ го терморезистора (ДТ). Температурные характеристики ДТ можно разделить на три участка . Первы й участок отвечает выражению R2 = R1 + L1(T2 -Т1), где L1> О - коэффициент температурной чувствитель­ ности:
Тип даmчина Температурная Вольт-амперщя Материал Чу8ст8итвль mемперцтуры :сарактерисmина :сарантерисfrlШ{й ность на 2Рйдус R и Полималенитрил. Органические ~' lc_, полицианодая до.'5 % терморезисторы кислота, простые и более и нонрадикальные соли тетрациан- :синондиметана ' ~ R lL;:, I/'\ т до 3% § Дендритные и оолве ;J ~~ ~ R и " !: L, ~, "' Выращенные по ме - до 1% 5 тоду газотранспортr §1 ных реакций ~ "' ~ R и " ПолученНые по спо I"- т~/ оолее3% ~ coiJy Степано8а ~ ~ Рис . 2.21. Статические характеристики полупроводн иковых датч иков L _ R2-:-- R1 1 - Т2- Т1' где R 1 и R2 - экспериментально полученные значения сопро ­ тивленийДТприТ1= 239КиТ2=373К. Второй участок определяется значением сопротивления R= Rc= const;L2= О. Третий участок также имеет линейный характер R= R4 - Lз(Тз - Т4), где Lз<О; Rз--R4 Lз=Т Т' 3- 4 RзиR4-сопротивленияДТприТ =453К,Т4=413К. Таким образом , при разл ичных температурах на участках 1, 3 и 2 можно получить соответственно положительную, отр и­ цательную чувствительность и нечувствительность к те мп~ ­ ратуре монокрис таллических дендритных терморезисторов . При изменении температуры терморезистор может быть включен в обычную мостовую схему. Значение тока в чувстви­ тельном элементе не должно превышат ь доriустимого, опре ­ деляемого по вольт - амперной характеристике. Основная про ­ блема в создании систем для измерения тем пературы состоит " 7831-0 97
в разработке преобразователей температуры. которые могли бы следить за изменениями входной температуры с достаточ­ ной скоростью . Практически динамические характеристики реальных датчиков определ яются экспериментальными мето­ дами . Увеличение тепла в датчике изменяет его температуру в соответствии с известным выражением dQ dТд dt + РлVлСл dt, где ~9~ тепловой поток в датчике; рд - средняя плотность датчика; Vд - объем датчика; Сд - средняя теплоемкость датчика; Тд - температура датчика. h ~ Тепловой поток в теплообменнике датчика состоит из трех составляющих : конвекционного теплового потока через жидкостную плен­ ку на поверхности датчика; теплового потока за счет радиации; теплового потока через конструктивные элементы крепле- tшя. - 2.5.2. Схемы включения полупроводниковых резистивных датчиков т~мnературы Отличие измерительных цепей для терморезисторов от обычных цепей омметров заключается в более узком диапазо­ не измерения измеряемого сопротивления и в необходимости учета сопротивления проводов, соединяющих термометр со­ противления с измерительной цепью. Если используется прос­ тейшая двухпроводная линия, то может возникнуть погреш­ ность от температурного изменения сопротивления этой ли­ нии. При применении высокоомных термометров эта погреш­ ность может быть принебрежимо мала, однако в большин­ стве практических случаев, когда используются стандартные термометры сопротивления, ее приходится принимать во вни­ мание. Для уменьшения погрешности от изменения сопротивле­ ния соединительной линии применяют трехпроводную линию . При этом термометр подключают к мостовой цепи так, чтобы два провода линии вошли в разные плечи моста, а третий оказался подключенным последовательно с источников пи ­ тания. На рис. 2.22 приведена схема моста, содержащего термометр сопротивления, присоединенный трехпроводной линией . 98
Рис. 2.22 . Включение терморезистора по трехпровод ной схеме Rп2 --с= -._-----+---~ Ио R, Rпз - -с: >------+-~ Ro• --c:J1------~ '"' ~1:>uc. 2.23 . Включение терморезистора по четырехпроводной схеме Исключить влия ние сопротивлени'il соединительной лини и можно, используя четырехпроводные включения терморезис­ тора, как это показано на рис . 2 .23 . Ток через те рм орезистор должен быть задан, поэтому при такой схеме включения тер­ морезистора, его питают от источника стабильного тока. При создании малогабаритных датчиков темп ературы возникает задача повышения их температурной чувствитель­ ности и уровня выходного сигнала. Эта задача решается дос­ таточно просто, если в обычной ус илитель н ой схеме ис пол ь­ зовать вместо какого -л ибо линейного элемента те рм очувстви ­ тельный полупроводниковый прибор . Преобразователь типа Н П - С предназначен для линейно­ го преобразования эл ектри ческого сопротивления термомет ­ ра стандартной градуировки в унифицированный сигнал по­ стоянного тока 0-5 мА. Принципиальная схема преобразов ателя НП-С приведе­ на на рис. 2.24 . Преобразователь состоит из неуравновешенного моста, магнитного модулятора, тр анзисторного усилителя и источни­ ка питания. Термометр сопротивления R1 подключается по трехпроводной схеме к измерител ьн ому мосту , состоящему и з резисторов R2, Rз, R4- Питание мост а осуществл яется от стабилизированного выпрямителя на диоде VД3, с емкостным сглажывающим фильтром С 1 и двухзвенным параметрическим стабилизато­ ром на диодах VД 1 и VД 2• Резистор R5 служит для установки рабочего тока моста, равного 10 мА, резистор RБ. выпо,т-1я­ ющий функцию температурной компенсации, выполненныi из медной проволоки. 7* 99
Выход l3 Контрол 13 Рис. 2.24 · Нормирующий преобразователь НП-С
Сигнал разбаланса , снимаемый с диагонали моста, пре ­ образуется с помощью магнитного модулятора (ММ) в сиг­ нал переменного тока с частотой 100 Гц, который затем уси­ ливается. С помощью ко нденсаторов Сз и С4 вторичная об­ мотка ММ настраивается на частоту l 00 Гц. Рез исторы во втори;чной обмотке подбираются из условия ба.панса моду.пя­ тора. Установка нуля ММ производится с помощью специаль­ ного магнитного корректора. После усиления сигнал пере ­ менного тока преобразуется в выходном каскаде в нормиро ­ ванный сигнал постоянного тока. Выходной каскад пред­ ставляет собой фазочувствитёJr,~1fый уси.питель . Фазовые сдвиги, возникающие при усилении сигнала, компенсируют­ ся введением фазосдвигающей цепи R2з, С8 . 2.5 .3 . Паспортные данные некоторых терморезистор ов и датчиков на терморезисторах Как уже отмеча.пось, выпускаем ые в настоящее время терморезисторы прямого и косвенного подогрева обладают значительным разбросом характеристик. В последнее время развернулись работы по созданию новых полупроводниковых терморезисторов, у которых в значи тельной мере указанные недостатки устранены. Для работы в радиотехнической аппаратуре использу­ ются терморезисторы ТК-2-50, ТК-2 -50А, ТК-2-75, ТК-2-75А, ТВ-2-250, ТВ-2-250А, их можно испо.пьзовать на частотах до 10000 МГц . Другие применения терморезисторов (2.13, 2.31, 2.32] : для измерения и регулирования температуры : ММТ-1, ММТ- 4, ММТ-5, ММТ-6, КМТ-1, КМТ - 4, НКМТ- 4 , КМТ-4Е, МКМТ- 16, СТl-17, СТl-18, СТl - 19, СТ3-17, СТ3-18, СТ -25; для термокомпенсации раз.пичных э.пементов электричес­ кой цепи, работающих в широком · диапазоне температур : ММТ-8, ММТ - 9, ММТ-12, ММТ-13, КМТ-8, СТI-17, СТ3-17, СТ3-23, КМТ - 10, KMT-llA, KMT-ll, КМТ- 1 2, КМТ-14, КМТ-17, ТКИ-1, ТКИ-2, ТКИ - 3. для систем теплового контро.пя, основанных на использо­ вании релейного эффекта: КМТ - 10 и КМТ - 11, СТI-21, СТ3 -2 1; СТЗ-22, СТЗ-27; СТ5-1, СТ6-1, СТб -2 . для работы в качестве чувствительного элемента при из­ мерениях мощности сверхвысокочастотных колебаний от до­ лей микроватта до единиц милливатта : Т8Д, Т8Е, Т8М, Т8Р, Т8С 1, Т8С2, Т8С3, Т9, Т8С 1М , Т8С2М. Т8С3М, ТШ 1, ТШ2 . для стабилизации напряжения в цепях постоян н о го и пе­ ременного токов : ТП2/О,5, ТП2/2, ТП6/2, в качестве регул ируемых бесконтактных резисторов в 101
цепях автоматики: ТКП-20, ТКЦ-50А , ТКП-50Б, ТКП-300. ТКП-450 . Основные параметры некоторых терморезисторов для преобразования температуры приведены в табл . 2.12. Таблица 2.12 Основные параметры некоторых терморезисторов Тип терморезистора Параметры ММТ! КМТ! ММТ4 КМТ4 КМТ4Е МКМТ4 ММТ5 ММТ6 МКМТ\6 ИнтерваJJ ра- от 60 от 60 от -60 от -60 от-60от-60от - 70от-60от -60 бочих темпе- до до до до до ДО до до ДО ратур. 0С +125 180 120 125 85 125 125 120 120 Отиоснтель - иая влаж- 80 80 98 98 98 98 98 80 80 ность % Атм ос ферное д авJJение , мм рт. ст. нанмень- " шее 2 2 2 2 2 10 2 2 1 наиболь - шее 7600 7600 7600 7600 7600 7600 7600 1520 7600 Диапазон но- м ннаJJьных 1-220 t22- 1000 1- 200 t22 - IOOO 22- IOOO 22- :13 1- 1О 100 2.7и соnротивле- ннй . кОм 1 - 200 5,1 ДопустимыС' - ОТКJIОНения +20 +20 ±20 +20 +20 ±20 - ±20 СОРlрОТНВJJення от ном.• % Постоянная 85 85 115 115 115 115 90 35 4 времени , с Постоянная 2060- 3600- 2060- 3600- 3600 3600 2060- - - в,к 4300 7200 4300 7200 2920 Коэффициент рассеива- 4,5 - 8 - - - - ния. мВ - т/К Темnератур- ~ыи коэффн - uиент: - 2.4 - 4.2 -2.4 -4.2 - 4.2 - 3,8 -3.4 -2,4 -4.О с о против- лен ия %/ /К -5,0 -8.4 -5.О -8.4 -5.О 1 В настоящее время Витебским заводом электроизмер и­ тель ны х приборов серийно выпускаются термометры сопро­ тивл ения универсальные ТУ7 -48 д.пя дистанционного изме­ рения температуры мае.па, охлаждающей жидкости и возду ­ ха в карбюраторе авиационного двигателя; термометр сопр о­ тивления типа ТП -2, для дистанц ионно го измерения темпера­ туры Боды и масла энергетических узлов ; термометр наруж ­ ного воздуха типа ТНВ-15 - для дистанционного измерения температуры воздуха; термометры универса.пьные электри­ ческие типов ТУЭ-41 , ТУЭ-51, ТУЭ-61, ТУЭ-71 - для экспе­ риментальных замеров температуры, а также пол упроводни­ ковые регуляторы температуры типов ПТР-2, ПТР-3 , ПТР- -' 102
П, ПТРВ -2Т, ПТРВ-ЗТ, П ТРВ-ПТ , выпускаемые Орловским заводом приборов. 2.5.4. Тер модиоды Поскольку в подразделе 2.5 излагается материал по созданию и применению по.пупроводниковых термопреобра­ зователей в этом параграфе рассмотрим особенности исполь- зования термод иодов. ,:с ""1 - Пол упроводниками являются ·· химические соединения­ окислы металлов (оксиды), сернистые соединения (сульфи­ ды), а также химические элементы: германий, кремний, тел­ лур, селен и др . соединения с селеном ( селеноиды). П роводимость полупроводника с увеличением температу­ ры растет. Идеальный (без примесей) полупроводник обла­ дает электронной типа п и дырочн ой типа р проводимостью . Вид примеси изменяет характер проводимости . Основным э.пементом полупроводниковых диодов яв.пяет ­ ся контакт между полупроводниками типа р и п, так назы ­ ваемый р-п переход. На рис . 2.25 показана вольт-амперная характеристика диода I a = f (U а) . Из характеристики видно. что при прямом напряжении U пр в десятые доли вол ьта пря ­ мой ток Iпр имеет зна чение в десятки милл и_ампер . кОм R LJOO \\ 300 1 1 1 200 1 100 о т 273 303 333 к Рис. 2.25. Обратные вольт -амперные характеристики некоторых типов германиевых диодов приТ=293К ви Д7ГДЗО2 Д7Е 150 {30 о 80 Рис. 2.26. Температурная . характеристика диода Д7 Г 160 Температурная характеристика диода (рис. 2.26) пред­ ставляет собой зависимость началь ного статического со­ противления или тока насыщения от температуры 103
или В/Т R = Rooexp вв) Io= Io1exp(r,- Т2• Зависимость обратного тока от температуры и вольт-ам ­ перная характеристика позволяют использовать полупровод­ никовый диод в качестве датчика температуры . В качестве датчиков температуры широко применяют германиевые и кремниевые диоды. Они делятся на плоскост­ ные и точечные . На рис. 2.27 приведено устройство диодного датчика температуры . В плоскостном диоде на кристалл германия типа п нано­ сят маленький кусочек индия. при темнературе около 500 °С мндий расплавляется на поверхности германия и диффу н ­ дирует в него. а Рис. 2.27. Устройство диодного датчика температуры: .а - точечного; 6 - плоскостного VD . Рис. 2.28. Принципиальная схема диодного датчика температуры Часть германия растворяется в капле индия. После охлаж ­ дения между индием и кристаллом германия образуется сло й, обладающий проводимостью типа р . Застывшая капля слу ­ жит электрическим контактом с дырочным слоем, а контакт с германием выполняют из свинца или олова. В точечном диоде образован контакт кристалла герма ­ ния с вольфрамовой проволочкой. В процессе изготовления диода около контакта с проволочкой образуется небольшая область, обладающая проводимостью типа р . Поверхность кристалла покрывается защитным слоем ла­ ка или герметизируется в специальном баллоне. 104
Ioap. Рис. 2.29 . Вольт- амперная характеристика диода г------, 1 vn, vn2 1 1L _____ _J и- !Rн c:J Uво1х Рис. 2.30. Принципиальная 1 схема датчика температуры с двумя диодами У точечных диодов мала междуэлектронная емкость из-за малой площади р- п перехода. Поэтому их можно использо- вать на более высоких частотах. · Эти диоды обладают малым значенИем обратного напря­ жения. Достоинством диодных датчиков температуры яв­ ляется малые габариты и масса, большая механическая проч­ ность и большой срок службы, высокая чувствите.пьность и малое потребление тока. Принципиальная схема диодного датчика температуры приведена на рис. 2.28. По результатам измерения тока в цепи .можно судить о температуре среды. Выходной величиной диодного датчика температуры, как показано на рис. 2.29, является постоянный ток, что не совсем удобно с точки зрения усиления сигнала . Поэтому применяют схему датчика температуры с двумя диодами (рис. 2.30). Датчик может быть выполнен в виде одного монокристалла с двумя р-п переходами или в виде двух диодов. Питание схемы такого датчика осуществляется перемен­ ным напряжением, амплитуда которого не превышает допус­ тимого для данного диода уровня обратного напряжения. Выходной сигнал получают в форме переменного напря­ жения. Важную роль в работе датчика выпо.пняет сопротив­ ление нагрузки. При работе датчика с низкоомной нагрузкой возможно получить форму тока, близкую к знакопеременным прямо­ угольным импульсам (рис. 2.31). При работе датчика с высокоомной нагрузкой выходной . ·величиной является падение напряжения на нагрузке. Для измерения разности температур диодные датчики температуры выполняют по схеме двух включенных последо- 105
200 :яз к 100 Рис. 2.31. Ток в нагрузке датчика с двумя диодами вательно выпрямительных мостов, как показано на рис. 2. 32 . Чувствительные элементы (диоды VDт5, VDт10) включены в диа гонали мостов и преобразуют температуру в двух точках. Пи тание схемы переменным напряжением осуществ:rяется от тgансформатора Т. Ток, пр отекающий в нагрузке, равен раз­ ности токов двух мостовых схем. Фаза тока нагрузки ревер­ сируется при изменении знака входного си гнала, а амплиту ­ да яв.пяется одноз н ачной функцией разности температур. VD1 VDrs Рис. 2.32. Принципиальная схема диодов /VDтs и VDr10/ для измерения разности температуры Обратное сопротивление диодов VDтs, VDтio должно быть на порядок ниже начал ьно го статического сопротивления диодов-выпрямителей. Большим недостатком диодных датчиков является не­ идентичность их вольт -амперны х и температурных характе­ ристик. 106
Список литера туры к гл. 2: 2. 1. Л о r ин о в В. Н. Электрические измерения механических величии.­ М.: Энергия, 1970.- 80 с. 2. 2. ГлаrовскийБ.А.,ПивеиИ.Д.Электротензометрысопротив­ ления.- Л.: Энергия, 1972.- 88 с. 2. 3 . П у ч к и н Б. И. Приклеиваемые тензодатчики сопротиалеиия.­ М.: Л.: Энергия, 1966.- 88 с. 2. 4 . Электрические измерения незлектричес ких величии/ Под ред. П. В. Но­ вицкого.- Л.: Энергия, 1975.- 57&.1;.;;i 2. 5 . Н е м е ц И. Практическое применение тензорезисторов.- М.: Энер· гия, 1970.- 144 с. 2. 6 . Б а у м а н н Э. Измерения сил электрическими методами.- М.: Мир, 1978. - 430 с. 2. 7. П е р р и К., Л и сне р Г. Основы тензометрирования.- М.: Изд-во ин. лит., 1957.- 160 с. 2. 8. Х о р н а О. Тензометрические мосты.- М.: Госэнергоиздат, 1962. - 144 с. 2. 9. ВикулинИ.М.,СтафеевВ. И.Полупроводниковыедатчики.­ М.: Сов. радио, 1975.- 104 с. 2.10. Овечкин Ю. А. Полупроводниковые приборы.- М. : Высшая шк. 1979. - 105 С. 2.11. ПасынковВ.Б.,ЧиркинЛ.К.,ШинковА.Д.Полупроводни­ ковые приборы.- М. : Высшая шк., 198 1. - 432 с. 2. 12. За й цев Ю. В., Марченко А. Н., Ващенко И . И. Полупро­ водниковые резисторы в электротехнике . - М.: Энерго атомизд ат, 1988.- 136 с. 2.13. Эрrер В., Бальтер Л. Электрические измерения незлектри­ ческих велич и н пол упроводниковыми тензорезистора м и. - М.: Мир, 1974.- 285 с. 2.14. Пан к о в В. С., Ц ы буль к о в М. Б. Эпитаксиальные кремниевые сл ои на диэлектр и ческих подложках и приборы на их основе.­ М.: Энергия, 1979.- 89 с. 2.15. Ильинская Л. С., Подмарьков А. Н. Полупроводниковые тензодатчи ки.- М.: Эн ерги я , 1966. - 118 с. 2. 16 . Рахманов В. Ф. , Трухачев Б. С . Цепочечные схемы с теизо­ резисторами / / Измеритель н ая техника . 1970. No 9. С . 52 ...54. 2.17. И л ь и и с к а я Л. С. Полупроводниковые тензодатчики.- М.: rосинти, 1962. - 86 с. 2.18 . Электротензометрия (тематич . подборка) / i Приборы и системы управления. 1976. No 1. С. 17...33. 2. 19 . Пол упро водниковая тенз о метрия ( те матич. подборка) // Приборы и системы управления. 1981. No 3. С. 23....35 . 2.20. ТРухачев Б. С., Удалов Н. П. Полупроводниковые · тензо­ преобразователи.- М. : Энергия , 1968 . - 76 с.
2.21 . Ст уч е б и и к о в В. М. Полупроводниковые интегральные теизо­ резисторные преобразователи механических величин / / Измерения, контроль, автоматизация . 1983. No 1 (45) . С . 30...42 . 2 .22 . Датчики для измерения температуры в п ромышленност!I / Г. В . Сам­ сонов, А. И. К:иц, О. А. К:юздеии и др.- К:иев : Наук. думка,- 1972. - 224 с. 2 .23. Температурные измерения : Справочник / О. А. Геращенко, А. Н. Гор­ дов, В. И. Лах и др.- К:иев: Наук. думка, 1989.- 704 с. 2.24 . Бычков с к и ii Р. В . Контактные датчики температур ы.- М. : Ме­ таллургия, 1978 . - 240 с. 2.25 . Приборы для измерения температуры контактным способом : Спра­ вочник / Под _ред. Р. В. Бычковского .- Львов : В11ща шк., 1979 . - 208 с. 2.26 . Лах В. И . Основные принципы создания контактных средств злектро­ термометрии широкого промышленного nрименения // Приборы и системы управления . 1983. No 3. С . 25 .. .26 . 2 .27 . Вторичные приборы для измерения температуры . Обзорная информа ­ щ1я ТС-5/В. И . Зориii, Е . С. Полищук, В . И. Пуцило, О. И . Чайков ­ ский и др. - М .: UНИИТЭИ приборостроения, 1977. - 5 5 с. 2.28 . Гут и и к о в В . С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.- Л.: Энергоатомиздат, 1988.- 3 0 4 с. "2 .29. Фа идее в Е. И . , Лущаев Г. А., Карчков В. А. Специальные термо­ метры с термопреобразователями сопротиВJJення.- М .: Энергоато ~ миздат, 1987.- 96 с. 2.30 . Ш а ш к о в А . Г. Терморезисторы и их применение :- М .: Энергия, 1967, - 96 с. 2.31 . Кр и в о и о с о в А. И . Полупроводниковые датчики температуры .­ М .: Энергия, 1974. - 184 с. 2 .32 . Шеф тел ь И. Т. Терморезисторы. - М. : Наука, 1973. 415 с. 2.33. Кр и в о и о с о в А. И. Термодиоды и термотрноды.- М.: Энергия, 1970.- 73 С. 2.34 . Фогель с о и И. Б. Транзисторные термодатчики .- М .: Сов . радио , 1972. - 129 с.
Глава 3 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОП Р ЕОБРАЗОВАТЕЛИ 3.1 . ФОТОРЕЗИСТОРЫ Принцип действия фоторезисторов. Принцип действия фоторезисторов основан на внутреннем фотоэффекте . Излу ­ чение, падающее на полупровод:н,~. частично поглощается в его объеме, взаимодействуя с атомами кристаллической ре­ шетки или примесей. Поглощение в фоторезисторе фотонов сопровождается увеличением проводимости, приращение которой называют фотопроводимостью . Для повышения фо ­ топроводимости необходимо выбирать материал с возможно большими подвижностью и временем жизни носи телей фото ­ на. Ее.пи к фоторезистору подключе н источ ник напряжения, то в соответствии с изменен ием проводцмости фотоприемни­ ка при освещении через его контакты из внешней цепи будет протекать ток, значение которого превосходит число первона­ чально образованных фотоносителей . Происходит усиление фототока. К.оэффициент усиления, как и фотопроводимость, пропор­ ционален подвижности и времени жизни носителей. Значение коэффициента усиления также зависит от напряжения и достигает 103 ... 10 5 . Основные параметры фоторезисторов . Параметры и ха­ рактеристики фотоприемников, в том числе фоторезисторов, регламентируются ГОСТ 17772-88 . Приведем краткие опре­ деления основных параметров . Темновой ток (/т) - ток, протекающий через фотопри­ емник при указанном напряжении на нем в отсутствие потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности . Из­ меряется через 30 с после снятия освещенности 200 лк. Фототок (/Ф) - ток, протекающий через фотоприемник при указанном на пряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спект ральным распределением . Его измеряют при освещенности 200 лк, со­ здаваемой источником с цветовой температурой 2850 К. Общий ток (/06щ ) - ток фотоприемника, состоящий из темнового тока и фототока . Очевидно , что fоещ =IФ+lт. Рабочее напряжение (Ир) - постоянное напряжение, при­ ложенное к фотоприемнику, при котором обеспечиваются но ­ минальные значения параметров при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях. 109
Температурный коэффициент фототока (ат) - отно ш ен ие и з мен ения фототока фотоприем ни ка к вызвавшему его абсо­ л ютному и з менению температуры окружаю щей среды пр и заданной осве щеннос ти а, /фl-/Ф2 • l(X) % [%/оС], /ф1(t2- t1) где /Ф 1 и /Ф2 - фототоки в цепи фотоприемника при тем пер а­ туре t1 и t2 соответствен н о. Напряжение шума (Иш) - среднеквадра тичное .значение флактуации напряжения на заданной на грузке в цепи фото­ приемника в указанной по.пасе частот. Иногда значение Иш относят к 1 В пр иложенно го напряжения. Темновое сопротивление (Rт) - со~ротивл ение фотоп ри­ емника в отсутствие падающего на не г- о изл уч ения в диап а­ sоне его спектр альной чувстви тельности . Темн овое со проти в­ лен ие измеряется ч ерез 30 с после снятия осве щен ности в 200 лк при темпера туре 293 К. Световое сопротивление (Re) - сопротивл ение фотопри ·· емни ка, измеренное через определенный интервал времени после н ачала воздействия излучения, создающего на нем об­ :пуч енности ил и освещенность зада нного зна ч ения . Чувствител ьност ь фотоприемн ика (S) - отно шение изме ­ нения измеряемо й электри ческой вел ичины, вызванного па ­ дающим н а фото п риемник излучением, к количествен ной ха ­ рактеристике это го излучения в заданных эксплуатацион ных условиях . Интегра.пьная чу вствительность (Sинт-) - чувствите.пь­ ность фотопр иемника к немонохроматическому излучению ·за­ данного спектр ал ьного состава . Определяется ка к о тноше н и е пр и ращения фототока к вызвавшему его прир ащению свето ­ вого по тока при постоянном рабочем напряжен ии (Иr=const) и освещении фоторез истора от источника с цветово й темпе ­ ратурой 2850 К. Интегральную чувс твител ьн ость мо жно вы­ разить и как отношение приращения фотоси rна ла к пр ир а­ щению све тового по тока . Монохроматическая чувствител ьн ос ть (Sл) - ч увс тви те­ льность фо топрием н ика к монохроматическому излучению. Пороговый поток в заданной полосе частот (Фп) - сред ­ неквадратичное значение действующего на фотоприе м ник си н усоидально-модулированного потока изл учения исто чни ­ ка сигнала с заданным спектральным распределением, пр и котором среднеквадратичное значение напряжения (тока ) фотосигнала равно среднеквадратичному значению напряже­ ния (тока) шума в заданной полосе частот. Удельный пороговый поток (порог), (Фп*) - пороговый 110
поток фотоприемника в единичной полосе частот, отнесенный к единичному по площади фоточувствительному элементу. Обнаружительная способность (D) - величина, обратная пороговому потоку фотоприемника в заданной (еди нич ной) полосе ч астот . Србственная постоянная времени (т) - интервал време­ ни, по истече н ии которого спадающее по экспоненте напря­ жение фотосигнала после прекращения воздействия излу ­ чения (тJ уменьшается в е раз (37 % от максимального). Собственная постоянная времен~. равна также интервалу времени (после начала воздеИ'Сrtrия излучения (тJ, по ис­ течении которого нарастающее по экспоненте напряжение , l фотоси гнала достигает доли ( l - - ) от своего максималь­ е ного значения (63 %). Максимально допустимая рассеиваемая . мощность (Рмакс) - максимальная электричес кая мо щ ность, рассеива­ емая в фотоприемнике, при которой отклонение е го параме­ тров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе в заданных эксплуатацион­ ных условиях. Максимум спектральной характеристки (Лмакс) - длина волны, соответствующая максимуму спектральной характе­ ристики фотоприемника . Коротковолновая граниuа спектральной чувствительно­ сти (Л') - наименьшая длина волны монохроматического излучения, при которой монохроматическая чувствитель­ ность фотоприемника равна O,l ее максимального значения . . Аналогично определяется и длинноволновая граница спектральной чувствительности (Л") . Емкость фотоприемника (С) - электрическая емкость между выводами фотоприемника в заданных эксплуатаци ­ онных условиях. Граничная частота (fгр) - частота синусоидально-моду­ лированного потока излучения, при которой чувствитель­ ность фотоприемника падает до значения 0,707 от чувстви­ тельности при немодулированном излучении. Помимо вышепроведенных основных параметров в тех ­ нической литературе нередко употребляются термины: крат­ ность изменения сопротивления и удельная чувствите.'Iьность фоторезистора . Кратность изменения сопротивления (Rт/ Re) - отноше ­ ние темнового сопротивления к световому сопротивлению фоторезистора при освещенности 200 лк создаваемой источ­ ком с цветовой температурой 2850 К. Удельная чувствительность (S0 ) определяется из выра- жения 111
Sо=ЛlФ/(Ф·Uр) (мкА/(лм·В)], где Ф - световой поток, вызвавший изменение фото­ тока ЛJФ · Основные характеристики фоторезисторов. Рассмотрим определение фотоприемников . Абсолютная спектральная характеристика чувствительности Sабс (Л) - зависимость монохроматической чувствительности фотоприемника, изме­ ренной в абсолютных единицах, от длины волны регистрируе­ мого потока излучения (при постоянном рабочем напряже­ нии). Относительная спектральная характеристика чувстви­ тельности фоторезисторов (рис. 3. l) определяется как S(Л)=Sабс(Л)/Sабс макс· ;,, В литературе также встречается нестандартизованная запись относительной спектральной характеристики /Ф(Л)//ф М8НС• Фоторезисторы на основе CdS обладают чувствительно ­ стью 11 диапазоне 0,4 ... 0,9 мкм с максимумом на длинах волн Q,5 .. .0,6 МКМ . У селенисто-кадмиевых фоторезисторов спектральная характеристика чувствительности помимо видимой части за ­ нимает ближнюю инфракрасную часть спектра (0,5... l .2 мкм) с максимумом -0,7 мкм. В инфракрасной области спектра используются фоторе­ зисторы на основе сернистого свинца (красная граница - 2, 7 мкм, максимум - 2,l мкм) и селенистого свинца (крае- S(Л) 1.О CdS PbS PbSe ' CdSe Q8 qв 0.4 0.2 lnSb 2З45б7i1,мкм Рис. 3.1. Относительные спектральные характеристики чувствительности фоторезщ:торов 0,1 10 100 1000 Е,лк Рис. 3.2. Энергетические ха рактернстикн фоторезисторов
ная гра н ица - 4,8 мкм, максимум - 3,3 мкм). При охлаж ­ дении фоторезисторов из Pb S, PbSe их спектральн ая чувстви ­ тельн ость сдвиг ается в область бол ь ших дл ин волн . Для измерений в дальней инфракрасной области спектра (6...15) примен яют охлаждаемые фоторезисторы на основе анти мрнида и ндия (/n Sb) теллуридов ртути кадмия (HgCdTe), германия, легированного примесями меди или ртути (Ge; Си; Ge; Hg). Энер гетическая (люкс-амперна я ) хара ктеристика /Ф(Ф) - зависимость фототока от потока излучения Е, па­ дающего на фотоприемник. Зaifti ~i\1ocть принято аппрокси­ мировать выражением где- С - п остоя нная , определ яемая свойствами материала; а - коэфф ициент нелинейности, значение которого для бол ь шинства фоторезисторов находится в интер ­ вале (0,5; 1] (3. 1] . В целом характеристики нели нейны, хотя нередко содержит линейный участок в пределах одной декады освещенности. Наклон хара~<теристик и, следовательно, интегральная чув­ ствительность максимальны в области слабых освещенно­ стей. Форма кривых слабо меняется с ростом прикл адывае­ мого к фоторезистору напряжения. Энеретические характеристики снимаются для коротко­ замкнутого включения фоторезистора. В случае увеличения сопротив"1енин нагрузки до значен ия в 50 кОм и более происходит перераспределение ·напряжения между фотопри­ емн и 1шм и нагрузко й. Вследстви е это го появляетс я участок на сы щения л юкс- а м перной характери стики в области сил ь­ ных освещенностей (рис. 3.2) . Вол ьт -ампе р ная характер ист ю<а I (И) - зависимость эл ектричес 1ю го тока от напряж е ния, пр ило женного к фото­ приемнику при фиксированном потоке излучения IФ=DU1, где D= CE"; у - коэффициент (3.1] . У боль шинства фоторезисторов вольт-амперные харак­ теристики линейны (у= 1) до предельно допустимых напря­ жений . Нарушение линейной зависимости может происхо­ дить при малых напряжениях (значительно меньше рабочих) либо при больших напряжениях, особенно в случ ае сильной засветки. Рабочее напряжение фоторезистора устанавли вают ниже пробойного значения с учетом уровня освещенности и темпера туры ок р ужаю щей среды, чтобы не превысить до­ пустимой мощности рассеивания. 8831-0 113
Температурная характеристика темнового тока фотопри ­ емника представляет собой зависимость темнового тока от температуры Iт(t) . Рабочая область температур для большин­ ства фоторезисторов ограничена значениями - 60 °С и + 70 °С. Внутри этой области ток фоторезисторов с ростом температуры увеличивается, что вообще характерно для по­ лупроводников. Абсолютное изменение темнового тока со­ ставляет единицы микроампер и не оказывает заметно го воздействия на общий ток фоторезистора . Температурная характеристика сопротивления фотопри ­ емника - зависимость сопротивления от температуры R (t) . С ростом температуры сопротивление освещенного фоторе­ зистора в рабочей области возрастает . Соответственно общий ток уменьшается . Температурная зависимоть фототока (чувствите.'lьности) фоторезистора практически не отличается от ·Зависимости общего тока, т . к . температурная нестабильность темнового тока, входящего в общий ток, оказывает неЗначительное влияние . Больше отличается температурная зависимость кратности сопротивления (Rт/R"), так как с ростом темпера ­ туры темновое сопротивление падает, а световое растет . На вfрхней границе рабочей области кратность изменения со ­ противления имеет минимальное значение . СФ2-1 Qt 0,0f.... _ _ _.___ _,___~_ __, 1,0 10 100 Е,лк Рис. 3.3. Зависимость температурного коэффициента фототока от освещенности !Ф, мкА 60 50 i/O :50 20 10 о Рис. 3.4 . 20 i/O ФСА Up=10B Е=200лк 60 &J t,°C Зависимость общего тока фоторезистора от температуры при нагреве и остывании Количественно влияние температуры оценивают с помо ­ щьtо температурного коэффициента фототока (а1). Для всех типов фоторезисторов он отрицателен . Паспортное значение а1 приводится для освещенности 200 лк. У большинства фо­ торезисторов температурный коэффициент фототока возра­ стает с уменьшением освещенности. В пределах двух декад 114
освещенности величина а1 изменяется на порядок и более (рис . 3.3) . Нередко у фоторезисторов наблюдается гистере­ з ис зависимости общего тока от температуры . Значения общего тока при остывании на l 0-20 % больше , чем при нагреве (рис. 3.4) [3.2] . Пос"'Jе остывания свойства фоторезисторов пол ностью восстанавливаются за период от нескольких часов до нескольких суток . Не рекоменду­ ется длительная эксплуата ция фоторезисторов при тем пе­ ратурах, близких к верхнему до пустимому пределу, так ка к возможно резкое нарастание теl'фI'!~Ого тока [3 . l] . Частотная характеристика чувствительности фотоприем­ ника S(f) является зависимостью чувствительности фотопри­ емника от частоты модуляции потока излучения . С повыше­ нием частоты модуляции лучистого потока чувствительность падает . Чувствительность фоторезисторов на основе CdS, CdSe не превы ш ает 30 % от максимальной при частоте мо ­ дуляции в 1ООО Гц. Сернисто-свинцов ые фоторезисторы об ­ "'Jадают такой чувствите"'JЬНостью на частоте порядка l О кГц. Еще шире частотная характеристика у селенисто -свинцовых фоторезисторов . Инерционность фоторезисторов зависит от ряда факто­ ров . Коротко рассмотрим влияние этих факторов на собствен­ ные постоянные времени по нарастанию (тн) и спаду (те) фото ­ тока . При t=20 °С, освещенности в 200 лк и короткозамкну­ том включении фоторезистора т. ~те· С ростом освещеннос­ ти постоянные времени уменьшаются, причем с большей скоростью изменяется т. ·В среднем величины постоянных изменяются на порядок в интервале декад освещенности . Зависимость постоянной времени от проводимости фото­ резистора GФ аппроксимируется выражением -i:=BG;m, где В и т - постоянные, значения которых определяются типом фоторезистQра . Температура окружающей среды также оказывает влия­ ние на инерционность фоторезисторов. Постояннь1е времени максимальны на нижней границе рабочей области и умень­ шаются при увеличении температуры . Относительно t =20 °С значение тн, те на предельных температурах могут отличать ­ сяв2-3раза. При увеличении сопротивления нагрузки фоторезисторов с некоторого значения заметен значительный рост .постоян­ ной времени по спаду фототока и уменьшение постоянной времени по нарастанию . Д"'JЯ CdS, CdSe фотqрезисторов это нагрузка в 5 ... l О кОм. Выдержка фоторезистора в темноте в течении 1. ч . и более 8* 11,5 .
приводит к увеличению постоянной времени по нарастанию в 3- 4 раза. Значение постоянной те практически не меняется . Дополни тельная подсветка ок а зывает заметное влияние на ин ерционность фоторезисторов . В наибольшей мере она проявляется при работе со слабыми освещенностями . Напри ­ мер, дополнительная подсветка в 20 лк уменьшает постоян­ ную тн в среднем в 4 раза с рабочей освещенностью 20 лк, в 2разапри Е= 200ЛI(, ив 1,l разаприЕ= 2000лк.Постоян­ ная времени Те меньше подвержена влиянию фоновой под­ светки . Пороговая чувствительность фоторезисторов, т. е. мини - ,. мальный лучистый поток определяется уровнем собственных шумов. Источником шумов являются : фоточувствительный элемент и площадь кон т акта с электродами. Уровень шумов прямо пропорционален прикладываемому напряжению за 1:-! сключением области, близкой к предельному нап ряжени ю, где в характер истике появляется участок насыщения. С пектр шума имеет распределение , которое в первом приближении определяется как l/f. Как указывается в работе [3.2], на частотах выше 400 Гц уровень шума CdS, CdSe фоторезисто ­ ров обратно пропорционален квадрату частоты. • Пороговая чувствительность пленочных сернисто- кадмие­ вых фоторезисторов достигает l о- 10 лм . Электроды у фоторезисторов с наименьшим уровне м шума изготавливаются из золота и индия. Влажность окружающей среды оказывает влияние на негерметезированные фоторезисторы. Относительная влаж ­ ность в 85 % приводит к обратной потере чувствительности на l О -15 %. Потери увеличиваются до 90 % и становятся . необратимыми при длительной эксплуатации с влажностью. близкой к l 00 %. При рассмотрении стабильности параметров фоторези ­ сторов необходимо выделичъ два варианта использования : длительная непрерывная эксплуатация и чередование функ­ ционирования с отдыхом. В первом случае в течение первых . 50- 100 часов эксплуатации происходит уменьшение общего тока соответственно и чувствительности фотоприемника , а затем параметры стабилизируются . У отдельных типов фоторезисторов, например ФСК-2 , общий ток напротив увеличивается . Уменьшение ч увствите­ льности прямо пропорционально выделяемой мощности рас­ сеиванин и может достигать 20... 30 %, что связано в первую очередь с процессом усталости . Наряду с устаJюстью проис ­ ходят медленные необра тимые изменения nарамеров фото­ резисторов, вызванные старением . Уст алость вызывается разогревом фоточувствительного
элемента протекающим током . Это обратимое явление . В темноте полное восстановление свойст в, вызвщ-1ное уст ало ­ стью, протекает за период до трех сут ок . Если работа фоторезистора чередуется с его отклю ч ен ием, затемнением, то нестабильн ость параметров определ яетсf! усталос;тью, которая, как уже указывалось. зависит от в ыд е ­ ляемой мощности рассеивания . Чувствительность изменяется незначительно пр и малой мо щ ности рассе и ва н ия. Напро ­ тив, функционирование с максимальной :wощностью рас­ сеивания освещенного в течение !;'~~j,\ОЛьких часов фоторез ис­ тора приводит к уменьшению обЩего тока до 15 %. Не ­ стабильность общего тока усиливается , если в нерабочем состоянии фотоприемник хранится в темноте. С целью стабилизации параметров фоторезисторы неред­ ко подвергают искусственному ст арению при максимальной либо выше максимально до пуст и мой мощности рассеиван и я . Требуемые для реж им а старения зна ч ения п рикладываемо го к данному типу фоторезистора напряжения и освещенности подбираются эксперимен тально . Во мно rих случаях процесс заканчивается за 100 ч . В результате искусст венного старе ­ ния чувствительность фоторезистора практически стабили ­ зируется, однако значение ее значительно уменьшается . В конструкциях с фоторезисторами следует стремиться к полной засветке чувствительной площади . Если же случа­ ется ее частичная засветка, то параметры фоторезистора отличаются от паспортных и зависят от положения и размера освещаемой поверхности . При освещении узким световым пятном, перемещающимся по чувствительному элементу вдоль электродов, захватывая их, общий ток пропорционален площади освещаемой поверхности и нередко может изме ­ нять значение вследствие неравномерности чувствительнос­ ти по поверхности элемента . В случае направления перемещения узкого светового пятна перпендикулярно электродам сопротивление фотопри­ емника представляет собой последовательное соединение сопротивлений освещенной и неосвещенной частей рабочей поверхности, последнее из которых не остается постоянным с перемещением пятна. При этом изменяется общий ток и быстродействие фоторезистора, причем максимум общего тока отмечается тогда, когда световое пят но проходит цен ­ тральную часть пл ощади . Перемещение ш и рокого светового пятна в направлении, перпендикулярном электродам дает рост общего тока, зависимость которого близка к квадра­ тичной. Конструкция и области применения фоторезисторов . Кон­ структивно фоторезисторы помещаются в пл астмассовые 117
или металлостеклянные герметичные корпуса . Некоторые типы фоторезисторов с целью удобства создания сборок, по­ л учения минимаJ1ьных размеров выпускают без корпус а (рис . 3.5) . У относящихся к ним ФСК-1 а, ФСД- 1 а, ФСК-7 чувствительный элемент приклеен к стеклянной подложке. Две модификации фоторезистора ФСК-7 имеют 3 электрода , что позволяет использовать дифференциальное включение . ФСД-1а °< ~ "toi-la' ~1 r::;~:~1 ~ ФСJНб -t 1 -~ - - -- --Ф2;- t('~15i i/ 4 - Чу13ст13ительный элемент А, Б. В -злектроаы ФС/<.-5 Рис. 3.5. Бескорпусные фоторезисторы Фоторезисторы, изготавливающиеся в nластмассовых корпусах, показаны на рис . 3.6 . Выводы ФСК-1, ФСК-2, ФСК-6 рассчитаны на подключение в стандартную октальную панель. Фоторезисторы ФСК-6, ФСА-6 предназначены для работы в отраженном свете . Для этой цели используется от ­ верстие, сделанное в центре . Чувствительный элемент покрыт прозрачным слоем лака. Фоторезисторы с пластмассовыми корпусами нельзя применять в условиях с повышенной влаж­ ностью. Фоторезисторы в металлостеклянных герметичных корпу­ сах изображены на рис. 3.7 . В обозначении некоторых типов фоторезисторов и металлостеклянном корпусе добавляется буква «Г» - герметичный _ (например, ФСК-Г7, ФСА-ГI) , а также буква «Т» для тропического исполнения (ФСК-Гl Т) . У фоторезисторов ФСК - Г2, ФСА-Г2 электроды соединены с 4-м и 8 - м штырьками октального. цоколя . Фоторезисторы , помещенные в герметичные корпуса допускается использо ­ вать в условиях повышенной влажности, жидких непрово­ дящих сред. 118 .
ФСК-1 ~ ФСК-6, ФСА-6 ~ СФ2-1, СФ2~1А, СФ2-1А, СФ:J-1А ~5 Рис. 3.6 . ФСК-2 ~- ФСК-i/а Фоторезисторы в пластмассовых корпусах ФСА-1 ФСК-Пfа f$ll ФСК -пtо 1'~10,5 СФ3-2 CФi/-f 17 ffi Сферу применения фоторезисторов определяют следую­ щие положительные качества : наибольшая среди полупро­ водниковых фотоприемников чувствительность, приближаю - 119
ФСД-rt, ФCK-rl ФСА-П ФСК-Г7а ФСК-rг ФСК-Г7о ~ ~~ ~-1---=+i==,.. __ _ ____ _ -~6,5 &J" . -е. Ф,42 ФСА-Г2 СФ2-L/ ~~пг СФ2-8, СФ3-7А СФ2-5, СФ3-L/А СФ3-8, СФ3-7Б СФ3-5, СФ3-L/Б СФ3-9А, СФ3-9Б }~ iPll-1·~J, ~J~з. _ o,s ~~а -е.~~~ СФ2-12 СФ3-2А, СФ3-2Б СФ2-1б, СФ3-fб СФ4-1 ~-. ~- ' ~-. 3i1~~..J~ 11!8 ые!1!8 <о~~- "') 1-...~!1!8 ~19~ 05 IJ)" . c::i \;;!' Ч5 . IY)' ~ "&-е, . - 'S-S. G'S · Рис. 3.7. Фоторезис торы в металлостеклянных герметических корпусах щаяся к чувстви тельности фотоэл ектронных умножителей , н и зки й пороговый поток, достигающий при охлаждении 8-10- 14 Вт, значительно более высокие, чем у фотодиодов 120
и мощности рассеивания. линейная вольт-амперная характе ­ ристика, возможность передач и двухполярны х сигн алов. Ос ­ новной недоста ток - инерционность фото резисторов . Однако во многих случ аях практического использова н ия она вполне удовлетворяет предъявляемым т ребованиям . Энер гетическую хараК'Геристику фоторезистора сравнительно просто можно линеаризовать коррект ирующим преобразователем . Фоторез и сторы пр им еняются в различ ны х отраслях про­ мышленности, военном деле, науч ны х исследованиях . По способу получения измери~ьной информации преоб­ разователи делятся на контролирующие параметры источни ­ ка излучения и параметры оптического канала . По форме выходного сиг н ала - на представляющие непрерывную ин ­ формацию и поро говые преобразовател и . Фотометры, люкс ­ метры, пирометры, экспономет ры фото- и ки ноаппаратуры относя тс я к уст ройст вам , и змеряющим поток излу ч ения са­ мого источника . Фотореле могут принимать информацию как от источника излучения, так и от опт ич еского канала, но в отличие от вышеуказанных устр.ойст в - вырабатывают выходной сигнал в дискретной форме. В системах автоматики существует много разновидностей фоторе.11е: устройства включения освещения улиц, тоннелей, помещений, световых огней аэропортов, сигнализаторы огня и дыма, схемы слеже­ ния за положением объекта, фотореле различных промыш­ ленных автоматов и т . д. Большую группу составляют приборы, контролирующие оптические параметры среды, через которую распространяет ­ ся лучистый поток [3.1 ] . При прохождении через прозрачное вещество (газ, жидкость, твердое тело) лучистый поток в за­ висимости от своего спектрального состава, свойств вещест­ ва, дли ны пути претерпевает изменения. По величине погл о­ щенного, преломленного либо отраженного потока соответст­ вующей области спектра , по изменению его поляризации оп­ ределяют концентрацию кон т ролируемого вещества или е го компоненты. Данный принцип положен в основу приборов, измеряющих, например, концентрацию взвесей в сооруже ­ ниях очистки сточных вод (КВСВ, М-10 1 ), концентрацию щелока в процессе варки сульфитной целлюлозы (АФК-57) , наличие нитробензола в анили не (ФЖК-2), содержание се ­ роводорода в газовых смесях (Ф КГ -2), контролирующих качество авиационных горючесмазочных веществ, запылен ­ ность воздуха, наличие дыма, оп т и ч ески активног9 вещес тв а. В устройствах используются фоторезисторы видимой и ближ ­ ней инфракрасной областей спектра . Весьма многочисленны и разнообразны преобразователи с фоторезисторами, п_редназначенные для контроля место- 121
положения или геометрических параметров объекта [3. 1] . В зависимости от конструкции устройства свет, · падающий на фоторезисторы перекрывается самим контролируемы м объектом либо связанным с ним элементом . Типичными пред­ ставитеJ1ями данных преобразователей яв.1яются устройства счета числа перемещающихся предметов, имеющие произво­ дительность до 50 000- 80 ООО отсчетов в час, измерения числа оборотов двигателя посредством диска с прорезью или флажка , связанных механически с валом двигателя и оп­ тически с фотоприемником, устройства охраны помещений и территорий, преобразователи, контролирующие температу­ ру в заданном диапазоне, давление газа, уровня. жидкости, сыпучих сред, дозирующие автоматы, прибор, измеряющий амплитуду и частоту низкочастотной выбрации и т . д . Фоторезисторы на основе сульфида свинца и селенида свинца применяются для дистанционного измерения темпера­ туры нагретых до 100-170 °С объектов, которые непрерывно выде-1яют .~учистый поток инфракрасного диапазона . Такие фотоприемники функционируют в пирометрах, устройствах обнаружения и наведения летательных аппаратов, приборах контроля и управления технологическими прьцессами (на­ пример, управления прокатными ста.нами. угольными, газо­ выми котлам и), защитных сигнализаторах. ОтлиЧительными свойствами фотоприемников являются высокая обнаружи­ тельная способность и малая инерционность (в зависимо­ сти от глубины охлаждения постоянная времени -0,1-,- 5 мкс) . Фоторезисторы служат для детектирования слабых быстро меняющихся лучистых потоков и с успехом исполь ­ зуются в спектрометрии. Шир9кое применение /nSb, HgCdTe фоторезисторов в промыш"1енности ограничивается необхо ­ димостью получения низких температур . Фоторезисторы на основе германия, легированного при ­ месями меди или ртути обладают спектральным диапазоном ОТ1ДО25МКМ. Паспортные данные серийных фоторезисторов. Обозна­ чение фоторезисторов состоит из четырех элементов . Первый элемент - буквы, обозначающие тип прибора (ФС - фото­ сопротивление, СФ - сопротивление фоточувствительное, ФР - фоторезистор). Второй элемент - цифра или буква (для ранних выпусков приборов), обозначающие материал чувствительного элемен­ та (2К - сернистый кадмий; ЗД - селенистый кадмий ; 4- селенистый свинец; А - сернистый свинец) .. Третий элемент - цифра, обозначающая порядковый номер разработки. Перед цифрой может стоять буква, ука- 122
40t----++--t--1'-t-Т--t-'\--t---1 t 0,5 О.В О.7 0,8 Л,мкм Iмщ.мА СФ3-1А 1,5r---+--+----t-f---t-----: 1 .L,% r..., СФ2-2 " 150 1"' !'... fUO 50 4801---+-+- -7 "'f - - -t - -r -::;;;;;I'- , 3201----1--;~-:?"'"'-+-:--+----t-----i IOOt----.~.-C-+--t---t--r---т---, 0'---'----L---''--~-~~-~ 400 800 1200 1800 2000 Е, лк 20 LfO t,°C -80 -L/O О 40t, 0 с СФ2-12 50•+--+- --+-- -- --. . , -во -L/O -20 о 20 40t,·с -во -L/O -20 - о20L/Ot,0С-80 -LfO о 40t,·с 0.4 Qб 0,8 f,0 Л,мнм О.4 о.в Q8 t,o л, мнм Рис. 3.8 . lмщ . мкА ro'i-----т--r---.t----J 10 ю" Е,лк Характеристики серийно выпускаемых фоторезисторов зывающая вариант исполнения (Г - герметичный) или способ изготовления чувствительного элемента (П - пле - 123
lo0щ,trrA ФСК-7 lсЮщ.мА L; ФСК-Г7 г.о .3 бО 1,5 2 40 20 о о го 40 во дО U,fJ Q.5 0,б Q,7 Qд J.,мкм 500 1000 1500 Е,лк fоощ,мА СФ2-2· L; 1,5 ..3 1,0 2 0,5 0,5 о L;O дО 120 Ц/3 о 20406080ЦВ о 24в8цв 20 ~-+-.f-+--~ о L-""'-'--~~-~~ 10 100 1000 Е,лt<. 0,4 Q5 0,б lJ7 0,д Л,мкм О 500 1000 1500 Е, лн Фп ·10~0лм б 1---+-+-~-+t--i 4 СФ3-1 0,81::::::±:::±::~:::::J..__J 100 300ЮОО3000f.Гц О 200400600800 f.Гц -дО -40О 40t, 0 С Продолжение рис. 3.8. ночный, М - монокристаллический). Если фоторезистор предназначен для эксплуатации в условиях повышенных температур и влажности, то после цифры ставится буква «Т» . 124
\. ~,1% '\ crp3-e , r-.... 150 ' -~ ';; ;о - - 50 40 -60 -L/O-20 О 20 40t, 0 С -80 -40 О 40t, 0 С -дО-40О40t, 0 С • [00щ, мкА 1031-----t--Г----Ч.,--!--F +-+- -- --; 1021-----+--f+-----t-.~ . - - +-+- - --! р Рмахс 1 % СФ3-2АдО СФ3-9БвО СФJ-16 tJO во L/01----+- -+ -l --- -+ --' H 20...._......___.__.___.____. 40 t, "С О 1,0 1,5 2,0 2,5 i'~,мк11 102 103 10~ 105 И, мкВ -tJO -40 о Iаощ,мкА ФСА __!яffш_,% fоtJщ.макс 300 о2040во80цв 40080012001600 Е,лк О 2 4 в 8f.кГц l ~.% ltр.макс во 40 20 о 234i\,мкм -60 -L/O-20 О 204060t,0С Продолжение рис . 3.8 . Параметры фоторезисторов видимой част и спектра приведены в табл. 3.1, а инфракрасной области - в табл. 3 .2 . Характеристики . фоторезисторов изображе н ы на рис. 3.8 . 125
Е=200лх QS Ир=50В 500 1000 Е,лх 1001---+--,~~-Т--+--1 10 \------61~-\--,1''--+--+--1 10 100 1000 Е, Лf( -80 -.t;(J о 40t, 0 С O,f 1--__,_~+--t--~~ 0.~L-.....L~'---'-~"--~ О,1 {О 1[} ЮО 1000 Е,лк . :мА lо5щ 5 L/ 3 2 1 о/ / ФСД , v / / /"' 10 го 30 40Ц8 10 t(IO 1000 Е,лк · Продолжение рис. 3.8 l!.fф/IJ!фмaxc.% Фt:;Ц б0 ,__--.....,._о--СФ_3,....-_1---< 40 l----f!l--l. '0- --- --1 20 ~Ж---1096'.-+----i О О'----''----'-~-'-~~ Q5 0,7 0,9 {·1 A,мf<l'I 20r--_,.,.--т-..,.,..;::--t--~ о.___..._~.____._~.__~ 400 800 1200 Е,пх 1,5 2 f. кrц -tзо -40 о L/O t,0С
Таблица 3.1. , Параметры фоторезисторов, предназначенных д.nя работы в видимой части спектра и•. в - f11н1J1c. , /общ •1111• So. R•• м.Qм s•. Uw макс. Рмаксо л~. R•• Тип рабо- мкА мкА мкА/(ЛМ · иеменее R,/R. А/лм а"%/ ·с "t"•• c Те, С мкВ/В мВт МОм чее макс . ·В) СФ2-l, 15 25 l 500 - 15500- - 0,3... -0,4 0,08 О,о2 10 10 ±2511 - СФ2-IА сФ2-2 2- 1 500 - 2500- -0,4 0,06 0,02 - 50±30- СФ2-4 5 15 l 500 - 15200- - 0,7.. . +О,4 0,125 0,035 10 10 ±30 100 СФ2-5 1,3 10 ~l 500 - l400- -0,2. .. +О,4 0,02 0,05 - 25 ±25 200 СФ2-6 3- 6 100 - - - - - - - - 50- - СФ2-8 100 150 l 100 - 100 1000 - :s;;;±0,3 0,025 0,02 ю125.±30- СФ2-9 25100- 250-900 - 3,3 33 - :s;;;±0,4 0,05 0,03 - 125 - - СФ2-12 5 15 1 200- 1200 - 15600- :s;;;±0,2 0,025 0,025 ю 10 ±25 200 СФ2-16 10 15 3 300 - 3,3 100 - =s;;;-0,9 0,1 0,04 - 10±30- ФПФ7-А, 6 20- 600-1200 - 1- - :s;;;о,6 - з :s;;;3зJ - •1 - 50- 100 ФПФ7- Б, -~ ФПФ7-В ". ФПФ9-2 6 20- 2000-1200 - >l - - 0,08 .. .0,012 :s;;;б,541 :s;;;1,54J - 50- - СФЗ- 1, 15- 0,5 1500 60-104 30 1500 - - 0,4... -1,5 0,06 0,01 10 10 ±251] - СФ3- 1А СФ3-2 5 150 1 500 so.10• 500 500 - - - - - - 100 ±30 - СФ3-2А ю- 2 3000 - 5- - +О,4... -0,9 5 ! 0,02 0,02 ю- ±30 500 СФ3-4А 1,5 - 1,5 2000 - l- - +0,4. .. - 0,95] 0,02 О,о2 10- ±30 500 СФ3-7А - 20 l 2000 - 20- - +о.4... -0,9 5 1 0,02 0,02 10- ±30 500 СФ3-9А - 50 l 2000 - 50- - +о.4... -0,9 5 1 0,02 0,02 10- ±30 500 СФ3-2Б 10- 0,01 1500 - 1000 - - +o,5.. . -TI 0,008 0,008 ю - ±30 500 СФ3-4Б 1,4 - 0,015 1200 - 100 - - +о.5.. . -2 6 1 0,008 0,008 10 - ±30 500 СФЗ-7Б - 20 0,01 1200 - 2000 - - +О,5... -2 6 1 0,008 0,008 10 - ±30 500 СФ3-9Б - 50 0,01 1000 - 5000 - - +о.5... -2 6 1 0,008 0,008 ю - ±30 500 СФ3-5 2 6 l 500 - 2500- - 1,5.. . +О,4 0,01 0,01 ю50±30-
1 2 3 4 5 СФ3-8 20 50 1 500 СФ3-16 - 10 1 50 ФСДI, 20- 10 1500 ФСД- lа, ФСД-ГI ФСК-1, 50 400 15 1500 ·ФСК- lа ФСК-2 100 300 30 600 ФСК-4а 25 200 30 1500 ФСК-5 50- 5 83 ФСК-6 50 350 15 1500 ФСК-7а 50 200 100 350 ФСК-76 10 100 100 800 ФСК-ГI 50- 15 1500 ФСК-Г2 50- 30 2500 ФСК-Г7 50 200 10 1000 ФСК - Пlа, 100 600 1 1000 ФСК-Пlб t J для СФ2-IА и СФ3-IА ±30 % 5 J при температуре от +20° до - 70 °С бJ при температуре от + 20 °до - 70 °С 2 1 при освещенности 10 лк 3 J при освещенности 1 лк 4 J при освещенности 0,05 - 0 ,5 лк 6 7 8 - 20 500 - 10- 3.104 2 150 7.103 3,3 100 1600 3,3 20 15· 103 1,6 50 22. 104 10 17 6000 3,3 100 250 0,5 8 7500 0, 1 20 7000 3,3 100 7000 1,6 83 1800 5 100 8000 100 1000 а,=0,2.. . -0,2 %/ 0С СХт> 0,5 %/0С Примечание: Пороговый поток СФ2·1 (2-4) · 1О- 10 лм; СФ3·1(2-8)·10- 11 лм. Таблица 3.1 (продолжение) 9 10 11 12 13 14 15 16 - - 1,5... +о ,4 0,01 0,01 1025±30- - +о.5... +2 0,02 0,02 - - ±30 100 15 -1,5 0,04 0,02 10 50 ±20 1000 2,8 - 0,2 0,05 0,03 10 125 ±20 1000 0,5 +u.3... -0,42 0,14 0,14 300 125 ±30 200 3,0 - - - - 125 ±30 - 5 - - - - 50±30- 0,28 +о.3 ... -о,5 0,14 0,14 300 200 ±30 100 0,15 ±0,4 0,2 0,2 10350±30- 3,6 ±0,4 0,2 0,2 10350±30- 2,1 ±0.4 0,2 0,2 10 120 ±20 1000 2,1 +о.3... -О,6 0,14 0,12 300 200 ±30 1000 0,7 ±0,4 0,1 0,1 10350±30- 4,8 -0,4... -0,5 0,08 0,02 - 100 ±30 -
Таблица 3.2 . Параметры фоторезисторов, предн~з наченных для работы в инфракрасной области спектра So, Тип и,в R•. кОм R,/R. мкА S," В/Вт °'" т\1 1111t·. Фп. мвкt-. и.... Р••" .• Л1.1 1111(', Л" . л~ . R,, ЛМ·В %1·с мкс мкВт мкВ/В мВт мкм мкм МОм СФ4- 1 15-20 0,1-1000 - - 100- 1000 - 0,3- 0,5 - 1-3 1О 3- 3,5 4,8 - - ФРl-3 15 39--560 - - 240 - 400 0,0324 20 6 1,5 3,2 - - ФРI-4 25 82-2200 - - 82 - 400 0,0972 20 8 1,5 3,2 - - ФСА- 1 2-100 22-1000 1,2 500 1500 -1,5 40 0,1 10 102,12,7±30- ФСА- IА ФСА-6 5-30 47; 68; 100 ; 1,1 500 1500 -1,5 40 0,1 150- 300 10 .•,. . 2,1 2,7 ±30 - 150; 220;330 ~»; ФСА-ГI 4- 40 47-470 1,2 500 1500 - 1,5 40 0,1 1О 10 2,1 2,7 ±30 1000 ФСА-Г2
3.2 . СХЕМЫ Вl(ЛЮЧЕНИЯ ФОТОРЕЗИСТОРОВ Основными схемами включения фоторезисторов являют­ ся : схема, представляющая собой последователь ное соед и ­ нение фотоприемника и сопротивление нагрузки, мостовая и дифференциальная . Последние две, как правило, приме­ няются при наличии двух фоторезисторов, один из которых рабочий, а второй служит для сравнения и включения в опорный оптический канал устройства . В простей шем случа е показывающий прибор непосредственно включается в цепи делителя напряжения, а также мостовой и дифференциаль ­ ной схем (рис . 3.9, а, 6, в) . С помощью переменных резисто ­ ров R1 регулируют чувствительность показывающего прибо­ ра соответственно диапазону изменения контролируемого светового потока. Резисторами R2 мdстовой и дифферен ­ циальной схем производят начальную уст ановку тока пл еч при одновременном освещении рабочего и вспомогательного фотоприемников равным световыми потоками. Балансировка необходима вследствие разброса параметров фоторезисторов . С помощью показывающего прибора можно не только изме­ рить ссвещенность, но и зафиксировать знак ее отклонения ат некоторого опорного значения . В мостовой и дифферен ­ циальной схемах стрелка прибора указывает на нуль при достижении освещенности рабочего фоторезистора постоян­ ного значения, равного освещенности фоторезистора канала сравнения. В схеме делителя показывающий прибор регу­ лируется на нулевую отметку при подаче на фоторезистор, принятого за отсчетное, значение светового потока . а 6 Рис. 3.9 . Схемы включения фоторезисторов : а - потенциометрическая, 6 - мостовая · в - диффере~циальная 130
В тех же схемах включения измерительный прибор можно заменить пороговыми или усилительными элемен т ами . Это - электрома гн итное рел е, реле на маг нит оуправляемых контактах, магнитные усилители, электронные лампы, тира ­ троны, транзисторы, тиристоры, операционные усилители . В насlгоящее время чаще применяются полупроводниковые приборы, которые мо гут выполнять коммутирующие, усили ­ тельные и суммирующие функции. При совместной работе с фоторезисторами им не свой­ ственна высокая инерционнос1'~i~Электромагнитных реле, реле на магнитоуправляемых контактах, магнитных усили­ телей, а также громоздкость и значительная потребляемая мощность электронных ламп, тиратронов . С появлением операционных усилителей в большой ме · 1е преодолены такие традиционные недостатки полупроводниковых прибо­ ров, как температурная нестабильность и разброс парамет­ ров . Так, температурный дрейф ЭДС смещения операцион­ ных усилителей с входными каскадами на составных би ­ полярных транзисторах составляет обычно 2... 20 мкВ/ 0 С, на полевых транзисторах -50 мкВ/ 0 С. Температурный коэффициент среднего входного тока усилителей при t =20 ° С примерно на порядок ниже темпе ­ ратурного коэффициента фототока фоторезисторов, который определяется при освещенности в 200 лк и резко увеличи­ вается с уменьшением освещенности. Погрешность передачи сигнала операционным усилителем в первую очередь зависит от элементов, включенных во входные цепи и цепь обратной связи усилителя, и в меньшей степени от собственных пара ­ метров усилителя (напряжения смешения нуля, разности входных токов, величины и нестабильности коэффициента усиления, входного сопротивления) . На рис. 3. 10 показаны делительная (а, 6) и мостовая (в) схемы включения фото ­ резисторов совместно с ОУ. В схеме (рис. 3. 10, а) ОУ служит для преобразования со ­ противления фоторезистора в напряжение, которое опреде ­ ляется как (3. 1) Как уже упоминалось выше, энергетическую характеристику фоторезистора принято представ л ят ь выражением IФ=cUEa , где произведение сЕа представляет собой проводимость фоторезистора. При неизменных условиях эксплуатации в силу линей- 9* 131
Рис . 3.10 . Схемы включения фоторезисторов в цепи операционных усилителей : а,6 - потенциометрические; в - мостовая _ ности вольт-амперной хар.актеристики · сопротивление фото ­ flриемника зависит только от уровня освещенности . Поэтому (3. 1) запишется как Ио Ивых=---- СR1Еа. С ростом освещенности выходное напряжение уменьшается . 3ависимость выходного напряжения от освещенности повто ­ ряет люкс-омическую характеристику фоторезистора . Если поменять местами резистор R 1 и фоторезистор (рис. 3. 10 6) , то выходной сигнал будет изменяться в соответствии с энер ­ гетической характеристикой фоторезистора В мостовой схеме (рис . 3. 1О, в) выходное напряжение опре ­ деляется из выражения [3.3] . Ивых (3.2) Значения резисторов R1 необходимо выбирать равными сопротивлению RФо фоторезистора в темновом режиме либо при освещенности, принятой за отсчетную . Однако вслед ­ ствие разброса параметров фоторезисторов, обусловленного неточностью подбора, старением, как правило, значения RФо и R1 несколько отличаются . Схема сбалансирована ( Иоы х = =0), если RФo=R2+Rз . Для этого на неинвентирую щ ий вход ОУ последовательно с R2 включается переменный ре ­ зистор Rз, с помощью которого производится начальная уста ­ новка схемы. В мостовой схеме выходной сигнал пропорцио­ нален только приращению сопротивления фотоприемника и не зависит от его абсолютного значения . Выражение (3.2) можно записать в виде 132
ЛRФ Ивых= ± Ио, R1+RФ0 где ЛRФ - приращение сопротивления фоторезистора отно­ сительно отсчетного значения RФо; знак плюс берется, если за RФч принимается темновое сопротивление фот.орезистора Rт или значение, соответствующее минимальнои освещен ­ ности; знак · минус - при равенстве RФо наименьшему сопро ­ тивлению фоторезистора в рабочем диапазоне . Рассмотрен ­ ная мостовая схема содержит один фоторезистор, но с целью ." ."i • • компенсации дестабилизирующих ;вnешних воздеиствии мож - но резисторы R2, Rз заменить вторым фоторезистором с пара­ метрами возможно более близкими к первому . Рис. 3.11 . Схемы включения диффереици альиых фоторезисторов ·о В схемах, включающих два фотоприемника, нередко удобно использовать дифференциальные фоторезисторы (рис . 3. 11) . Выходное напряжение первой (рис . 3. 11, а) пропорционально отношению сопротивлений плеч фоторе ­ зи с тора, которые при идентичности плеч зависят от размера освещаемых площадей и уровней освещенности R'E Ивых=-Ивх, R"E где R'E, R"E - сопротивление плеч . Вторая схема (рис . 3.11,6) является коммутатором . Отношение токов через нагрузку в тем1-ювом режиме (/т) и под действием светового потока (/Ф) определяется выражением lт R/+2RтR+R.(Rт +R) иф RE2 +2RER+R.(RE+R)' где Rт и RE - соответственно темновое и световое сопро ­ тивление плеч фоторезистора . В случае R,...., 0,5 ( Rт + RE) и RE> Rн выражение упрощается /т Rт2 /;f;;f RE 2 0 Достоинством данного коммутатора является повышен ­ ная коммутационная способность, так как отношение токов нагрузки равно вместо обычного отношения сопротивле ­ ний отношению квадратов сопротивлений . 133
3.3 . МЕТОДЫ И СХЕМЫ l(ОРРЕКЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК Основными недостатками фоторезисторов являются з на ­ ч ительная инерционность, нел инейность люкс·-ам перной ха ­ рактеристики, зависимость сопро т ивления от тем п ературы . Указанные недостатки в значительной мере устра няются с помощью корректирующих преобразователей. Одна1ю их использование не всегда оправдано . Например , в боль­ ш инстве случаев нецелесообразно корректи рова ть динами­ ческие характеристики фоторезисторов, так как проще при­ менить другой тип фотоприемника с требуемым быстродей ­ ствием . Люкс-амперную характеристику можно л и неаризо ­ вать с помощью относительно простых преобразователей, реализующих один из методов аппроксимации (ступенча той , кусочно-линейной, полиномиальной, дрЬбно-раЦиональной). JJюкс-амперную и л юкс-омическую характе р истики фоторе­ зистора удобно аппроксими р ова ть дробно-рационал ь ной за­ висимостью или экспоненциальным полиномом. Погреш ность приближения рациональной дробью первого порядка состав ­ л яет значения порядка 1 %, что меньше погрешности аппрок­ симации первыми двумя членами экспоненциального пол и­ н~ма . Рассмотрим схемы корректирующих преобразователей, с высокой точностью линеаризующих характеристик ре · зистивных датчиков. Нелинейными элементами схем являют­ ются только сами первичные преобразователи. На рис. З .1 2 показан мостовой преобраЗователь сопротивления в напря­ жение [З.4), обладающий цепью линеаризующей обратной связи, изменяющей напряжение питания моста. В мост включены два фоторезистора, один из которых связан с и з­ меряемым световым потоком. Питание на мост подается через симметрирующий операционный усилитель Al с выхода сумматора АЗ. Измерительная диагональ моста нагружена на дифференциальный усилитель А2. Первый вход сумматор а АЗ соединен с опорным напряжением Ио, а на второй подает ­ ся выходное напряжение преобразователя, образуя петлю положительной обратной связи, изменяющей питание моста. Зависимость выходного напряжения преобразова теля от приращения сопротивления фоторезистора ЛRФ имеет ви д Ивых где b=R зRБ(2R2+R1); Go=2RфR1RзR4; а1 =R4(R1Rз- 2R2RБ-R1R5). 134
Рис. 3.12 . Мостовой преобразователь Ио с линеаризованной 1 функцией . преобразования Путем рационального выбора значений и знаков Ь, а0 , а 1 можно линеаризовать зависимость Ивых от ЛRФ · Несколько бол ьшими возможностями обладает преобра­ зователь (рис . 3. 13), выходное напряжение которого опре­ деляется выражением Ивых аоЩЬо+Ь1К(Е)] l-a1K(E) (3.3) где ао, а1, Ьо, Ь1- коэффициенты передач соответственно первого Al и второго А2 сумматоров; К (Е) - зависимость коэффициента передачи пара ­ метрического элемента от освещенности. Параметрический элемент представляет собой операцион­ ный усилитель, в цепи которого включен фоторезистор (рис. 3.14). Применяется делительная и мостовая схема включения фоторезистора. Рис. 3.13 . Преобразователь для коррекции люкс-омической характеристики фоторезистора Рис. 3.14. Параметрический элемент корректирующего преобразователя Значения коэффициентов передач Ь0, Ь 1 , а1 , линеаризую­ щих выражение (3.3), получают расчетным путем. 135
Преобразовать (рис . 3.13) с погрешностью, равной нулю, линеаризует функцию преобразователя, которая точно о пи ­ сывается дробно -линейным выражением. Если же соеди ни ть параллельно два таких преобразователя, причем выходные сумматоры объединить в один, то получим корректирующий преобразователь, точно линеаризующий характеристики пары фоторезисторов , представленные рациональ ной дробью второго порядка . Такое описание характеристики фотоприем­ ника эквивалентно аппроксимации ее полиномом четвертого порядка . Остаточная нелинейность в параллельно соединен ­ ном корректирующем преобразователе снижается в 2-4 раза по сравнению с преобразователем, изображенным на рис. 3.13. Аналогичные по точности результаты дает переключение к.оэффициентов передач сумматоров Al : А2 (рис . 3. 13) в точ ­ ке характеристики фоторезистора , разделяющего диа п азон измерения на два участка . Каждому участку характеристики соответствуют свои коэффициенты· передач. Требуемая ком­ мутация реализуется путем введения в схему двух компара ­ торов, схемы управления и трех ключей . Один компарато р с11 ужит для начальной установки схемы, а второй - для задания уровня переключения . Компараторы включаются между выходом А2 и схемой управления, представляющей собой простую логическую цепь, которая управляет ключа ми . Ключи соединяют необходимые в данный момент входы сумматоров (3.5]. В алгоритмах расчета коэффицентов передач сумматоров используют чебышевский либо среднеквадратичный критери й близости дробного выражения, определяющего зависимость выходного напряжения преобразователя, к требуемой зави ­ симости . Определяется глобальный экстремум выражений min тах P(x) IИвых тр(х)-Ивых (Х, А) 1. x<fx1, х2] min ~ р(х) (Ивых тр(Х)-Ив ых (х, А)] 2, (3.4) где l\ - вектор коэффициентов передач ; [х 1 , х2] - диапазон измерения ; Р(х) - весовая функция . В первом случае задача сводится к последовател ьному решению систем линейных неравенств [3 .5] , во втором - выражение Uвых (х, К) приводится к виду, позволяющему линеаризовать систему уравнений, получаемую методо м наименьших квадратов . Рассмотренные корректирующие преобразователи по существу являются измерительными функциональными пре­ образователями . Форму требуемой зависимости выходно го 136
напряжения Ивых тр (х) можно задавать произвольной (ло­ гарифмической и др). С другой стороны не всегда необхо­ димо линеаризовать собственно характеристику фоторе­ зистора или нелинейность моста_. Например, в приборах, контролирующих оптические параметры среды, выходное напряЖ:ение, как правило, нелинейно зависит от измеряемой концентрации. В этом случае в линеаризуемое выражение следует подставить зависимость коэффициента передачи параметрического элемента от контролируемого параметра. Если требуется последоватеЛЬМI!> преобразовать инфор­ мацию от группы фоторезисторов, то схема преобразователя (рис. 3.13), дополняется ключем, соединяющим фотоприем­ ники с параметрическим элементом. Одновременно с подклю­ чением фоторезистора необходимо изменить коэффициенты передач сумматоров. Эта операция в случае малого числа датчиков выполняется ключами аналогично корректирующе­ му преобразователю с делением диапазона измерения на участки; при большем числе фоторезис:rоров - с помощью цифроуправляемых сопротивлений, установленных во вход­ ные цепи сумматоров . Коды управления сопротивлениями, управления ключом, коммутирующим фотоприемники, посту­ пают из запоминающего устройства, являющегося, как и кор­ ректирующий преобразователь, частью некоторой системы. Влияние температуры окружаюшей среды на фоторе­ зисторы настолько велико, что если не принять меры по его ослаблению, то фоторезистор можно использовать только как переключающий элемент. Методы уменьшения температур­ ной зависимости заключаются в параметрической термоком­ пенсации и термостатировании. Построение схем термокомпенсации затрудняется дву­ мерностью температурной характеристики сопротивления фоторезистора. Приращение сопротивления фоторезистора, вызванное изменением температуры, зависит еше от уровня освещенности. Например, у фоторезистора СФЗ-1 темпера­ турный коэффициент фототока изменяется от значения 1,3 %/0С при 1О лк до 0,2 %/0С при освещенности 1ООО лк [3.2]. Поэтому в сигнал - от компенсирующего элемента, чувствительного к температуре, следует вводить поправку, которая учитывает уровень освещенности. Если можно ис­ пользовать постоянный световой поток от источника излу­ чения, то естественно применить в качестве термокомпенси­ рующего элемента фоторезистор с близкими к рабочему параметрами. Вспомогательный фоторезистор с постоянной засветкой Е0 может включаться в мостовую, дифференциаль­ ную схемы (рис. 3,9, 6,в), что нередко используется при по­ строении канала сравнения измерительных приборов, либо 137
в цепи операцио нн ого усилителя (рис. 3. l О, а,6) . В любой схеме включения ком п енсация температурно й погре ш ности будет осуществлять ся в участке диапазона и3мерен ия вблизи Е0, так как тол ько для этого участка соблюдается равенство температурных коэффициентов рабоче го и вспомогательного фоторезисторов . Ширина участка термокомпенса ции будет значительной в области сильных освещенностей (более 100 лк) . В област и слабых освещен н остей фоторезистор ы обладают наибольши м температурным коэффи циентом и даже изменение освещенности на единицы люкс вызывае т значительную разницу в его значении . Чтобы с задан ной погрешностью исключит ь вл ияние температуры во всем диа ­ пазоне освещенностей, необходимо установить ряд уров ней засветки вспомо гательного фотоприе~ника, пр и чем боль­ шинство из них в обл асти слабых освещенностей . Число uоддиапазонов можно сократ ить подаче й на рабо чий фот о ­ резистор фоновой засветки 10- 20 л к. Введение фоново й засветки позволяет в средне м н а порядок уменьшить з н а ­ чение наибольшего температурного коэффи циента рабо чего фоторезистора . При этом поро говая чувствительность фоторезис тор а у.меньшается незначительно . Например, дл я фоторез и сторо в на основе CdS достаточно задать 3 ...4 уровня засветки вспомо гательного фоторезистора в диапазоне от долей люкс а до 1000 лк, чтобы осуществить термокомпенсацию с разни це й в значениях температурных коэффициентов фоторезисторов на границах поддиапазонов О, 1 %/ 0 С. В некоторых случаях термокомпенсацию с применение м вспомогательного фоторезистора можно выполнять одновре ­ менно с коррекцией нелинейности . Так, если параметр и чески й элемент рассмо тренного преобразователя выполнен по схе ме, изображенной на рис . 3. 10 а, 6, то при разделении всего диапазона измерения преобразователя на участки необхо ­ димо одновременно с переключением коэффициентов передач сумматоров изменять уровень постоянной засветки вспомо ­ гательного фоторезистора. Естественно при этом следует учитыват ь ступенчатое изменение коэффициента передач и параметрического элемента на границах подд и апазонов . 3.4 . ФОТОДИОДЫ Принцип действия и конструкция . В зависимости от принци п а действия разл ичают два основных типа фотод ио ­ до в: диффузионные и дрейфовые . 138
Диффузионные фотодиоды представляют собой структуру с однородным распределением примеси в р - п областях . При облучении фотоприемника потоком спектрального состава, соответствующим области собственного поглощения полу­ проводника, в его объеме генерируются электронно-дырочные пары . Электронно-дырочные пары, находящиеся на рас ­ стоянии, равном или меньшем диффузионной длины L от р-п перехода, разделяются полем перехода . Неосновные но­ сители переходят область перехода, а основные - ос т аю т­ ся. В результате образуется ,;. ~'9полнительное электри­ ческое поле, противоположно направленное полю р-п перехода, что приводит к снижению высоты потенциального барьера. Величина разности потенциалов, возникающая вследствие облучения фотодиода зависит от интенсивности потока облучения и сопротивления внешней цепи . В случае разомкнутой цепи все генерированные носители скапл ивают­ ся у р-п перехода, понижая потенциальный барьер на максимальную величину Ихх - Если диод замкнут накоротко, то все разделенные носители протекают во внешнюю цепь, образуя наибольшее возможное значение тока короткого замыкания lиз- Не все, генерированные под действием фотонов, носители разделяются потенциальным барьером р-п перехода. Для оценки эффективности процесса разделения носителей тока служит коэффициент собирания носителей Q [:i .fJ] . Q=~.qN где N - число 1юглошенных в полупроводнике носителей; q - заряд э.1ектрона . В диффузионном фотодиоде трудно добиться высокого коэффициента собирания . Так, в коротковол новой области спектрального диапазона диода часть электроннu-дырочных пар образуется в приповерхностном слое базы на значи­ тельном удалении L от р-п перехода (l> L) . Эти носители рекомбинируют . В длинноволновой области диапазона из­ лучение проникает вглубь полупроводника за р - п переходом, слабо поглощаясь . Коэффициент собирания выше у диодов с базой р -т ипа, так как коэффициент диффузии электронов больше диффу­ зионной постоянной дырок . У дрейфового фотодиода в базе присутствует внутреннее электрическое поле, которое ускоряет движение носителей к р-п переходу . Поле равно нулю у поверх ности базы и дости гает максимального значения у р-п перехода. Напряженность поля Е пропорциональна градиенту концентрации примеси в рас- 139
Рис. 3.15 . Устройство кремниевых фотодиодов а - дрейфового; 6 - р-типа сматриваемой точке. Необходимый профиль распределения примеси в базе создается в процессе изготовления диода . Гауссовский профиль распределения Получают ионно-луче­ еым и диффузионным методами легирования . Эффективное распределение генерированных носителей достигается в том случае, когда ширина области пространственного заряда больше средней глубины проникновения в полупроводник . Для р-п фотодиода в спектральном диапазоне, 0,45 - 0,6 мкм толщина области пространственного заряда должна быть от 1 до 3 мкм. Коэффициент собирания носителей дрейфового фотодиода выше, чем у диффузионного. Фотодиод со структурой p-i -n представляет собой тонкие низкоомные р и п области, между которыми помещен высоко ­ омный протяженный i-слой, в котором поглощается до 90 % падающей мощности. Функционирует p-i-n фотодиод при об­ ратном смещении . Практически все приложенное напряжение падает на i-слое, создавая область сильного поля, ускоря­ ющего образованные действием лучистого потока носители. Дрейфовый механизм переноса носителей в p-i -n фотодиоде сводит к минимуму рекомбинационные потери. Коэффициент собирания p-i -n структуры пропорционален толщине i-слоя d [3.6]. Q=l-Гad, где а - коэффициент поглощения. В большинстве случаев фотодиоды обладают планарно й конструкцией (свет падает перпендикулярно р-п переходу) . Различают плоскостные и точечные фотодиоды . Наиболее распространены - плоскостные кремниевые фотприемники. На рис. 3.15 показаны структуры кремниевых фотодиодов : а) - дрейфового, б) - p-i -n . Ориентировочные толщины слоев p-i-n диода следующие : р - области 0,5 мкм, i - слоя 40 мкм, п - области 10 мкм, защитного окисла Si02 - 0,8 мкм [3.7]. Антиотражающая поверхность позволяет уменьшать потери 140
излучения из-за отражения до 30 %. Поверхность выполня­ ется в виде тонких слоев двуокиси кремния или халькоге­ нидных стекол. Основной конструкцией германиевых фотодиодов также является плоскостная, но встречается и точечная. Конструк­ ция фотодиодов не отличается от конструкции обычных гер­ маниевых диодов . Применяются как металлический, так и пластмассовый корпусы . Характеристики фотодиодов. Идеальный фотоприемник обладает спектральной характеμи~~икой чувствительности в виде прямой линии (рис . 3.16) всЛ'едствие того, что фототок /Ф пропорционален потоку фотонов, число которых в свою очередь пропорционально длине волны излучения. Выражение [3.8] S(А/Вт) =0,8QЛ (мкм) определяет теоретическое зна­ чение чувствительности в спектральном диапазоне (Л<Л"). Так . как предполагается, что каждый фотон генерирует один носитель тока, то идеа л ьная спектральная характеристика не учитывает зависимости от длины волны коэффициента соби­ рания носителей; коэффициента поглоШ:ения; квантовой эф­ фективности полупроводника . Реальная характеристика вследствие этого нелинейна и продходит ниже идеальной . 'Вт , S,i,AЛ 1.б 1.2 / ....,,.. / / / / ..,,.,.., .... ,,,.. .... J.. "(Si) J.."(GВ, Рис. 3.16 . Спектральная характеристика чувствительности идеального фотодиода 0,2 0 ,4 О,б 0,8 1 1,2 1.4 1,6 1,8 i\,мкм Спектральную чувствительность фотодиода, полагая что квантовый выход равен единице, определяют из выражения 1 Sл=(l-R)·Q·-. 1,24 где R - коэффициент отражения от поверхности ~ Максимум спектральной характеристики фоточувстви­ тельных структур из кремния находится вблизи 0,86 мкм , но в зависимости от конструкции и применяемой технологии JУJОжет сдвигаться от 0,6 мкм до 1, 1 мкм. Длинноволновая граница достигает значений Л":::::: 1,2 мкм . Для германиевых фотодиодов максимум спектральной характеристики нахо­ дится вблизи Л "а"с= 1,5 мкм, длинноволновая граница спект­ ральной чувствительности достигает Л" = 2 мкм . 141
Фотоzаль/Jа Фотодиодный нический lобщ,мкА режим ,,.... f " j //' ( J[/ U.:x:r . (Sl) =0,45-0,558 режим Е=5000ш 1 4000лк 1 1 3000лк 1 200Олк 1 1000лк lт1 Рис. 3.17 . Вольт-амперные U,B характеристики фотодиодов В диапазоне 1,0- 15 мкм германиевь1е и кремниевые фото ­ диоды вытесняются структурами на основе JnSb, lnAs, GaAs , GaAlAs, GaSЬAl. Тройные соединения Pbi-xSn,Тl, Hgi-.GdТl удобны для изготовления фотодиодов инфракрасной област и спектра, соответственно 4-30 мкм и 0,8 --30 мкм. Конкретная спектральная характеристика в указанной области получает­ ся выбором ве.аичины Х, регулирующей ширину запрещен­ lfой зоны . Чувствительность к излучению с длиной волны Л<О,45 мкм, которое поглощается в поверхностном слое, обладают струк­ туры с барьером «Металл - полупроводнию> (диод IUоттки). Спектральная характеристика завис-ит от приложенного к фотодиоду напряжения . Так, у кремниевых фотодиодов, включая p-i-n диоды, максимум характеристики для боль ­ шинства приборов сдвигается в область больших длин волн при подаче обратного смещения. Повысить чувствительность кремниевых p-i-n диодов в 2-5 раз позволяет структура с полным внутренним отраже­ нием света, работающего в ближней инфракрасной области спектра. Для реализации многократного отражения излуче­ ния на тыльной поверхности фотодиода создается рельеф в виде У-образных канавок. В фотодиодах с отражающим рель­ ефом длина пути прохождения света в несколько раз пре­ вышает толщину пластины полупроводника . Ход луча опре­ деляется законами геометрической оптики, так как пер иод рельефа больше длины волны излучения . В структуре дости­ гается хорошее поглощение излучения и высокий коэффиц и­ ент собирания носителей . Вольт-амперные характеристики фотодиода изображены на рис . 3. 17. Обычно прямую ветвь характеристик не рассматривают, так как фотодиоды пр и­ меняются при нулевом либо отрицательном смещении . Режим работы фотодиода без внешнего смещения называется фо - 142
тогальваническим . с отрицательным смещением - фотодиод­ ным . Вольт - амперная характеристика в темновом режиме не отличается от зависимости обратного тока обы чного диода f,=lo [ ехр (:~,)-1] 0 ' где/0 - ток насыщения; k - постоянная Больцмана; q - за- ряд электрона . В фотодиодном режиме темновой ток максимален и равен току насыщения . Темновой ток ~р9.t1ышленных образцов не­ редко достигает единиц, десятков· единиц микроампер . На 2-3 порядка ниже темновой ток фотодиодов . Параллельно зависимости темнового тока при отрица­ тельном смещении располагаются характеристики , соответ ­ ствующие уровням освещенности фотодиода . Ход характе ­ ристик объясняется тем, что значение фототока определя­ ется числом по глощенных фотонов и слабо зависит от прило­ женного напряжения. Линии равноудал ены дру г от друга, что свидетел ьствует о линейности энергетической характеристи­ ки фотодиода. В случае нулевого смещения значение фототока зависит от сопротивления нагрузки Rн фотопри е мника, изменяясь от тока короткого замыкания (Rн=О) до нуля (Rн= оо ). Таким образом, в фотогальваническом режиме диод является источ­ ником фото-э . д .с . Для типичных фотодиодов напряжение хо­ лостого хода Ихх не превышает 700-750 мВ. Энергетическая характеристика фототока в фотодиодном режиме практически линейна в диапазоне до 5-6 декад осве ­ щенности, нелинейно~ть составляет порядка l %- В фото ­ гальваническом режиме линейность сохраняется для сопро ­ тивлений нагрузки, намного меньших дифференциального сопротивления фотодиода. При этом нагрузочная прямая занимает положение, близкое к вертикальному, а напряже­ ние на нагрузке не превышает 100 мВ . Увеличение сопротив­ ления нагрузки приводит к сужению линейно го участка ха ­ рактеристики . Температурная характеристика темнового то­ ка фотодиодов близка к экспоненциальной . В диапазоне от­ рицательных температур темновой ток изменяется слабо, а в области положительных - в среднем удваивается на каж­ дые 10 ° С. При положительных температурах у большин ­ ства фотоприемников наблюдается ги стерезис темнового тока: при остывании ток на 10 - 15 % выше, чем при нагреве. Интегральная чувствительность кремниевых фотодиодов в фотодиодном режиме незначительно (в пределах до 5 %) изменяется в интервале рабочих температур. Монохрома ­ тическая чувствительность в диапазоне Лм акс-Л" увели чи­ вается с ростом температуры. 143
Ls Rн Рис. 3.18. IФ Iт Эквивалентная схема фотодиода Частотная характеристика чувствительности позволяет оценить быстродействие фотоприемников . Граничная частота фотодиода в зависимости от типа и режима работы может составлять от единиц до сотен мегагерц . Быстродействие фотодиода в основном определяется вре­ менем пролета носителей фототока от места их образования · до разделения потенциальным барьером . Примерно на по ­ рядок меньше составляющая инерционности вследствие по ­ стоянной времени, образованной емкостью Сп и сопротивле­ нием Гn р-п перехода, а также сопротивлением r" включа­ _!QЩИМ сопротивления растеканию тока ·в базе и в коллекторе, сопротивления контактов (рис . 3 .18) . Полоса частот фото ­ диода определяется из выражения [3 .9] ЛF= (1 +r./rn) 2:nrsCn, в котором не учитывается влияние сопротивления нагрузки Rн . Им можно пренебречь, если Rн ~ lOrп. Последнее условие может не выполняться при включении фотоприемника во входную цепь операционного усилителя . Для диффузионных фотодиодов с базой р-типа, толщина которой {J = l /а такова, что рекомбинацией в ней можно пре ­ небречь в предположении, что все излучение поглощается в р - области, среднее время пролета носителей равно lп=fN (2... B)Dn. где Dn - коэффициент диффузии электронов . Если учитывать поглощение в р и п областях. то наиболь ­ шее время пролета в одной из них определяет инерционность фотоприемника . В дрейфовых фотодиодах механизм переноса носителей заключается в диффузии при н<}личии электрического поля . Внутреннее электрическое поле на и-орядок уменьшает время пролета носителей в базе . Минимальное быстродействие наблюдается для фото галь ­ ванического режима работы, так как в этом случае макси ­ мальна емкость перехода и наименьшая ширина объемного заряда . В обратносмещенном p-i-n фотодиоде под действием си л ь­ ного поля i-области носители вследствие дрейфа быстро дос ­ тигают р - п перехода с незначительными рекомбинационными потерями (Q ~ l ). Граничная частота p-i-n диода при равно­ мерном образовании электронно-дырочных пар по всему i-слою определяется следующим выражением [3 .6] 144
f= 1,7 ·μ· Иобр//5 2 n, где μ - подвижность носите.пей. Чис.пенные зна чения fгр д.пя структур с то.пщинои ~-с.поя О,2 мм; 0,05 мм; 10 мкм при Uобр=50 В соответственно равны 30 МГц; 400 МГц ; lОМГц. В фотога.nьваническом режиме инерционность p-i-n диода уве.пичивается примерно на порядок вс.педс т вие то го, что э.пек­ трическое по.пе расп ространяется не на весь i - с.пой. Наря ду с дрейфом носи те.пи переносятся и диффузией. Однако уже при U06P-:::::. l -2 В ширина об.пасти об~много заряда ста новится бо.nьше г.пубины по г.nощен ия из.пучен ия (1/сх) и диффузион­ ное разде.nение носите.пей практ ически прекращается. Емкость р - п перехода опреде.пяется шириной i - c.noя W [3.9 ]. Ил=А(ЕЕо/W), где Е, Е0 - соответственно диэ.пектрическая п роницаемость по.nупроводника и вакуума (8,86·10 - 14 Ф/см); А - п.пощадь р-п перехода . Фотодиоды об.падают наибо.пьшим среди по.пупроводнико­ вых фотоприемников быст родействием . Постоянная времени р-п структур состав.'1яет 10- 5 - 10- 7 с, p-i-n диодов - 10 - 8 -10- 10 с. Пороговый поток Фn представ.nяет собой минима.пьный фиксируемый поток из.пучения, амп.питуда которого моду.пи ­ рована по синусоида.nьному закону. Значение порогового потока ограничена шумами фотоприемника. Д.пя кремниевых фотодиодов в зависимости от размера чувствите.пьного э.пе­ мента, конструкции и режима работы Фn= 10 - 12 -10- 15 Вт. Важным параметром, позво.пяющим сравнить физически и конструктивно разнородные фотоприемники, яв.пяется обнаружите.пьная способность - ве.nичина , обратная поро­ говому потоку в заданной (обычно единичной) по.посе частот D*= -,j AЛF / Ф11, где А - п.пощадь фоточувствите.пьного э.пемента; ЛF - по.поса частот. На рис. 3. 19 показаны кривые зависимости обнаружи ­ те.nьной способности кремниевых фо тодиодов с п.nощадью чувствите.пьного э.пемент а 0,02 см 2 ; 0,2 см 2; l см 2 от д.nины во.пны [3.10]. Достаточ но высокой обнаружите.пьной способностью в инфракрасном диапазоне об.падают структуры на основе /пSЬ- l · l011 ·см·Гц 1 1 2 / Вт; HgCdTe-1·10 1 0см·Гц 112 /Вт; PbS - l·l0 11 ·см·Гц11 2 /Вт. 10 83 1-0 145
_ Рис. 3.19 . Спектральная зависимость обнаружител ьной способности 0.5 О,б 0.7 Q8 Q9 1,0 1,1 д,мкм кремниевых фотодиодов В паспортных данньiх фотоприемl-iщ<ов встречаются зна ­ чения порогового потока в единичной · полосе частот ;.; Фn1=Фп/Wr удельного порогового потока (см . § 3 . 1) Ф:f=Ф. 1 /А . Основные виды шумов фотодиода: тепловой, дробовой и. избыточный, который обратно пропорционален частоте модуляции . В зависимости от схемы включения преобладает тепловой шум или избыточный . Природа теплового шума обусловлена хаотически м дви­ жением носителей тока внутри фотоприемника 1/=hvЛFGo / exp(hv/кT- l), где hv - энергия фотона; h - постоянная Планка; v - частота монохроматического электромагнитного излучения; Go - проводимость полупроводника. Дробовой (генерационно - рекомбинационный) шум по ­ является при протекании тока через р - п переход . Дробово й шум вызывается флуктуациями во времени носителей тока . Его определяют по выражению l2дp=2q/oЛF. где fo - среднее значение тока . Применение и паспортные данные фотодиодов . Фотодио ­ ды являются наиболее массовым типом фотоприемников . В фотодиодном режиме в полной мере реализуются такие поло ­ жительные свойства , как широкий спектральный диапазон, линейная энергетическая характеристика, высокое быстро ­ действие, временная стабильность характеристик . В фото ­ гальваническом режиме работы у фотодиодов ниже уровень шумов и темновых токов . Основной недостаток рассматри- 146
ваемых фотопреобразователей - температурная зависимость темнового тока, который в фотодиодном режиме может при ­ ближаться к значениям фототока. В отл ичие от фоторе ­ зисторов фотодиоды не обладают внутренни м усиле н ием фототока . Классификация преобразователей с фотодиодами не от ­ ,1ичается от приведенной в 3. 1 классификация фоторе ­ зисторов . Во многом совпадают и области применения. На и более характерные из них : считыванц.е ~нформации с перфолент , перфокарт, воспроизведение звука с л ент. В фотосчи ­ тывателях фотодиоды, источники излучения собраны в блоки и образуют оптические каналы, через которы<: перемещает ­ ся носитель информации . Максимальная 1 астота устрой ­ ства при использовании светодиода в ка честве источника из.11учения составляет един ицы МГ ц д.1 я фото гальвани­ ческого режима и десятка МГц для фотодиодного . Фотодиоды используются в преобразователях линейных и угловых перемещений [3 .6, 3.7) . На контролирующую поверхность прозрачного диска или ленты наносят в соот ­ ветствии с требуемым угловым или линейным разрешением рисунок. Скорость вращения (перемещения) можно опреде ­ лить подсчетом числа световых импульсов. которые падают на фотоприемник, проходя через контролируемую поверх ­ ность и узкую диафрагму (щель) от светодиода . Информа­ цию о направлении получают при помощи муаровых картин . В этом случае устанавливаются 2- 4 фотодиода, каждый­ из которых принимает световые импульсы, сдвинутые на 90 град. по пространственной фазе относительно соседнего фотоприемника . АмпJlитуда импульсов обратно пропорцио ­ нальна плотности муаровой картины . Кремниевый фотодиод - наиболее подходящий фотопри ­ емник в приборах и информационно - измерительных системах контроля параметров излучателей и индикаторов визуаль ­ ного отображения информации [3.9) . Так как устройст·ва производят измерение фотометрических параметров, то фо ­ тоэлектрический преобразователь должен обладать спект ­ ральной характеристикой, приближающейся к чувствитель ­ ности среднего человеческого глаза . Для корригирования спектральной чувствительности фотодиодов в состав преоб ­ разователя вк.'1ючают светофи л ьтры . Фотодиоды применяются в различных системах контроля и управления технологическими п роцессами. Например, для контроля параметров процесса осаждения и т равления пле­ нок в технологии производства интегральных схем [3. 11] . Кремниевые фотодиоды с р - п и p-i-n структурами являют ­ с10я* основными фотоприемниками оптронов [3 .9) . 147
~ФД-1 г: ФД-2 C\j~+ 'О "1 . аа l3 о 10 ФД-9К ФД20-З2К Рис. 3.20 . Конструктивное выполнение некоторых типов фотодиодов Паспортные данные серийных фотодиодов приведены в таблице 3.3, а на рис. 3.20 - эскизы конструкций некоторых из них. 3.5 . СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ФОТОДИОДОВ Датчики на фотодиодах выполняются на основе делител ь­ ных мостовых либо дифференциальных схем. Однако из-з а отсутствия в фотодиодах внутреннего усиления фототока, они в отличие от фоторезисторов обычно применяются сов­ местно с усилительными элементами. При выборе схем вклю­ чение следует учитывать, что в фотодиодном режиме п рием­ ник излучения имеет бо.1ьшую интегральную чувствитель­ ность и меньшую емкость р-п перехода, а в фотогальва ни­ ческом - минимальный темновой ток и повышен н ую темпе­ ратурную стабильность. 148
Рис . 3.21. Схемы 13ключения фотодиодов в усилител ьные каскады на биполярных транзисторах На рис . 3.21 приведены схемы. в которых фотодиоды управляют работой усилительн,ь1~~каскадов на п-р-п (рис . 3.21, а) и р-п-р (рис. 3.21, б) транзисторах. Значение тока, протекающего через сопротивJ1ение R1 в цепи базы транзис ­ тора, определяется уровнем освещенности фотодиода, вклю­ ченного с обратным смещением . Фотодиоды эффективно используютс я для приема моду­ лированного излучения как с фо нов ой засветкой, так и без нее [3. l О] . Чувствительность измери тел ьного преобр азова ­ теля пропорциональна сопротивлению на грузки фотоприем­ ника . Его максимальное значение определяется из требова ­ ний быстродействия, ограничиваемого емкостью р-п перехо ­ да, и линейности в динамическом диапазоне принимаемого сигнала для фотогальванического режима работы. Чтобы входное сопротивление активного элемент а не шунтировало сопротивление нагрузки фотоприемника, которое может быть достаточно высоким, применяют полевые транзисторы. В схеме (рис . 3.22, а) фотодиод включен в фотогальвани­ ческом режиме . При сопротивлении R1 порядка l МОм напряжение на фотодиоде равно напряжению холостого хода (Их х ), а энергетическая характеристика близка к лога­ рифмической. Принимаемый сигнал искажен. С уменьшением R1 до единицы килоом нагрузочная прямая пересекает r----+ -- -o +Е VD а Рис. 3.22 . Схемы включения фотодиодов в усилительные каскады на полевых транзисторах 149
Параметры серийно выпускаемых фотоди одов Таблица 3-3 Тиn /" мкА s. Л'... Л" Ф, 1, мм Ф, мм Площадь т, r и,, Л,...акс. т, t· Е••••• ~~~· чу ветвите - в мкм лк льного споя , мм ФД-1 15 30 ~20 мА/лм 1,6 0,4...1,9 1,5·10-10 лм 10- 15 - 5 18 8,2 5 0,9 ФД-2 (гр. l) 30 25; 40(40°С) ~20мА/лм 1,6 0,4". 1,9 (2,8". l ,4· 10 - 5 - l 22Х!ОХ - 1,1 0,5 · IQ-IU ЛМ Х15 ФД-2 (гр. 2) 15". 19 мА/лм 2,2Х !ОХ Х15 ФД-3 10 15; 110 (60°С) 20 мА/лм 1,6 0,4". 1,9 l,l · 10-IOЛM 10- 6 - 2 9 3,85 3 0,42 ФД-3А 10 10; 65 (60°С) 10 мА/лм 1,6 0,4".1.9 l,8 ·10 - IV ЛМ 5.10-5 - 2 9 3,85 3 0,42 ФД-4 20 3,0 20 мА/лм 1,6 0,4".1,9 l,5 ·10 -IO ЛМ 10-5 - - - - 5 - ФД-5Г 15 8;40 (40°С) ~25мА/лм 1,6 0,4".1,9 5 -10 - 9 лм/ 3.10- 5 - 2,5 10 8 - 1 /Гц 112 ФД-Кi 20 3 3 мА/лм 1,0 0,5".1)2 3.10- 1 " лм 10-5 - - 9 3,9 - - КФ-ДМ (гр. 1) 20 l;3,5 (75°С) 7,5". 15 мА/лм 1,0 0,5". l ,2 (3,8".7,6) . 10 - 5 - - 12 3.87 1". 2 0,8 •lQ-llЛМ КФ-ДМ (гр. 2) - 5 1,5-I0-2А/лк - - 5.10-3 лм 10-5 - - - - - - 10- 6 ,- ФД-А2 20 3 6".7 мА/лм 1,0 0,5". 1,2 (2" .5, · 10 - - - - - - -10- 3Вт ФД «Порог» - 0,1". 0,3 0,5 мкА/лк 1,0 0,5...1,2 (4,6.. .6). 10 - 5 - - - 121 10 мм (гр. 1) 5 мА/лм 10- 11 лм Фд-6К 20 l·7(75°С) l.4 ·l0-2мк 1.0 0.5".1.2 2.8 ·10-11лм 10-6 - 2 14 5,5 - 1,6 А/лк 20 мА/лм ;)-10-6 ФД-7Г 10 10 - - 0,3... 1,8 - 1050 - - - 5 - ФД-7К 27 5; 30 (75 °С) 0,47 мкА/лк 0,8 0,4" .1 ,2 - - - 78 6,5 19 ,6 - 6,8 ФД-8К (гр. l) 20 1; 2 (60°С) 8-10-з мкА/лк 1.0 0,5". 1.2 l,4 ·10 -IO ЛМ 7,5 · - - - - - - . 10-6 ФД-8К (гр. 2) 20 3 4 мА/лм 1,0 0,5".I,2 2,5.10 -IOлм 7,5· - - - 1 - 2 - .10-6
ФД - 9Э111А 10 ..;;;ю; ..;;;во ;;;;,:17 мА/лм 1,5 (50 °С) 0,4 ... 1,8 ..;;:1,2· 17,1 8 2,5 .10-7 · ФД - 9Э111Б 10 .. ;;:20 ;;;;;: 17 мА/лм 1,5 0,4 ... 1,8 ..; ;;2 . . 10-1 17,1 3 2,5 ФД - 9Э111Г 10 ..;;:25 ; 40% 1,5 0,4 .. .1,8 ..;;:2,5· 17,1 8 2,5 (50 °С) -10- 1 70%(-50°С) ФД-9К 10 10 ; 25(50 °С) 3 мА/лм 19,6 9 11 24 1,6 1690 20 1 4 мА/лм 2 169 1 о 1 0,7 мАfлм - - 3.10-5 2 ГД-20 45 <10 3 . 10- мА/ 1,55 0,4 ... 1,9 при 500лк 10-s лк ГД-50 45 <1.0 > 5.10- 5 мА/ 1,550,4...1,9 при300лк 10-s лк ФД-23К 20 1,0 1,4- lo - 2 мкА/ 0,5 ... 10-Б 4500 2...3 лк ... 1, 12 ФД-24К 27 5,0 0,47 мкА/лк 0,47 ... 10-5 1100 78 ... 1, 12 ФД-25К 20 1,0 -10- 3 мкА/л 0,5.. .1 ,12 7,5 · 2000 _:;:,, 2...3 - 10-5 ~ ФД-26К о 3,0 -10- 3 мкА/л 0,5.. .1 ,12 1,2· 2000 2...3 - 10-5 · ФД-27К 20 1,0 1.5· I0-2 мкА/ 0,5.. .1,1 io- 5 2400 2...3 лк ФД20 - 32К 3 0,01 ... 0,02 5,7... 7 мА/лм ФТ-1 3 300 170...500 мА/ 1,6 0,4 ... 1,9 5.10- 7 лм 2.10-4 лк ФТ-IК (гр. 1) 5 ..; ;;3 ..;;;о , 4 мкА/лк 0,5.. .1,12 8-10-5 1500 2 10 3,9 2...3 0,42 ФТ-lК (гр. 2) 5 ..;;;1 ..;;;о,2 мкА/лк 0,5... 1,12 8-10-5 1500 2 10 3,9 2...3 0,42 ФТГ-2А 5 50 1000 мА/лк 1,6 0,4...1,9 2,5 .10- 7 ФТ-2К 5 3,0 ;;;;,:о ,4 мкА/лк 0,5 .. .1,12 В· 1500 10 3,9 2...3 -10-5 ФТГ-3 5 50 !ООО мА/лм 1,6 0,4 . .. 1,Q 3 6,3 8,7 1,6 ФТК-3 5 3,0 1000 мА/лм 10-4 3
вольт-амперные характеристики в линейной област и. Без искажений принимается сигнал высокого уровня . Если п олезный сигнал маскируется во много раз превы­ шающей его фоновой засветкой, то для уменьшения п ослед­ ней следует использовать маски и фильтры инфракрасно го участка спектра . При этом значение R1 можно повыс ить до десятков килоом. В случае, когда принимаемое излуче ние обладает большим динамическ им диапазоном, что вызывает трудности в определе ни и R1, нагрузку фотодиода устанав­ ливают переменной . Для этого параллельно R1 включают МОП-транзистор (например, КП305), на затвор которо го подается управляющее напряжение, пропорциональ н ое при­ нимаемому сигналу. ~-----<>+Е UtJыz Рис. 3.23 . Схемы с избирательными цепями для приема модулированного лучистого потока В фотодиодном режиме (рис . 3.22 , 6) значение R 1 рас ­ считывается из условий требуемого быстродействия R1 = = l / (2лf гр· Cn). Между диодом и затвором транзистора включается разделительный конденсатор . Хорошие результаты при приеме модулированного излу ­ чения в условиях сильной фоновой засветки дает приме­ нение избирательных цепей (рис. 3.23) . Нагрузкой фотодио­ да служит параллельный контур с высокой добротностью настроенный на частоту принимаемого сигнала. Поскольку контур обладает узкой полосой пропускания, то из все го спектра фонового излучения выделяется только резонансная частота, и, как следствие, повышается отношение сигнала к фоновой засветке. Кроме того, уменьшаются уровень шумов на входе усилителя . Суммарная емкость контур а включает емкости р-п перехода и входа транзистора, чт о также является одним из преимуществ рассматриваемых схем . Наряду с рассмотренными преобразователями с функция - 152
-Е 1[ IC r а Рис . 3.24. ~,_, ;o;i Фотоэлектрический частотно-временной преобразователь : а - с управлением блокинг-генератором на биполярном транзисторе; 6 - с использованием для согласования фотоприемника и блокинг-гене­ ратора полевого транзистора ми преобразования U(E) или /(Е) применяются частотно­ временные фотопреобразова тели [3.12]. Преобразование светово го потока в частоту осуществляют при помощи ре­ лаксационных генераторов, во времязадающую цепь кото­ рых включают фотоприемник . На рис. 3.24 приведены схемы частотно-временных преобразователей, в которых фотодиод управляет работой блокинг-генератора. В современных устройствах фотодиоды обычно вклю­ чают на вход операционных усилителей (ОУ), что позво­ ляет максимально реализовать возможности фотоприемни­ ков по быстродействию, линейности энергетической харак­ теристики, чувствительности к слабым сигналам и др. На рис. 3.25, а фотодиод включен в фотога.'!ьваническом режиме. Сопротивлением нагрузки фотоприемника является входное сопротивление ОУ, которое определяется сопротив­ лением R 1 в цепи обратной связи и зависит от коэффици­ ента усиления напряжения К операционного усилителя Rвx=f+ К Значение Rвх составляет 0,1-100 Ом при изме­ нении сопротивления R 1 от 5 кОм до 5 МОм и К=50000 . Следовательно, фотодиод нагружен на малое сопротивление, которое обеспечивает линейность энергетической характери­ стики в фотогальваническом режиме и высокое быстродей­ ствие, так как исключает влияние емкости р-п перехода, достигающей в фотогальваническом включении тисячу и бодее пФ. Верхняя граница частотной характеристики схемы, особенно в случае применения p-i-n фотодиода, ограничивает ­ ся быстродействием операционного усилителя, которое по­ вышается с уменьшением сопротивления обратной связи. Выходное напряжение ОУ, выполняющего преобразо­ вание тока фотодиода в напряжение, равно Uвыx=lфRJ =ES0R1. 153
Рш. 3.25 . Схемы включения фотодиодов в цепи операционного усилителя : !!: - фотоприемный модуль; 6 - схема денситометра где Е - освещенность ; So - интегральная чувствите.1ьность . Простым изменением сопротивления R1 удается с по ­ мощью рассматриваемой схемы измерять освещенность прак ­ тически во всем диапазоне, воспринимаемым фотоприем ­ ником (6 - 8 декад). Дополнительным преимуществом является близость к нулю темнового тока, что повышает температурную ста ­ бильность преобразователя . Кроме того, в выходном напря ­ жении отсутствует постоянная составляющая из-за темно в о ­ го тока . Схема (рис . 3.25, 6) усиливает сигнал, пропорциональ ­ ный разности освещенностей двух встречно включенных фо ­ тодиодов [3 . l О] . Сумма сопротивлений резисторов на входах ОУ составляет нагрузку фотоприемников . Сопротив.~ения должны быть малы для линейности преобразования , но достаточно велики для нормальной работы ОУ . Фотодиоды с малой площадью чувствительного элемента (например , ФД - 3А) в отличие от фотодиодов с большой площадью допустимо нагружать сопротивлением в l кОм и более . Со ­ противление в обратной связи выбирается из условия пол у ­ чения требуемого усиления . Схема может применяться для измерения чувствительности фотодиода относительно образ­ ца с известными параметрами, в денситометрах и др . При включении датчика на вход ОУ в фотодиодном режиме (рис . 3.25, в, г) увеличивается чувствительность и снижается емкость фотоприемника, снимается ограниче н ие на верхний предел сопротивления нагрузки, что позвол яет 154
эффективно измерять слабые постоянные световые потоки . Линейность преобразования сохраняется . Отриuательным фактором является повышение темпера турной нест абильно ­ сти, связанное с ростом темнового тока . Поэтому , в сл у ­ чае работы со слабыми потоками предпочт ител ьно ис пользо ­ вать диоды с p-i-n с т руктурой . Резистор R2 (рис . ·3 .25 , в), служащий для компенсации смещения выходного напряже ­ ния из - за темнового тока, можно исключить при /Ф~/т. Выходное напряжение схемы (рис . 3.25, г), в которой фотодиод включен на неинверп1,ру~ щий вход, определяется - ~. )' выражением ·· Предельное значение коэффициента передачи ОУ (Кп = l + ~:) ограничивается напряжением смещения нуля, входными токами операционного усилителя и их темпера­ турным дрейфом . Коэффициент передачи устанавливают в пределах от единиц до сотен в зависимости от параметров ОУ и требований к точности преобразования . Рассматри­ ваемая схема трансформируется из чувствительного люкс ­ метра с высоким быстродействием в низкочастотное фото ­ реле, если с фотодиода снять обратное смещение . В обоих случаях значение резистора R1 выбирают достаточно боль­ шой (100 кОм), так как общий ток многих токов фотодиодов составляют единицы микроампер . ~фt / ~Ф~2 Ф:5 R 5 VIOR_А2и '1 &!х + о Рис. 3.26 . Схемы фотоэлектрических преобразователей В настоящее время разрабатываются и выпускаются микросхемы, включающие фотоприемник и усилительные элементы . На рис . 3.26, а изображен кремниевый фотоприем­ ный модуль, состоящий из обратносмещенного фотодиода и двух усилителей . Первый усилитель преобразует фототок 155
в напряжение . Соп ротивл ение обратной связи Roc выбра но таким, чтобы обеспе ч ить работу фотоприемник а на коротко ­ зам кнутую на грузку. Второй усилитель обладает переменным коэффициентом передачи, который устан авливается при по­ мощи внешне го переменно го резистора Ri, вкл юченного в цепь обратной связи ОУ . Внешняя емкость С явл яется р аз­ делительной. Модуль предназначен для приема слабых импульсов лучистой энергии в видимом и ближнем инфра­ красном ди апазоне. Фотодиод расположен в центре кристал­ л а кремния площадью 2,3 Х 2,3 мм . Параметр ы ми кросхем ы, сохра н яющиеся пр и п рие м е световых импульсов с длитель­ ностью до 90 нс, приведены в табл. 3.4 . Таблица 3.4 Параметры фотоприемиого модуля \,/ Параметр Норма ТУ Тиnов оf' Пороговый поток (Фn) , мВт, з.0. 10-8 не бол ее 2.5 -10 --8 Чувствительность (S0 ) , 2,0 -10 6 3,l ·10 6 В/Вт, не менее Среднеквадратичное значение 100 70 н~пщ1жения шумов на выходе ( Ивых-). мВ, неболее Напряжение питания (Un). В 9±10% 9±10% Ток потребления (/n) , мА, не более 6,0 5,0 Площадь фоточувствительного элемента, мм 2 1 , 5ХО,8 1 .5ХО,8 На рис . 3,26, 6 приведены схемы источника и п риемника и злучения денситометра, который отличается высокой ста ­ бильностью светового излучения источника [3,7] . Выходное напряжение при отсутствии контролируемого веществ а и постоянстве дел ения светового потока Ф 1 на Ф2, Фз про пор ­ ционально опорному напряжению U0 • Схема работает как линейный оптрон. Це п и источника и приемника можн о гал ь ­ ванически развязать . Приращение потока Ф 1 вследс твие ухода па р амет ров изл учателя вызывает изменение об ще го тока фотодиода VD2, которое через усилитель А 1 устана в­ л ивает ток через светодиод, компенсирующий прираще ние Ф 1. Таким образом, если на пути потока Ф3 поместить кон­ трол ируемый материал , то вел ичина Ф3, а следовател ьно и выходное напряже н ие, будет определяться только опти­ ческой пл отностью материала при U0 =const. Пред п ол агает ­ ся, что фотодиоды обладают малым температурн ым коэф ­ ф и циентом или же темпера тура поддерживается в допу­ стимом диапазоне . 156
3.6. СХЕМЫ l(ОРРЕКЦИИ ФУНКЦИй ' ПРЕОБРАЗОВАНИЯ Основная задача ко р рекции ф унк ции п реобр а зован ия фотодатчиков заключ ается в обеспечении инвариа нт ности п реобразования к дестабил изирующему воздействию темпе­ ратуры . Коррекция необходима вследствие за висимост и тем ­ нового тока от тем ператур ы окружающе й среды, зна чен и е которого при температуре выше 25 °С нередко соизмеримо с фототоком. Например, темновой ток обр атносмещенного кремниевого фотодиода ФД-9Кr-с в~°"люче н но го на вход ОУ , увеличивается примерно в 20 раз 'При изменении темпера ту­ ры от +20 до +70 °С, а превышение тока при остывании над значениями тока при нагреве составляет прибл изител ьно 15 %. Наиболее просто коррекция осуществляется с помощью термокомпенсирующих элементов, в качестве которых ис­ пользуют терморезисторы с положительным коэффициентом сопротивления , однотипн ые фотодиоды в темновом режиме . Термокомпенсирующая цепь с поз и стором или монокристал­ лическим резистором [3 .1 3] приводи тся н а рис. 3.27, а . В рассмотренных выше схемах термокомпе нсирующую цепь можно включить последовател ьно с фотодиодом. Подобные цепи рассчитывают на коррекцию усредненной температур­ ной ха р актеристики темново го тока . Рис. 3.27. Схемы компенсации температурной погрешности фотодиода а Термокомпенсацию с помощь ю дополн ительного затем­ ненного или с постоя нной засветкой фотодиода осу ществл яют в ди фференц и ал ь.ной схеме включе н ия фотоди ода . При этом 157
подбирают фотоприемники с возможно более близкими параметрами и задают им одинаковые режимы функцио­ нирования. Возможные схемы реализации параметрическо й термокомпенсации показаны на рис . 3 .27, 6 , в [3.9] . По­ мимо термостабилизации в аналоговых устройствах с фото­ диодами строгие требования предъявляются к стабильности напряжения смещения фотоприемника. В дифференциальных схемах возможна компенсация и фоновой засветки. Для этого вспомогательный фотоприем ­ ник должен освещаться только фоном . Особенно вредна фоновая засветка при регистрации слабых оптических сигна ­ лов. Так как в этом случае сопротивление обратной связи ОУ имеет значение более 10 МОм, то даже небольшая фоно­ вая засветка создает такой ток, который .перегружает усилитель. Рис. 3.28 . <I>отоэлектрический преобразователь (". для работы в условиях сильных фоновых засветок Эффективное подавление фонового тока достигается в схеме, приведенной на рис. 3.28. Постоянная составляющая выход ­ ного напряжения OY-Al, пропорциональная фоновой засвет ­ ке, выделяется RС - фильтром низких частот и усиливается транзисторным каскадом . Компенсирующий ток. направлен ­ ный встречно току фотодиода, генерируется в оптроне, па­ раметры которого в микрорежиме превосходят аналогичные генераторы компенсирующего тока на биполярных и поле­ вых транзисторах . Усиление корректирующей цепи выби­ рается таким, чтобы в диапазоне фоновых засветок ОУ не перегружался. Схема с кремниевым фотодиодом (S= =5-8 мА/"1м, А= l мм 2 ) нормально функционирует при уровне фоновой засветки до l 04 лк . 158
3.7 . ЛАВИННЫЙ ФОТОДИОД Лави н ный фотодиод относится к фотоприемни к ам с вну­ тренним усилением . ЛФД работает при обратном н апряже ­ нии, близком к пробивному и, вследствие этого, образован ­ ные под действием световоrо потока носител и тока ускоряют ­ ся сильным электрическим пол ем, приобретая достаточную энергию дл я ударной ионизации решетки пол упроводника . Возникающие при столкновении электроны и дырки в свою очередь продолжают про цесс I:tО!;!\fЗации . В результате в области пространственного заряда фотодиода происходит лавинное умножение носителей тока с коэффициентом уси ­ ления М, определяемым по эмпирической формуле Миллера М=/об щ/f o= 1/ (1- ( Исм/Ипро б)"J , где Исм - напряжение с мещения ; /0 =lот +I0Ф - ток инициируlощий лавинный процесс; Ипроб - пробивное напряжение при М-+оо ; п - коэффициент, имеющий значения от 1,5 до 6 в зави ­ симости от материала фотодиода и типа р-п перехода . Коэффициент усиления общего тока возрастает пропор ­ ционально приложенному напряжению, а зависимость уси ­ ления фототока имеет максимум при Ис м = Иnроб· Мф макс = (Ипроб/nRА/оф), где R - последовательное сопротивление фотодиода; А - площадь р-п перехода. Предельные реализуемые значения коэф~ициента усиле ­ ния для ЛФД на основе Si и GaAs равны 10 ..104, Ge - 102. Значение МФ макс тем выше, чем ниже уровень темнового тока и фоновой засветки, а так как темновой ток германие ­ вого ЛФД выше чем у кремниевого , то соот ветственно появляется разница в усилении . Вольт - амперные характеристики лавинного фотодиода показаны на ри-с. 3.29 . Рабочая область характеристик рас­ положена слева от вертикальной прямой, пересекающей ось в точке Иnроб - В этой области коэффициент усил ения уве ­ личивается от 1 до МФ ... акс· Еще быстрее возрастают шумы лавинного фотодиода , основным из которых является дро ­ бовой шум lдp 2 =2qloЛFMф, где х=2 ... 3 . В силу этого значительно снижается пороговая чувствительность . Шумы увеличиваются еще и вследствие наличия микро­ плазм (появление отдельных участков пробоя на р-п Переходе 159
Рис. 3.29 . Вольт - амперные характеристики Uпро4 ЦВ лавинного фотодиода . ранее, чем на остальной поверхности), которые воз ни кают из - за неоднородностей в полупроводнике . В нерабочей об ­ ласти (И р ~ Иn роб ) умножение фототока падает и резко ра­ стет темновой ток п робоя . Напряжение : пробоя в завис им ости ._от материала и конструкции фотоприемника составляет от нескольких десятков до сотен вольт. Применяются две конструкции ЛФД : планарная и меза. В планарной свет падает перпендикулярно р-п переходу . Так как в результате кривизны р-п перехода значен ия Иnроб на его краях меньше, чем в центре фоточувствительной пл о ­ .щади, то с целью предотвращения возникновения микро­ плазм по периметру р-п перехода создается охранное кольцо с меньшим градиентом распределения концентрации примеси. Для получения высокой одНОР.Одности площадь перехода ограничивается размерами 10 - 3 ••.10- 4 см2. В мезадиоде свет падает параллельно р-п переходу. Кон ­ струкция эффективна при работе в инфракрасном спектраль ­ ном диапазоне . Глубина поглощения фотонов равна длине перехода . Фотодиоду придается коническая форма, препят ­ ствующая возникновению зон лока л ьного лавинного пробоя . Внутреннее усиление в лавинном фотодиоде не связано со значительным повышением инерционности. Лавинный пробой, как и все полевые процессы, протекают быстро . Граничная частота достигает сотен мегагерц, а произведе ­ ние полосы частот на коэффициент усиления - 10 11 Гц. Так, например, для кремниевых фотодиодов МЛ.F составляет 80 ГГц, для германиевых - 50 ГГц [3.10]. К недостаткам лавинных фотодиодов относятся : необхо ­ димость высоких напряжений питания при жестк их требо ­ ва н иях к их стабильности (0,01 ... 0, 1 %), так как даже незна­ чительные колебания приводят к значительному изменени ю фототока; зависимость напряжения пробоя от температу ры, а т акже разброс его значения от экземпляра к экзем пл яру ; зависимость усиления фототока от фоновой засветки; н изк ий к.п.д. Эти недостатки ограничивают применение ЛФР, в 160
оптронах и некоторых других устройствах некогерентной оптоэлектроники . Лавинный фотодиод обладает наибол ьш им по сравнению с полупроводниковыми фотоприемниками произведение м по­ лосы частот на коэффициент усиления , что позвол яет эф­ фективно использовать ЛФд для приема слабых оптических сигналов (линии связи, лазерная локация) . При этом на 2...3 порядка снижаются требования к шумам п редусили те ­ ля . Коэффи циент усиления ЛФД, выбранный из условия получения наибольшего отношени~;tеигнал/ шум (бФn/ бМ = =О), называют оптимальным Мопт= [2ktm/R.(x-2)q(fтo+fфo)) ' 1', где Rн - сопротивление нагрузки; т - шум-фактор схемы. Шумовые характеристики фотоприемника можно улуч­ шить путем охлаждения . В настоя щее время выпускаются различные структуры ЛФД: p-i -n, с барьером Шоттки, полевая . Разрабатываются МДП фотоприемники, сочетающие высокую пороговую чувствите­ льность с большим коэффициентом умножения . В качестве примера приведем параметры германиевого фотодиода ЛФД-2 : lт =мкА при Исм=8 В; С=6 пФ; R= 25 Ом (последовательное сопротивление); РЛ;;;:.О,15 А/Вт при Л=632,8 нм ; Рд;;;:.О,5 А/Вт при Л= 1060 нм . Фотодиоды на основе барьеров Шоттки и гетерпере­ ходов. Барьер Шоттки (контакт металл - полупроводник) образу­ ется путем нанесения на полупроводник п или р-типа тонкой прозрачной металлической пленки . Материалами могут служить различные полупроводники, используемые в опто­ ~лектронике, и многие металлы, но пока промышленное применение наш л и кремниевые, германиевые, арсенид-гал­ лиевые фотодиоды с золотой пленкой, толщиною около 0,01 мкм . Вследствие различия работ выхода материалов контак ­ та в базе диода образуется область объемного заряда, обед­ ненная носите.'1ЯМИ . Ана~1огично p-i-n фотодиоду на области объемного заряда падает почти все приложенное к фото­ приемнику обратное смещение. Типичная структура AuSi фотодиода Шоттки показана на рис. 3.30, а. Охранное ко.'1ьцо предназначено для сни­ жения тока утечки и повышения пробивного напряжения. В других конструкциях кольцо может отсутствовать . Про- / светляющее покрытие уменьшает потери на отражение . 11 831 -0 161
Просбетлню­ щее покрытие Рис. 3.30 . А p+-GaAlAs n-GaAs n+-GaAs 6 ~ Устройстоо фотодиодов на основе барьеров Шоттки (а) и гетерпереходов (6) В зависимости ot длины волны излучения фотоны погло­ щаются в обл асти объемного заряда базы (коротковол­ нQвая часть спектрального диапазона) или же они придают электрона м металла энер гию, достаточную для преодоления ,барьера перехода (длинноволновая часть) . Ценным отличием фотодиодов Шоттки от обычных р-п приборов является высокая чувствительность к у.'!ьтра­ фиолетовому излучению ('А' ~ 0,2 мкм) , которое поrлощается в при поверхностном слое базы . Фотодиоды Шоттки обладают близкой к предельной ин­ оrегр альной чувствительностью ..5 0 =0,3 ... О,5 А/Вт и высо ким быстродействием 10 - 9 •••10- 10 с, которое определяется тодько временем пролета носитед ей области объемного за р яда (под действием сильно го однородно го эле ктрического поля Е-105 В/см). В гетерофотодиодах р-п переход образуют два полу­ п роводника с разной шириной запрещен ной зон ы. Для созда н ия гетерперехода требуется точное совпаде н ие кри ­ ст аллических решеток применяемых материа дов . Характ ер ­ н ым примеро м сл ужит структура GaAs-GaAlAs, и зобр а­ женная на рис. 3.30, 6 . На подложке арсенида галлия п + типа наращиваются сдои п - GaAs и р + - GaAlAs . Сло й р+ - GaAlAs с широкой запрещенной зоной пр опус ка ет падающий световой поток . По гдощение излучени я проис хо­ дит в узкозонном п - GaAs слое, толщина которого дод ж11а быть достаточно большой . Если к фотодиоду приложить об­ ра тное с мещение, то он будет функuио ни р овать подобно p-i -n диоду . Нали ч ие широкозо н ного «окна>> у гетерофотодио дов дает ряд преимуществ : р-п переход можно изготовл ять на боль­ шем расстоянии от поверхности, так как разработчик не ограничен зависимостью глубины поглощения от дли ны в олны; можно создавать широкую спектральную ха р акте­ ристику, охватывающую максимумы ('Ам акс ~ ; 'Ам акс2 ) обо их полупроводников . 162
Гетерофотодиоды обладают высокой чувствительностью и быстродействием, которые зависят от параметров среднего слоя прибора . Емкост ь гетерперехода несколь ко больше , чем у p-i-n диода . В фотогальваническом режиме фотодиод с гете рп ерехо ­ дом 'генерирует э. д. с. Ихх= 0,8 ...1,1 В, что в 2...3 раза пре­ вышает напряжение холосто го хода кремниевых образ uо в. 3.8 . ИНЖЕКЦИОННЫЕ И S-ФОТОДИ-lJДЫ Инжекuионные фотодиоды относя тся к фо топриемникам с внутренним усилением . Структуру диода характеризует наличие длинной базовой области. Длина базы из высоко ­ омного п олупроводника в несколько раз прев ыш ает длину диффузии неосновных носител ей тока . Фотодиод работает при прямом смещении . В темновом режиме большая часть при:юженного к диоду напряжения падает на сопротивления базы (r 6 ;;;::: r п ) . При смещении приемника света фотоны, погл ощаясь в базе, образуют новые носители тока, сопротивление базы умень ­ шается, что приводит к перерас п ределению напряжения между базой и р-п переходом . С повышением напряжения р-п переход инжектирует большой ток. который в свою оче ­ редь еще больше уменьшает сопротивление базы и т . д . В результате этого проuесса происходит усиление первич ­ ного фототока . У инжекuионных фотодиодов из высокоомного материала ( Ge; Si; GaAs) чувствительность на 5... 6 порядков выше, чем у обычных фотодиодов, а пороговый поток и инерцион ­ ность примерно такие же, как у фоторезисторов [3 .1 4] . Кро ­ ме того, по сравнению с лавинными фотодиодами снижаются требования к стабильности напряжения питания и темпера ­ туры . В последнее десятилетие исследованы фотоэлектрические свойства S-диодов на основе различных материалов [3.14] . Полученные результаты свидетельствуют о возможност и создания фотоприемников с внутренним усилением S-фото­ диодов . Структура и при н цип действия S- диодов анал огична инжекционному фотодиоду . Фотоны света создают носители тока в длинной базовой области, что стимулирует рост инжекционного тока и приводит к умножению фототока. При освещении S-фотодиода зна ч ительно снижается на ­ пряжение срыва вольт-амперной характеристики (рис . 3.31) . Остаточное напряжение практически не изменяется . Чустви­ тельность фото п риемника максимальна при слабых осве ­ щенностях . 11"
Рис. 3.31 . Вольт-амперная характеристика Ист ЦВ S - фотодиода S- фотодиоД моЖет работать в качестве аналогового фо­ топриемника на на ч альном участке БАХ . Преобразование нелинейно . На S - фотодиоде удобно строить фотореле . Д.11 я эте го на фотоприемник подают напряжение смещения, со­ ответствующее выбранному поро гу · осве щенности, пр и пре ­ вышении которого резко возрастает ток через S-диод . Фото­ приемник переходит во второе устойчивое состояние (верхняя ветвь БАХ), которое сохраняется после затемнения прибора . 3.9. ФОТОТРАНЗИСТОРЫ Принцип действия и основные характеристики биполяр­ ных фототранзисторов . Фототранзисторы - наиболее мас­ совый тип фотоприемника с внутренним усилением . Струк ­ тура прибора не отличается от структур обычных транзисто­ ров . Распространение получили фототранзисторы п-р-п ти па (рис . 3.32, а). Излучение проникает в прибор через фотопри ­ емное окно и поглощается в области коллекторного перехода, площадь которого на порядок превышает площадь эмиттер ­ ного перехода . Образующийся фототок, складываясь с током обратносмещенного перехода база-коллектор, повышает по­ . тенциал базы, что приводит к росту коллекторного тока . При включении фототранзистора по схеме с общим эммитте - ром и отключенной базе, ток коллектора (выходная вели ч и ­ на) определяется из соотношения [3. 14] . lк=(IФ+Iк6o)/(l-hш), где /Ф - фототок инициирующего фотодиода; h2 rб - коэф­ фициент передачи тока при включении транзистора в схеме с общей базой. Таким образом, фототок усиливается в l / ( l -h2iб) раз, что обычно составляет значение 50 ...300 . Эквивалентная схема фототранзистора представляет собой соединение фотодиода с транзистором (рис . 3.32, 6) . При этом структура фотодиода не отличается от освещаемого перехода фототранзистора . 164
Рис. 3.32. п+ ~·~:ххаl- Устройство фототранзистора : а - структура р-п -р-типа ; б - эквивалент н ая с~ема 6 Спектральные характеристики фототранзисторов близки к характеристикам фотодиодов, из готовленных из того же материала . Интегральная токовая чувствительность фототранзисто­ ров достаточно высока вследствие усиления в 100 ... 3000 раз фототока эквива лентно го фотодиода . Чувствительность про­ порциональна потоку излучения и завис и т от значения тока коллектора. Вольтовая чувствительность фототранзистора не превышает значения чувствительности эквивалентного фотодиода . Энергетические характеристики фототранзисторов не"1и­ нейны . Типичные характеристики кремниевых фототранзи­ сторов приведены на рис . 3.33, а [3. 10] . Выходные харак ­ теристики fк=f( Икэ) в отличие от вольт - амперных характе­ ристи1< фотодиода не имеют участка насыщения и располо­ жены неравномерно (рис . 3.33, 6) . 8 1----+-~'f--+-+----t---r--t---i б 1-+--t-~~f--"- 1000 2000 3000Е,лн О 2 4 б 8 10 12Uнэ.В а о Рис. 3.33 . Характеристика фототранзисторов : а - энергетические; б - вольт-амперные Фототранзисторы обладают худшей температурной ста ­ бильностью в сравнении с фотодиодами, поскольку одновре- 165
менно с фототоком усиливается темновой ток. Сильная зави­ симость fк=f(t) в первую очередь обусловлена изменением темнового тока . Увеличение температуры от 25 ° С до 50 °С приводит к росту тока коллектора кремниевых фототранзи­ сторов в ~ 1,25 раз, германиевых - в ,...._ , 1, 75 раз . Поэтому, если фотоприемник эксплуатируется в широком температур­ ном диапазоне, а схема включения не обеспечивает термоста ­ билизации коллекторного тока, то режим работы фототран­ зистора следует задавать с учетом рассеивания допустимой мощности на верхней границе диапазона . Граничная частота фототранзистора меньше граничной частоты фотодиода эквивалентной схемы в (l -h216) раз. Соответственно постоянные времени во столько раз выше . Усиление первичного фототока обратно пропорционально быстродействию прибора, что объясняетс;я противоречивыми трfбованиями к толщине базы при совмещении в структуре фототранзистора фотодиодной и транзисторной областей [3.8). Постоянные времени биполярных фототранзисторов равны 10 - 6 •••10- 4 с, а частота модуляции светового потока должна быть не менее 10 кГц. Фототранзисторы обладают по сравнению с фотодиодами ху,р.шей временной стабильностью параметров, более высоким пороговым потоком. Фототранзисторы выпускаются в пластмассовых и метал­ лических корпусах . 3.10. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОТРАНЗИСТОРОВ Различают две основные схемы включения фототранзи­ сторов: с отключенной базой и с присоединенной . В обеих преобразователь включается по схеме с общим эмиттером . В первой, являющейся наиболее простой, фототранзи­ стор применяется как двухполюсник . Фотоприемник обл адает наибольшим усилением, но невысоким быстродействием и температурной стабильностью. Включение фототранзистора с присоединенной базой по­ зволяет управлять положен·ием рабочей точки, а также уме­ ньшить темновой ток через коллекторный переход и повысить граничную частоту. Кроме того , фототранзистор может функ­ ционировать как фотодиод . Для этого обычно испол ьзуют переход ко.'!лектор - база, площадь которого больше площади перехода эмиттер-база . В зависимости от напряжения, при­ ложенного к переходу, получают фотодиодный или фотогаль­ ванический режимы работы . По сравнению с фотодиодами фототранзисторы редко 166
используются дJ1Я работы со слабыми сиг нал ами , дJIЯ преци ­ зионных аналоговых измерений, а в случае приема моду ­ л и рованных сигнаJ1ов ст рогие т ребован и я пр едъя вл яются к стабилизации рабочей точки . Напротив, доста точ но высо ­ кое усиление фототока, в результате чего нередко отпадает необхqдимость в промежуто чн ых уси.'! ител ях, успешная раб о­ та с немодулированными с и гналами, высокими уровнями излучения, схемотехническая гибкость п редопределил и ш иро ­ кое примене н ие фототранзисторов в различных поро говых схемах автоматики, оптронах . ,;. · ,... Фототранзисторы могут непоср~Дственно управлят ь рабо ­ той мадомощных эдектромеханических реле, тиристоров (рис . 3.34, а, 6) . Необходимым усдовием при построении таких схем яв"1яется превышение тока коллектора, который устанавли­ вается под действием на преобразователь луч исто го потока, над порогом срабатывания клю чевого элемента . Назна чение диода (рис. 3.34, а) - защита фотопр иемника от · индуци­ рованной э.д . с . в момент запирания . Порог срабатывания тиристора (рис . 3 .34, 6) устанавдивается соnротивд ением R1• Конденсатор С1 препятствует отпиранию тиристора при крат­ ковременных изменениях освещенности, скачках напряже ­ ния или тока в сети . 1 Рис. 3.34 . Фотор~ле : а - на электро­ механическом реле ; б - на тиристоре ~----<>+Е +Е, VD R, а При коммутации более мощных цепей , а также в фото ­ реле с большей чувствительностью фототранзисторы нередко включают по схеме Дарлингтона (рис. 3.35) . Общий коэф ­ фициент усидения первично го фототока схем равен про­ изведению коэффициентов усиления фотоприемника и тран ­ зистора . Реле Р (рис . 3.35 , а, 6) срабатывает при освещении фототранзисторов . В схемах с тиристорами делители R1, R2 задают напряжение на коллекторах транзисторов, которое обычно значительно меньше величины напряжения Е. Фото ­ реле (рис . 3.35, в) срабатывает при засветке фототранзисто ­ ра, а фотореле ( р ис . 3.35, г) при его затемнении . 167
а Рис. 3.35 . ·· Фотореле с включением фототранзисторов по схеме Дарлингтона : с, I а, б - иа электромеханических реле; в, г - на тиристорах Включение по схеме Дарлингтона применяется в состав- . ном фототранзисторе. В корпусе этого фотоприемника на одном кристалле кремния размещаются транзистор и фото ­ транзистор, причем на последний с помощью .т~инзы фокус и ­ _ руется световой поток. Аналогично фотодиодам фототранзисторы используются для управления работой усилительных каскадов на транзи ­ сторах . В зависимости от соотношения выходного сопро­ тивления фотоприемника с входным сопротивлением усилите­ ля может быть управ.т~ение по току либо по напряжению . На рис. 3.36, а выходной (коллекторный) ток фототранзи ­ стора задает режим на базе транзистора . Резистор R1 слу­ жит д.т~я ограничения тока через фотоприемник. Значение со ­ противления R1 выбирается так, чтобы ограничить мощность рассеивания, которая не должна превышать допуст имо й мощности рассеивания фототранзис:rора при работе с инте н ­ сивными засветками . Обычно сопротивление R1 значительно меньше сопротивления нагрузки R2 . Выходное напряже ние 'Схемы падает с ростом освещенности . Разброс параметров фотоприемников компенсируется регулировкой сопротивле­ ния R4. Управление по напряжению реализуется в схеме н а 168
Рис. 3.36. Транзисторно­ фототранзисторные схемы: а - управление по току транзистора; б - управление по напряжению Рис. 3.37 . Фототриггер Шмитта ~--~-о+Е а рис . 3.36, 6 . Ток колJ1ектора фототранзистора обуслов.'!ивает падение напряжения на сопротивлении R1, которое и пере­ дается на выход эмиттерного повторителя . На рис. 3.37 пред­ ставлена схема фототриггера Шмитта на операuионном уси­ .пите.пе, в которой применяется однополярное питание. На инвентирующий вход подается подовина напряжения пита­ ния, а на неинвентирующий - напряжени.е , зависящее от освещенности фототранзистора . Резистор R4 является со­ противлением обратной связи. При освещении фотоприемни­ ка напряжение на неинвертирующем входе возрастает и при достижении половины питания, выход триггера переходит из состояния низкого уровня (-О В) к высокому ( ,.. _ , Е). При уменьшении напряжения питания чувствите.'!ьность триггера возрастает, так как от фототранзистора потреб.'!яется мень­ ший ток через сопротивление нагрузки R 1 д.'!Я обеспечения превышения порога Е/2. Гистерезис триггера Шмитта опре­ деляется отношением R4/ Ri . Простые схемы фототриггеров, фотомультивибраторов и других генераторов импульсов получаются при включении фототранзистора с присоединенной базой. В темновом режи­ ме фототриггера (рис. 3.38) транзистор VT2 открыт. Падение 169
Рис. 3.38. Фототриrrер на фототранзисторе с присоединенно~ базой +Е vп Рис. 3.39 . Преобразователь типа фототиристо р а светового потока на фототранзистор приводит к росту то ка к;0ллектора VTI и уменьшению тока базы VT2. Происходи т увели чение напряжения на коллекторе VT2 , которое че рез ре­ зистор Rз передается на базу фотоприемника . В результате триггер перебрасывается во второе устойчивое положение , поддерживаемое за счет обратной связи независимо от осве ­ щенности VТI. Д иод VDl предотвращает утечку фототока чtрез Rз . Установка схемы в начальное положение произво­ дится кнопкой S . Схема (рис . 3.39) функционирует как фототиристор . В исходном состоянии транзистор VТl открыт . Если на фото­ приемник подать световой поток достаточного значения, то транзистор VТl закрывается, а цепь обратной связи на базу фототранзистора удерживает последний в открытом состоя­ нии даже при отсутствии облучения. Порог срабатывания за­ дается значением сопротивления R2 , на которое ответвляется часть фототока . Назначение конденсатора С 1 и резистора Rз - предотвращение срабатывания при кратковремен н ых скачках в сети . Фототиристор гасится включением напряже­ ния питания . Схема работает от источника переменного н а­ пряжения, что в ряде случаев дает дополнительные преиму­ щества (например, в цепях мощных тиристоров как простое ф11тореле) . Прием модулированного излучения с помощью фототран­ зисторов, как уже отмечалось, ограничивается трудност ью поддержания рабочей точки. Так, при н аличии фоново й засветки принимаемый сигнал будет искажаться, а в отсут ­ ствие - только си гнал строго определенной величи н ы усили ­ вается без искажений . Неплохие характеристики обеспечи ­ вает включение фототранзистора по схеме эмиттерно го повторителя (рис . 3.40) . В темновом режиме рабочая точка фотоприемника задается делителем R1, R2 . Входное 170
Рис. 3.40 . Включение фототранзистора по схеме эмиттерного повторителя при приеме модулированного излучения Рис. 3.41 . Схемы с максимальным быстродействием 6 сопротивление эмиттерного повторителя при коэффи­ циенте усиления по току 50... 100 составляет 0,5 .. . 1 МОм . Поэтому сопротивлением нагрузки для фототока эквивалент ­ ного фотодиода, протекающего через переход коллектор-ба­ за, служит делитель R1 R2 . Так как сопротивление делителя фототока сравнител ьно велико, а коэффициент усиления по напряжению повторителя близок к единице, то даже ин­ тенсивная фоновая засветка не перегружает цепь . Рис. 3.42 . Схема ·~· с коррекцией температурной нестабильности фотоприемника А1 IOLfO!:lд7 и~"х Максимально возможное быстродейст вие фототранзисто ­ ров реализуется в схемах, изображенных на рис . 3.41 . Здесь фотоприемники нагружены на входное сопротивление тран ­ зистора VT, включенного п о схеме с общей базой, которое 171
на два порядка меньше обычн о го значения. В результате увел и ч и вается граничная част ота фототранзисторов (f гр = = 1/2 л RнС) , а также вследствие мал ого коэффиц иента у с и ления по напряжению поддерживае тся м инимальное з на ­ чение дина м ической е м кости колл ектор-база фотоприемн и ка . Усиление по напряже 11 1;ю в рассматриваемых схем ах не отл ичается от значений t: оответствующи х с хе м без коррек­ тирующего транзистора . В качестве тер моко м пенсирующи х элементов в цепях с фототранзисторами чаще используются однотипные фото ­ приемники . На рис . 3.42 фототранзисторы включены по дифференциа "1 ьной схеме. Операционный усилитель усилив а ­ ет пол езный сигнал. возникающий из-за разности осве щен ­ ности фотоприемников (один из них может быть затемнен) , и подавляет синфазные составляющие, зав и сящие от те м- ;;~ пературы . Начал ьная балансировка с хемы , необходимая по причине разброса пара м етр ов фототранзисторов и неи­ деальности ОУ, производится потенци ометром R2 (R2< R1 ) . Коэффициент усиления регул ируется с помощью RБ . Список литературы к гл. 3: 3.1. Б о r д а н о в О. Э. Фоторезисторы и их применение.- Л.: Энергия, 1978.-144 с. 3.2. Оле с к А. О. Фоторезисторы.- Л.: Энергия, 1966.- 129 с. 3.3 . К о ф ли н Р" Дрискол Ф . Операционные усилители и линеАные интегральные схемы.- М .: Мир , 1979 .- 260 с. 3.4 . Г у т н и к о в В. С. Интеrральная электроника в измерительных устро/!ствах. - Л .: Энергоатомиздат, 1988 .- 304 с. 3.5. ИльницкиА Л.Я"Сибрук Л.В"Хорошко В.А.Схемы линеаризации характеристик фоторезисторов / / Гибридные вычисли ­ тедьные машины. Киев : Наук. думка, 1979. С. 146- 151 . 3.6. Бузаиова Л. К" Глиберман А. Я. ПОJiупроводниковые фотоприемники . - М.: Энергия , 1976.- 6 4 с . 3.7. Применение оптОЭJiектроиных приборов / С . Гейг , Д. Эдванс , М . Хо· дапп, Х. Соренсен.- М.: Радио и связь, 1981 .-344 с. 3.8. Но с о в Ю. Р. Оптоэлектроника.- М.: Сов. радио, 1977.-232 с. 3.9 . Ге да Н. Ф. Измерение параметров приборов оптоздектроники . ­ М.: Радио и связь, 1981.-367 с. 3.10 . Optoelectronic: Theory апd Practice /Ed ited Ьу Alan Chappel .- Tex as ln stгuments Ltd . McGrow -Hil\ Book Соmрапу, 1978 .- 442 р . 172
3.11 . r луд к и и О. П., Густ о в А. Е. Устройства и методы фотоэлектри­ ческого контроля в технологии производства ИС.- М. : Радио и связь , 1981.-11 2 с. 3.12. Будя но в В . П. Релаксационные импульсные преобразователи иезлектрических величин .- М.: Энергия , 1974 .-1 6 0 с . 3.13 . К р м в о н о с о в А. И. Оптоэлектронные устройства.- М.: Энергия, 1978.-96 с. 3.14.Викулии И. М., Стафеев В. И. Физика полупроводниковых приборов.- М .: Сов. радио , 1980.- 2 9 6 с. ,~ !'!f~· Глава 4 ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 4.1 . ОСНОВНЫЕ ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ К гальваномагнитным преобразователям относятся ус­ тройства , в которых используются гальваномагнитные эф­ фекты, среди которых наиболее изученными являются : эф­ фект Холла, эффект Гаусса, эффект Эттингсгаузена, эффект Нернста. 4.1 .1. Эффект Холла Если пластину из проводникового или полупроводниково­ го материала, вдоль которой протекает электрический ток. расположить в однородном магнитном поле таким образом, чтобы вектор индукции был перпендикулярен направлению тока, то между точками поверхности пластинки, расположен­ ными на прямой перпендикулярной как линиям тока, так и вектору магнитной индукции возникает разность потенциа­ лов . Это явление называется эффектом Холла (4 . 1]. На рис . 4 . 1 изображена прямоугольная пол упроводни­ ковая пл аст инка, к узким боковым граням которой в продоль­ ном направлении подводится электрический ток / . На двух других гранях находятся еще два электрода (так называ­ емые холловские электроды), расположенные друг против друга. В направлении Z · на пластину действует. магнитное поле с 11ндукцией В . 173
Рис. 4.1 . Проводящая пластинка в магнитном поле Для простоты рассмотрим полупроводник п -т ипа , т . е. с электронным типом проводимост..!i На электроны , двигаю- • щиеся в пластинке со скоростью V, в магнитном ПOJle будет действовать сила Лоренца -+- -+ -+ F= -e(V ХВ). (4.1) -- В силу ортогональности векторов V и В уравнение (4 . 1) мо- жет быть записано в виде -+- Fy=УоeVxХВ. ( 4.2) - где уо - единичный вектор, направленный вдоль оси у; Vx - средняя скорость электронов в направлении х; е - заряд электрона . Под действием силы Лоренца возникает составляюща я движения электронов в направлении у. В результате происхо ­ дит пространственное разде"1ение зарядов и появJ1яется эл ек ­ трическое поле . Это поле начинает препятствовать раздел е­ нию зарядов и как только создаваемая им сила станет равно й CИJle Лоренца, да:1ьнейшее разделение зарядов прекрат ит­ ся. При равновесии рассматриваемых сил поток эл ект роно в движется через пластину не отклоняясь, а на боковых гра н ях пластинки можно определить разность потенциалов Эн . Напряженность электрического поля в направлении оси у будет равна силе Лоренца, отнесенной к единице заряд а 174 F Еу=-= VxB. - е (4.3) Скорость перемещения зарядов может быть выраже на
через подвижность носителей зарядов μп и напряженность электрического поля вдоль направления тока Vx = μпЕх. Используя удельное эл ектрическое сопротивление материала пластинки р, напряженность Е преобразуем в плотность электрического тока jx, тогда Vx = μпрjх. Произведение μпр представляет собой постоянную Холла Rн = μпр, значение которого зависит не только от свойства материала, но и от значения магнитной индукции В. Умножая обе части равен­ ства (4.3) на площадь поперечно го сечения пластинки ь. d, получим ,;,· ,11~· Eybd = - RнixBbd = - RнlB. Учитывая, что ЕуЬ = Эн - э. д. с. Холла, можно выразить следующим образом: Эн = - RнIB/d. (4.4) Отсюда выражение для определения постоянной Холла [4.2]. Энd Rн= - 78. (4.5) В случае электронной проводимости полупроводникового материала имеем 1 Rн= --, еп (4.6) где п - количество свободных электронов в единице объема материала. При чисто дырочной проводимости R~ = _!_, ер (4.7) где р - количество свободных дырок в единице объема ве­ щества. Для полупроводниковых материалов со смешанным ти­ пом проводимости А рμ~- пμ~ R- (4.8) н- е(рμр+nμп)2' где А - коэффициент, учитывающий механизм рассеяния носителей тока в кристалле. Его теоретическое значение рав­ но 3л/8, на практике оно меняется от 1 до 1,93 . Такой же ко­ эффициент А следует вводить и в формулы (4.6) и (4.7) . 4.1 .2. Маrниторезистивный эффект Явление изменения сопротивления проводников и полу­ проводников, помещенных в магнитное поле, называют маг- 175
ниторезистивным эффектом (эффект Гаусса) . Как уже ука­ зывалось выше, при протекании тока через образец только те электроны, скорость которых близка к средн ей скорости - V , двигаются в поперечных электрическом и магни т ном по - лях, не отклоняясь от прямолинейных траекторий, так как только для них сила Лоренца скомпенсирована действием по­ ля Холла . В этом случае линии тока параллельны гр аням образца . Траектории движения тех электронов, скорость котор ых отличается от средней скорости, искривляются под действием магнитного поля. На более медленные носители сильнее дей ­ ствует поле Холла, а на более быстрые - сила Лоренца . Эф ­ фективная длина свободного пробега носителей в направле ­ нии электрического тока уменьшается , Поскольку подвиж­ ность электронов пропорциональна длине свободного пробе­ Ра, то в результате уменьшится электропроводность обра з ­ ца в данном направлении . Эффект магнитосопротивления характеризуется отно ше­ нием изменения сопротивления в магнитном поле L:::. р = р(В) - р(О) к сопротивлению при отсутствии поля р(О) Др р(В) - р(О) --р= р(О) (4.9) При примесной электронной или дырочной проводимости и слабом магнитном поле (т. е. в общем случае μ;п.р /В 4::. 1) изменение сопротивления определяется следующими выра­ жениями [4, 3 и 4,4] : др4- :n:(З:n:)2 2 - =-- - (μ1пv1В) , Рпv 4 8 (4.10) где μ;п.р / - подвижность соответствующих носителей заряда (электронов или дырок) . В случае проводимости, обусловленной носителями обоих знаков, изменение магнитосопротивления определяется вы­ ражением - = - в --- - (4.11) др (_ З:n:) 2 [4μ 2 п+μ~р (μ~h-μ~р)2 ] р 8 nμпn+μvP μпn+μvP · В полупроводнике с двумя видами носителей поле Холла меньше, поэтому линии тока в нем не параллельны граням и эффект магнитосопротивления соответственно проявляется сильнее. Из приведенных выше выражений вытекает, что измене ­ ние соп·ротивления в слабом магнитном поле пропорциональ­ но квадрату индукции магнитного поля и подвижности носи - телей . · 176
В инженерных расчетах часто нспользуется выражение для относител ьного изменения сопротивления полупроводни ­ ка в магнитном по.1е (4 .3) : Дрствт -= μ;п .р/ ' р . где С - коэффициент формы; т = 1...2 - показатель сте пени, зависяший от значения магнитной ин дукuии В . Удобное выражение для опред.еJ.I'i-НИЯ изменения сопротив - . ~~'F .., ления как области сильных, так И слабых полеи приведено в работе (4.4) др АВ р= 1 +μ~п.р;В2' (4.12) где А - постоянный коэффи циент . В области слабых поле й .6. р/р является квадратичной функцией В, а в об_л асти сильных пол ей .6.р/р достигае т на ­ сышения . 4.1.3. Эффект Эттинrсгаузена (поперечный гальванотермомаrнитный эффект) Возникновение поперечной разности температур между гранями 3 и 4 (рис . 4.1) пластины, которая помещена в маг ­ нитное поле и через которую протекает электрический ток называется эффектом Эттингсгаузена . Это явление также вызвано тем, что электроны в криста .1ле имеют неодинаковые скорости . Те электроны, скорость которых меньше средней, под действием магнитного поля будут отклоняться на одну граиь образца : для них сила Лоренца превышает действие поля Холла. На электроны со скоростью меньше средней бо­ лее сильное влияние будет оказывать электрическое поле, под действием которого они будут отклоняться в противопо­ ложную сторону. Быстрые электроны отдают избыточную энергию кристал л ической решетке, и соответствуюшая грань образца нагревается; медл ен11ые эл ектроны на противопо­ ложной грани образца будут попол нять свою энергию за счет охлаждения решетки и эта грань будет охлаждаться . Таким образом возникает поперечная разность температур . Те м пературный градиент пропорциональный напряжен­ ности магнитного поля (:~)Е = р/В, где р - коэффициент Эттингсгаузена . 12 831 -0 177
Разница температур приведет к появлению термо-э . д .с . эффекта Эттин гсгаузена Ээ, знак которой, как и знак э . д . с . Холла. зависит от направления тока. магнитного поля и зна­ .ка носител ей заряда . 4'. 1.4. Эффект Нернста Эффектом Нернст а н азывается явление воз ни кнове н ия продольной разности температур на гранях 1 и 2 (р и с . 4. 1) пластины, помешенной в магнитное поле через которую про ­ текает электрический ток . Эффект Нернста возникает также вс.п едствие неодинако ­ вых скоростей носителей тока, но их движение рассматри­ вается вдоль другой оси, а именно, в магнитном поле электро ­ ны с большими скоростями будут достигать дальнего конца "образ ца, в то время как электроны с меньшими скоростями от кл онятся к грани образца . Происходит селекция (отбор) электронов вдоль образца, вследствие чего возникает про ­ . : дольный градиент температуры . "4 .2 . ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ХОЛЛА Преобразователь Холла должен обладать : 1) высокой чувствительностью к изменению м агнитного по ­ ля ; 2) максимальной э. д. с . Холла при заданной индукци и магнитного поля; 3) высоким коэффициентом использова­ ния ; 4) независимостью параметров от температуры ; 5) ли ­ нейной зависимостью э. д. с. Холла от значения индукции магнитного поля . На практике трудно изготовить элемент, в котором одно ­ временно удовлетворялись бы все перечисленны·е выше тре ­ бования . Поэтому, исходя из конкретного применения датч и­ ков, задают высокие уровни одних пара м етров и сознательно снижают значения других . Условия применения предъявляют и дополнительные требования к датчику . Например, при р а­ боте в узких шелях бывают нужны очень тонкие и г и бкие датчики; для исследования неоднородности магнитных поле й . необходимы датчики Холла с очень малой рабочей поверх ­ ностью и т. п. 4.2.1. Материалы преобразователей Холла (ПХ) При конструировании ПХ следует добиваться высоко й чувствительности к магнитной индукции (магнитной чувст ви- 178
тельностью), которая определяется как отношение э . д . с . Холла к магнитной индукции п ри за д анном токе (! = const) Sв=Эн=Rн/ в d. (4. 13) Так • как постоянная Холла Rн обратно пропорциональна концентрации носителей (4 .8), то для изготовл ения преобра ­ зователей Холл а при годны толь ко такие материа л ы, котор ые имеют низкую концент ра цию носителей заряда . В мет аллах концентрация носите.'!еЙ нахад.1;1.~я на уровне 1022 1/см 3. Поскольку в полупроводниках концентрация носителей при ­ · :v~ерно 10 14 1/см 3, то подупроводниковые м атериалы обеспе­ чивают большую магниточувствительность. Магниточувствительность датчика можно увели ч ить, уменьшая концентрацию основных носител ей . Однако кон ­ центрация примеси долж н а остав аться больше концентра­ ции собственных носителей, так как в собст венно полупро ­ воднике постоянная Холла Rн меньше (4.8) . Кроме того, с уменьшением концентрации основных носителей увеличива­ ется зависимость Эн от температуры, что нежелательно . Из определения следует, что значение постоянной Холла пропорционально подвижности носителей заряда, поэтому для изготовления ПХ испо.1ьзуются полупроводники с вы ­ сокой подвижностью носителей. Обычно это электронные по­ лупроводники, поско "1ьку подвижность электронов выше под ­ вижности дырок . Примером электронных полупроводников с высокой подвижностью являются селенид и теллурид рту­ ти, арсенид галлия, арсенид индия, антимонид индия, герма ­ ний, кремний и др . Магниточувствительность преобразователя увеличивает­ ся также с уменьшением толщины образца d (4. 13) . Одна ­ ко эт о происходит до определенного предела . Например, тол­ щину ПХ из германия можно уменьшить только до 40 мкм . При меньших толщинах рост чувствительности датчика к магнитному полю замедляется , а при d< 15 мкм практичес ­ ки прекращается . Причиной уменьшения магниточувстви­ тельности Sв с уменьшением толщины d является увеличение рассеивания носителей заряда на дефектах поверхности и соответствующее уменьшение подвижности . 4.2.2. Основные параметры и расчетные соотношения преоб­ разователей Холла Уточненное выражение для определения э . д . с . Холла записывается в виде 12* 179
(4.14) Rн(l где So = {[ f Ь, В) - удельная чувст вительность нена гру- женного преобразоватмя (чувствительность к произведе­ нию); член f ( ~,В) в выражении (4.14) является поправоч ной функцией, отображающей зависимость удельной чувстви­ тельности от геометрических размеров пластины и индукции . Как показано в работе [4.5], ее значение может быть найдено l 4К 2 l из выражения f ( Ь ,В)=р-ехр(-А- -:;:rarctg μ1п .р1 В)-,; 1 "' где А и К постоянные коэффициентьi, равные 1,23 и 0,8S соответственно . Если вектор магнитной индукции В не ортогона.'!ен плос­ кости пластины, то правую часть выражения (4 . 14) необхо­ димо умножить на cosa , где а -- угол между вектором индук­ ции и плоскостью пластины . • Наличие поправочной функции в (4 .1 4) указывает на не­ линейность зависимости э . д . с . Холла от магнитной индукции . Однако при отношении l/ ь = 2 ... 3 и верхнем пределе изме­ нения индукции 1.. .5 т" удельную чувствительность можно считать практически постоянной, а зависимсJСть э.д.с . Холла от индукции линейной . Если ПХ нагружен на внешнее сопротивление Rн. то на­ пряжение на хоJJ-1овских электродах U2=Эн -l2R2, где /2 - выходной ток; R2 - выходное сопротивление при разомкнутом входе . Поскольку /2 = Эн/(Rн + R2), то V2=Эн(l-R2/(R2+Rн)) =Эн/ (1 + ~: ) =SoIB/ ( 1+ ~:) =Sн!В . (4 .15 ) Величина S н называется удельной чувствительностью н а­ гр уженного ПХ . Напряжение на входе датчика Их (рис . 4. 1) должно уравновешивать падение напряжения на входном сопротивлении п реобразователя R1 плюс вторичную э .д.с. "Холла, т. е . Их = IR 1 + SoB/2. Применяя в ПХ теорию четы­ рехпо.'!юсников, запишем уравнения входной и выходной це ­ пи в сл едующем виде [4.6] : (4.16) Ui = R1/1 - SoB/2, U2 = SоВ/1 + R2l2. Здесь токи / 1 и / 2 равны по абсолютной величине токам / и
/ 2 соответственно . Если холловские выводы разомкнуты, то /2 =О. В системе уравнений (4 . 16) знаки составляющих напря­ жения получены в соот ветствии с условно принятыми направ­ лениями входного /1 и выходного /2 токов, которые втекают в четырехполюсник, а также при входном U1 и выходном U2 напряжениях с высшими потенциалами на нижних зажимах четырехполюсника. Из матрицы сопрот ивлений (4. 16) опре­ делим коэффициенты переда ч и (по напряжению и току) , а также входное и выходное сопg.от!1вления на г руженного пре­ образователя, с учетом внутреiпi1'rо сопротивления Ro источ­ ника входного тока / 1: Ки = SoBR"/(R1(R2 + R") + (SoB) 2; К1 = SoB/(R1 + R2); R•• = (R1(R2+R") + (SoB) 2 J/(R2 + R"); Rвых=(R2(R1+R2)+(SoB))/(R1+Ro). Как видно из приведенных выражений, величины Ku, Rвх и Rвых нелинейно зависят от индукции магнитного поля В, что особенно проявляется при значительных индукциях (бо­ лее5Тл). Для определения к . п .д. преобразователя найдем входную Рвх И ВЫХОДНУЮ Рвых МОЩНОСТИ ДХ : Р _12R1(R2+R")+(SoB)2.Р _ 12 (Ri + Ro)R2+ (SoB)2 ••- 1 R2+Rн ' вых- 2 R1+Ro . Очевидно, что Рвых ( 1 12 1 ) 11=Р., = [R2(R1 + Ro) + (SoB )2](R2 + Rн) [R1(R2 + Rн) + (SoB)2] (R1 + Ro) = = ( SoB ) 2[R2(R1+ Ro) +(SoB) 2 ](R2+Rн) R1+R2 [R1(R2+Rн)+(SоВ)2](R1+Ro) . Входным сопротивлением ПХ называют сопротивление между токовыми электродами на гранях /, 2 пластины (рис. 4.1) . При отсутствии магнитного поля это сопротивление равно [4.6] где р - удельное сопротивление материала, из которого из­ готовлен датчик; l, Ь, d - геометрические размеры датчика (рис . 4 . 1). Под действием ма гнитного поля сопротивление полупро­ водников изменяется. Основной причиной изменения вход­ ного сопротивления ПХ, помещенного в магнитное поле, яв­ ляется из:\-!енение подвижности носителей. Под действием магнитного поля носители отклоняются от кратчайшего пути._ 181
Длина свободного пробега носителей в направлении электри­ ческого поля уменьшается, что проявляется в росте сопротив­ ления полупроводника. Действие силы Лоре нц а уравновешивается поп еречнЫl'<f электрическим полем Холла . При этом траектории носителей заряда, движущихся со скоростью V между токовыми элек­ тродами, спрямляются . Но разность потенциалов на выходе датчика зависит не только от магнитной индукции и входного тока, но и от выходного тока. При увеличении выходного то­ ка разность потенциалов на выходе уменьшается. Следова­ тельно, уменьшается поперечное электрическое поле, а кри­ визна траектории носителей увеличивается, что вызывает увеличение входного сопротивления преобразователя Хол ла. Например, при коротком замыкании холловских электродов эффект изменения входного сопротивления ПХ будет макси ­ IУЩльным. При работе ПХ на внешнюю нагрузку между на­ пряжением Холла и индукцией магнитного поля теряетсЯ линейная связь, и это отклонение от линейной зависимости тем больше, чем больше эффект изменения сопротивления ма­ териала в магнитном поле . Выходное сопротивление - это сопротивление между холловскими электродами ПХ . Если ЭTJ;:I электроды выполнены в виде точечных контактов, то вы­ ходное сопротивление преобразователя определяется удвое н ­ ным сопротивлением растекания точечного контакта [4 .7] R2-;:::; - :: :: ::; р/лr, где р - удельное соп,р&тивление полупроводников; r - радиус точечного выходного контакта . При выходных контактах в виде полуцилиндров, вплав­ ленных в боковые грани [4 .7] пре·образователя, выходное 2рь сопротивление R2-::::::; лd ln 2 r , где r~ радиус полуцилиндри- ческого выходного контакта. При наличии тока /2 выходное сопротивление ПХ анало­ гично как и входное сопротивление возрастает с увеличени­ ем напряженности магнитного поля. Для получения максимального коэффициента полезного действия следует в качестве нагрузки включить сопротив­ ление, равное характеристическому сопротивлению [4.8] , которое принимается равным среднему геометрическому входных сопротивлений холостого хода и короткого замыка­ ния: R_-~R __ /R1(R1R2 + (SoB) 2 с - \fl\lкЗJ\lxx - -у R2 • При отсутствии магнитного поля отношение выходной 182
мощности ко входной называют коэффициентом использо ­ вания преобразователя ~ - В табл . 4.1 приведены оценочные зн ачения коэффици ­ ентов использования да тч иков Хол ла , из готовленных из ря ­ да достаточно чистых полупроводниковых материа л ов пр и В = 0, 1 Тл и в условиях согласования ~ыходного сопротив­ ления датчика и нагрузки [4.4] . Как видно из табл. 4 .1, расчетные коэффициенты испол ь ­ зования датчиков Холла оче нь неве.'lики . На п р акт ике они оказываются еще меньше, особ~нНJ? в сл учае больших зна­ чений индукции магнитного пол'Я !~-" Для того, чтобы получить максимальную выходную мощ­ ность ПХ, можно увеличить входную мощность, однако для каждого датчика существует верхний предел, который опре­ деляется максимально допустимой рабочей темпера турой . В стационарном режиме выделяемая и расtеиваемая в пре ­ образователе мощность равн а 2 [ f1тахР bd = 2Ьff\Дf, где ~ - коэффициент теплоотдачи ; /:::,. t - разность между максимально допустимой температурой датчика и темпера ­ турой окружающей среды . Таблица 4.1 Козффициент использования преобразователей Холла Ма териа л: Ge Si /nSb lnAs lnAso.1> lnAso.в HgSe HgTe CdзAs ! Ро.4 Ро.2 11 % 0,011 0,0012 1,50 0,375 0,044 0,11 0,0135 0,033 0,0036 Если пренебречь площадью боковых граней датчика мак­ симально допустимое действующее значение тока через пре ­ образователь будет равно limax = ь-J 2 1'\~дt . Из этого выражения следует, что увеличение максималь­ _но допустимого тока, а следовательно, и входной мощности при неизменной температуре возможно пр и увеличении ин ­ тенсивности теплообмена между датчиком и окружающей средой . Теплоотдачу можно увеличить, если преобразователь привести в тепловой контакт с телом большой площади и с хорошей теплопроводностью, например, с магнитопроводом 183
катушки, создающей магнитное поле. Таким образом, удает­ ся повысить максимальную мощность рассеяния в 10-20 ра з. Соответственно увеличиваются максимально допустимы й ток и максимальное значение э.д.с. Холл а, которая при зада нной индукции магнитного поля определяется выражением Энmох = Rн ftmoxB = RнВЬ- / 2('>Дf d \jpd. Преобразователь Холла может работать как в реж и ме заданного входного напряжения, так и в режиме задан но го тока, причем выражения для э . д. с . Холла в обоих случая х отличаются [4 .5) . Режим заданного тока во многих случ а ­ ях является предпочтительным, поскольку при этом на значе ­ ние тока / не влияют изменения входного сопротивления Rв х датчика во времени и при изменении температуры вне ш ней -~ реды . Нетрудно показа ть, что в этом режиме уравнение 'пр е­ образования запишется в следующем ви де [4 .9) : и R1R2(ЭнR2/(R2 + Rн) + SоВ/1 ) 2= R1R2 + 2(SoB)2 В режиме холостого хода Sol1BR1N.2 U2 " = R1R2 + 2(SoB)2 • (4.l7) Абсолютную погрешность преобразования можно опре­ делить как разность действительного значения напряже ния U2, определенного из (4. 17) и его номинальным зна чение м И2н = SoнliB, где Sон - номинальное значение удельно й чувствительности. В первом приб"1ижении значение мультипликативной со­ ставляющей этой погрешности может быть определено путем определения полного приращения U2 в зависимости от изме ­ нения нагрузки и параметров датчика . Членом 2 (SoB) 2 в выражении (4. 17) можно пренебречь в слабых и средних магнитных полях . Кроме рассмотренных параметров (So, Sн. Ки, К1 , 1], Т] о, Rвх, Rвых), определяющих качество ПХ как составно й час7 И цепи измерения или контроля, существенными параметр.а м и являются напряжение неэквипотенциальности Инэ, называе ­ мое остаточным напряжением и коэффициент выпрямления [4 .5) . Напряжение неэквипотенциальности, возникающее на холловских выводах при отсутствии магнитной инду кци и из - за несимметрии датчика и электродов, может быть с ко м­ пенсировано известными способами [4 .4, 4 . 10). Схемные реализации некоторых из них приведены на рис . 4.2 . Знач и ­ тельно сложнее скомпенсировать температурные изменения Инэ. что обусловливает появление аддитивной составляющей 184
погрешности . Уменьшение этой сос т а вляющей достигается либо термоста тированием датчика , л ибо стру1<Турными ме ­ тодами . Рис. 4.2. Схемы компенсации напряжения иеэквипотенциальности 1, 1, ~:- fи2 \и2 Отметим, однако , что эти методы не всегда применимы, особенно если датчики Холла используются в каких-либо подвижных конструкциях . Напряжение неэквипотенциальности можно определить, зная коэффициент неэквипотенциальности, предельное зна­ чение которого приводится в технической документации на большинство типов ПХ, выпускаемых серийно промышлен­ ностью . Коэффициент неэквипотенциальности определ яется как отношением напряжения неэквипот енциальности к вызы­ вающему его входному току . Под коэффициентом выпрям л ения понимают отношение максимального значения э. д .с . Холла к выпрям ленному хол­ ловскими контактами напряжению при определенных значе ­ ниях индукции [4 .5] . Для уменьшения влияния выпрямля­ ющих эффектов применяют соответствующие схемы компен­ сации [4.4, 4 .6]. Основные параметры некоторых типов преобразователей Холла, обладающие хорошими метрологическими характе­ ристиками, приведены в табл. 4.2 . 185
Таб лица 4.2 Основные параметры некоторых типов ПХ Но· Разме- МИ· Сопротив- Удель- Коэффи· ры ак- наль- ление. иая чув- цнент Тип тивной ное Ом стви- неэкви- части зна- тель- потен- преоб- Материал преоб- че- ность, цивль- разова- разова- ние В/А· ности, теля теля, мм вход- -Тл В/А ноге вход- выход- тока, ное ное мА х 500 Арсени д. О.8ХО; 110 0.7 7 О.6...1.О 2.5 ·10-з фосфид нн- ДНЯ 5XO.l х 114 Германнй 8Х4Х 50 18 30 8...12 1.5 ·10 _, Х О.25 ДХС-05 Германнй 6Х3Х 24 40 90 9 0,2 ХО,16 iJ ,s дХК-7С Кремний 12Х6Х 20 500 1000 45 хо.2 ~ 200 Арсенид ин- О,8ХО.5 130 0,5 5 0,6".1,32,5-10 -3 ДНЯ X O,l ПХЭ-602 Антнмоннд 3Х 3 Х 100 - 0,8 0,3 10-• нндия хо.в 4.2.3. Применение преобразователей Холла в измерительных устройствах Темпе- Мак · ратур· СИ· ный "'аль- КОЭф · Рабочнй ное зна - фици- диапазон че· ент температур. ние чувст- ·с ИН· витепь- ностн . дУК · %/"С цни , Тл 0 .02 -200...+ 180 10 0,3 - 100 ". +so 10 0 ,03 - 60... +60 3...5 0,08 -160...+90 10 0.08 - 120".+90 10 0,005 - 15 Одним из применений ПХ явл яется использование их дл я измерения индукции магнитных полей [4. 11 -4.13] . Если преобразователь Холла, входящий в ·состав датчика , пита­ ется заданны :\! постоянным током , то при из м ерении и нд ук­ ции переменного магнитного поля В (t) = Bmsin wt. э .д.с. Холла равна Эн1 = ~" /Bmsinwt + Kннmcosmt + и•• . а при питании ПХ в режи м е заданного напряжения Энн = ~ μпUBmsinwt + Kннmcosmt + Uнэ. где Кн v - коэффициент, характеризующий индукци он ную на­ водку на холловских выводах ПХ . Принципиально порог чувствительности преобразования магни тно й индук ц ии перемен ны х по"'lе й определяется шума­ ми ПХ и измерительного усилителя, который при микро­ электронном исполнении также может вход ить в состав да тчика . Поскольку уровень шумов преобразователей из антимонида индия , обладающих наименьшей завис и мостью ха р актеристик от температуры, составляет 00- 8 ...10- 9 )в. то это ограничивает порог ч увс т в и тельнос т и по индук ции на 186
уровне 3.10- 7 Тл при чувствительности ПХ 30 мкВ/мТл . Од ­ нако на практике порог чувствительности имеет гораздо боль­ шее значение из-за индукционных наводок в выходной uепи преобразователя и построенного на er:o основе датчика в це­ лом. Известные способы уменьшения сигнала наводки состоят в уменьшении площади контура, образованного выходным электродом и пласт иной Холла . Для этого выводы холлов­ ских электродов за пределами пластины скручивают между собой [4.6]. Этот способ не позвr;ьля~т полностью устранить наведенную э.д.с., так как плоЩа:JjJ, петли не может быть уменьшена до нуля. Остаточная площадь составляет около О,05 см 2 , что при индукции в 1 Тл на частоте 50 Гц соответ­ ствует 1 мВ наведенной э.д . с . Кроме того, этот способ предпо­ лагает расположение одного из электродов Холла над или под пластиной, что увеличивает толщину датчика. Погрешность преобразования индукции переменных по­ лей в пределах от 10 мТл до 1,5 Тл может составлять от 1 % до 2,5 % [4.12]. При преобразовании индукции постоянных полей наводка отсутствует (Кнн = О) и погрешность обуслов­ лена в основном температурными изменениями So и Инэ - Преобразователь Холла применяется для безконтактного измерения токов, причем возможны различные варианты построения интегрирующего контура датчика, внутри которо­ го расположена шина с измеряемым током [4 . 14]. Этот кон­ тур можно построить либо из определенного числа ПХ, вклю­ ченных последовательно или параллельно, либо в виде сплош­ ного или разъемного кольца, снабженного круговыми замкну­ тыми и холловскими электродами. Второй способ построения цнтегрирующего контура дает возможность устранить мето­ дическую погрешность, обусловленную ограниченным числом элемеА-Iтов контура . К сожалению, практическое изготовление такого интегрирующего контура сопряжено со значительны­ ми технологическими трудностями . Кроме этих методов, ток можно измерять путем преобра­ зования его в индукцию магнитного поля, используя при этом электромагнитный преобразователь . Этот преобразователь состоит из ферромагнитного сердечника, на котором рас­ положена катушка с измеряемым током . Сердечник содержит воздушный зазор, в котором расположен ДХ, через который протекает то / . По ·аналогичной схеме построены также пере­ множающие устройства и преобразователи мгновенной мощности . Особое внимание при построении таких устройств следует уделять вопросам расчета магнитной системы, нали­ чие которой обусловливает появление амплитудных и угло­ вых погрешностей. Амплитудные погрешности имеют муль- 187 .". -
типликативную составляющую, обусловленную и змене н ием ее параметров ма гнитной системы (на п ример , магнитно й проницаемости во времени и температуре) , а та кже нел иней ­ ную составляющую, обусловленную н елинейной зави си ­ мостью магнитной проницаемости от индукции ма гнитн ого поля . Кроме этих составляющих погрешности наличие ма гни т ­ ной системы обусловливает сдвиг фазы индукции в зазоре относительно электрической величины, которая вызывает эту индукцию. Даже при преобразовании в магнитную индукци ю электрического тока, превалирующей является фазовая по­ грешность, причем угол сдвига можно определить по форму ­ ле (4.14) = arctg tg-ф ' q> 1 + μ/k-..jtg-ф' + 1 ' где 'Ф - угол по ! ерь в магнитном материале, тан генс которого равен отношению удельных потерь Р к удельной намаг н ич и­ вающей мощности Q; μ - относительная ма гнитная про ни ­ цаемость; k - отношение длины l средней линии магни тн ого по- • тока в ферромагнитном сердечнике к ширине воздушно г о зазора б. · Значение фазовых сдвигов между токами к катушке эл ек ­ тромагнитного преобразователя и индукцией в зазорах сер­ дечников, выполненных из различных ферромагнитных ма ­ териалов, приведены в [4.14] . При рациональном выборе конструктивных и электриче с­ ких параметров магнитной системы и ПХ перемножителя мо ­ жет быть достигнута весьма высокая точность перемноже ­ ния в диапазоне звуковых частот. Это подтверждае т опыт создания модульных перемножителей на эффекте Хол л а с приведенной погрешностью 0,5 % фирмой "Elf!Cfrical Trans- ducers" США. Эти перемножители могут использоваться дл я бесконтактного преобразования тока, а также мощности. Даль­ нейшего повышения точности перемножающих устройств, являющихся основными блоками преобразователей ток а, мощности, анализаторов спектра и других средств измере н ия можно добиться применением структурных методов . Одн ой из первых разработок с применением структурных методов, в частности, метода отрицательной обработки связи в пере­ множителях на основе эффекта Холла, ·является описа нное в [4. 15] устройство, упрощенная структурная схема которо ­ го приведена на рис. 4.3 . В перемножителе применены два идентичных преобразователя Холла ПХI. и ПХ2, которы е вместе с дифференциальным усилителем УС могут вы пол- 188
няться в виде интегральной схемы [4. 16] . Эти преобразо­ ватели размещены в зазоре электромагнитного преобразо­ вателя ЭМ . Рис. 4.3 . Замкнутая схема перемиожителя на ПХ : Выходная э. д. с. ПХ1 где S 1 - удельная чувствительность ПХI. На выходе ПХ2 под воздействием индукции В при про ­ текании через него стабильного тока /о возникает э.д.с. Эн2 = S2Blo. Поскольку индукция воздушного зазора В создается выход ­ ным током lм усилителя, то ее значение В = Кмlм (Км - коэффициент преобразования электромагнита) . Ток lм, пи­ тающий обмотку электромагнита, создается разностью на ­ пряжений · Uх и Эн 2 , усиленной в коэффициент усиления Кус усилителя. Тогда индукция зазора в_КК Ux - Эн2 - мус Zм ' где Zм - импеданс катушки электрома гнита. Подставив в последнее выражение значение Эн 2 и рfшив уравнение отно­ сительно В, получим В _ КмКусUх/Zм - \ + KмKycS2fo/Zм · При Кус~ оо получим выражение для индукuии в зазоре вИх =S 2 / 0 , подставив кот ор ое в выраж ение для выходной э . д . с . окончательно имеем э -~ Ихfх " 1 - S2lo· (4. 18) 189
·; ;1 Как видно из (4 . 18), при одинаковых изменениях S 1 и S 2 погрешность, обусловленная ими, может быть существе н но уменьшена . Мультипликативная и нелинейная составляющие амплитудной погрешности уменьшаются в ( l + KycKмfoS 2 / /Zм) раз. Аналогично строятся схемы с коррекuией погре ш ностей, содержащие дополнительную обмотку, в которую вводи тся усиленный сигнал поправки , то есть сигнал разности между Их И Эн2 [4.16]. Важной областью использования ПХ являются измере ни я неэлектрических величин, в первую очередь механических, и параметров механических колебаний. В датчиках подобн о­ го типа используется относительное перемещение преобра ­ зователя Холла и источника магнитного ·потока. Рис. 4.4 . Конструкция (а) а и схема включения ПХ (6) преобразователя углового перемещения ПХ1 ПХ2 Преобразователи Холла очень часто используются для бесконтактных преобразований угловых и линейных переме­ щений в электрический сигнал. В частности, для измерения угла поворота или углового перемещения используется дат­ чик с двумя ПХ, представленный на рис. 4.4.а [4.4]. Преобра­ зователи Холла этой конструкции неподвижны, а вращаIС ­ щаяся часть датчика представляет собой · намагн и ченны й в радиальном направлении вал N-S, соединенный с вращаю ­ щимся объектом . Если вал повернется на угол а;, то в непо­ движных датчиках ПХ l и ПХ2 индуцируются э.д.с. Эн1 = = Энsiп а; и Эн2 = Энсоs а;, ПХ l и ПХ2 установлены радиаль ­ но в зазорах наружного магнитного ярма датчика и смеще­ ны относительно друг друга на угол 90 град. Схема включе­ ния преобразователей пок·азана на рис . 4.4,б. Остальные 190
два зазора сделаны для устранения асимметрии магни т ной цепи датчика. В них согласно [4.10] :v~огут помещаться на одной оси еще два ПХ. При чем ПХ расположены на одной оси, соединяются п опарно па р аллельно от н осительно т оковых зажимов и последовательно по холловским выводам . Такие преобразователи с наруж н ым диаметром 1... 3 см мо гут обес­ печить погрешность преобразования в несколько десят ы х процента; отсчет угла может производиться с абсолютной по­ грешностью до О, 1 град . Принцип преобразован и я щщ!Цfных перемещений очень прост. Если преобразователь ХолЙа перемещается в неодно­ родном магнитном поле, то напряжение Хо"1ла будет зави­ сеть от значения перемещения . Следовательно, проблема заключается в разработке таких магнитных систем, для ко­ торых эта зависимость будет линейной. Такой явл яется маг­ нитная система датчика, и зоб р ажен н ая на рис. 4.5 , где обо­ значены: 1 - преобразователь Холла , 2 - н аружные магнит­ ные ярма постоянных магнитов 3 и 4. Пере:wещенные ПХ, че­ рез который в продольном направлений протекает стабиль­ ный ток, осуществляется в направлении оси Х . Погрешность таких датчиков перемещения порядка + (1... 2 мм) может быть менее 1,5 %. Входная э . д . с . ПХ датчиков перемещений зависит от параметров самого преобразователя и значения индукции магнитного поля, создаваемого магнитом. На осно·· . ве подобных принципов строят измерители вибраций, аксе­ лерометры, сейсмографы и т. п. средства измерений механи­ ческих величин [4.4] . Кроме того, преобразователи Холла применяются в пре­ образователях давления . В этом случае ПХ, помещенный в 2 .-х s Рис. 4.5. Конструкция преобразователя линейного перемещения 191
магнитное поле с большим градиентом, механически соеди­ няется с элементом, изменяющим его положение под влия ­ нием давления. 4.3. МАГНИТОРЕЗИСТОРЫ 4.3.1. Используемые материалы и конструкции магниторе­ зисторов Так как напряженность холловского электри ческого по­ ля снижает магниторезистивный эффект, то конструкция маг­ ниторезистора должна быть такой, чтобы уменьшить или пол­ ностью устранить эффект Холла. Максимальный магниторе­ зистивный эффект наблюдается в неограниченном полупро­ щ:щнике в направлении, перпендикулярном току [4.3; 4.7; 4.8). Наилучшим приближением к неограниченному по ширине образцу является диск Корбино (рис. 4.6,а). При отсутствии магнитного поля ток в таком образце проходит в радиальном направлении от центра диска ко второму электроду, распо ­ л.оженному по периметру диска или наоборот. Отклонение носителей заряда под действием магнитного поля происхо ­ дит в направлении, перпендикулярном радиусу, а поскольку не существует граней, на которых может происходить накоп­ ление зарядов, то разделение носителей заряда и образование электрического поля Хо.тiла в таком образце не происходит. Другой конструкцией магниторезистора (хотя и с меньшим проявлением эффекта магнитосопротивления, чем в диске Корбино) является пластинка полупроводника, ширина кото­ рой намного больше ее длины (рис . 4.6,6). ! 6 б Рис. 4.6 . l(онст рукции маrниторезисторов 192
Рв Ро G 25 20 ,_ 15 10 Рис. 4.7 . 5 Зависимость прира щения удельного соп ротивле н ия от магнитной индукции о при разных формах МР 0,2 О,'1 О,б l/8 1,0 Тл Эти две структуры обл адают на и больш им от носител ьн ым изменением сопротивления в магнитном поле (рис. 4.7). Недоста тком магниторезисторов тако й формы яв"1яется малое абсолютное значе н ие сопротив л ения, что обусловлено не только геометрической формой , но и свойствами матери ­ алов, из которых из готавливаются магниторезисторы . Для магниторезисторов применяются полупроводники с высокой подвижностью носителей тока, в том числ е, анимонид индия, ар-еенид _ индия, эвтектические сплавы антимонида fшдия и антимонида никеля, теллурид и селенид ртути, их твердые растворы и другие полупроводниковые соединения с малой шириной запрещенной зоны и высокой удельной прово­ димостью . Для увеличения начального сопротивления (при В :-- О) применяют последовательное соединение нескольких ма г ни­ торезисторов [4 . l 7]. В:wесто пос "1едовательного соединения магниторезисторов испол ьзуется одна дл инная полупровод­ никовая пл астинка, н а поверхность которой нанесены метал­ лические полоски (рис . 4 . 6,в), делящие пластину на области, длина которых меньше их ширины . Каждая часть пластины между двумя металлическими полосами п редставляет собой отдельный ма г ниторезистор. Несмотря на то, что в магниторезисторах прямоугольной формы магниторезистивный эффект проявляется сл абее , ч ем в диске Корбино, они обладают существе н ны м и преимущест ­ вами . В частности, зависимость Rь = f (В) носит ква дратич ­ ный характер только в сл абых магни т ных пол ях и практ и ­ чески линейная в полях, начиная с 0,3...0,4 Тл (рис. 4.7) . Электр ическое сопротивление м агниторезисторов в форме прямоугольников тоже невелико и в зависимости от конструк­ ции и использов а нного материа л а может кол еба т ься от еди - 13 83 1-0 193
ниц до нескольких десятков Ом . Кроме приведенного вы ше способа увеличения сопротивления магниторезисторов путем их п оследовате "1ьного соединения , можно соо т ветс т вующи м образом подобрать форму образца . Например, придать м а г ­ ниторезистору форму меандра (рис. 4.6,г), где 1 - и золя­ ционная подложка, 2 - полупроводниковая пол оска . 4.3.2 . Основные характеристики магниторезисторов Основными характеристиками магниторезисторов явля­ ются: электрическое сопротивление Ro при отсутствии ма г­ нитного поля, функция преобразования (зависимость сопро ­ тивления, от значения магнитной индукции), коэффицие нт относительного изменения сопротивления, допустимое зна ч е ­ ние тока через магниторезистор, а т·акже температур ный ,J<Оэффиuиент сопротивления [4 .3] . Основной характеристикой магниторезисторов является зависимость Rв = f (В) . В области малых значений маг нит­ ной индукции эта зависимость носит квадратичный хар а к­ тер, а при повышении в зависимость сопротивления магн и­ торезис тора от значения индукции магнитного п оля стан о­ .вится линейной . Как и д.1я других полупроводниковых датчиков, для :v1а г­ ниторезисторов характерна значительная зависимость сопро­ тивления от температуры. Температурные коэффицие нты со­ противления (ТКС) существующих м.агниторезисторов рав ­ ны: для JnSb - 1,2 %/ 0С; для ZnAS - 0,2 %/0С. Для эвтек­ тического сплава (/nSb с WiSb), легированного теллуром , ТКС может быть уменьшен до 0,02 . ..0,05 %/ 0С. [4. 14] . Магниторезисторы имеют заметную частотную зависи ­ мость, которая, в свою очередь, зависит от формы магн ито­ резистора . В частности, для диска Корбино частотная зави ­ симость практически не проявляется, а для магниторезисто ­ ров прямоугольной формы при изменении частоты от О до 10 МГц отношение Rв/ Ro уменьшается примерно на 7... 10 %. Важным параметром магниторезисторов яв.r~яется допус­ тимое значение тока через магниторезистор (/доп), которое ограничено допустимым перегрево:v1 прибора . В технической документации на магниторезисторы обычно задают до пус­ тимое значение тока через магниторезистор /доп при В = О. Значение допустимого тока при любом В в пределах рабо че ­ го диапазона может быть определено по формуле fдоп=lодоп-..) 1/ (1 +( t! )в], где ( 6.р/р0 )в - относительщ>е изменение удельного сопро ­ тивления магниторезистора дЛя данной индукции . 194
Параметры некоторых маrннторезнсторов Тип MS-4 М-15 М-10 1 Изгото - витель СК.Б ФП1 (АН Россия) · Ohio (Япония) Siemens (ФРГ) То же Мате- риал InSb InSb InSb · 1пSЬ NiSb IпSb Ro Rь/ Rv [Ом] при В=1Тл 0,5 ...200 10... 16 0,5 ... 200 2... 3 1 10 10 6...8 "" ,~ '$. 100 7... 9 500 13 ... 18 Таблица 4.3 '" Ртах %/ос [Вт] 0,5... 1,0 0,1 0,08 0,1 -0,6 0,25 -0,16... ... -0,55 -0,12... ... - 0,50 -1,8... ... -2,9 4.3.3. Области применения и схемы включения магнито ­ резисторов Магниторезисторы, как и преобразователи Холла, могут непосредственно применяться для измерительного преобра­ зования индукции магнитного поля в напряжение. Посколь­ ку магниторезистор (МР) является пассивным преобразова­ тельным элементом, то его необходимо включать в электри­ ческую цепь, обеспечивающую протекание через него элек­ трического тока . Наиболее часто магниторезисторы вклю­ чают в мостовые цепи [4.3] . При этом питание мостовой схе~ мы может осуществляться в режиме заданного тока, задан ­ ного напряжения или заданной мощности. От вида заданного режима работы мостовой схемы зависит характер ее функции преобразования, т. е. зависимость Ивых = f (Ивх. Rвх) и чув­ ствительность схемы . При питании моста от источника напря ­ жения и включении в одном из плеч МР (или двух МР в про­ тивоположных плечах) зависимость выходного тока (напря­ жения) от относительного приращения сопротивления BR яв­ ляется монотонно убывающей функцией, имеющей положи­ тельный знак первой и отрицательной - второй производной (4 .3]. Поскольку зависимость вR от В аппроксимируется мо­ нотонно возрастающей функцией с положительной второй производной, возм9жна некоторая взаимная компенсация не­ линейности общей функции преобразования индукции в вы­ ходное напряжение. моста. Анализ чувствительности мосто ­ вой схемы при ее питании от источника тока показал, что по сравнению с датчиком Холла чувствительность мостовых схем с МР больше при полях с индукцией В~О,2 Тл, поэтому для преобразования индукции сильных ма г нитных полей предпочтение следует отдать магниторезистору (4.3] . 13* 195
Однако в области слабых полей чувствительность МР (изменен и е е го сопротивления при изменении индукции) рез­ ко п адает. КвадратИчная зависимость относительно го и зме ­ нения сопротивления от магнитной индукции обусловливает наличие в электрической цепи постоянной составляющей, пропорциональной квадрату действующего значения индук­ ции. Эта особенность используется при создании схем сравне ­ ния индукций переменного и п остоянного магнитного поля. Упрощенная структурная схема преобразователя переме нной магнитной индукции в ток с уравновешивающим ттреобразо ­ ванием изображена на рис. 4.8, где обозначены: /о - источ ­ ник стабильного тока, питающего основной Rм1 и компенса ­ ционный Rм2 магниторезисторы; ФНЧ - фильтр нижних час­ тот; ДУ - дифференциальный усилитель; ЭМ - электро ­ магнит; ИТ - из меритель тока. Разность постоян н ой состав ­ лstющей напряжения, п ропорционального квадрату индукции Вх (t), которое снимается с резистора Rм1 , и постоянно го на­ пряжения, пропорционального Вб, снимаемого с Rм2 , преобра­ зуется в ток цепи обратной связи /ох, который посредством электромагнита ЭМ возбуждает индукцию Во. При равен ­ стве Rм1 = Rм2 значение тока fox пропорционально действу­ юiцему значению индукции Bx(t). Рис. 4.8 . Схема уравновешивающего преобразователя индукции слабых полей эм §. lox Для повышения чувствите"1ьности в области слабых по­ л ей применяют вспомогательное поле подмагничивания. Од­ нако при этом возникают искажения измеряемого поля вспо­ могательным. Подобные схемы преобразования индукции переменных магнитных полей имеют приведенную погрешность 2,5 % при пределах изменения индукции 0,2 ... 0,5 Тл и частотном диапазоне 40... 20000 Гц [4. 12 ]. При подмагничивании постоянным магнитным полем в слабых магнитных полях можно линеаризовать общую функ- 196
цию преобразования индукции в приращение ма гни тосопро­ тивления, если использовать два магниторезистора, один из которых находится в магнитном поле с и ндукцией (Во + Вх), а второй с индукцией (Во - Вх). При преобразовании раз­ ности относительных приращений 6ям 1 и 6ям 2. пол учи м 14. 18] : где Км - магниторез ист ивная пост оян на я , которая должна быть одинаковой дЩ.I ,Qбоих магниторезисторов. Подобный принцип положен ,-;-в" оtнову реализации пере­ множающего устройства с погрешностью 0,2 % при частот­ ном диапазоне входных сигналов дсi 10 кГц [4.19] . В работе [4.19] приведены результаты разработки магниторезистив­ ного перемножителя, в котором использованы ма г ниторезис­ торы Micro-R фирмы "American Aerospase Controlls " (США) . Нелинейность перемножения не более О, 1 %, температурная погрешность 0,01 %/ 0 С, частотный диапазон до 1 МГц . Пе­ ремножите .1и на магниторезисторах имеют ряд преимуществ перед перемножителями на преобразователях Холла : 1) прос­ тота конструкции (только два электрода); 2) не требуют компенсации неэквипотенциальности (правда, зачастую не­ обходимо создавать начальное магнитное поле); 3) имеют большую выходную мощность и т. п. В слабых магнитных по­ лях (до 0,3 ...0,5 Тл) магниторезисторы могут служить основ­ ными элементами удвоителей частоты . Их можно использо­ вать также для построения смесителей частот, модуляторов, анализаторов . спектра, усилителей, генераторов, функцио­ нальных преобразователей и т . п . [4 .6] . 4.4 . МАГНИТОДИОДЫ И МАГНИТОРЕЗИСТОРЫ 4.4 .1 Принцип действия и материалы, используемые для изготовления магнитодиодов Кроме описанных в [4.1] гальваномагнитных эффектов, существует ряд других эффектов, проявляющихся в воздей­ ствии магнитного поля на концентрацию носителей . К ним относятся магнитоконцентрационный эффект. фотомагнит­ ный эффект и магнитодиодный эффект. Эти эффекты исполь­ зованы для создания целого ряда датчиков . Так, полупро­ водниковые диоды, в которых наблюдается изменение во.'IЬТ­ амперной характеристики под воздействием магнитного по­ ля, получили название магнитодиодов . 197
В зависимости от соотношения длины базовой области d и длины диффузионного смещения носителей тока L. диоды мож н о разделить на диоды с тонко й базой (d < L) называ­ емые «тонкими», и диоды с тол стой базой (d> L) или «дли н­ ные» диоды . Для создания магнитодиодов применяют диоды с толстой базой , в которых падение напряжения при пропускном на­ п равлении тока распределяется между р - п - переходом и со­ противлением базы диода (4.19) При высоких уровнях инжекции концентрации электро­ нов и дырок практически одинаковы и э . д . с . Холла близка к нулю. Дырки, инжектированные из р-п-перехода, будут дви­ гаться под некоторым углом к направлению внешнего элек ­ тр.ическо г о пол я . В «длинном» диоде при высоком уровне инжек ции маг ­ нитное поле не только уменьшает подвижность, но и изме ­ няет длину диффузионного смещения, удлиняет линии тока, т. е . увеличивает эффективную толщину базы, а также из­ меняет время жизни неосновных носителей . Все это приводит к уменьшению глубины проникновения инжектированных из р-п перехода носителей и вызывает увеличение сопротивле­ ния полупроводника в базовой области . В результате увели­ чения сопротив.1ения базы прямое напряжение, приложенное к диоду с толстой базой, перераспределяется согласно (4 . 19) : увеличивается иб и уменьшается напряжение, падающее на р-п-переходе . Вследствие этого резко у~еньшается ток, про­ ходящий через диод. Таким образом, в «длинном» диоде первоначальное и зме­ нение неравновесной проводимости толщи полупроводника или параметров, ее определяющих (таких, как время жизн и, подвижность и др . ), «запускает» лавинный механизм измене­ ния его тока, т . е . малое начальное уменьшение длины диффу­ зионного смещения в магнитном поле приводит к очень сильному уменьшению прямого тока диода вследствие рез­ кого снижения концентрации неравно~есных носителей . Это и есть магнитодиодный эффект [4 .20, 4 .21]. Из это го следует , что при соответствующем выборе геометрических размеров и электрофизических свойств используемых полупроводн и ­ ковых материалов «длинный» диод может быть использован в качестве магнитодиода. По сравJ:Iени·ю с описанными выше преобразователям и Холла и магниторезисторами магнитодиоды обладают на ­ много большей чувствительностью к магнитному полю . В качестве иллюстрации работы магнитодиода (действия 198
100 Рис. 4.9 . Прямые ветви 50 вольт - амперных характеристик германиевого диода 1- В=ОТл; 2- В=0,2Тл; 3- В=0,3Тл; 4- В=0,4Тл; 5- В=0,7Тл; 6- В=0,8Тл О2 5 б б 10 и.в магнитного поля на вольт - амперную характеристику «длин­ ного» диода) на рис. 4 .9 приведены прямые ветви вольт - ам­ перных характеристик германиевого ма г нитодиода в магнит­ ных полях с различной магнитной индукцией . В настоящее время магнитодиоды производят из герма­ ния , кремния, сурьмянистого индия, арсенида галлия и индия, из твердых растворов HgTe - CdTe и других соединений . Антимонид индиявкачествематериаламагнитодио­ да может использоваться только при пониженных температу­ рах. Германиевые магнитодиоды в настоящее время получили наибольшее применение, но параметры этих приборов недостаточно хороши, в частности, они удовлетво­ рительно работают только при температурах, близких к ком­ натн0й. :К р е м н и е в ы е магнитодиоды могут работать не только при комнатной температуре, но и при повышенных 80 .. . 100 °С температурах. Наиболее перспективным материа.пом для создания маг­ нитодиодов в настоящее время является а р с е н и д г а л­ л и я . На основе арсенида галлия можно создавать магнито ­ диоды с хорошими параметрами и с рабочей температурой выше 100 °С . Однако трудности в получении качественных монокристаллов тормозят широкое внедрение этого материа ­ ла в производство магнитодиодов . 4.4.2 Параметры магнитодиодов Для оценки чувствительности магнитодиодов к магнитно­ му полю используют несколько параметров . По аналогии с датчиками Холла вво_д_ится магниточувствите.1ьность Sb, ко- 199
торая предс т авляет собой изменение напряже н ия н а м агни­ тодиоде при изменен и и индук ции магнитного ПОJlЯ на един и цу индукции при постоянной плотности тока. Вводится также па­ рамет р, называемый от носи тель но й маг н иточувствител ь- 03 Sь НОСТl:>Ю Sотн = 1 Т . Промыш ленностью сери й но выпускаются магн итодиод ы типов КДЗОl (А... Ж), КДЗОЗ(А ...Ж) , Кд304 А(Ж ). Р або­ чие н апряжения диодов КДЗОl приведены в табл. 4.4. 4.4.3 . Конструкции магнитодиодов Известные в настоящее время магнитодиоды классифици­ (J'у ют по п а р амет рам, конструкт ивным особеннос тям, ви ду вольт - ампер ных характеристик и т. п. Та к, имеются «торце ­ вые» 11 п .'Iанарные магнитодиоды, маломощные и мо щные, однобазовые и двухбазовые , с дополнительной зоной поверх ­ ностной рекомбинации, магнитодиоды с отрицательным ди ф ­ ференциальным сопротивлением и др . . Таблица 4.4 . Параметры маrнитодиодов Тип ма гнитодиода Пар а метр КдЗОIА КдЗОIБ КдЗОIВ КДЗОIГ КДЗО IД КДЗОI Е Рабочее на - 6,0... 7,5... 9,0... 10,5... 12,0 ... 13,5... nряжение, В ... 7,4 ... 8,9 ... 11 ,9 ... 13,4 ... 13,4 ... 15 Кроме параметра, приведенного в таб.'Jице 4.4, ма гнито­ диоды КДЗОl имеют другие параметры : относительная маг­ ниточувствительность больше 10 4 В/ А Тл; рабочая частота - до 5 кГц; рабочий интервал температур - 60 ... 85 °С ; макси ­ мально допустимая мощно_сть 200 мВт при рабоч их те м пе­ ратурах ниже 25 ° С и 100 мВт при рабочих температурах до 85 °С; максимально допустимое обратное напряжение 100 В: максимально допустимый импульсный ток (длительность и м­ пульса 6 мкс) - 40 мА при рабочих температурах до 25 °С и 20 мА при рабочих температурах до 85 °С . Мал омощные магнитодиоды рассчитаны на рассеив а­ емую мощность 50... 100 мВт . Они изготавливаются из герм а­ ния с удельным сопротивлением 0,4 . .. 0,б Ом . На рис . 4. 10 при ­ ведено схематическое изображение таких магн итодиодо в . Размеры даны в миллиметрах . · Конструктивное оформление магнитодиодов · очень разно­ образно. Описаны магнитодиоды с малой площадью р - п-пе - 200
Се п а Рис . 4.10. Германиевые маломощные диоды а - торцевой . б - планарной конструк uии Се рехода, со спл ошным р- п- переходом , сек ционированные маг ­ нитодиоды и т. п. [4.21] . Для увел ичения ма гн иточувс твител ьности ис пол ьзуют магнитодиоды с отриц ател ьным диффере нц иальн ы м сопро ­ тивлением . Были созданы как двухэлектродные, т·ак и много­ электродные приборы: S-магнитодиоды с N - S-характерис­ тикой, _ двухбазовые ма гн итодиоды и не.которые другие . На­ пример, у S-магни тодиодов чувствител ьн ость достигает 1ООО В/Тл, т. е. почти на два порядка выше, чем у обычных гер­ маниевых ма г нитодиодов . 4.4.4. Применение и схемы включения магнитодиодов Высокая магниточувствительность магнитодиодов откры­ ла перед гальваномагнитными приборами новые области при ­ менения - в различных ключевых схемах, в переключателях и других устройствах, где нет необходимости обеспечения су ­ щественной линейности и стаби л ьности зависимости вели ­ чины, характеризующей проявление эффекта от магнитного поля, но важно значение характеризующей его величины . Бол ьшая чувствитеJ1ьность дает возможность использова ть магнитодиuды в различных устройствах без дополнительных усилителей. Магнитодиоды сами могут работа ть в качестве усилителей с полностью электрически разделенным и входом и выходом, в качестве бесконтактных измерителей электри­ ческих токов и т. п. Использование магни тодиодов в коммутационных устрой­ ствах выгодно тем , что в них не возникают электрические разряды, а поэтому они взрывобезопасны и мо гут испол ьзо­ ваться в газовой, нефтяной, химической п ромышленности : В коммутационных схемах магнитодиоды удобно использо­ вать вместе с другими полупроводниковыми элементами, име­ ющими малые сопротивления в открытом состоянии {напри ­ мер, тиристорами) . В таких схемах легко достиг_аются отно­ шения сопротивления закрытого прибора к сопротивлению 201
открытого более 105 . Одновременно оказывается возмож ­ ным создание переключателей больших электрических мощ ­ ностей, о граничение на которые накладываются в этом слу ­ чае только предельными значениями напряже ни й и то ков тиристора . Перечисли м некоторые из областей ис пользования ма гн и ­ тодиодов : - использование магнитодиодов в качестве датчиков пространственного пол ожения, перемещения , датч и ков ч ас ­ тоты и амплитуды колебаний, счетчиков числа оборотов ; - измерение с помощью магнитодиодов магнит н ых по­ лей, исследование конфигурации и однородности магнитных полей; бесконтактный способ измерения токов по созданному этими токами магнитному полю ; ~ - использование в разли ч ных типах генераторов эл е к­ трических колебаний (генераторы синусоидаль н.ых кол еба ­ ний, реJ1аксационные генераторы шумовых коJiебани й ) ; - использование в качестве регулируемых бесконтакт ­ ным способом (магнитным полем) сопротивлений ; - схемы перемножения и деления, сигналов, схемы удво­ е.~шя частоты . 4.4.5 . Магнитотранзисторы Идея использования транзисторов в качестве преобра ­ зователей, характеристики которых чувствительны к магнит ­ ному потоку реализована в последние годы [4.21] . Поскол ь­ ку обычный бипоJiярный транзистор состоит из двух р-п пере­ ходов, один из которых в норма.1ьном вк.1ючении откры т {эмиттерный), а другой {коллекторный) закрыт и ток через последний создается носителями, инжектированными из эмит­ тера, то незначительные изменения коэффициента усиления по току эмиттера в «тонких» транзисторах могут вызва ть очень большие изменения тока. Поэтому на основе транзис­ торов можно создавать такие же преобразователи, основан ­ ные на управлении длиной диффузионного смещения, как и на «длинных» диодах . Аналогом сопротивления базы в «длин­ ных» диодах в магнитотранзисторах является сопротивлен и е, коллекторного р-п перехода, включенного в обратном направ ­ лении . Также возможно создание транзисторов {как «тон ­ ких», так и «д.:1инных»), параметры которых чувс т вительны к магнитному полю . Созданы и исс.:1едованы экспериментаJIЬ­ ные образцы не только магниторезисторов на биполярных структурах, но и двухколлекторные магнитотранзисторы, 202
однопереходные магни тотранзисторы , полевые гал ь вано м а­ гниторекомбинационные магнитотранзисторы и магнитоти ­ ристоры [4.21 ]. которые могут применяться в различного типа преобразовател ях п еремещений , параметров ма г нит н ых полей и других вел ичин . Список литературы к гл . 4: '" ,-.t~ 4.1. Стильб ан с Л. С. Гальваномагнитные явления. Полупроводники в науке и технике.- М.:Изд-во АН СССР, 1957.- Т.1.- 133 с. 4.2. К уч и с ,Е. В. Методы исследования эффекта Холла. - М.: Сов. радио, 1974 .- 328 с. 4.3. К от е н к о Г. И. Магннторезнсторы.- Л.: Энергия, 1972.-80 с. 4.4. К об у с А., Тушинский Я. Датчики Хол ла и магниторезисторы . ­ М .: Энергия, 1971 .- 352 с. 4.5 . Гальваномагнитные преобразователи в нзмерительноii технике / В . В . Брайко, И. П. Гринберr, Д. В. Ковальчук, С. Г. Таранов; Под ред. С. Г . Таранова . - М .: Энергоатомиздат, 1984 .- 360 с. 4.6 . Хо м е р и к и О. К. Гальваномагнитные элементы и устройства авто­ матики и вычислительной техннкн.- М . : Энергия, 1975.- 175 с. 4.7. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые прибо­ ры.- М.: Высшая шк., 1973.- 366 с. 4.8 . К от е н к о Г. И. Гальваномагнитные преобразователи и их приме­ нение .- Л . : Энергоиздат, 1982 .- 104 с. 4.9 . П о л и щук Е. С . Измерительные преобразователи.- Киев : Вища шк., 1981.- 296 с. 4.10 . В ай с с Г. Физика гальваномагнитных полупроводниковых при­ боров и их применение.- М .: Энергия, 1974 .- 384 с. 4.11 .Панчишин Ю. М., Усатенко С. Т. Измерение переменных магнитных полей . - Киев : Тэхника , 1973.- 1 40 с . 4.12 . Гринберг И . п., Шуляковский Е. А. Измерители индукции переменных магнитных полей . - Киев : Тэхника, 1982. - 1 6 8 с . 4.13 . Средства измерениii параметров магнитного поля /Афанасьев Ю . В , Студенuов Н. В., Хорев В. Н. и др.- М.: Энергия, 1979. 4. 14 . Раз ин Г. И. , Щ ел к ин А. П. Бесконтактное измерение электри­ ческих токов . - М .: Атомиздат, 1974 .- 160 с. 4.15 . L оf g г е п L. Aпalog Multiplier Based оп the Hall Effect // louгпal of Applied Fhysics ; 10.- 1 95 8 .- No2. Р. 158."165. 4.16 . Чай к о в с ь кий О . 1. Структурнi методи пiдвнщення точностi ана ­ логових помножувальних пристроi'в // Автоматика . 1977 . No 2. с. 17-23. 203
4.17. В и к уп и и И. М., Ст а фее в В. И. Полупроводниковые датчики.­ М.: Сов. радио, 1975.- 103 с. 4.i8. S u n S. F. Теогу апd appiicatioпs of а three dimeпsioпai multiplieп Ьу means of magnet oresistanse / / Solid - State Electronic. V . 7 . i 964. No 5. Р. 363...37 i. 4.i9.StгikегS. ЕvеsR.К. RоgоwskiZ.Magnetoresistancemul- tiplier for the accurate measurement оп power iп the audio freqe n cy гапgе // IEEE Trans. lnstrum. and Meas. i971 . V. 20 . No 4. Р. 301...307 4.20.Стафеев В. И., Каракушан Э. И. Маrнитодноды.-М.: Наука, 1975 . - 216 с. 4.21 . И r н аз а р я н Г. А., Стафеев В. И. Маrнитодиоды, маrнитотран ­ зисторы и их применение .- М .: Радио и связь, 1987 .- 88 с. Глава 5 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 0 5. 1 . ОСНОВНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ Термоэлектрическими явлениями принято назыв ать эф­ фекты возникновения в проводящих средах электродвиж у­ щих сил и электрических токов под воздействием тепл о в ых потоков, а также эффекты возникновения теплот , допол ни ­ тельных к джоулевому теплу, при протекании электрического тока [5.1) . Среди известных 12-ти термоэлектрических явлений в из­ мерительной технике широко применяется эффект Зеебека , заключающийся в том, что в замкнутом контуре (рис . 5.1 ) , состоящем из двух разнородных проводников, возникает те р ­ мо - э . д .с . Е1, пропорциональная разности температур с п аев . Дифференциальная или удельная термо-э . д . с ., называемая относительным коэффициентом термо-э . д .с . или коэффиц ие н ­ том Зеебека, возникает вследствие различных свойств неод и ­ наковых металлов в зависимости от температурного г ради ­ ента (5. 1) Она зависит от многих факторов, в первую очередь от темпе­ ратуры t [5 .2, 5 .3) . Создание цепей, состоящих из различных 204
проводников позволяет эксперимен т ально определить отно­ сительную тер м о-э . д .с . проводника А относительно провод­ ника В Рис. 5.1 . Термоэлектрическая цепь нз двух материалов.. (5.2) Иногда удобно пользоваться понятием абсолютного коэф­ фициента термо-э . д . с . проводника, значение которого можно определить в паре с так называемыми абсолютным термо ­ электродом, не обладающим термоэлектрическим эффектом . Известно, что таким абсолютным термоэлектродом может быть JlЮбой сверхпроводник . Однако, поскольку температурный диапазон существо ­ вания сверхпроводимости узок по сравнению с диапазоно:-.1 применения термоэлектрических преобразователей, значения абсолютных удельных коэффициентов термо-э.д . с. определяют косвенно по измеренным значениям величин, через которые проявляются эффекты Пельтье или Томсона . Э ф ф е кт П ел ь т ь е состоит в том , что в месте контакта проводников А и В выделяется или поглощается количество теплоты Qл, !!ропорциональное зна~ению протекающего тока /, то есть (5.3 ) где лАв - коэффициент Пельтье . Обратимое выделение или поглощение теплоты Пельтье не зависит от природы контакта, а завис ит лишь от свойств каждого из компонентов пары проводников, т. е. от абсолют­ ных коэффициентов Пельтье каждого из них . В температур ­ ных и змерениях это явление может играть существенную роль только при достаточно больших значениях удельных плот ­ ностей электрических токов в изм ерительных цепях, что обыч­ но не имеет места на пр актике. Эффект Томсон а заключается в выделении {или поглощении) теплоты Q, в проводнике с током при наличии продольного гр адиента температур . Применительно к про­ водникам, образуtощим термоэлектрическую цепь, допустимо 205
одномерное представ"1ение температурных или электрических полей . В этом случае уравнение Томсона может быть запи­ са н о в следующем виде Q, = т;./.Лt. (5.4) где т - коэффициент Томсона . Между тремя описанными термоэлектрически ми явле н ия ­ ми установлены соотношения Томсона (Кельвина) : da. т:=t- . a.t л = t·a.. (5.5 ) (5.6) В отличие от двух других явление Томсона по свое й при ро- " де абсол ютно, что открывает возможность по из м е р енн ым значениям коэффициента Томсона найти абсолют н ые зна ч е­ ния коэффициентов Пельтье и Зеебека . Последний п ол учает­ ся интегрированием уравнения (5.5) a.(t) = 1т:(t) dt. оt Наличие информации о значении абсолютно го коэффи ци ­ ента термо - э . д.с . хотя бы для одного материала открывает возможность привязки результатов измерений температур ы с использованием других материалов к их абсолютным зна­ чениям относительно этого материала . В качестве такого эта ­ лонного материала при определении низких температур при ­ меняется свинец . При средних и высоких температурах в качестве эталон ­ ного материала часто используется платина . В практике те м ­ пературных измерений платина имеет широкое примене н и е благодаря ряду положительных свойств, связанных с воз ­ можностью получения и сохранения высокой степени чис тоты материа .'!а. В связи с этим терм-оэ.'lектрические характе р ис­ тики многих металлов и сплавов были исследованы относи­ тельно платины. Значения термо-э . д . с . д.1я материа.'lов, при­ меняемых д,z~я температурных измерений, приведены в па ре с платиной в табл . 5.1, 5.4 . Эти термо-э.д.с. определены при температуре рабочего спая t 1 = l 00 °С и температуре сво­ бодных концов термопары fo = О 0 С. приведенные в табл . 5. 1 данные позволяют определ ить термо-э . д . с . , термоэлектрического преобразователя, сост ав ­ ленного из любой пары термоелектродов, как алгебраи ч ескую разность значений термо-э . д .с . , развиваемых соответст вую ­ щими термоэлектродными материала~и в паре с пла тиной . 206
Таблица 5.1 Термо-э .д.с. некоторых материалов в паре с платиной Материал Термо·з.д.с. Ма териал Термо-э.д.с. мВ мВ Кремний +44,4 Ртуть 0,00 Хромель + 2,4 Палладий -0,57 Нихром + 2,2 Цннк - 0,75 Железо + 1,88 Никель - 1,2 ... -1,9 Вольфрам + 0,8 Алюмель - 1,7 Медь + 0,76 КонеJ<iiнтан - 3,4 Золото + 0,75 Копель - 4,5 Платинородий + 0,64 Висмут -5,2... -7,7 (10% родия) Графит + 0,32 Молибденит -6 9... -10 4 Серебро + 0,72 Поскольку зависимость термо-э.д.с. от температур~ в широком диапазоне температур, как правило, нелинеина, то данные табл. 5.1 не распространяются на высокие тем- пературы [5.4]. · В термометрии руководствуются следующими тремя эмпи­ рически установленными правилами . 1. Правило Магнуса - термо"э.д . с., возникающая в зам­ кнутой цепи, образованной парой однородных, изотропных проводников зависит только от значения температуры спаев и не зависит от распределения температуры по длине провод­ ников. 2. Правило аддитивности термо-э.д.с. по температуре. Если имеется возрастающая последовательность температур изотермических пространств !1> !2> t 3 , то при измерении па­ рой термоэлектродов А-В справедливо следующее правило аддитивности: (5.7) 3. Правило аддитивности термо-э.д.с. по материалам. Ес­ ли для измерения разности температур !1 - t2 имеются тер­ моэлектрические материалы А. В и С, то справедливы следу­ ющие соотношения: EA 8(t1.l2) + E8c(t1 .l2) = EAc(l1 .l2); (5.8) ЕАв = - ЕвА• Еде= - Есд ит.д. Из пос.педних двух правил следует общее правило кон­ струирования термоэлектрических измерительных цепей, а именно: неоднородность проводника допустима только в изо­ термической области и наоборот- · неизотермичность допус­ тима только в однородном проводнике. Недопустимо сочета- 207
ние неоднородности и неизотермичности . Руководствуясь этим правилом при введении в цепь термопары приборы для измерения э . д.с ., необходимо обеспечить изотермичность его входных uепей . 5.2 . ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ П РЕОБРАЗОВАТЕЛ Ей Измерение разности температур спаев термоэлектричес­ кой цепи (рис . 5.1 ) можно выполнить с помощью милливольт­ метра, который включается либо в разрыв одного из провод­ ников (А или В), либо между концами проводников А и В . Помещая один спай, называемый раб~чим, в среду, темпе ­ ратура f1 которой подлежит измерению, а температуру сво ­ f>одных спаев конuов термопары поддерживая постоянной и равной fo, в соответствии с (5.2) и (5.8) Ет= a.A8t1 + a.8io= a.A8(l1 - lo) = f(t1), где СGАв - относительный коэффициент термо - э.д . с . материа ­ ла А по отношенчю к материалу В . В промышленности, как правило, измерения температу­ ры t1 производятся относительно температуры свободных конuов to, с учетом влияния изменения их температуры на результат измерения . 5.3 . МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕР­ МОПАР Материалы для термопар характеризуются термоэ.1ектри­ ческой добротностью а.2 Z=- px' где CG - относительный коэффициент термо-э.д.с . материала; р - удельное сопротивление; х - коэффиuиент теплопроводности материала, который в случае металлов и металлических сплавов может быть рас­ считан по формуле [5.5] х = 2,45-10 -8 1'\t, где б - электропроводность . Д.'!я изготов.'!ения термопар более предпочтительными яв.1яются материады с бо.'lьшой добротностью, в значитель­ ной степени определяемой значением CG . Чем больше коэф­ фиuиент а., тем больше термо-э.д.с. материала, развиваемая 208
в паре с эталонным материалом (см. табл. 5.1 ), что дает воз­ 'V!Ожность повысить чувствите.1ьность тер:vтопар на основе этих м атериалов . Тер м оэлектрические материалы до.1 жн ы об.1аJать как можно большей удельной мощностью. определяемой произ­ ведением а.26. Св ойства некоторых :меташ1ическ1-1х тер:\1оэ.r~ ектричес1шх сп:r~авов приведены в.!.~б.1 . 5.2 [5.6 ] . Свойства металл ических термоэлектричес~ материалов Параметр Температура плавления, 0С Плотность, кг/м3 Теплопроводность при О 0С, Вт М• 0С Темпер атурный коэффи­ циент электри чес ког о со ­ противления при t от 20 до IOO 0С, 0~ Ко11стантан i 1260 890 14,4 ·10- 6 2.0· I0 - 5 Коnе.1 ь Хроме.'l ь 1255 1435 890 870 14,8· 10 -6 12,8-10-6 - 0. 0001 4 0,00048 Таблица 5.2 А.1юме;1ь 1430... 1450 850 13,7 -10 - 6 0,00270... . . .0,00044 Материалы электродов долж ны обеспечивать как .можно большую чувствительность термоэлектрических преобразо­ вател ей, воспроизводимо сть и стабильность их характе ри с­ тик при Р;зготовлении и эксп.1уатации, .1инейность функции преобразования в широком диапазоне преобразуемых темпе­ ратур, незначительное электрическое сопротикr~ение, а также механическую прочность, коррозионную стойкость и техно.10- гичность при изготовлении. Электроды термоэлектрических преобразователей изго­ тавливают, как правило, в вил:е проволоки с круглым сече­ н ием. Д 11аметр термоэл ектродн ой прово.1оки для термопар выбирают обычно не СJJишком боJ1ьшим с це.11->ю уменьше­ ния погрешности, вс.1едствие теплоотвода по электроду, а также для уменьшения времени преобразования. Для тер­ мопар из неблагородных материалов обычно используют про­ вол оку диаметром от 0,3 до 3 мм; для термопар из благород­ ных материалов - диа:\1етром 0,35 и 0,5 мм . В особых слу­ чаях, например при измерении температуры жидкой стали, и сп ользуют пр ов олоку ди а метром до 0,08 мм [5.5/. 5.4 . КОНСТРУКЦИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ ЕЙ Терм опары, применяемые для п реобразования теvшерату ­ ры в э . д . с., соответствую щим образом конструктивно оформ­ .1е нн ые и облада ю щие комплексом нормированных метроло - 14 831-0 209
гических характеристик называют терм о эле кт р и - ческими преобразователями (ТП). В зависимости от диапазона преобразуемых темпе р атур их подразделяют на н изкотемпературные {до 300 °С) [5 .7)' среднетемпературные {до 1600 °С) и высокотемпературн ые (свыше 1800 °С) [5.8, 5 .9], а в зависимости от наз н аче н ия - на погружаемые и поверхностные [5.1 О] . Конструкuии тер ­ моэлектрических преобразователей зависят как от наз на­ чения , так и от диапазона преобразования . Погружаемые ТП используются для измерения темпера ­ туры в газообразных и жидких неагрессивных и агрессивных средах . В качестве примера конструктивного исполнения по ­ гружаемых ТП рассмотрим конструкuии ТП из сплавов ме ­ таллов . На рис . 5.2 приведен внешний вид погружаемых ТП , выполненных из сплавов неблагороднь1х металлов . ;,, На рис . 5.2 обозначены : 1 - устройство ввода соеди ни­ тельных проводов; 2 - крышка; 3 - корпус головки; 4 - за­ щитная арматура . Такие ТП выполнены из хромель-алюме­ ловой или хромеJ1ь-копелевой проводки с керамическим и изоляторами между термоэлектродами и защит ной армату­ ~ой. Для обеспечения виброустойчивости термоэлемент за ­ сыпают безводной окисr.ю алюминия и герметизирую т эпок ­ сидным компаундом . 4 Рис. 5.2. ТП нз неблагородных металлов Свободные конuы ТП подсоединены к контактным зажи ­ мам головки, а рабочий конеu ТП изолируется от защитной арматуры керамическим наконечником [5 . 10] . Для измерения температур выше 900 °С применяют пл а ­ тинородий - платиновые {ТПП) и платинородий - плати­ нородиевые (ТПР) термопреобразователи. В качестве при­ мера на рис . 5.3 в размере показана конструкция ТП , где 1 - крышка; 2 - корпус; 3 - защитная арматура ; 4 - ко­ рундовый наконечник; 5 - рабочий спай ТП; 6 - са;1ьни­ ковый ввод . Термоэлектроды этих ТП изолированы друг от 210
/L/ f@jjtj@z: r-ю нл{ j ;;~ 5 Рис. 5.3 . ТП из благородных металлов друга керамическими изоляторами и помещены в защитную арматуру, состоящую из огнеупорного корундового чехJ1а, закрепленного посредством огнеупорной замазки в стальной трубе . Для измерения температуры поверхностей применяют пе ­ реносные и стационарные поверхностные ТП . Их термоэлек­ троды, как правило, выполненные в виде ленты, изготавли­ вают из меди, железа, копеля и константана . Для измерения температуры вращающихся поверхнос ­ тей применяют ТП типов ДТВ-074, ТХК-2175 . В частности, термоэлектрический преобразователь ТХК-2175 предназна­ чен для стационарного измерения температуры поверхнос­ тей валков около 100 мм в диапазоне 30... 300 °С с основной погрешностью, не превышающей + 3 °С, а преобразователь ДТВ-074 для измерения температуры поверхности рабочих валков станов холодной прокатки диаметром более 400 мм в диапазоне 30 .. . 150 °С. Для измерения температур поверхностей неподвижных тел используют пятачковые, штыковые и лучковые ТП [5.10). 5.5 . ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕРИЙНО ВЫПУСКАЕМЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Основные типы погружаемых ТП, которые серийно вы­ пускаются, а также термопар из сплавов благородных · (пла­ тинородий - платиновых гр . ПП, платинородий - платино­ нородий гр. ПР) и неблагородных (вольфрам - рений гр . ВР, хромель - копель гр. ХК и хромел ь - алюмель гр. ХА) металлов приведены в [5.8, 5.1 О). Некоторые типы серийно выпускаемых ТП и их характеристики приведены в табл . 5.3 . Погрешности термоэлектрических преобразователей нор ­ мируются в зависимости от диапазона преобразуемых тем­ ператур ГОСТ 6616-74, ГОСТ 3044-84 (табл. 5.4). 14* 211
Номинальные функции преобразования термопар, т. е. зависимости термо-э.д.с. от температуры рабочего спая при to = О, на зываемые согласно ГОСТ 13417-76 номинальны­ ми статическими характеристика:\1и, разJiичных термопар, в том числе нестандартных, приведены в [5. 1, 5.8, 5.10] . Ста­ тическая характеристика термопар изменяется за время эксплуатации и зависит от условий эксплуатации. Значение отклонений зависит не только от времени эксплуатации, . но и от температуры, при которой эксш1уатировались ТП. Осн овные характеристики некоторых, вы пускаемых се­ рийно , поверхностных термопреобр азователей приведены в табл. 5.5. Некоторые типы серийно выпускаемых термоэл ектри ч ески х преоб раз овател ей Услоеное обо- Т иnТП Назначение значение ста- тической харак- теристики ТПП-761-01 Для д.l!ИТМЬ- ПП (R) но го изме- рения темпе- ратуры про- дуктов зго- рания газо- образного или ж идко- го топл ива на входе турбины ТВР - 0687 Из мерени е ВР(А) -1 температурь в водоро д- ных электро- печах в ус- ловиях сухо- ВР(А)-2 го и увлаж- ненного воз- духа пр и давлении ТВР-301 -01 Многоразо- ВР (А) вое кратко- временное измерение температ ур ь• расплавлен- ного чугуна 212 Таблица 5.3 Класс Показа- доnус- тепь ка ИJiИ П редел ы тепловой nредел ос- изме рени я, инерции Масса, но в ной ·с (не более), кг до пус- ка емой с norpeш- ностн , •с о... + 1300 50 3,5 - О... + 2250 8; 30; 50 0,8 2 о... + 1800 0;8 1200.. . 1550 2 1,0 ОТ ±6 ДО щос в за- виси- мости от мо-
в ковша х дифи- литейного кации производ- ства ТХК-0479 Для измере- L -50. .. +200 8 ния- темпе- ратуры в ка- мере смеще - ния резино- смесителя ТХК-0579 Измерение L - 50... + 520 от 3, температурь в реакторах :~: ~1- ДО 9,5 установок каталити чес - кого рефор - минrа и гид- роочистки нефтепро - дуктов ТХК- 1087 Измерение L о... +600 8 ;20;25 те мп ератур азотоводо- родной сме- си и газов о.. . +зоо после cropa - ния природ - ного газа и др. ТХК - 2076 Ддя измере- L -50...+400 0,3; 0,8; ния темпе- 1,0; 3, ратуры теп- лоносителя бетонной за- щиты и ме- таллокон- струкци и реактора ТХК-2077 Для непре- -50... +400 0.3; 1,0 рывноrо из- мерения тем- пера туры теплоноси - теля , бетон - L ной защиты и металло- конструкции реактора ТХА-1007 Для измере- ХА(К) 0... 600 40 2,2 +4,8 ния темпе- ратуры фун - дамента до- менной печ ТХА- 1073 Для измере- ХА -5 0.. . +600 5,0 9, 6 ±4,8 ния темпе- ратуры во 213
Продолжение табл . 5.3 взрывоопас - .ных установ каххимичес кой и нефтя - ной про - мышленнос- тей ТХА - 1085 Для измере - К DIN IEC о... +600 0,35 ния темпе- 584 ратуры про - дуктов его - рания при - родного га - за ТХА - 1172П Для измере- К DIN IEC О... +6РО 2; 5; 50 ния темпе- 584 о... +1~0 ~ ратуры вы - о... +800 хлолных га - зов, воды и па рог аза ТХА- 1379 Для измере - ХА(К) о... +800 3,0 ±6,0 ний темпе- ратуры гра - фитовой кладки и стальных за щитных или треакто - ров типа РМВК ТХА-1449 Для измере- К DIN /ЕС О... +500 5,0; 60 ния темпе- 584 о... +воо ратуры ме- о... +800 талла игра - о... +1000 фита (кратковре - мен но) Таблица 5.4 Основные характеристики некоторых термопар ТП 2-го класса допуска Ус~'l ов ное Прс;~с.1ы nреобразовн я. ·с Преде.1 абсопют-ноtf погреш . обоз начение статичес- М атериалы П р>1 ..:~.1ит е.1 ьн ом ноет и термо:,дектрнчt?с к~1 :1: кой ха ракте- те рмо электродо в ~1змсрен~1и К ратко- nреобразоватслей. ·с р истkю1 в~~сннс от .10 ПП (S) Платинородий о . 1300 1700 ±1,5 ДО 0,025 t свы- (10 % родия) - 600°С ше 600°С платина ДО 1700 °С ПР (В) Платинородий 300 1600 1800 0,0025 t от 600 °С ДО 2-й класс (30 % родия) - 1800 °С допуска nлатинородий (6 % родия) 214
ХА(К) Хромель-алюмель -200 100 1300 ±2,5 0,075 t от -40 °С свыше ДО 333,4 °С 333,4 °С до 1350 °С ХК (L) Хромель-копель -200 700 900 ±2,5 0,1+0.ооы ; от -40 °С свыше до300°С 300°Сдо 800 °С ВР (А)-1 Вольфрамрений 10000 2500 2550 0,005 t (5 % рения) - Вольфрамрений !;.' cj~ (20 % рения) Особенности, современное состояние и перспективы при­ менения металлических термоэлектрических преобразовате­ лей для измерения низких (в том числе - криогенных) темпе ­ ратур исчерпывающе описаны в работах [5.7, 5 . 11 , 5.12], а характеристика современного состояния и перспектив раз­ вития высокотемпературных термоэлектрических преобразо­ вателей даны в работах [5 .9, 5 . 13] . Анализ погрешностей преобразования температуры в различных условиях приме­ нения ТП (поверхностей твердых тел, жидкостей, газов и тепловых потоков) приведен в работе [5 .14 .] . Некоторые типы, серийно выпускаемых поверхностных термозлектрических преобразователей ~сповиос обозначе - Пределы из- Тип ПЛ 11не ста- Назначею1:е тической мерения . ос .характерис - тик и ТХК-0487 Для измерения темпе- хк -3 0... ратуры поверхностей +зsо валков ТХК-2175 То же хк +30... +300 Таблица 5.5 Показа- тель теп - Класс повой допуска инерции (поrреш · (ие более) ность . с ос) 20 - 20 ±3 Промышленностью выпускаются также датчики темпера ­ туры, содержащие в одном корпусе, кроме термоэлектричес ­ кого преобразователя (например, хромель-алюмелевой или платино-платинородиевой термопары), усилитель, компенса ­ тор температуры свободных концов термопары, аналого-uиф­ ровой преобразователь, оптронное устройство гальваничес­ кого разделения, устройство линеаризации и преобразова­ тель цифрового кода и токовый выходной сигнал 0 ... 5 мА или 4... 20 мА (табл. 5.6) 215
Таблица 5.6 Преобразователи температуры в унифицированный сигнал с термозлектрическими преобразователями Предел ОС· Диалазон пре- новиой ДО· Тип nреоб· образуемых п уска ем ой Показа тель теп - При м ечание разоватепя те м ператур . п риведенной лово й инерции . с ос погрешности % ТХАУ - -5о ... +3оо 2,0 20; 40; 40 Диапазон преобразования - 0383 -50... +600 1,5 То же и предел основной допуска- -5О... +8оо 1,5 - »- емой погрешности зависит - 50... + IOOC 1,5 от порядкового номера ис- полнения ТППУ- +600.. . 1,0 - »- - 0483 +1000 +600... 1,0 - »- " +1300 5.6 . ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ И ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРА ­ ТУРЫ ПОСРЕДСТВОМ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Простейшая измерительная цепь. вкл ючающая тер моп р е - 00бразователь, содержит, кроме него , соединительные прово­ да и измеритель э.д.с. (в простейшем случае милл ивольтметр постоянного тока) . Основными источниками погрешност и измерения температуры подобным устройством явл яютс я отличие от номинальных значений параметров само го пре ­ образователя, соед и нительных цепей, измерител ей эл ект р и ­ ческих величин (т . е. напряжения на выходе л инии связи ) , а также погрешности метода . Рассмотрим эти составляющие погрешност и : l . Погрешность ТП обусловл ена начальным отк.11оне ни е м действительной функции преобразования от но м нна :~ьн ой (называемой номинальной статической характеристико й ) и изменением действительной функции преобразования во вр е ­ мя эксплуатации . Первая составляющая обычно о цен и ва ­ ется пределом допускаемой погрешности , который нор м и ­ руется по-разному в зависи:vюсти от диапазона преобразо ­ вания температуры . Из табл . 5.4 видно, что при темпера ­ туре ниже 600 ° С пределы основной допускаемо й по греш ­ ности термопреобразова телей ПП, а также до 333,4 °С И 300 ° С для ТП градуировки ХА и ХК соответственно запи ­ сываются в виде аддитивной составляющей, а при темпер а­ турах свыше этих значений предел допускаемой абсолют но й погрешности содержит только мультипликативную состав ­ л яющую для градуировок ПП и ХА . Для ТП типа ПР и ВР (А) предел допускаемой погрешности нормируется в виде мул ь- 216
типликативной погрешности, а для ХК свыше 300 °С -- в виде аддитивной и мультипли кативной . Предел допускаемой погрешности устанавливается для каждого определенного типа термопреобразова телей и может быть умень шен при индивидуальной градуировке ТП. Потребитель в этом случае должен пользоваться индивидуальной номинальной стати­ ческой характеристикой . Очень важной метрологической характеристикой , определяющей достоверность результатов измерения температур ы, является отклонение статической характеристики от начальной за ~Р,~~я эксплуа_;ации, которое в несколь~о раз превышает предел 'дЬпускаемои погрешности. Так, при эксплуатации термопреобразовате.1ей гр . ПП за 2000 ч при температуре 1000 °С относительная погрешность от изменения термо-э .д. с. во времени составляет приблизи­ тельно О, 7 %, в то время как предел относительной допускае ­ мой погрешности пр и этом же значении температуры состав­ ляет около 0,3 %- Для термопреобразователей типа ХА при t = 600 °С погрешность от изменения градуировочной харак­ теристики за l 0000 ч возрастает до 3,5 % по сравнению с начальным значением около 0,9 %. Поэтому очень важно знать закон изменения градуировочной характеристики во времени, что дает возможность вводить поправки на резуль­ тат измерения в зависимости от времени эксплуатации и та ­ ким образом повысить точность измерения температуры . Не ­ которые методы и средства повышения точности температуры путем учета нестабильности функции преобразования при эксплуатации последних, если закон изменения линейный, описаны в работе [5.16) . При корректировке результата не­ обходимо располагать информацией о нестабильности ста­ тической характеристики во времени при нормальных усло­ виях эксплуатации, а также о ее изменении в зависимости от условий эксплуатации [5.8, 5 .15] . 2. Погрешность от соединительных проводов имеет не­ сколько составляющих. Первая из них обусловлена сопротив­ лениями соединительных проводов и их изменением во вре­ мени . Эта составляющая погрешности учитывается лишь в случае применения низкоомных милливольтметров. В оте ­ чественных термоэлектрических преобразовате.'Jях при их градуировке учитывается сопротивление внешней относи­ тельно милливольтметра цепи, равное 5 Ом [5.4). Регулиров ­ ка сопротивления этой цепи осуществ.1яется посредством добавочного резистора из манганина непосредственно при монтаже прибора [5.5). При использовании электронных промежуточных преобразователей (усилителей или электрон­ ных милливольтметров) с большим (более 100 кОм) вход­ ным сопротивлением этой погрешностью можно пренебречь . • 217
Необходимо обеспечить строгое равенство температур свободных концов термопары, а также ее стабилизацию для получения однозначной зависимости Ет = f(t1) . Измеренное значение t только тогда соответствует значению t1, если тем ­ пература свободного конца to равна опорной (чаще всего о 0С) или колеблется вокруг нее в допустимых пределах . В проти в­ ном случае возникает погрешность преобразования . При отклонении температуры свободных концов от fo н а зна чение L::::. to измеренное значение термо-э.д.с. Е~ должн о быть скорректировано на f::::, Ет . В начале градуирово ч ной характеристики термо-э.д.с . для большинства теР.мопар из­ меняется практически линейно в зависимости от f::::, to поэтому дЕ1 = Кдtо Е1 = Е!+ дЕ1. Ыоскольку функция преобразования ТП Е1 = f(t) нел иней н а , то приращение температуры при одинаковых з н ачениях L::::,E 1 неодинаково в различных точках функции Е1 = f(t) и fx мож ­ но определить из выражения [5 .5), fx =f ~ +cдt, (5.5) ~;де с - поправочный коэффициент равный К/ К', причем f::::,~ f::::,~ u К= f::::,t1foиК'= 6 t 1 fx представляют собои чувст ви- тельности термопары в точках t 0 и fx соответственно опреде ­ ляются по графику рис. 5.4 (или градуировочным таблицам) при определенном f::::, Ет, соответствующем изменению темпе ­ ратуры свободных концов на f::::, t 0 • Очевидно, поПравку с f::::, to (на показание fx) можно определить зная зщ1чение f::::, t . Рис . 5.4. Определение температуры объекта при изменении температуры свободных концов · На рис. 5.5 приведена схема, применение которой позво­ ляет автоматически осуществлять коррекцию темпера тур ы свободных концов . В этой схеме между термопарой и вторич- 218
Рис . 5.5 Схема компенсации температуры свободных концов г---------, ным прибором включен неуравновешенный мост, состоящий из манганиновых резисторов R2. Rз, R4 и медного резистора Ri. который находится в таких же температурных условиях, как и свободные концы термопары . Параметры моста подби ­ рают таким образом, чтобы при значении температуры сво­ бодных концов, равном нулю, мост находился в равновесии, а при: отклонении темrrературы свобод!"IЫХ концов от нуля меЖду вершинами а - Ь моста возникла разность напря ­ жений f::::, Е1, равная по значению изменению термо-э.д.с. тер ­ мопары, вызванному изменением температуры свободных концов . На рис . 5.5 дополнительно обозначены Е и R6 - э.д . с. и внутреннее сопротивление источника питания моста; Rд - добавочное сопротивление; мВ - милливольтметр. Схема компенсации термо-э.д . с . , как правило , расположе­ на в так называемой компенсационной коробке в непосред­ ственной близости от измерительного прибора, иногда непо­ средственно на его корпусе. Поскольку расстояние между термоэлектрическим преобразователем и измерительным при­ бором может быть весьма значительным, а термоэлектроды не всегда можно сделать достаточно длинными, используют удлинительные провода от термоэлектродов до схем компен­ сации или до термостатов температуры свободн.ых концов. Подчеркнем, что для термопар из благородных металлов де­ лать длинными электроды экономически нецелесообразно и в этом случае, как правило, применяют удлинительные про­ вода . Подключение электроизмерительного прибора на рис . 5.5 может осуществляться обычными проводами . Материалы удлинительных проводов должны быть термо ­ э.1ектрически идентичны с материалами термоэлектродов и места их присоединения к основным электродам должны иметь одинаковую температуру. Для термопары платиноро­ дий - платина используются удлинительные провода из меди и сплава ТП, для термопары хромель - алюмель - из меди и константана, а для термопары хромель - копель - из тех же материалов, . что и основные термоэлектроды . · 219
В термоэлектрической цепи могут возникать паразитные термо-э .д.с. вследствие н еоднородности их материалов, ч то та кже является источником погрешностей , обусл овленн ых соединительными проводами. Так, нап ример, для плати но­ вой проволоки длиной 30 мм и температурном градиенте 30 К/мм значение паразитной термо-э.д.с. составляет 10 мкВ [5.4] . • 3. Предел до п ускаем-ой погрешности измерител ьного пр и­ бора о пределяется в основном его классом то чности, а т акже дополнительной температурной погрешностью в условиях эксплуатации. 4 . К погрешностям метода измерения температуры отно­ сятся погрешности, обусловленные условиями применения термоэлектрического преобразователя, среди кото рых необ­ ходимо учитывать химическое воздействие е го чувствитель­ нс;;го элемента со средой, влияние арматуры на время уста­ новления термо-э.д.с. на выходе ТП и др . [5.14, 5.15]. Кроме этих составляющих, следует учитывать также ме­ тодическую погрешность из-за нелинейности градуир-о во ч ­ ной характерист ики термопары . При использовани и а н ал о го­ вых ми"1л ивольтметров эту нелинейность учитывают п ри гра­ дуировке шкалы прибора . В случае же использования сери й ­ но выпускаемых цифровых милливольтметров с лине йно й функцией преобразования необходимо применять различ ные аналоговые схемы коррекции нелинейности, в том числе и описанные в [ 1.4 ] . Вопросам линеаризации зависимости по­ казания приборов от температуры посвящено значител ьное количество работ [5.17]. 5.7. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ При подключении нескольких ТП через коммутатор к об­ щему измерительному прибору и наличии общей точки соеди­ нения всех термопар и прибора могут возникать помехи из ­ за наличия токов через изоляцию термопар от объекта, если объект находится под некоторым потенциалом по отношению к потенциалу общей шины («измерительной земли») . Пе ре- . ключение термопар должно быть двухполюсным. Удлини'rель­ ные и соединительные провода должны быть хорошо изолиро­ ваны друг от друга . Места соединений удлинительных про­ водов в головке ТП и в термостате свободных концов должны быть хорошо защищены от сырости и соляных п аров и при подпайке соединений в этих местах нельзя применять кислот­ ные флюсы во избежание образования гальванических пар . 220
/ Рис . 5.6 ИсслеtJуемый ооъехт зк Схема уменьшения влияния помех общего в ида Корпус Zuк При прокладке соединительных проводов от ТП к измери ­ тельным приборам вблизи от силовых кабелей их необходи­ мо скручивать и помещать внутри стальных оплеток и труб для уменьшения влияния электромагнитных наводок . С целью уменьшения влияния паразитных емкостей и проводи м остей изоляции между силовыми цепями и соединительными про­ водами применяют электростатические экраны . На результат измерения температуры существенное вли ­ яние - могут оказать помехи общего вида, механизм проникно ­ вения которых в измерительную цепь можно уяснить на рис. 5.6, где _ обозначены : Инэ - напряжение неэквипотенциаль­ ности земли (30) объекта исследования и корпуса измери ­ тельного прибора (ИП); Z6 - внутреннее сопротивление ис­ точников Ин.э и Ио; Ио - напряжение общего вида между точ­ кой земли объекта и точкой подсоединения термопары к объекту; Zнз - сопротивление изоляции между объектом и рабочим спаем ТП (если термопара гальванически соедине­ на с объектом, то Zиз = О) ; Rлt и Rл2 - сопротивления линии связи, которая размещена в экране; Zвх - входное сопротив­ ление измерительного прибора ИП с высокопотенциальн ы м «В» и низкопотенциальн ым «Н» входами; ЭС - экран изме­ рительной схемы ; Zэк и Zнк - с·опротивления изоляции меж­ ду ЭС и корпусом, измерительной схемой соответственно ; Тр - трансформатор источника питания измерительной схе­ мы; И n - напряжение сети . Экран линии связи предназначен для уменьшения вли­ яния наводок от сети на линии связи. Кроме того, экран играет роль третьего п ровода для обеспечения эквипотен­ циальности точек Н и Э, у меньшая т аким образом токи 221
между общей шиной измерительной схемы и ее экраном . Так как проводимость материа,1а экрана конечная, то сопротивление экрана Zэ будет отличаться от нуля. Нали­ ч и е экрана раз гружает провод соедини тельной лини и с сопротивлением R"2, так как ток от Ио и Ин. э частично будет протекать по экрануу . Экран линии связи с одной сто­ роны необходимо п одклю ч ит ь к точке «Э», а с другой - точ ке воздействия помехи обще го вида «0». Если же по сл ед ­ нее по каким-то соображениям невозможно, тогда экра н л и ­ нии нужно подсоединять как можно блиЖе к месту воздей ­ ствия Ио, например, к свободному концу ТП «В» или к п од­ соединенному к нему удлинительному проводу. Поскольку через экран протекает ток воздействия Ио и Ин э, то его з а ­ щитные свойства от влияния внешних . полей ухудш а ютс я. Иногд а при меняют еще один внешний эkран . Между перв ич­ ной и вторичной обмотками силового трансфор матора Тр дол жно быть большое значен ие сопротивления изоляции (108 ••• 10 10 Ом) и незначительная емкость ( 1... 2 пФ) . Список литературы к гл. 5: 5. 1. А и ат ы чу~ Л . И. Термоэлементы и термоэлектрические устрой­ ства: Справочник.- Киев : Наук . думка , 1979 .- 768 с. 5. 2 . Ст ад и ы к Б. И. Пути развития термоэлектрических преобра­ зователей // Контрольно-измерительная техника . Львов : Выща шк., 1983. Вып. 33. С. 58-63. 5. 3 . Механические напряжения и стабильность термо-э.д.с.// А . Н . Гордов, И. И. Новиков, Б. И. Стаднык, И. И. Федык // Теплофизика высо­ ких температур . М . : Наука, 1982 . С . 1176-1181 . 5. 4 . Электрические измерения иеэлектрических величии // Под ред. П. В. Новицкого.- Л.: Энергия. 1975.- 576 с. 5. 5. Л и и е в е г Ф. Измерение температур в технике : Справочник .­ М .: Металлургия, 1980. - 544 с. 5. 6 . Таблицы физических величин.- М. : Атомиздат, 1976.- 1008 с. 5. 7. П ал я и ы ц я И. Ф. Современное состояние и перспективы развития криогенной термометрии // Измерения контроль, автоматизация . М .: ЦНИИТЭИ приборостроения , 1980. Вып. 5-6(27- 28) . С. 22-25 . 5. 8 . Датчики для измерения температуры в промышленности/ / Г . В . Сам· 222 сонов, А. И. Киц, Ю. А. Кюздени, В. И. Лах и др._: Киев: Наук. думк~, 1972.- 224 с.
5.9.КуритныкИ.П.,СтадныкБ.И.Высокотемпературныетермо­ электрические преобразователи // Измерения, контроль, автомати ­ зация. М .: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1980 . Вы п. 5-6 (27 -28) . с. 12-21 . 5.10 . Приборы для измерения температуры контактиым способом : Спра ­ вочник / Под ред. Р . В. Бьiчковского .- Львов : Выща шк., 1979. - 208 с. 5.11. Орлов а М. П ., Погорелова О. Ф., Улыбин С. А. Низкотемпера­ турная термометрия.- М .: Энергоатомиздат , 1987. - 28 0 с. 5.1 2. В е п ш е к Я. Измерение низких т~~м~~ратур электрическими мето- дами.- М.: Энергия 1980.- 224 с. ''" 5.13. К у ин н Т. Температура.- М.: Мир, 1985.- 448 с. 5.14. Температурные измерения . Справочник/ О . А. Геращенко , А. Н. Гор ­ дов, В. И. Лах и др.- Киев: Наук. ду~ка, 1989.- 704 с. 5.15. Точность коитактных методов измерения температуры / А. Н . Гордов, Я. В. Малков, Н. Г. Эдгардт, Н. А. Ярышев.- М.: Изд-во стандар­ тов, 1976.- 232 с. 5.16 . С а ч е н к о А. А., Тверды 11 Е. Я. Совершенствование методов измерения температуры.- Киев : Тэхника, 1983. - 1 04 с. 5.17 . Вторичные приборы для измерения температуры / В . И . Зорий, Е. С. Полищук, В. И. Пуцыло, О. И . Чайковский и др . - М. : ЦНИИТЭИ приборостроения, 1977 .- 55 с. Глава 6 ЕМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 6.1 . ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Согласно распространенному определению, устройство, состоящее из двух проводников, разделенных диэлектриком (рис. 6 . 1,а), называется конденсатором . Его емкость назы­ вают емкостью конденсатора или конденсаторной емкостью . Если в системе имеется п-электродов, которые разбиты на две части и соединены в две группы, вновь будем иметь конденсатор, имеющий одну конденсаторную емкость. Та­ кое устройство, как и простейшее устройство, подключается к 223
Рис. 6.1 . Обозначения конденсатора : а- безэкрана;6- вэкране электрической uепи или измерительному устройству .при по­ мощи двух соединительных линий, имеющих два токо про ­ водящих электрических контакта с электродами конденса - тора . • "' Общая емкость системы будет состоять из ко нденсатор- ной емкости между соединительными линиями . Часто для стабилизаuии электрического поля между элек­ тродами с одной стороны и окружающими предметами с дру­ гой систему электродов помещают в экран (рис . 6.1,6) . При этом возникают дополнительные емкости С 1 з и С2з. В случ ае • подсоединения экрана 3 к электроду 2 емкость С2з исчезяет , а С12 суммируется с емкостью С1з. В этом случае суммщ: н ая конденсаторная емкость будет подключаться к электриче L •Ш М uепям двумя линиями через два электрических контакта ! 1 2. В устройствах с числом электродов большим чем два . -.1е ­ ется несколько электрических емкостей . ~ти емкости нr> з ы ­ ваются частичными . Из-за вынужденого применения двухпроводной соедини­ тельной линии некоторые частичные емкости в системе сум­ мируются друг с другом или с распределенной емкостью меж­ ду двумя соединительными проводами . И сложное конде нса­ торное устройство со многими частичными емкостями н з-за двух проводных соединительных линий будет об.1адать ·н ·nь ­ ко одной . конденсаторной емкостью . Ввиду того, что ко1 • . саторной емкостью суммируется распределенная емкост~ между соединительными проводами, ее нестабиль ность п ри · водит к значительной непостоянности суммарной емко> Уже давно для измерения диэлектрических свойств ·· ществ применяли трехконтактные электроднь.с измерител ь1-1: ·:: преобразователи [6. l ]. У этих емкостных преобразоватемй применен дополнительный защитный электрод, наз наче ние которого выравнивать электрическое поле в измерительн ой зоне за счет перемещения краевого, искаженного по форм е, п оля с рабочих электродов на защитный, находящийся под потенциалом одного из основных электродов . В~шод от за­ щитного электрода подавался к третьему контакту, а систе - 224
ма подключалась к специальным измерительным средствам тремя соединительными п роводами . С п ояв.'1ением и разви­ тием в пятидесятые -ш ести десяты е -годы т рансформатор_ных м ··· стов, позволяющих быстро, легко и точно измерять любую ч:ч:тичную емкость конденсатор н ой системы без искажения результата остальными частичными емкостями конденса ­ торного устройства, которые могут оставаться неизвест ­ ными и не иметь стабильного значения, емкостные преобра­ зователи с трехконтактным вк.аючением п олучили ш ирокое применение. r. ,;t1 Уникальная стабильность трансформаторных мостов за­ висит от очень сильной электромагнитной связи между пле­ чевыми элементами, вьшолненнымн на одном магнитопро­ воде, что обеспечивает им коэффициент связи, равный еди­ нице [6.2) . "')• Риг . 16.2. ТрfjfКОнтактный емкостной изм ~рительный преоб~азователь 3 Если в _ таком мосте шунтировать индуктивное п.аечо не­ измеряемыми частичными емкостями или активными про­ водимостями, то_ баланс моста не нарушается, т . к . за счет сильной плечевой связи эффект шунтирования распростра­ н ит~я на другое плечо и этим сохранит в мосте плечевое . ОП-\Qшение неизменным. Появившаяся возможность легко и ~··\.J. -i-8~f'PO измерять .зн ачение ч астичной емкости способс тво­ ' tЗa.iia развитию трехконтактных е:>.!костных измерительных _п реобразователей . ~п~· Схематически такое устройство изображено на рис. 6.2 , ~ ;;ае два эл ектрода или группы электродов, соединенные ·N<И.есте , 1 и 2 у,~тановлены на изоляторах на третьем электро­ Д,е 3, которым может быть дополнительный электрод, экран и.rш защитный корпус устройства. К контактам электродов 1_, 2 и 3 измерительное устройство подключается соединитель­ ными проводами. Чаще всего это два коаксиальных кабе.!Jя, жилы которых подключены к контактам 1 и 2, а оплетки сое­ диняются вместе и служат третьим проводом, подключаемым к контакту 3. При таком соед и нении к линиям 1и 2, подключе- !5 83/ -0 225
на основная частичная емкость С12. Частичные емкости С1з и С2з, в которые входят также распреде.!Jенные емкости сое­ дините.!Jьных кабелей, подключаются параллельно плечам и индикаторной диагонали моста (выполненным в виде ин ­ дуктивного трансформаторного компаратора тока или транс ­ форматорного делителя напряжения) не могут существенно понизить точность измерительной системы. Точность систе­ мы с сильной связью увеличивается с уменьшением абсолют­ ного значения шунтирующих емкостей С 1 з, С2з. Это свойство трансформаторных мостов привело к появлению в последнее время обратной тенденции - ес.!Jи при двухконтактных из­ мерительных системах стремились, как уже отмечалось; по­ высить абсолютное значение конденсаторной емкости у пре­ образователей, теряя при этом конструктивную .прочность ~и стаби.!Jьность, то в трехконтактных системах ста.hи пони­ жать значения частичных емкостей С12, С2з, обеспечивая при этом повышенную точность измерения, увеличенную стабил ь­ ность основных параметров конденсаторных систем, большую механическую жесткость. В последние годы появились новые виды конденсаторных ~систем и измерительных емкостных преобразователей на их основе, имеющие четыре контакта, пять контактов и более , уже есть основание говорить о появлении поликонтактных систем. Эти системы имеют две, три и более основных емкос ­ тей . Они · способствуют реализации новых структур пре ­ образователей для анализа веществ и позволяют реализовы­ вать новые способы регулирования электрического поля в преобразователях, менять тем самым их свойства. Емкостные преобразователи представляют собой конден­ саторы, емкости которых меняются вследствие изменения параметров преобразователя под действием измеряемой ве ­ личины, например расстояния между обкладками, площа­ ди перекрытия обкладок в результате линейного или угло­ вого перемещения подвижного элемента, либо диэлектричес ­ кой проницаемости между обкладками [6.3, 6.4). Существует бо.!JЬшое разнообразие емкостных преобразо­ вателей по конструктивному исполнению . Однако, несмотр я на кажущееся отличие по конструктивному решению, все емкостные преобразователи могут быть разделены на две группы: плоскопаралле.!Jьные и коаксиальные . Пренебрегая краевыми эффектами, емкость преобразо ­ вателя с плоскопараллельными обкладками можно упрощен- но записать в виде · s С= EoExd' 226
если информативным параметром, изменяющимся под воз­ действием измеряемой ве.rшчины, является расстояние d меж­ ду обкладками шш диэлектрическая проницаемость Ех иссле­ дуемой среды, находящейся между обкладками, либо с= (eo(ES1 + ExS2)]/d. если информативным параметром является уровень перекры ­ тия обкладок преобразователя исследуемой средой с диэ ­ лектрической проницаемостью Ех (здесь S1 и S2 - соответ ­ ственно площадь перекрытия ча'Стif обкладок, находящейся в воздухе с диэлектрической проницаемостью и площадь пе­ рекрытия части обкладок, находящейся в исследуемой . среде, е - относительная диэлектрическая проницаемость возду с ха). Для коаксиального преобразователя соответствующие упрощенные выражения для емкости имеют вид [6.3) 2:neoel С= ln[l + d/R1] С = 2:1tEo(El1 + Exl2) ln[l + d/R1] ' где l - полная длина обкладок преобразователя; /1 и /2 - соответственно длина части обкладок, расположен­ ной в воздухе или другой газообразной среде, и дли­ на части обкладок, расположенной в исследуемой среде; R1 - радиус внутренней обкладки преобразователя. Приведенные выражения для емкостей конденсаторных преобразователей несколько упрощенные, однако они позво ­ ляют оценить область применения преобразователей в зави­ симости от того, какой из параметров (d, l, S , е) является ин­ формативным. На этом способе воздействия на емкость датчика основа­ .ны диэлькометрические методы, с помощью которых опре­ деляется диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери исследуемого материала [6.5, 6 .7 ) . К этим методам примыкают кондуктометрические методы (обычно реализуемые на низких и средних частотах). с по­ мощью которых определяется активная и реактивн·ая (ем ­ костная) составляющие электропроводности между электро­ дами системы, а также осциллометрический метод, когда эти же параметры определяются на высокой частоте [6.8). Преобразователи с переменным расстоянием d между обкладками применяют в устройствах для измерения малых перемещений (обычно до l мм) и, вызывающих эти переме ­ щения, сил и давлений. В посJ]едних СJ]учаях измеряемые си.1ы 15* 227
или давления преобразуются, как правило, в прогиб мембра­ ны, служащей подвижным элементом емкостного п реобразо­ вателя. Преобразователи с переменной площадью перекры­ тия обкладок исследуемой средой применяют в урав н емерах . Учитывая то обстоятельство. что наиболее широкое рас­ пространение емкостные преобразователи получили в устрой­ ствах для измерения давления и устройствах для измерен ия уровней, остановимся более детально именно на этих пр еоб­ разователях . 6.2. ЕМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ Чувствительными элементами емкостных преобразовате­ "л ей давления являются мембраны и днафрагмы, преобразу ­ · ющие измеряемое давление в перемещение . При этом они мо ­ гут быть одновременно использованы в качестве п одв иж ного электрода. На рис . 6.3 приведена конструкция емкостного преобразо ­ вателя давлений с чувствительным элементом в виде эластич­ ной мембраны /, которая крепится к корпусу 2 преобразова ­ теля с помощью муфты 3. Неподвижный электрод 4 соеди нен с центральной частью колодки коаксиального разъема 5, ввернутого в муфту 3 . 3 4 2 Рис. 6.3 . Емкостный преобразова тель д авления Пр~ конструировании емкостных преобразователей осо­ бое в н имание . уделяют выбору мат~риалов . Для получе ния миним~льной- температурной погрешности детали емкостно­ го чу1ктвите.[1ьного элемента изготовляют из материалов с
незначительными и возможно близкими значениями те м пе ­ ратурных коэффициен т ов ли ней н ого р ас ш ирения . Например , для изготовления упругих элементов применяют дисперсион­ но-твердеющий нем агни тн ый спл ав 55БТЮ , отл ич аю щий ся высокими упругим и свойствами, стабильностью температур­ ного коэфф ициента модуля продольной упругости и корр о­ зионной стойкостью. Материало м изоляц и онных стоек мо ­ жет быть оптическое стекло ма ;жи ЛК6 . В отдельных случа ­ ях для ко мпенса ции температурной погрешности приходит­ ся рассчитыва ть соотно ш е ни е между р·азмерам и отдел ьны х деталей с учетом и х температур1-н~х коэффициентов ли н ей ­ ного расширения . Очень существенным явл яется электростати ч еское экра ­ нирование всех видов емкостно го п реобразова тел я . О но дол ­ жно быть проведено так, чтобы не оставалось неэкраниро­ ванных промежутков . По этой п ричи н_е часть кабел я дел ается обычно как неотъмлем~я со~т авляю щ ая пр еоб р азовател я . Рис. 6.4. Емкостный дифференциальный преобразователь дав л ения На рис. 6.4 приведена конструкция дифференциального преобразователя давления, в котором упругий элемент 1 (в данной конструкции это мембрана-плита, из готовленная за ­ одно с корпусом) не явл яется непосредст венно электродо м . Подвижным эл ект родом преобразова тел я служи т пл аст ина 2, соединенная с помощью ш пильки с жестки м це нтр о м мем ­ браны. Неподвижными электродами являются пластины 3 и 4, выполненные в виде фигурных металлических дисков со 229
стеклянными цилиндрическими стойками 5, соединенными с корпусом методом спекания. Такая конструкция преобра­ зователя позволяет увеличить при прочих равных условиях его чувствительность . Действительно, если площадь подвиж­ ного электрода равна эквивалентной площади мембра н ы , то, как это следует из приведенных выше выражений, пере ­ мещение центра мембраны и соответственно подвижного электрода в этом случае будет 31-μ22 и=иР~R. а относительное изменение емкости де_1_(1- μ2)R4р Со-16 ЕМ3 • Емкостные преобразователи обычно имеют верхний пре ­ )1.ел преобразуемых давлений 200...800 Па при чувствитель ­ ности 0,5 ... l,O пФ/Па и начальной емкости 10 ... 20 пФ . Основ ­ ная их погрешность составляет 1... 2 %. fl.3 . ЕМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕJ"iИ УРОВНЕН Как уже указывалось ранее, емкостные преобразов-атели можно применять для преобразования высоты (уровня) ис ­ следуемой среды (как правило, жидкостной) и диэлектричес­ кой проницаемостью, отличной от диэлектрической прони­ цаемости воздуха . Конструкции емкостных уровнемеров различны для элек­ тропроводных и неэлектропроводных жидкостей ( электро ­ проводными считаются жидкости с удельным электрическим сопротивлением р < 106 Ом· м и диэ.JJектрической проница­ емостью Ех ~ 7). Различие преобразователей состоит · в том, что для электропроводных жидкостей один из электродов уровнемера покрыт изоляционным слоем. Электроды преоб­ разователей для неэлектропроводных жидкостей не изолиро­ ваны. Как для электропроводных, так и для неэлектропроводных жидкостей электроды преобразователей могут быть выполне­ ны в виде стержней, плоских пластин или циллиндров . В качестве второго электрода может использоваться мета л ­ лическая стенка сосуда с жидкостью . Наиболее простой и в то же время широко распростране н ­ ной на практике является конструкция коаксиального преоб ­ разователя, изображенная на рис. 6.5 . 230
Рис. 6.5. Коаксиальный преобразователь уровня неэлектропроводных жидкостей Преобразователь, состоящий из внутреннего 1 и внешне­ го 2 цилиндрических электродов, взаимное расположение которых зафиксировано проходным изолятором 3, помеща­ ется в резервуар 4 с определяемым уровнем жидкости. Если резервуар жидкостью не заполнен, то емкость между электро ­ дами преобразователя , 2zreoel С = Со + ln(I +d/R1)' rде l - полная длина электродов; R и d - радиус внутреннего электрода и расстояние между электродами; Со - емкость, обусловленная проходным изолятором, а также соединительными проводниками от электро ­ дов к вторичной измерительной аппаратуре. При заполнении резервуара до уровня Н (рис . 6 .5) ем ­ кость изменится до значения " 2mo(el1 + Exl2) С =Со+ ln(! + d/R1) 2neoe(I - 12) + 2n80e xl2 =Со+ d d ln(I + Ri ) ln(I +Rt) 231
_ С + 2лвов1 +2лво(вх- в)l - о d d2. ln(l +Ri) ln(\ +R.) Приведенное выражение представляет собой у про щенн ую функцию преобразования емкостно го преобразоватеЛя уро в ­ ня неэлектропроводной жидкости. Емкость такого п реобра­ зователя представляет собой эквивал е нт ную емкость трех соединенных параллельно емкостей (Со и е мкостей между электродами длиной /1 и /2 соответственно) . При этом для слу­ чая, когда диэлектрическую постоянную Ех исследуемой сре­ ды :\ЮЖНО считать постоянной, информативной явл яетс я ли ш ь третье слагаемое эквивалентной емкости ко нденс а тор ­ но го преобразователя . Первые две слагаемые функции прео б ­ разования являются неинфо р мативными и в про цессе изме ­ рения их необходимо компенсировать . · "' Следует также отметить, что в реальных условиях Ех мо­ жет изменяться (например , пр и изменени и тем ператур ы ис­ следуемой жидкости, ее состава и т. п . ) . Дл я уменьш ения влияния 1:1зменения Ех на результат измерения обычно услож ­ няют конструкцию емкостного уровнемера дополнительны м компенсационны м конденсатором, располагае м ы м в ниж н ей ч.асти основного преобразовательно го элемента . Дополн и ­ тельный преобразователь содержит компенсационный кон­ денсатор, который постоянно погружен в исследуемую жид­ кость, емкость которого зависит только от Ех. При соот вет­ ствующем включении в измерительную цепь емкос т ь ко мп е н­ сирующего конденсатора используется для коррекции вых од­ ного сигнала преобразователя при изменении Ех . Так как пространство над исследуемой жидкостью будет загрязняться парами исследуемой жидкости и его диэлект ри ­ ческая постоянная будет отличаться от е воздуха, тn для ус­ транения влияния изменения е в емкостных преобразов ате-· лях может быть применен и второй компенсирую щий прео б­ разователь, расположенный в верхней его части (рис . 6 .6) . Отметим, что даже при отсутствии паров жидкости , наполн я­ ющей резервуар Е ИЗМенЯеТСЯ на -2 · 10-б на } 0 С;На0,01 % при изменении влажности на 1О % и на ,06 % при изме нении давления на 105 Н/ м 2 (1 атм). Для устранения влияния на результат измерен и я из ме­ нений Ех и е испоJiьзуют преобразовател и, конструкция ко­ торых очень незначительно отли ч аются от кон струкци и об ык ­ новен ного преобразователя (рис . 6.5) . Так, на пример , н а рис . 6 .7 изображен коаксиаль н ы й прео бразов атель уровня непроводящих веществ с наружным электродом 2, об щим для всех чувспштеJ1ьных элементов, т. е. рабочего 1 с емкостью 232
Рис. 6.6 . Коаксимальный преобразователь уровня с компенсационными чувствительными элементами Ср. нижнего компенсаuионного 3 с емкостью Сн и верхнего компенсаuионного 4 с емкостью С " . Нижний чувствительный элемент должен быть в процессе измерениЯ' погружен в иссле­ дуемую жидкость, а верхний - находится в воздухе . В емкостных преобразователях уровня для электропро­ водных жидкостей один электрод выполняется изол ирован­ ным . Если резервуар металлический, то его стенки могут слу­ жить вторым электродом . Для обеспечения линейной зависимости емкости от уровня жидкости стенки резервуара должны быть строго вертикальными. Если же резервуар неметалличес­ кий, то в качестве второго электрода используется, как и в преобразователях для неэлектропроводных жидкостей, ме­ таллический изолированный стержен ь , служащий первым электродом . На рис . 6 . 7 , а показан преобразователь , выполне н ный в виде стержня J, покрыто го слоем изол яции 2 и погруженного в металлический резервуа р 3. Эк в ивалентная электри ческ а я схема такого преобразова теля будет иметь вид как на ри с. 6.7 ,6, а функция преобразован ия, С"=Со+С,,+С2•• где С1з и С2з -- эквивалентные емкости между стержнем 1 и 233
а 3 2 Рис. 6.7 . Преобразователь уровня электропроводных жидкостей : а - конструкuня; б - эквивалентная схема металлическим резервуаром 3 в воздухе и в жидкости соответственно, т. е. С1. = С1С2/ /(С1+С2)и С2э = СзС4/( Сз + С4). Учитывая, что где Bg - диэлектрическая проницаемость слоя изоляции тол ­ щиной d1 , находящегося на расстоянии d2 от метал­ лического резервуара ; 234 R2 - радиус внутреннего электрода вместе со слоем изо­ ляции, равный R1 + d 1, окончательно пол учим
е Ех где'1'] = - и'l']x=-. Eg Eg Ес~и пренебречь диэлектрической прониц~емостью газа (воздуха) над жидкостью е по сравнению с диэлектрической прОНИЦаеМОСТЬЮ ИЗОЛЯЦИИ электрода Eg, а также ТОЛЩИНОЙ слоя последней d1 по отношению к радиусу внутреннего элек­ трода 4, то это выражение упро_стuтся до вида С" = Со + 2леоеl ,. ~· 2лео(ех - е) 12_ ln(I+d2/R,) tn(I+~',) Как видно из сравнения выражений упрощенных функ­ ций преобразования преобразователей уровней неэлектро­ проводных и электропроводных жидкостей, они очень похо ­ жи и при реализации последних возникают аналогичные за­ труднения, связанные с изменениями ех и е в зависимости от вида жидкости и изменения температуры . Эти проблемы и в этом случае решаются способами, аналогичными описан­ ным ранее . Емкостные уровнемеры отличаются сравнительной деше­ визной, простотой, удобством монтажа в резервуаре с иссле­ дуемым УRовнем жидкости, из - за чего они получили широ­ кое распространение. К положительным свойствам таких пре ­ образователей следует отнести возможность_ их использова­ ния в широком диапазоне температур - от криогенных до порядка 200 °С и при давлениях до нескольких мегапаска ­ лей. К их .недостаткам следует отнести непригодность для измерения уровня вязких, кристаллизующихся, пленко­ образующих и выпадающих в осадок жидкостей, а также вы­ сокую чувствительность к изменению электрических свойств жидкости, изменению емкости между проводами линии, со­ единящей преобразователь с вторичным прибором. Приве ­ денная погрешность преобразования уровня обычных ем­ костных преобразователей составляет 2... 5 -%. 235
Список литературы к гл . 6 : f., 6.1. Х и п пел ь А. Р. Диэлектрики и их применение.- М..; Л.: Госэнерго- издат, 1959.- 336 с. 6.2 . Трансформаторные из~ерительные мосты / Под ред. К. Б . Каран­ деева . - М .: Энергия, 1970 .- 280 с. 6.3 . П о л и щук Е. С. Измерительные преобразователи.- Киев : Выща шк:, 1981. - 296 с. 6.4 . Фор~ й т П . Емкостные датчики неэлектрических величии . - М .; Л .: Энергня . - 160 с. · - 6.5.Грохольский А. . ri. Измерители добротности - куметры._:_ Новосибирск : Наука, 1966.- 2 59 с. 6.6.КараидеевК.Б.,ГриневичФ.Б.,НовикА.И.Емкостные самоскомпенсированные уравнемеры.- М .: Энергия , 1966. - 136 с . 6 .7 . Мат~ с И . _Г. Электроемкостные преобразователи для неразру­ шающего контроля . - Рига : Зиианте, 1982:- 302 с. 6 .8 . Б у г р о·~ А. - В. Высок~частотиые емкостные ~реобразовател и и при­ боры кс}!jтроля качества.- М.: Машиностроение, 1982. - 94 с . ,. ···..' Глава 7 ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 7.1. ПЬЕЗОЭЛЕТРИЧЕСКИП ЭФФЕКТ Сущность прямого пьезоэлектрического эффект а заклю ­ чается в · том, что в результате сжатия пьезоэлектрика и в ы­ званной этим сжатием · деформацией, происходит электричес ­ кая поляризация кристалла и на его поверхности воз н ика ­ ют связанные электрически_е заряды , пропорциональные п ри - ложенному давлению . . Обратный пы~зоэффект выражается в появлении мех а н и­ ческих дефор м аций в кристалле под действием при л ожен но­ го эл ектрического поля . В значительных предел ах дефо рма ­ ция прямо пропорциональна приложенному на п ряжен ию. Пьезоэффектом обладают диэлектрические криста ллы: кварц, турмалин, се гнетовая соль , титанат бария и др уг ие . Возник н овение п ьезоэлектрического эффект а мож но по ­ яснить нарушением внутреннего равновесия в кри\т алл и ч ес ­ ко й структу р е по д воздействием разл ичных факторов . При наличии деформации в направ.1ении, которому соответ- 236
ствует пьезоэффект, ориентация ,!l:Иполей изменяется таким образом, что нарушается взаимная компенсация разноимен­ ных зарядов, и кристал л поляризуется. В отсутстви и дефор­ мации поляризация отсутст вует, так как эквивале нтны е дипо ­ ли эле,м ентарных ячеек кристаллической решетки ориенти­ рованы таким образом, что разноименные заряды на гранях крис т алла уравновешивают друг друга . Пьезоэлектрическ и й эффект проявляется в наибольшей мере по определенным для каждого кристалла полярным осям, симметричным относител6нв1его структурной формы, и используется в измерительной технике для получения пре­ образователей механической энергии в электрическую или электрической в механическую. 7.2 . СРЕЗЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Кристаллический эл емент, вырезанный из кристалла (срез), имеет определенную ориентацию относительно крис­ таллографических осей. В настоящее время число срезов достигает несколько десятков . .Для устройства датчиков из пьезокристалла вырезают пластинки прямоугольной или круглой формы, соблюдая ориентацию относительно крис­ таллографических осей. В бывшем СССР была принята новая система услов­ ных обозначений срезов, включающая в себя понятие «пер­ воначальной ориентации пьезоэлемента» . Первоначальная ориентация обозначается двумя буквами и соо тветствует такому срезу, у которого все ребра парал­ лельны координатным осям пьезоэлемента (рис. 7.1) . Если пьезоэлемент получен через ряд последовательных поворотов одной из первоначаль н ых ориентаций относитель­ но осей Х, У", Z, то условное обозначение среза состоит из обо­ значени я первон ачальной ориентации с добавл ением одной , двух или трех букв (l, Ь , s). Б уквы указывают ребра пьезоэле­ мен та , которые служа т осью соответственно первого , вто р ого и трет ье го по ворота . Гр уппа чисел после косой линии пока­ зывает величину· углов поворота против ч асовой стрелки (з н ак«+») и по часово й стрелке (з нак«-») в градусах и минутах. На рис . 7.2 изображены при мер ы обознач ений некоторых срезов . Повороты вокруг толщины кристаллического элемента S обозначаются буквой а 0 , вокруг длины l - буквой f\ 0 , во­ кру г ширины Ь -- буквой у 0 • 237
Рис. 7.1 Срез ХУ z Rr Срез XZ х Срез YZ z Rr Варианты первоначальной ориентаuии к~исталлическнх элементов z z z х 2 Рис. 7.2 . у х х z Rr Срез ZY х z z Rr z (j д Примеры изображения двухповоротных типовых срезов кристаллических элементов · у у у
7.3 . ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИiАЛЫ Выбор пьезоэле1прического материала является важным этапом проектирования пьезоэлектрических датчиков . Пьезо­ электр~ческие материалы анизотропны, их механические и электрофизические свойства ·различны по различным крис­ таллографическим направлениям кристалла . Пьезоэлектри­ ческие материалы могут быть охарактеризованы с помощью ряда безразмерных констант - !fОэJРфициентов связи, кото­ рые являются прямой мерой интейсивности электромехани- ческого эффекта. . Соответствующий эффективный (для конкретного образ­ ца) коэффициент связи определяет ширину полосы фильт ­ ра или преобразователя. Коэффициент электромеханической связи может быть определен как корень квадратный из отношения генерируе­ мой кристаллом э.1ектрической энергии ко всей вынужда­ ющей механической энергии (в случае прямого пьезоэффек­ та) или как корень квадратный из отношения генерируемой кристаллом механической энергии ко всей подведенной электрической енергии (обратный пьезоэффект). Вели­ чина такого коэффициента связи зависит от конкретных электрических и механических граничных условий . В настоящее время известно около 1500 криста:1лических веществ, обладающих пьезоэффектом. Из них наибольшее распространение получил кварц, так как он при наличии сильно выраженного пьезоэффекта одно­ временно имеет высокую механическую прочность, отлича ­ ется высокими изоляционными свойствами, мало зависящи­ ми от температуры . Кварц - минерал, безводная двуокись кремния Si02. В зависимости от температуры его образования различают че­ тыре кварца: f\-кварц, обладающий пьезоэффектом. При на­ гревании до температуры 573 °С (точка Кюри) структура f\-кварца переходит в структуру а-кварца, не обладающую пьезоэффектом . Два других вида кварца - тредимит и крис­ табалит - также не об"1адают пьезоэффектом. В промышленности используются природные и искусст­ в~нные кристаллы кварца в соответствии с существующими специальными техническими условиями, определяющими их сортность . Марки искусственного кварца записываются следующим образом: Q. 10 6 (1 ·A)ZXl/f\ или Q· 10 6 (1 ·A)ZYb/y, где 2·10 6 - добротность, причем для блоков Q = (2,0 ... 5,0) · 10 , а для кристаллов Q = (0,5 ... 3,5) -10 6 . ( 1·А) - размер кристалла по оси Z по одну (цифра 1) или
по обе (цифра 2) сторо1р,1 кварцевой пластины заданной ориентации, на которую наращивают кристалл (затравки) , zxl//З - ориентация кристаллов . Рекомендуемые углы: /З = -- 18 °30', - + 5°, + 8°30'. Толщина затравки не более 3 мм . Эквивалентное сопротивление для кристаллов ориента­ цийzxl/+5°, zyb/+5°, zxl/+8°30'и zyb/+8°30' должно быть не более 2200 Ом, при ориентации zxl/ - - 18°30'и zyb/- 18 °30' - не более 1600 Ом . Доброт ­ ность кварцевых резонаторов из искусственного кварца обыч­ но на 20 ... 25 % ниже добротности кварцевых резонаторов из натурального кварца . На основе кварцевого кристалла созданы высокостабильные автогенераторы, генераторы, ге­ теродины, стандарты часов. эталоны времени . Кварцевые кристаллы используют · для создания термо ­ W! етров с широким диапазоном температур, дат чиков давле­ ния, акселерометров, датчиков малых механических переме­ щений и т . п. Высокая стабильность кварцевых резонаторов позволила создать приборы, позволяющие взвешивать и из­ мерять пленки, толщина которых соизмерима с размерами молекул, исследовать процессы окисления пленок, скорость rшнденсаuии газов и другие физико-химические процессы современной микроэлектроники . Поскольку кварцевый пьезо ­ элемент является электромеханической системой, то при рас ­ чете его необходимо выбрать геометрические размеры та­ ким образом, чтобы собственная частота пьезоэлемента со ­ ответствовала требуемому значению . Собственная частота колебаний кварцевого пьезоэлемента f, кГц находится в пределах 1680/а ... 5760 / а, где а - основной размер, опреде ­ л яющий частоту в мм, он может быть длиной l или толщиной S пьезоэлемента. Применяемый диапазон частот пьезоэле­ мента на основной частоте находится в пределах 2,5 ... 25000 к Гц. Следует отметить, что верхняя гр аница частот не о пре­ де лена . П р и менение кварцевых кристаллов для стабилизации частоты зависит от сведения к нулю температурных коэф ­ фициентов скорости звука первого порядка (вдоль опреде ­ ленных н а правлений) . Как электрическая, так и механическая добротности сил ь­ но завис ят от структуры и подвержены воздействию даже нез н ачительны х прим есей . В относительно быстро выращи­ ваемом кварце эти примеси ограничивают добротность Q АТ ­ среза на частоте 5 мГц значениями 100000... 500000; тогда как дл я высококачественного кварца, выращиваемого более медле нно, это зна чение почти 3000000. Макси м альное значение добротности кварца, достиг ну - 240
тое в резонаторах и линиях передачи на частотах выше l мГц, обратно пропорциональна частоте : f · Q = const. Величина Q на частотах в гигагерцовом диапазоне мало зависит от качес ­ тва кварца, поэтому предельное значение добротности, опре­ деляемое собственной нелинейностью кварца, было достиг ­ нуто именно в этом диапазоне на частоте порядка 5 мГц . По своей механической добротности кварц уступает некоторым другим кристаллам, особенно гранатам . Тем не менее кварц продолжает сохранять совер ш енно исключительное положе­ ние в технике стабилизации час~:рт91 благодаря тому, что его температурные коэффициенты р·езбl'~ансной частоты первого и второго порядков для АТ - срезов при комнатной тем ­ пературе равны нулю. В качестве рабочих материалов для ультразвук.овых преобразователей и линий задержки на частотах 10 ... 1000 МГц применяются материалы в виде тонких слоев, обладающие высоким коэффициентом электромеханической связи, и материалы с высокой доброт­ ностью. Широкая доступность и малая стоимость высо­ кокачественных криста.1лов кварца · больших размеров, обладающих пьезоэлектрическим эффектом, который удо­ влетворяет многим применениям, _ является причиной преи ­ мущественного использования кварца . Кристалл с У- срезом характеризуется наибольшей элект­ ромеханической связью для сдвиговых колебаний, однако уже упоминавшаяся взаимная связь с упругими колебания­ ми в тригональных кристаллах вызывает отклонение направ­ ления распространения звуковой волны от воJ1новой нормали . Когда кварu является одновременно и преобразователем и передающей средой для сдвиговых волн, то используют АЦ­ срез или БЦ-срез, так как при этих срезах взаимная связь отсутствует . Пьезокерамика обычно изготавливается из нескольких окислов или карбонатов с помощью реакции, протекающей под действием высокотемпературного обжига в твердом со­ стоянии, что вызывает образование кристаллической струк­ туры, и последующего процесса электрической поляризации . Большая часть пьезокерамик представляет собой твердые растворы; изменение химического состава позволяет прово­ дить оптимальный подбор свойств материала подобно тому, как это делается в монокриста J1лах путем выбора подходя­ щего среза . Нелинейность, присущая пьезокерамикам или сегнето­ электрическим кристал.r~ам, приводит к значительным труд ­ ностям при описании их свойств . При очень слабом электри­ ческом или механическом возбуждении пьезокерамики мож­ но рассматривать как строго линейные материалы, хотя ре- 16 831-0 241
версивные движения стенок доменов повышает пьезоэлектри - ческие и диэлектрическую константы и увеличивают подат­ дивость материала. С увеличением уровня электрического или механического возбуждения пьезоэлектрическИй отклик растет нелинейно. Большое электрическое возбуждение так­ же приводит к нелинейному (показатель больше единицы ) возрастанию диэлектрического смещения и к увеличению диэлектрических потерь . Аналогично большому механичес ­ кому возбуждению соответствует непропорциональное воз­ растание механического смещения и увеличение механичес­ ких потерь. Эти эффекты зависят от частоты : наиболее силь ­ но они проявляются на очень низких частотах и при стати­ ческих условиях. Границы линейной зависимости для раз ­ ных пьезокерамик изменяются в широких пределах и в пер ­ вом приближении связаны с коэрцитивной силой. " Различные составы имеют различные характеристики . Этим и объясняется многообразие пьезокерамических соста­ вов. Составы на основе цирконата -титаната свинца позво­ ляют получать более широкий диапазон желаемых свойств и для подавляющего большинства применений они являются более предпочтительными, чем составы, разработанные на СО>снове титаната бария, метаниобата свинца или ниобата нат ­ рия. Преимущественное положение составов цирконата-тита­ ната свинца определяется присущим им сильным пьезоэлек­ трическим эффектом и высокой точкой Кюри, что позволяет путем изменения химического состава получать разнообраз ­ ные рабочие параметры без существенного уменьшения пьезоэлектрического эффекта. Ниже перечислены некоторые специфические характерис­ тики, выделяющие отдельные материалы: 242 l. Высокий коэффициент электромеханической связи : РZТ-БН. 2. Большая диэлектрическая проницаемость: РZТ-БН. 3. Низкая диэлектрическая проницаемость: Р8NЬ2Об, PZT-7A, Nao .БKo.sNbOв. 4. Большая скорость распространения звука: Nао .БКо .5 NЬОв. 5. Высокая механическая добротность: PZT-68, PZT-8 . 6. Низкая механическая добротность: РЬNЬ2Об. 7. Удовлетворительная стабильность во времени : PZT-6A , PZT-68 . 8. Хорошая температурная стабильность коэффициента колебаний N1:PZT-6A, PZT-68 . 9. Низкие диэлектрические потери при большом уровне электрического возбуждения: PZT-8 . Высокий коэффициент электромеханической связи и боль-
шая диэлектрическая проницаемость PZT-5H способствова­ JIИ е го использованию в таких акустических устройствах, как звукосниматели, где высокие эл ектрические и диэлектри­ ческие потери это го материала не Приносят вреда . Материал PZT-5A лучше всего удовлетворяет требованиям, предъявля ­ емым •к гидрофонам и контрольно - измерительным приборам, так как характерная для него высокая точка Кюри опреде­ ляет хорошую температурную ст абильность. Высокое удель ­ ное сопротивление при повышенной температуре позвол яет использовать этот материал дaЖ(l,.;iia очень низких частотах . Низкие значения упругих и ДИэлектрических потерь при большом уровне возбуждающего сигнала состава PZT-8 ука ­ зывают на возможность использования его в звуковых пре­ образователях большой мощности вместо применяемых сос­ тавов PZT-4 и.1и эквивалентных им цирконата-титаната свин­ ца и титаната бария типа NRE-4 . Составы PZT-6 можно использовать для фильтров . Требу­ емая стабильность резонансной частоты в интервале рабо­ чих температур и в течение срока слу:Жбы прибора порядка 10- 3 , необходимая температурная стабильность равна при­ мерно 10- 5 / 0 С. Типичные температурные коэффициенты тугоплавких окислов отрицательны и в неско.'lько раз пре ­ вышают это значение. Наличие различных очень сходных кристаллографических фаз в системе цирконата-титаната свинца вызывает температурные аномалии, которые допус­ кают уменьшение средних значений температурных коэф­ фициентов до желаемого уровня, как правило, 10-5 0 С в пре ­ делахот-40до+85°С. Уход резонансной частоты во времени является естествен­ ным следствием деформаций, возникших при поляризации. Этот уход приблизительно линеен относительно логарифма времени на отрезке, представляющем практичный интерес, от часа до нескольких лет . Основные требования, предъяв ­ ляемые к фидьтрации промежуточных частот в звуковых ка­ на.1ах от ,..,, 200 кГц до нескольких мегагерu, могут быть удов­ летворены при использовании материалов PZT-6 . Из них также изготавливаются фильтры специального назначения, работающие на частотах ниже 200 кГц в режиме изгибовых колебаний . Ширина полосы фильтров на основе пьезокера­ мик может регулироваться подбором уровня поляризации. Для материа.1ов PZT-6A и PZT-68 коэффициенты э.1ектро­ механической связи в плоскости можно менять в пределах от 0,2 до 0,44 и от 0,0 до 0,25 соответственно . Метаниобат свинца остается единственным материалом , обладающим очень высокой точкой Кюри, низкой диэлектри­ ческой проницаемостью и может применяться в ультразвуко- 16* 243
вой дефектоскопии, где наличие низкой механической доброт­ ности способствует подавлению ложных колебаний . Ниобат натрия-калия был разработан специально дл я вы­ сокочастотных преобразователей ( l 0 .. .40 МГц) . Большая скорость распространения звука дает Nao,5Ko ,5Nb0з некото­ рое преимущество перед PZT-7A при использовании их в вы­ сокочастотных преобразователях продольных и сдвиговых колебаний по толщине, так как при этом можно увеличит ь толщину и, следовательно, уменьшить емкость преобразо­ вателя . Большой практический интерес представляют класс крис­ талла галлата лития, имеющего ромбическую структуру ти­ па 2mm. Этот символ означает наличие оси симметрии второ­ го поря.в.ка (ось Z) и двух плоскостей с.имметрии, перпенди ­ кулярных к осям Х и У. ~ Очень важный класс симметрии 6тт, к которому принад­ лежат кристаллы типа вюрцита CdS и ZnO, реализуется при увеличении порядка симметрии оси (Z) до 6. При этом оси Х и У становятся эквивалентными. Другим классом полярных кристаллов, который вызывает все возрастающий интерес, является тригональный класс Зтт . К нему относятся минеральный турмалин и новый сег­ нетоэлектрический кристалл ниобат лития. В результате при ­ ложения поля параллельно оси Х в этом классе кристаллов будут возникать сдвиговые деформации по толщине, тогда как поле, параллельное оси У, вызовет сдвиговую и продоль­ ную деформации по толщине. Упругие свойства класса Зтт такие же, как и у класса кварца 32. Пьезоэлектрический эф ­ фект в кристаллах класса Зтт усложнен взаимными упру ­ гими связями между деформациями. Это означает, что в них будут возбуждаться два независимых сдвиговых колебания по толщине с перемещением частиц в плосккости (Y;Z), ориен­ тация их перемещений будет зависеть от конкретных значе­ ний упругих констант кристалла. Из всех известных несегнетоэлектрических материалов кристаллы окиси цинка ZnO можно также использовать как в качестве рабочего материала в акустических усилителях, так и в преобразователях с диффузным слоем. Сегнетоэ.1ектрический пш1упроводник SbSI обладает очень сильным пьезоэлектрическим эффектом ниже своей точки Кюри, равной 22 °С. Точка Кюри может быть подня т а намного выше комнатной температуры частичным замеще­ нием серы кислородом, однако пьезоэлектрические парамет ­ ры, несмотря на это, остаются неудовлетворительными . Ма ­ териал SbSI имеет кристаллическую симметрию класса 2mm, I однако из-за того, чт.о его специфическая игольчатая или
пластинчатая кристаллическая форма ведет в большинстве случаев к поликристаллически_м агрегатам с одинаково ори­ ентированными осями С отдельных кристаллов и со случайно направленными осями а и Ь, его макроскопическая симметрия оказывается эквивалентной симметрии пьезоэлектрических керамик . Кроме того, SbSI имеет самую большую чувстви­ тельность к гидростатическому давлению, чем любой дру ­ гой из известных сегнетоэлектриков. Сейчас используются пьеЗОЭJ1ектрические крИСТа.lJIЫ СО ЗНаЧИТе,;]ЬНОЙ ПрОВОДИ­ МОСТЬЮ в акустических усилителях и особенно высокочас- тотных преобразователях . ,...- :'-'!1- 7.4 . ПРИНЦИП ДЕRСТВИЯ И КОНСТРУКЦИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕR В конструктивном отношении пьезоэлектрические преоб­ разователи используют элементы различных срезов, в которых могут быть возбуждены следующие ОС'1овные виды колеба­ ний: продольные, поперечные, сдвига по контуру, изгиба и кручения. На рис. 7 . 3,а показан разрез -чувствительного эле­ мента пьезоэлектрического динамометра . Между двумя стальными концами размещены кварцевые пластины; меж­ ду ними расположен электрод для снятия заряда. Вид коле­ баний определяется срезом пьезоэлемента, числом и распо­ ложением электродов. Так, для измерения тангенциальных сил размещение кварцевых пластинок, заделанных в изоли­ рующую массу, может быть выполнено так, как детально по­ казано на рис. 7.3,б. Чтобы получить чувствительный эле­ мент для измерения крутящих моментов, необходимо выпол­ нить расположение кварцевых пластинок, реагирующих на (__) Рис. 7.3 . Пьезоэлектрический динамометр (а): 1 - стальное кольцо для передачи силы; 2 - корпус, 3 - кварцевые пластинки; 4 - электрод ~ б - способ расположения кварцевых пластинок для измерения тангенциальных сил : u в - способ расположения кварцевых пластинок для измерения крутящих моментов .- 245
п Рис. 7.4 . Чувствительный элемент с несколькими кварцевыми платинами : 1 - плас т ина : 2 - металлнческиА слой с~виг так как показано на рис. 7. 3,в . Есл~ применить несколь­ ко слоев из наложенных дру г на друга кварцевых плас т ино к с различно ориентированными поверхностями среза, то мож­ но получить датчики для измерения двух состав д яющих, например для измерения сил сжатия и сдвига. Для измерения электрических зарядов, возникающих на гр0анях кварцевой пластины, пос.педние покрывают металли­ ческим слоем, образуя конденсатор (рис . 7.4) . Вырезанные пластины, грани которых перпендикулярны осям У и Х, обла­ дают пьезоэлектрическими свойствами . Сила, направленная вдоль оси Z, не возбуждает электрических зарядов на гранях . Под действием растягивающего или сжимающего усилия · вдоль оси Х на перпендикулярных этой оси гранях возникают заряды разного знака (продольный эффект). Этот заряд ра­ вен: где Qx- заряд; d - пьезомодуль (для кварца d = 2,3 · 10 - 12 Кл/Н); Рх - сила, действующая на поверхность кристалла. Из приведенного уравнения видно, что Qx не зависит от размеров кристалла кварца. Нагрузки вдоль· оси У вызывают возникновение заряда ly Qv = dт;, ·Ру. где lx и ly - размеры кристалла вдоль оси Х и У. При попереч ­ ном эффекте Qy зависит от размеров кристалла . Однако усло­ вия прочности ограничивают возможность увеличения заря ­ да за счет увеличения размера ly и уменьшения lx, поэтому практически используется лишь продольный пьезоэффе кт . 246
Рис. 7.5 . ~ >t· Обобщенная эквивалентная схема кварЦев(il'о датчика В реальных условиях пьезодатчик всегда оказывается зашун ­ тированным некоторой емкостью Со и сопротивлением R0 • Обобщенная эквивалентная схема кварцевого датчика изо ­ бражена на рис. 7§. где Со - емкость кристалла; Ro - со­ противление диэл ектрическ и х потерь ; Ск, Rк, Се, Re - неиз­ бежная емкость и сопротивление кабеля и подключенных устройств; nкд - ПОДаТЛИВОСТЬ кварцевого ЭJlеМента; nму - податливость механических устройств; Q ~ источник заряда, модулируемый силой Р . Характернстику измерительной цепи определяют в основ­ ном кабель и усилитель. Так как Q = CU, то напряжение на кристалле И_Q1_ dP _ dP _~ - с -со +с.+с. -co+Cr -c••• · где Со - емкость кварца; Cr., = Ск + Се - емкость проводов и подключенных устроиств. Обычно емкость Cr. превышает емкость пьезокрис ­ талла, что резко снижает полезный эффект . Поэтому Со уве­ личивают параллел ьным соединением нескольких пластин (рис. 7.5), выбор их числа позволяет изменять диапазон из­ мерения . Поскольку каждый измеритель напряжения обла­ дает конечным значением входного сопротивления Rэкв. то возбужденный на гранях заряд и соответст венно напряже­ ние даже при Р = const спадаю т по экспоненциальному за­ кону и.= и. R•••.с•••' где Rэкв • Сэ кв = Т - постоянная времени. По истечении времени Т напряжение Ио уменьшается в l/e раз, т. е . примерно до 37 % начального значения U. Это ограничивает возможности использования пьезокристаллов контролем только кратковременных и быстродействующих процессов. "' 247
..L Выз:од Рис. 7.6 . Принципиальная схема усилителя заряда Для измерения медленных изменений процессов необхо­ димо увеличение времени Т, что можно улучшить воспроиз­ вЬдимостью низкочастотных составляющих. Для этого име­ ются две возможности: 1. Увеличить Rэкв· Значение Rэкв определяется главным образом внешней схемой (кабель, усилитель) . Поэтому целе­ сообразно применять короткие коаксиальные кабе.11и с боль ­ шим сопротивлением изоляции. Среди используемых в насто­ я1.цее время схем усиJштеJ1ей следует отметить две разновид­ ности. В первой схеме используются · электрометрические усилители - это такие усилители постоянного напряжения, у которых реализуется требуемое большое входное сопро ­ тивление (до 10 14 Ом) благодаря наличию ЭJ1ектрометричес ­ ких ламп во входном корпусе. Эти усилители применяются редко. Они вытеснены вто­ рой схемой, в которой используют усилители заряда. Они представляют собой усилители постоянного напряжения У (рис. 7.6) с коэффициентом усиления больше 20000. Пере­ ключаемые конденсаторы Се создают емкостную связь и сов­ местно с усилителем поддерживают входное напряжение И близким нуль, так что заряд датчика как бы «стекает» непо­ средственно на конденсатор обратной связи Се. Благодаря сверхвысокоомному сопротивлению Re обеспечивается опре­ де"1енная постоянная времени и исКJ1ючаются дрейфовые явления . С помощью кнопки К усилитель возвращается в первоначальное состояние. Все уси.пители заряда имеют бо.1ь­ шое Сэкв и на них не оказывают влияния свойства и длина ка­ беля. 2. Увеличить Сэкв, что достигается подключением конден­ саторов с большим сопротивлением изоляции или за счет выбора пьезоэлектрических материалов с более вьн;окими диэлектрическими постоянными. Однако увеличение Сэкв 248
ограничивается допустимым значением чувствительности , так как увеличение Сэкв приводит к уменьшению напряже­ ния на кристалле . Таким образом, с помощью современной усилительной техники можно достичь постоянных времени порядка секунд, которые обеспечивают квазистатическую граду11-ровку измерительной цепи . В зависимости от назначения пьезоэлектрические преоб ­ разователи можно разделять на две группы . Энергетические - д.r1я преобразования энергии из одной формы в другую . К ним относятся пьезоэлектричес1~:t1е_~двигатели, высоковольт ­ ные источники напряжения, pe~ie';·' взрыватели, зажигалки. излучатели ультразвука и т . д . Измерительные, используемые для получения информа ­ ции - это датчики давления, силы, вибраций, виброускоре­ ний, акселерометры, перемещений, температуры, гироскопы, сейсмоприемники и т . д . По принципу действия пьезоэлектри­ ческих преобразователей можно выделить следующие груп ­ пы. Пьезоэлектрические резонаторы, представляющие собой преобразователи электромеханического типа с высокодоб­ ротной контурной системой, эквивалентной настроенному электрическому контуру . Этот тип преобразователей наибо­ лее распространенный и применяется для стабилизации час­ тоты и частотной селекции, а также в качестве излучателей и приемников ультразвука, пьезоэлектрических трансформа­ торов, датчиков силы, температуры, гигрометров, анализа­ торов физических и химических характеристик различных сред и др. Суть работы заключается в том. что преобразование вход­ ного воздействия осуществляется в результате модуляции параметров пьезорезонаторов . Резонатор как элемент, пре­ образующий измеряемое воздействие у, характеризуется час­ тотой резонанса f.(y) или антирезонанса fр(у); модулем элек­ трического комплексного сопротивления 1Z(y)I; сдвигом фаз между током и напряжением qJ(y) . В соответствии с этими основными характеристиками в пьезорезонаторах исполь­ зуют методы управления частотой, комплексным сопротивле­ нием Z или фазой . При построении пьезорезонансных дат­ чиков выделяют один из четырех основных элементов его структуры (окружающую среду, вибратор, поверхностную пленку или элемент крепления), вариация параметров ко­ торого позво.r1яет осуществить один из указанных методов управления. В зависимости от выбора модулируемого па­ раметра, управляемого элемента кш1ебательной системы и типа колебаний пьезорезонатора, могут быть получены раз­ личные датчики: 249
- преобразователи апериодические с искусственным подавлением резонансов в области рабочих частот . В ко н­ струкции этих преобразовате"1ей используются демпфирующие устройства и оптимальный выбор геометрии пьезоэлеме нта , при которой происходит удаление резонансных частот за пределы рабочей области . Примером этой группы преоб р а­ зовате:1ей являются телефоны, микрофоны, звукоснимател и. - преобразователи квазистатические с колебательны м процессом преобразования, частота которого намно го н иже самой низкой из собственных частот эквивалентной электри ­ ческой схемы . Такой преобразователь может быть представ ­ лен в виде пьезоэлектрической пластины, находящейся под действием медленно изменяющегося механического напря ­ жения и разности потенциалов, равной произведению тол ­ щины пластины на напряженность поля внутри ее, при это м uоде направлено по оси, ориентированной вдоль толщин ы. При отсутствии внешнего механического напряжения пре­ образователь работает как обычный конденсатор . К таким преобразователям относятся некоторые пьезоэлектрические манометры и аксеJ1ерометры и др . Основные типы датчиков и расчетные соотношения при­ еедены в табл. 7. 1. 7.5 . ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕКОТОРЫХ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ Широкие возможности контроля динамических процес­ сов с помощью пьезоэлектрических датчиков и разнообра ­ зие условий применения обусловили появление большого ко ­ личества их моделей, отличающихся способами крепления на объекте (прижимные, приклеиваемые, клееноприжимные) , способом крепления пьезоэ.аемента, видом и количеством ис­ пользуемых деформаций пьезоэлемента. В настоящее время расширяется область применения пьезоэлектрических датчи ­ ков не только для измерения вибрации и удара в област и высоких частот, но и лля измерения виброскорости и вибро ­ перемещения . Среди серийно выпускаемых пьезоэлектрических датч и­ ков, использующих деформации изгиба пьезоэлемента , рас­ пространены следующие модели . Вибропреобразователи первичные измерительные ти п а Д22 (рис . 7.7) и Д26 (рис. 7.8) предназначены лля преобра­ зования механических колебаний в электрический сигнал, пропорциональный ускорению колеблющегося объекта . При креп.1ении вибропреобразователя на ко"1еблющемся объек- 250
Таблица 7.1 Типы датчиков и расчетные соотношения Тнл дат чика Пьезорезонансные датчик Пьезорезоиаисный датчик с пьезорезонаторами поверну ­ тых v-срезов, совершающих колебания сдвига по толщине Термочувствительные резонансные датчики пьезо- Термостабильные пьезорезо­ нансные датчики Основные ра с четные соотношения v =.у_:_, р где V - скорость распространения бегущи х волн; С - упругий коэффиuиент; р - п2.от~ость пьезоматериала . .• >lt· • nVN Sp=2h=h' где fР - резонансная частота пьезоэлемента; N - частотный коэффициент; п - число полуволн, укладывающихся на резонансном размере. нлн номер г армоники; h - резонансный размер . Частота колебаний : . f=;h'1~ 66 C~s = C~s·Cos 2 6 + C44·Sin 2 6+ + 2C14Sin6Cos6, где Сsб - действующая константа упругости ; 6 - угол поворота пластины вокруг оси Х отсчитываемый от плоскости XZ. Коэффициент термочувствительности : бf Ct=бt/t=to' t_ - производная от час_тоты - to при фиксированном температуре Зависимость частоты резонатора от темпера­ туры : 1_/C(t) f(t) = 2h(t) v p(t) • где C(t), p(t) и h(t)- зависимые от темпера­ туры модуль упругости, плотность и частотно­ определяющий размер . f = ..!.__ / С6б 2hvр• где f ~ частота резонанса для резонаторов повернутых v-срезов с колебаниями сдвига по толщине 251
Тип датчика Тензочувствительные (сило­ чувствительные) пьезорезо­ нансные датчики : сила - частота деформация-частота ~ Массочувствнтельн ые пьезорезонаторы • масса-частота толщина-частота Акусточувствительные пьезо­ резонансные датчики 252 Продолжение табл . · 7. 1 Основные расчетные соотношения СЫ = Сб6Соs 20 + C44Sin 2 0 + C14Sin20 , r де 0 - уrол между осью Z и п.~щ:костью пьезоэлемента . Получение термостабильностн достигается выбором ориентаций 0, при которых тем пе­ ратурный коэффициент 11 = О Коэффициент снлочувствнтельности бf KF = fбF' rде F - входное воздействие в виде силы . Коэффициент преобразования силы в часто­ ту Коэффициент деформационной чувствитель­ ности {jf Ks = fбS; Коэффициент преобразования деформаций в частоту J(оэффициент тензочувствительности бf Ка= fбо ; Чувствительность по массе бf Ст= бт' rде т' - масса присоеднняемоrо покрытия . Чувствительность по толщине бf ch = бh'' гдеh'- толщина присоединяемого покры­ тия . Акустическое комплексное сопротивление Za= Ra+jX., где Ra - активная составляющая, характе­ ризующая потерн акустической энергии резонатора на излучение в среду; ·
Тиn датчика Рис. 7.7. Датчик Д-22 : 1- втулка; 2- шайба; 3- контакт ; 4 - электрнческая изоляция ; контакта ; 5- крышка: 6 - изоJ1ятор; 7 - пьезоэлемент ; 8 - упругий элемент ; 9 - винт; 10- корпус. Продолжение табл . 7. 1 Основные расчетные соотношения Х. - реактивная составляющая, характе­ ризирующая в основном вязкое трение в среде те на инерционную массу упругого элемента будет· действо­ вать си:1а, пропорционаJ1ьная ускорению ко:1еб.1ющегося объекта . Под действием этой си:1ы чувствите:1ьный э:1емент будет испытывать деформацию изгиба, вс:1едствие чего на электродах пьезоэлементов возникает электрический заряд . Датчики с испо:1ьзованием э:1ементов с деформацией изги­ ба об:1адают бо:1ьшой емкостью, высоким коэффициентом преобразования и меньшим весом, чем с э:1ементами, рабо­ тающими на растяжение-сжатие. Повышенной вибрацион­ ной и ударной прочностью об:~адают клеено-поджатые чувст­ вите:1ьные э:1ементы . Примером такого датчика может быть виброизмерите:1ь типа IПА-6 (рис . 7.9), предназ·наченный для работы совместно со специальными усилите:1ям~ (R> > 100 МОм) для измерения, регистрации и анализа вибра­ ционных ускорений, скоростей и смещения деталей и узлов различных машин . Преобразовате:1ь IПА-6 яв:1яется одно­ компонентным пьезоэ:1ектрическим аксе:1ерометром . Как упоминаJюсь ранее, нижняя граничная частота пьезо­ датчиков определяется Сэкв, а верхняя - значением устано­ вочного резонанса (fь = 0,3 fу при неравномерности АЧХ 10 %) . Повысить fy можно, увеличивая площадь и повышая ка­ чество контактных поверхностей, уменьшая массу корпуса (например, плотным резьбовым соединением с объектом, как у IПА-6 или посадкой на корпусную поверхность, как у аксе­ лерометров типов ДlО, Д28 (рис. 7.10, 7. 11).
Рис. 7.8. Датчик Д-26: ~/ - корпус; 2 - винт; .'J - вту~·ша: 4 - 11ьезоэ.1е~енты; 5 - крышка; 6 - у11ругий э.1емент; 7 - шайба; 8 - контакт . Рис. 7.9 . Преобразователь IПА-6 : 1 - основание ; 2 - две 11ласти ны из nь1:зокера~иик1-1 ; ,"J - инерuионный груз; 4 - ко нтакт; 5 - изо.1яuнонная шайба; 6 - опора; 7 - пруж1tна; 8 - гайка; 9 - корпус; 10 - 1юдвод; // - крышка; 12 - пружн1ш; /,'J - кабель; 14 - прок~1адка фторош1аста. Важное значение имеет относите:1ьный коэффициент по ­ перечного преобразования. Д:1я его уменьшения испо:1ьзую т ряд конструктивных факторов : симметричный чувствител ь­ ный э:1емент, правильность формы, совмещение плоскости пьезоэ.1емента с центром тяжести, испо.1ьзование чувстви ­ те.1ьного э.1емента с неско.1ькими пьезоэлементами . В производственных и лабораторных ус:ювиях использу­ ется вибропреобразовате:1ь первичный измерите:1ьный типа Д24 при необходимости преобразования вектора механи­ ческих колебаний одновременно в трех взаимно перпенди­ кулярных направлениях в э:1ектрические сигна:1ы, про п ор ­ циональные соответствующим векторам ускорения колеблю­ щегося объекта. Вибропреобразовате:1ь типа Д24 основан на прямом п ье­ зоэффекте, состоит из трех идентичных чувствите:1 ьны х пьезоэ:1ементов, распо:юженных в одном корпусе в трех взаимно перпендикулярных направлениях (рис . 7.12) . Ис ­ по.1ьзуется совместно с виброизмерите.1ьной аппаратуро й д.1я измерения пара метров вибрации. На рис . 7. 13 показана конструкция датчика типа Д 19 , предназначенного для преобразования механических коле-
Рис. 7.10. Датчик Д- 1О : J 4 5 б 7 #'~~~ в 9 1 - основаиие : 2 - nьезокерамические кольца (2) ; З - контактная шайба ; 4 - резиновое уnлотнеиие ; 5 - инерцноииая масса ; 6 - пружина; 7 - корпу с; 8 - фторопластова втулка ; 9 - резиновая трубка ; 10 - вход аитивибрациониого кабеля Рис. 7.11 . Датчик Д-28: 1- штекер; 2 - кабель; 3 - К0J1Л8Чок ; 4- атулка ; 5- пружина ; 6 - пьезоэлемент ; 7 - корпус; 8 - саинцовые проКJJадкн; 9- кольцо ; - 10 - основание; 11 - колпачок . баний в электрические сигналы, пропорциональные ускоре­ нию колеблющегося объекта . Совместно с измерительной аппаратурой используется для измерения параметров вибра­ ции в лабораторных и производственных ус.повиях. Рис. 7.12. Вибропреобразователь типа Д-24: 1 - чувствительиыА элемент; 2 - пьезокерамика; 3 - корпус; 4 - винт: 5 - контактная l]ружина; 6 - контакт; 7- втулка; 8' - шаАба. 7 5 в
3 2 Рис. 7.13. Датчик Д-19 : Щ - корпус ; 2 - упругиА элемент ; 3 - пьезоэлемент ; 4 - г ибкиА проводник ; · 5 - фторопластовый и з олятор ; 6 - предохраните л ьный колпачок ; 7 - контакт ; 8- гайка:9 - резнновая прокладка Рис. 7.14 . Вибропреобразователь IПА-9 : 1 - осиоваиие ; 2 - дно дюралюминиево го кожуха; а - крышка; 4 - стальной диск; 5 - пьезоэлектрическое кольцо~ 9 6 - латунный 1<Ольцеобразный лепес т ок ; 7 - винт; 8 - латуиныи кольцеобразный лепесток ; 9 - аи~rивибрационный кабель : /О-пружина На этом принципе построены преобразователи виброиз ­ мерите:1ьные пьезоэ:1ектрические типа IПА - 9 (рис . 7.14) и IПA - lOB (рис . 7. 15), а также КВ-10 ... КВ-12 (Германия). Они предназначены для работы совместно с усилителями (Rвх> > 100 МОм) для измерения, регистрации и ана:1иза вибра­ ционных ускорений, скоростей и смещения деталей и узлов раз:шчных машин . Преобразователь является однокомпо ­ нентным пьезоэ:1ектрическим акселерометром . .,. Особенность конструкции виброизмерите:1ей с чувстви­ тельными э:1ементами, работающими на изгиб (увеличение то:1щины основания, введение промежуточного элемента , применение проходников, прокладок, использование двух ­ корпусных конструкций) исключает в:шяние механических деформаций в месте установки преобразовате:1я . Так, у пре­ образователя типа IПА-1 ОВ коэффициент поперечного пре­ образования составляет 1 %. Д:1я повышения температурной стаби:1ьности испо:1ьзуют температуростойкие пьезокерамики, кварц, компенсации тем ­ пературной погрешности, путем ох:1аждения, искусственно го старения пьезоэ:1емента . Использование деформации растяжения-сжатия пьезо­ элемента рассмотрим на примере датчика низкочастотного типа Д - 13 (рис . 7.16). При измерении параметров вибрации в диапазоне 1... 3000 Гц датчик может работать в составе виб ­ роизмерите:1ьной аппаратуры, обеспечивающей линейную 256
~ Рис. 7.15 . Вибропреобразова тель типа IПA-IOB: 1 - корпус~ 2 - крышка; З - пьезоэлектрическое кольцо; 4 - осиова.н1tе ; 5 - шайба: 6 - латунмые липесткн; 7 - кабель; 8 - втулка частотную характеристику при последовательном включении на ее вход емкостного эквивалента датчика. Техническая характеристика рассмотренных преобразователей приведена в табл. 7.2 . Аналогичный по конструкции пьезодатчик дJ1я измерения вибраций типа КД - 35 (рис . 7.17), а также датчики типа Кд-10 ... КД-17, КД-20 .. . КД-23, КД-33, КД - 32, КД-35д, Кд - 91 . Эти датчики работают совместно с виброизмерителем 1 !· 1 i Рис. 7.16. 1 Да тчик низкочастотный Д - 13 : 1- корпус; 2 - пьезок е рамические злемеи ты (2) ; 1 3 - инерционная масса , розетка ; 4 - пружина ; 5 - из олированный вывод , втул ка ; 6 - токосъемник ; 1 7 - пружина ; 8- гайка: 9- крышка; • 10 - колпачок 17 83 1-0 ' 2!>7
Характеристики пьезоэлектрических датчиков Техинческие характеристики Рабочий диапазон частот . Гц Рабочий дна11азон измерения ускорения, м /с 2 Коэффициент вибропрео бра­ эования иа частоте а З Гц. мВ/М/с Неравномерность АЧХ (по отношению к частоте в З Гц) . % Коэффициент относительного поперечного преобразования в рабочем диапазоне частот , % Резонансная частота ви бро ­ преобразователя за1<реллен­ ноrо на шпильке М5. Гц Сопротивление из,оляц51и в нормальных н рабочих усло­ виях , МОм Емкость вибропреобразова ­ теля без кабеля. nФ Надежность Допусти мая перпендикуляр­ ность OCHOBitoH осн вибро ­ преобразователя относнтел ь­ но nоверхностн, на которой производятся измерения . град. Температура окружаюшего воздуха, 0С Относительная влажность при темпера туре 25 •с. % Рабочая температура , 0С ТехннческнА ресурс , ч Срок службы , ч Габаритные размеры, мм Масса, r Днаnаэои измеряемых rндро ­ ускореннй, м/с Вероятность безот1<азной ра ­ боты в течение 100 ч Чувствительность датчика с емкостноИ иа грузкоИ 350... 400 пФ Ампл итудная характеристика по отношению к 0,29 м/ с2 Козффнциент преобразова ­ иня на частоте 50 Гц, мВ/ /м/с2 Частота собственttых коле - баний . Гц • Дниамическнй диапазон. м/с2 Дли и а выводного кабеля . м Д-22 20.. .400 0,03 . .. 500 не менее 40 ±8 2 ие ниже 1500 ие менее 1 1200 1000 ударов с уско р. 500 м/с До 10 20±5 До 90 От -10 до +10 5000 5000 25Х26 34 Д-26 Д-24 20... 700 20... 5000 0,1... 500 не менее ие менее 20 1 ±8 не более +10 2 5 2400 не ниже 1500 не менее 1 ие менее 1 1200 800 1 1000 ударо1 с уско р. 500 м/с От-10 ДО +70 До 90 До 90 От-40 до +10 5000 5000 5000 23, 5Х29 23Х23 28±1 не более 16 0,1... 2000 Не менее 0,98 Д-1 4 20... 10000 27000 32000 1 11000 От -10 ДО +70 65+15 lбХ30 27 0,29 ... 0,80 м /с2 2,5 ЛинеИная в периодах ±6%
Таблица 7.2 Тип да тчика Д-13 Д-19 IПА-6 IПА -9 IПА-10 Д-11 Д- 10 20 .. .30QfJ 20...500 1...20000 1. .. 20000 0,29 ... о.во 20 !f'- !1f1° "е более 3 5 30000 30000 не менее 1010 (Ом) 11000 13000 кабелем не С кабелем 1100 1 100 менее 400 2000000 - 1 От - 10 От-10 ДО +20 до +40 - I0 +5C От -40 no +во 2О Х35 2охзо 34Х21 32Х/8 65 без кабеля без кабеля 0,032 "е боле< 46 43 30 -29,5 +3 +з мВ·с/м 28 28 - 1,5 -1 ,5 Линейная е Нелинейность НепннеЮюсть 26 ... 130 перио дах не более не более ~Б при ±6% ±6% ± 10% ~0» - Не менее З не менее 1~ _уровне ,. Не менее 2500 Не мен ее 18000 3500 Не более Не более 10000 2000 2 3
Рис. 7.17. 3 Пьезодатчик дл я измерения вибраций ти п а KD-35 : 1- корпус; 4 2 - пьезоэлектрические эл емен т ы (2) : · ~---t----i::;~~S 3 - инерционная масса ; 4 - пружина ; 5 - изолированныА вывод; 6 - токосъемник типа 11003 (SM-231) и:ш измерите:1ем ударов типа 11005 (SM-311) (Германия), позволяющих решать с:1едующие измерительные задачи . Трехканальный виброизмеритель типа SM-231 вместе с . пьезоэлектрическими датчиками ускорения служит для из ­ "'мерения механических вибраций, разовых или повторяющих ­ ся ударов . Предназначен для измерения виброускорения d, виброскорости V и вибросмеiцения ~ в частотном диапазо­ не2Гцдо15и10кГцпотремкана:1ам. . Однокана:1ьный ударный измеритель SM-311 оснащен ударным фи:1ьтром SM-20, что позволяет измерять механи ­ ческие ударные ускорения . SM-231 и SM-311 - это стандартные приборы, входящие в SM - систему (система вибро- и уда рных измерений) . Приборная SМ-система вк.'Iючает также уси.1ители заряда , фи:1ьтры, анализаторы, стробоскопы, что расширяет об:1асть ее применения . Оснастка прИборов производится по жел а­ нию заказчика . Например, использование ударного анализатора SM- 30 - позво:1яет при помощи SM-311 и:ш 231 записать спектр ударов одного направ.пения. Ес:ш 1 или 3 кана:юв не достаточно, д:1я решения изме­ рите:1ьной задачи могут быть подключены другие прибо р ы SM, например, SM-241, состоящие только из 4 измеритель­ ных уси:штелей без обрабатывающих устройств. Интегра:1ьный уси:ште:1ь SM-10 может по выбору ра бо ­ тать либо в режиме уси:штеля напряжения (для измерения ма:1ых ускорений а> 0 ,032 м-с- 2 ), :шбо в режиме квази ­ усилите:1я зарsща (д:1я изменения больших уско рений а<32000 м - с- 2) . При обоих вариантах широта диа па ­ зона составляет 10 4 • При втором режиме возможно, кроме того, подключение датчиков через д:шнные кабели без за ­ метной потери чувствительности. Ударный фил ьтр SM-20 предст авляет собой фильтр низ­ ших частот с постоянным временем пробе г а группы э:1 ектро­ нов в диапазоне пропускания, предназначенной для передач и
безискаженных импульсов ударной длительностью ~ 0,5 ·с . Благодаря этому при ударн ых измерениях подавляются пе­ рекрывающие собственно удар высокочастотные колебания . И сигнал удара остается мало искаженным . SM-20 может быть qрименен в качестве фильтра низших частот при перио - дических или беспорядочных процессах. · Список литературы к гл. 7: 7.1. Герш тап Д. А., Фр и дм ан В. М. Упьтразвуковая аппаратура.­ М .: Энергия, 1967. 7.2 . Г ин г и с А. Д., Мор о зов А. И. Анализ характеристик широкопопос­ ных пьезопопупроводниковых преобразователей // Радиотехника и электротехника . 1972 . Т . 17 . No 17 . С. 1493-1501 . 7.3 . Г п ю км ан Л. И. Пьезоэпектрические кварцевые резонаторы.- М. : Радио и связь, 1981 .- 232 с. 7.4.Гопембо В.А.,КотпяровВ.Л.,ШвецкийБ.И.Пьезоквар­ цевые аналого-цифровые преобразоватепи температуры.- Львов : Выща шк., 1977. - 172 с. 7.5 . Мор о зов А. И., Я р о к по в В. В. Пьезопопупроводииковые пре­ образоватепи и их применение.- М .: Энергия , 1973 . 7.6. СмагинА.Г.,ЯроспавскийМ.И.Пьезоэлектричествокварца и кварцевые резонаторы. - М .: Энер1·ия, 1970.- 488 с. 7.7 . Трофим о в А. И. Пьезоэпектрические преобразователи статических нагрузок. - М .: Машиностроение, 1979. 7.8.АпьтшупперГ.Б.,ЕпфимовН.Н.,ШакупинВ.Г.Квар­ цевые генераторы: Справочное пособие . - М.: Радио и связь, 1984 .- -232 с. 7.9. М а по в В. В. Пьезорезонансные датчики. -- М. ; Энерrоатомиздат, 1989. - 272 с.
Глава 8 ЭЛЕМЕНТЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ 8.1 . ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ В этой главе рассматривается современная элементная база, которая дает возможность создавать высокоэффекти в­ ные датчики, первичные и вторичные измерительные преоб­ разователи, соответствующие по своим параметрам и харак­ теристикам современным требованиям науки и техники . Ос­ новное внимание уделяется практическим аспектам аппара­ турного применения отечественных интегральных микросхем : коммутаторов, операционных усилителей, стабилизаторов, ЗнаJiого - цифровых и цифро-аналоговых преобразователей . Конкретное описание структуры и схемной реализации бу­ дет приведено только для еще широко не описанных в лите­ ратуре и интересных, на наш взгляд, микросхем. Информация от датчиков и измерительных преобразо­ вателей в виде электрических смгналов поступает на входы Измерительных приборов и в устройства ввода-вывода изме ­ рительных систем и комплексов . Урощш сигналов должны соответствовать тем уровням, на которые рассчитана работа приборов и систем. Все электрические сигналы по форме представления ин­ формации можно разделить на аналоговые и цифровые. У аналоговых непрерывных электрических сигналов значение электрическ9го параметра является непрерывной функцией отображаемой величины . К числу этих электрических пара ­ метров, прежде всего, относятся ток и напряжение. В свою очередь, непрерывные сигналы тока _ .И. напряжения . можно условно разделить на сигналы . низкого, среднего и высоко­ го уровней . К сигналам низкого уровня относятся э.д.с. и напряже­ ния постоянного и переменного тока до 100 мВ. В эту груп­ пу входят сигналы термопар, термометров сопротивления, проволочных тензодатчиков и т. д. К сигналам среднего уровня относятся э.д .с. и напряже­ ния постоянного и переменного тока от 100 мВ до 2 В . Сигналы высокого уровня - это сигналы постоянного то- ка О... 5 мА и выше и сигналы напряжения постоянного то- ка 0...10 В. В связи с тем, что все датчики входят в состав измеритель ­ ных комплексов и приборов, электрические сигналы тока и напряжения, которые являются входными и выходными 262
для приборов и систем и предназначены для информацион ­ ной связи между приборами и отдельными его частями , долж ­ ны соответствовать ГОСТу 26.011 - 80 . Сигналы постоянного тока должны выбираться из следую­ щих значений: О... +5 мА; -5. . .0 .. . +5 мА; О... +20 мА; - 20..~о.. .+ 20 мА; - 100.. .0...+ 100 мА. Диапазон - 100 ... .. . О+ .. . + 100 мА целесообразнее применять для управля­ ющих цепей автоматических систем управления технологи ­ ческими процессами и информационно-измерительных сис­ тем . При проведении дистанцИQН_!j:fIХ измерений средствами агрегатных комплексов в АСУ ТП И при помощи ИИС в соот ­ ветствии с ГОСТ 26.011 -80 рекомендуется применять сигна­ лы О... +5 мА; О.. . +20 мА; +4... +2ОмА. Сигналы напряжения постоянного тока должны выби- . раться из следующих значений: О... + 1О мВ; - 1О... О ... + 1О мВ; О... +20 мВ; О...+50 мВ; О... +100 мВ; - 100 .. .0...+ 100 мВ;О...+ 1В; -1...0...+ 1В;О...+ 5В; -5...0...+5В;+1В ... +5 В; О...+5 В; О... +10 В; -10.. .0 .. .+10 В. Для дистан- ционных измерений средствами агрегативных комплексов АСУ ТП и ИИС рекомендуется применять сигналы О... + 1 В; О...+5 В; 1В...+5 В. Современные интегральные микросхемы изготовляются в основном в двух базовых конструкторско -технологических типах: полупроводниковые и гибридные . Для того, чтобы микросхемы можно было легко отличать друг от друга, на их корпусах маркируются условные обозначения . Условное обозначение представляет собой код, отража­ ющий конструктивно-технологические особенности микро­ схемы и характер выполняемой функции. Условное обозначе­ ние микросхем состоит из трех элементов. Первый элемент - три цифры, указывающие номер серии, причем первая цифра обозначает конструктивно-техноло ­ гическое исполнение микросхемы: 1,5 - полупроводниковые; 2, 4, 8 - гибридные; 3 - пленочные; 7 - бескорпусные; вто­ рые две цифры - порядковый номер разработки серии мик­ росхем (от 00 до 99) . Второй элемент - две буквы, отражающие функциональ ­ ное назначение микросхем . Третий элемент - порядковый номер одинаковых по функциональному назначению микросхем из данной серии. Очень часто за третьим элементом обозначеш+я следует бук ­ ва, указывающая на то, что микросхема данного типа имеет группы, которые отличаются по одному или нескольким па­ раметрам. Если перед условным обозначением микросхемы стоит буква К. то это обозначает, что она предназначена для бытовой и пром.ышленной аппаратуры. 263
Условное обозначение анал оговых микросхем, котор ые ш ироко применяются в измерительной технике , следую щие: НР - микросборки, наборы резисторов ; КН - ко м мут атор напряжения ; КТ - коммутатор тока; УВ - усил итель высо­ кой частоты ; УН - усилитель низкой частоты; УР - уси­ литель промежуточной частоты; УД - о перационные · ус или­ тел и; УТ - усилитель постоян ного тока ; ЕН - стаб илиза ­ торы напряжения; ЕП - проч ие стабил изаторы ; ПА - циф­ роанало говые преобразователи; ПВ - анал ого - цифро вые преобразователи . 8.2 . КОММУТАТОРЫ Коммутаторы предназначены дл я исПользова н ия в много­ ~анальных системах обработки информации . Они обеспечи­ вают коммут ацию как аналоговых, так и цифровы х си гналов и широко используются в схемах преобразова н ия цифро вой и аналоговой информации . Промыш л енностью выпускаетс я широкая номенклатура коммутаторов . Основные техни чес­ кие характеристики их приведены в табл . 8.2 . По этим ха р ак­ теристикам выбир·ают нужный коммутатор для решения кон -. кретных задач измерения . Однако основными характе р исти ­ ками, на основании которых выбирают коммутаторы , явля­ ются сопротивление открытого канала, время задержки вкл ю­ чения и выключения, а также коммутируемое н апряжение . При выборе коммутаторов для работы в составе информаu и­ онно - измерительной системы с микро -ЭВМ учитываю т воз ­ можность управления цифровым кодом и количество кана ­ лов . В ПОСЛедние ГОДЫ широкое распространение ПОЛУЧ ИЛ И в качестве аналоговых ключей МОП - транзисторы . Это об ъяс ­ няется большим входным сопротивлением их для си гнал а любой полярности, что обеспечивает хорошую развязку меж ­ ду управляющей и коммутируемой цепями . В полупроводниковом исполнении коммутаторы на МОП­ транзисторах представляют собой интегральные схемы серий 168 и 190 . В серию 168 входит четырехканальный коммут а ­ тор типа 168КТ2, который коммутирует напряжение до 25 В при частоте коммутации до 1 МГц. В серию 190 входят пя ­ тиканальный переключатель напряжения типа 190КТ1 и сдвоенный двухканальный переключатель типа 190КТ2 . Он и позволяют коммутировать напряжения до 25 В , а амплитуд а управляющего сигнала должна быть порядка 6 В . Основны м недостатком · этих микросхем является несовместимость и х при сопряжении с цифровыми интегральными микросхема - 264
ми. Схемы включения этих коммутаторов подробно описа­ ны в [В,2, В . 11, В . 13) . Указанный недостаток устранен в ком­ мутаторах серий 143, К590, К591, К543 . В них коммутаци­ онные каналы состоят из ключа и устройства управления . Устройства управления коммутаторами типа 143КТ1, К590 KHl, 1(590КН2, К591КН1, К590КН3, К590КН4, К590КН5, К590КН6, К590КН7, К590КНВА, К590КН9, К590КН10, К590 КН12, К543КН1, К54КН2, К54КН3, К590КН1, К590 1 КН2, К591 КН3 содержат схему согласования выходных уровней ТТЛ интегральных схем с вхо$ы11и уровнями МОП -тран­ зисторов. Коммутатор l 43КТ1 управляется· от ТТЛ интегральных микросхем, обеспечивающих в открытом состоянии ·низкий уровень выходного напряжения не более +О.45 В, при вход­ ном токе не менее 2,5 мА. В закрытом состоянии протекающий через выходные зажимы ток не менее О,В мА . Управляющая логическая ТТЛ микросхема допускает по­ дачу на вход в закрытом состоянии напряжения не более +5 В. При этом управление осуществляется одним ключом микросхемы 143КТ1 . Схема включения коммутатора приве­ дена на рис. В.1 . Рис. 8.1. Схема включения коммутатора 143КТ1 г­ Вз: 1 !:lnp.1 111 B.rl !:lпр.21 121 1 L 7 --- +58 В серию К590 входят: К590КН1 - В-канальный коммута ­ тор с дешифратором; К590КН2 - 4-канальный аналоговый ключ со схемой управления; К590КН3 - В-канальный (4 Х Х2) аналоговый коммутатор с дешифратором; К590КН4 и К590КН5 - 4-канальные аналоговые ключи со схемой управ­ ления; К590КН6 - В-канальный ана.1оговий коммутатор с дешифратором; К590КН7 - 4-канальный аналоговый ключ со схемой управления (двухполюсное переключение); КР590КНВА - 4-канальный ключ с повышенным быстродей­ ствием (однополюсное включение) для коммутации напря ­ жений от минус 1О до + 1О В; К590КН9 - два аналоговых ключа со схемой управления; К590КН10 - 4-канальный ана- 265
Анало208ые Входы 11 - trhtrhhhh 10 li Ана~о~о6ый IIII;IIII~~: 15114 131 12I 2° 2 , 2 2 .Раэрешение• Ло-~ические 6:zo/Jы t) Рис. 8.2. Функционал ьная схема коммутатора K590KHI логовый ключ со схемой управления для переключения ма ­ лых сигналов; К590КН12 - 4-канальный ключ с памятью на логических входах; К590КН13 - 4 . канальный анало го­ вый ключ со схемой управления; К590ИН1 - стати.ческий 1'0-разрядный сдвигающий регистр, предназначенный для управления коммутаторами серии К590 . Коммутатор К590КН1 предназначен для использования в аналого-цифро ­ вых преобразователях многоканальных систем обработки цифровой информации [8 .3) и других устройствах (рис . 8.2) . Коммутатор К590КН1 имеет восемь входных каналов и один в'Ь1ходной . Управление включением каналов производится в соответствии с табл . 8.1 от ТТЛ интегральных схе-м путем создания комбинаций «Лог . 1» и «Лог . 0» на управляющ их входах . Микросхема К590КН2 (рис . 8.3) включает в себя четыре независимых аналоговых ключа со схемами управления [8 .2) . Она предназначена для коммутации аналогового и цифрово ­ го сигналов с амплитудой + 10 В и может использоваться в многоканальных системах передачи и обработки информа - Таблица 8.1. Коды управления коммутатора К 591КН1 Логические входы Разре- Оrкры т 2" 2' 2• шение канал о о о 1 1 1 о о 1 2 о 1 о 1 3 1 1 о 1 4 о о 1 1 5 1 о 1 1 6 о 1 1 1 7 1 1 1 1 8 266
Рис. 8.3. Аналоговый ключ К590КН2 1\) Анало"l.. -z2 О) Хорпус '1 ~ ё::;; ~ <::}' i'i3 ~ iЗ со 1 i\) Оо Аналоz. бы:z i/ Аналог. б:z i/ Лоzич. бх i/ llozuч. бз: З Анало-z.. б:z S Анало-z.. бых 3 ции; в схемах в1юд<1 - вывода для ЭВМ; в схемах выборки и хранения; в аналого-цифровых, цифро-аналоговых преобра­ зователях; в качестве аналоговых переключателей и в качест­ ве реле . Микросхема совместима по логическим входам с микросхемами ТТЛ серий и имеет защиту логических входов от статического заряда . Остальные микросхемы этой серии выполнены по той же технологии, но предназначены для ;фу ­ гих функциональных задач . В серию К590 также входит 1О-разрядный сдвигающий регистр К590ИР1 [8 .3] . Он может быть испоJ1ьзован для уп­ равления коммутаторами серий 190, К590. Схемы включения сдвигающего регистра К590ИР 1 приведены на рис . 8.4 . Для нормальной работы микросхемы сумма напряжений между выводами 16 (Еп1) и 8 (Еп2) должна быть (Еп1] + [Еп2] = = 17В+10 %. Положительный потенциал вывода 8 при лю­ бом включении микросхемы должен быть выше потенциала любой точки схемы. -ISB , Рис. 8.4. Типовая схема включения микросхем К590ИРI ~ 267
Сопротивление открытого канала , Ом Ток утечки на выходе Время задержки включения, Мкс Время задержки выключения, Мкс Входной уровень «Лог . 0», В Входной уровень «Лог . 1.», В Коммутируемое напряжение, В Коммутируемый ток, мА Количество каналов Основные техничес кие 10010030 50 10 400400 202010051005050 2,0 0,3 1 1,5 1,5 1,6 0,1 - - 5 о.в· о.в 0,8 - - - 0,8 0,5 0,5 2,4 - - - 2,4 2,4 2,4 252525-±± 10 10 245411616 Напряжение питания сдвигающего регистра К590КР 1, подаваемое через нагрузочные резисторы, выбирается из условий применения микросхем. Максима"1ьное же напряже­ ние между выводо!v! 8 и выходом микросхемы не должно пре ­ вышать 29,7 В. Сопротивления резисторов R4, •• • R13 выбира­ ются так, чтобы ток, протекающий через выходные транзисто ­ ры, не превышал 1 мА . Шестнадцатиканальный коммутатор K590KHI обеспечи ­ вает как последовательное переключение, так и произвольную выборку каналов, причем с возможностью наращивания чис­ ла коммутируемых каналов за счет подключения нескоJiьких коммутаторов . На рис . 8 .5 приведена функциональная схема коммутатора. Коммутатор включает в себя: четырехразряд­ ный двоичный счетчик; дешифратор на 16 выходов; 16 анало ­ говых ключей и схему расширения . Он предназначен для ис ­ пользования в электронной аппаратуре в качестве: 16 - кана­ льного коммутатора аналоговых сигналов, управляемого тактовыми импульсами (последовательная выборка); 16 -ка­ нального коммутатора аналоговых сигналов, управляемою параЛJ1ельным четырехразрядным двоичным кодом (произво­ льная выборка или выборка по заданному закону). · При применении дополнительных логических элементов микросхема коммутатора может быть использована в качест­ ве ана.1югового коммутатора с числом каналов менее 16. Если же включить две или больше микросхем, то без использова­ ния дополнительных логических элементов можно построить 32- и 48-канальный и т. д . коммутатор аналоговых сигналов, управляемый последовательностью тактовых импульсов . Особен!iостью коммутатора К591 KHl является : совмести­ мость по входам с ТТЛ/ДТЛ интегральными микросхема-
Таблица 8.2 характеристики коммутаторов 8020010030075703030701020 50505030270 ~oofummm5moooo1mm55 оо 0,1 0,1 0,5 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 О, 0,5 0,1 0,3 0,1 2,5 0,3 0,3 0,51,00,50,30,30,30,30,3о.о0,50,10,3О,1- 0,3 - 0,5 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 ±±±±±±±±±±±'±:±±±± 1051015151515151015115155115 10102020202020 20 2020520- 81х44х44844244416116 8 2 Рис. 8.5 . Функциональная схема К591КН1 : А11•.• А16 - аналоговые входы; 2°, 2 1, 22• 23 - адресные входы ; 1 - тактовый вход ; ~ =~~~~~~:~~~·~~;ход; 1 4 - nредустановка каскада ; 2 5 - разрешение предустановка каскада ; 6 - блокировка ; 7 - вход синхроннзацнн 2°2'2 2 23 •· ми; произвольная и последовательная выборки; наличие вхо- да «блокировка»; наличие сигнала об окончании цикла по­ следоватеJ1ьного опроса; воз:\iожность расширения числа коммутируемых каналов без дополнительных логических эле­ ментов и защита логических входов от статического заряда . Ниже приведена таблица истинности коммутатора К591КН1 (табл. 8 .3). Под логическими уровнями микросхемы К591КН1 понимаются логические уровни, инверсные уровням ТТЛ-схем, т. е. «Лог. 0» соответствует напряжение б.1изкое к + 5 В, а «Лог. 1» - напряжение близкое к О В. Следует отметить, что для любого логического состояния адресных ­ входов микросхемы при наличии импульса «блокировка» все каналы будут закрыты . В табл. 8.4 приведены состояния ло ­ гических входов при различных режимах работы коммутато­ ра. На тактовый вход схемы необходимо подавать импульс с уровнем «Лог. 1». При работе микросхемы К591КН1 в режиме произвольной выборки (рис. 8.6,а) тактовый (счетный) вход счетчика не 269
Таблица 8.3 Таблица истинности коммутатора К591 KHI Адресные входы Блокировка 2• 2• 2' 20 Канал о о о о о 1 о о о о 1 2 о о о 1 о 3 о о о 1 1 4 о о 1 о о 5 о о 1 о 1 6 о о 1 1 о 7 о о 1 1 1 8 о 1 о о о 9 о 1 о о 1 10 о 1 о 1 о 11 о 1 о 1 1 12 о 1 1 о о 13 о 1 1 о 1 14 о 1 1 1 о 15 о 1 1 1 1 16 1 " * " " Все закрыты "' любое логическое состояние . используется, а сам счетчик работает как 4-разрядный запо­ минающий регистр. Если осуществляется синхронная запись, то ввод информации производится импульсом («Лог . l»), поступающим на вывод «предустановка» . Введенный код за ~ поминается и изменение кода на адресны