Автор: Готра З.Ю. Чайковский О.И.  

Теги: автоматика и телемеханика   измерительные приборы  

ISBN: 5-7745-0233-3

Год: 1995

Похожие

Датчики (перспективные направления развития)

Емкостные дифференциальные датчики перемещения

Справочник инженера по контрольно-измерительным приборам и автоматике

Справочник по слаботочным электрическим реле

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 адресных входах в отсутст ­
вие импульса записи не меняет состояния регистра .
17
д
аналого!Jые
IJ:xotJы
Рис. 8.6.
а
~~ +-58 -ts8
25
анаmго!Jый
IJыxotJ
Схемы включения К591 KHI :
а - в режиме произвольной выборки ;
б - в режиме поспедоватепьиой выборки
58t1c.t
д
анал~iодые
IJ:xotJы
~
~:1С +58-158
25
аналоzо/Jый
бь1ход
/


Таблица 8.4
Состояние лог11ческ11х входов пр11 различ11ых режимах коммутатора
Разреше -
Режи м
Предуста - нне п ред- П редуста-
Вход
Вход
выборки
Влокнровка
нов ка
устаяов -
новкв
сннхро -
тактовый
и иформа -
кн кас-
каскада
ннэацнн
импуль с
када
ции
о
о
1
1
о
о
Последова-
тельный
о
1
1
1
о
о
Прш1звол ь-
ный
1
*
*
*
#' ;.;~·
.
.
*
*
Блокировка
* - любое логическое состояние .
При асинхронной записи на вывод «Предустановка» по­
стоянно поступает разрешающий потенциал («Лог _ 1») - Код
на адресных входах непрерывно отслеживается регистром
и состоянием выходных транзисторов .
Когда коммутатор К591КН1 включается для работы в ре­
жиме последовательной выборки информации (рис . 8_6,б),
счетчик работает в режиме пересчета импульсов, поступаю ­
щих на его тактовый вход. Схема последовательно проходит ·
все 16 состояний. Уровень тактовых импульсов соответствует
«Лог . 1». При необходимости предустановки некоторого на­
чального состояния счетчика следует подать на адресные
входы соответствующий код и записать его с помощью им­
пульса («Лог. 1»), приложенного к выводу «Предустановка» .
Если предустановка счетчика не требуется, то на адресные
входы и вывод <<Предустановка» следует подать сигнал
«Лог. 0», подключив его к шине +Б В . Подачей сигнала
«Лог. 1» на вход «блокировка» можно в произвольный
момент времени запереть все ключи, независимо от состояния .
счетчика.
Допускается каскадное включение коммутаторов
К591КН1, при этом обязательным условием нормальной
работы является предварительная установка счетчиков обеих
микросхем в одинаковое состояние, а схем управления -
в противоположное . Установка начального состояния произ­
водится импульсом «Лог . 1», поступающем одновременно
·на
выводы «предустановка» и «разрешение предустановки
каскада» микросхем . Так как на адресные входы приложены
сигналы «Лог. 0» ( + 5 В), то счетчики устанавливаются
в положение 0000, соответствующее . первой строке таблицы ·
истинности . При необходимости можно установить счетчик
в любое начальное состояние, но обязательно одинаковое для
обеих микросхем . Так как на входы предустановки каскада
4!
271


схем управления прикладываются противоположные логи­
ческие уровни, то дешифратор одной микросхемы открь1т,
а другой - закрыт.
Для совместной работы можно объединять и большее
число микросхем. При этом вывод «предустановка каскада»
первой микросхемы подключается к шине «земля», а выводы
«предустановка каскада» других микросхем - к шине + 5 В .
Вывод «Вход синхронизацию> каждой следующей микросхе ­
мы подключается к выводу «выход синхронизации» после­
дующей, а вывод «вход синхронизации» первой соединяется
с выводом «вход синхронизации» последней микросхемы .
Тем самым схемы управ.1ения замыкаются в коо11ьцо, и с каж­
дым циклом происходит передача сигнала «Лог. 1» триггера
схемы управления от предыдущей микросхемы к после­
дующей.
Дальнейшей разработкой коммутаторов с цифровым уп ­
Р'авлением являются микросхемы серии К543. В состав серии
входят : схемы К543КН1-16-канальный аналоговый комму­
татор с управлением последовательным кодом; К543КН2-
16-канальный двухгрупповой аналоговый коммутатор с уп­
равлением параллельным кодом; К543КНЗ- восьмиканаль ­
ный аналоговый ключ.
• Микросхемы этой серии позволяют подключать на один
.управляющий вход не более двух выходов ТТЛ и КМОП схем .
Разрешается подключать к управляющему выходу микро­
схем серии К543 не более одного входа схем ТТЛ и КМОП -
серии и одного управляющего входа микросхем серии К543.
8.3. УСИЛИТЕЛИ
Усилители занимают особое место в ряду аналоговых ин­
тегральных микросхем . Условно все усилители можно разде­
лить на дифференциальные, операционные, усилители вы­
сокой, промежуточной и низкой частот.
Дифференциальные усилители имеют два входа и два
выхода . Основная их задача - получить на выходе напря- .
жение, пропорциональное дишь разности потенциалов на
входах дифференциального усилителя и не зависящее от их
абсо.1ютного значения, от изменения напряжения питания,
температуры окружающей среды и других факторов.
Теоретически дифференциадьный усилитель не усиливает
синфазный и равный по уровню для обоих входов сигнал,
так как такой сигнал подавляется в результате вычитания
и не влияет на выходное напряжение. Однако практически
полного подавления постоянного уровня добиться трудно.
272


Нщ1ряжение на выходе зависит в некоторой степени от
синфазного входного напряжения . Это происходит из-за
рассогласования параметров интегральных транзисторов
и резисторов .
Коэффициент усиления напряжения для дифференциаль ­
ных усилителей, в зависимости от способа подключения на ­
грузки, подразделяют на п"1ечевой и дифференциаJ1ьный .
Если нагрузка подключается к одному из выходов схемы и
корпусу (несимметричное подклю чение нагрузки), то реали ­
зуется плечевой коэффициент УQИ{!~ния напряжения. При
подключении нагрузки между выходами (симметричное под ­
ключение нагрузки) реализуется дифференциальный коэффи­
циент усиления напряжения, который равен сумме плечевых
коэффициентов усиления напряжения .
Дифференциальные усилители применяются для построе­
ния схем смесителей и умножителей частоты, модуляции и
детектирования. Интегральные дифференциальные усилите ­
ли позволяют производить каскадирование по постоянному
току, что поставило этот тип усилителей в ряд универсальных
базовых эле:wентов для построения аналоговых измеритель­
ных приборов и систем. Основные параметры дифферен­
циальных усилителей приведены в табл. 8.5 .
Широкие возможности полупроводниковой технологии
определи.1и в настоящее время разнообразные схемотехни­
ческие приемы построения интегральных усилителей. В полу­
проводниковых интегральных микросхемах почти нет разде ­
лительных конденсаторов и индуктивностей, поэтому они яв­
ляются широкополосными устройствами, причем верхняя
граница полосы пропускания определяется, в основном, час­
тотными характеристиками интегральных транзисторов. Так,
усилители, работающие в трактах низкой частоты, имеют
полосу пропускания от нуля до 100 ... 1000 Гц, а работающие
в трактах про:wежуточной частоты - от нуля до 30 МГц. На
этих усилителях разрабатываются функциональные узлы для
аппаратуры различного назначения, в том числе и для измери­
тельной. Основные электрические параметры этого класса
усилителей приведены в табл. 8 .5 . Дифференциальные уси­
лители и усилители высокой, промежуточной и низкой частот
широко применяются в телеметрических измерительных си­
стемах, в которых измерительная информация передается
при помощи модулированных колебаний .
Особое место в измерительной технике занимают опера ­
ционные усилители (ОУ), которые позволяют реализовать
схемы с фиксированными коэффициентами усиления и тре­
буемыми передаточными функциями . ОУ широко используют­
ся для построения,-схем самых различных устройств : стабили-
1 / 1CI R~l-n
273


~1-
Кl18УДI
У118УНI
Кl18УН2
Кl57УНI
Кl74УН3
К174УН5
К174УН7
Кl74УН8
Кl74YPI
К174УР2
J(l 74YP3
I075YBI
I075YB2
К175УВ3
К175УВ4
Кl98YTI
Кl98УНI
К538УНI
K548YHI
Таблица 8.5
Основные nарраметры дифференциальных усилителей
uO
"
"'
""
"
"
о~ "'
с.
жЭЕ
о
1-
1-
"
"'
t
~
-Во
о
"
с.
"
1-"
с.
"'
,.."
"
"
1-
,;.
""
=
""
"'
"
х
"'u
о
""
"'.
"
'°
"
о
u"'
""
"'
...
"
1-
~с:'° о "
"
",_
"'
с.
"'"'
""
о"' :1Х
... "
"'
"'
""
i~:i"" "'
""'
ЭЕ=
"
1-<;
~
о
:.;~
"'
"
g"
-&:с
~i ;з~
"'="'
~
-Во "
-&"' х
"'
~< ""'
~о.
"'
""
"'"'
"'"""'
><"
С'\~-=
"'""'
с. :1
"
""'
о"
х"о"'о~~ "'"'
"="' :z:~~
""-
:r
1- "'
:.::'~
"''"
~"' =
"'ЭЕ :.::' " =
"'"'
Лиф . 1.8
15
1О60645±4
1
±6,3
УПТ 3,5
250 -
-
23,85
12
5
Каск. 2
25-
-
13,856,3
5
УНЧ 5
-
-
-
-
3512
--
УНЧ61400-
-
10-
1,2
6
-
Усил . 30 80... 120
-
-
1О-
112
0,02
мощи.
Усил . 15
-
-
-
50 5,5
-
15
0,02
МОЩИ .
Усил. 15 4.. .40
-
-
10-
!О 12
0,02
мощи .
Усил . 20
-
-
-
-
-
2
12
6,5
оrран .
УПЧ 50
-
-
-
-
4,2
-
12
35
УПЧ 12
-
-
-
3,9
-
2
6
15
Шир. 4
10
-
-
1-
10 6,3
-
полос .
Лиф . 3,5
1
-
6013,5
-
6
55
Шир. 2
-
-
-
0,75
-
-
6
3
полос .
Лиф. 3
-
-
60-
2-
6
150
Лиф. 5
70
207052,5
-
±6,3 0 ,7
Диф. 6
4
-
-
3,3 2 1О ±6,3
1
Унив. 6
юs
-
62 50 - 0,05 12...18
1О
Двух - 8 2.105
-
-
-
15 0,05 18
20
каи .
заторов напряжения, генераторов сигналов, активных филь ­
тров, масштабирующих, логарифмирующих, дифференциру­
ющих, интегрирующих и другv.х типов усилителей. Стандарт­
ный ОУ общего применения может использоваться примерно
в 150 схемах включения .
Принципиальные схемы ОУ состоят из ряда базовых схе­
мотехнических элементов: генераторов стабильного тока,
дифференциальных усилителей, опорных элементов, каскадов
сдвига уровня оконечных усилителей и схем их защиты . Эти
элементарные схемы подробно описаны в литературе (8.7,
8.10, 8.15] .
Операционный усилитеJlЬ является высокочувств итель­
ным элементом, усиливающим как полезные сигналы, так и


сигналы помех (внешние наводки и собственные шу м ы) . На­
л ичие инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ по­
зволяет в ряде случаев значительно ослабить уровень помехи .
Усил итель с обычным входом в один аковой степени усиливает
полезные сигналы и помехи, не изме н яя соо т ношения между
ними . В усилителе же с дифференциальным входом синфаз­
ные сигflалы помехи усил иваются в одно и то же число р аз
как с инвертирующего, так и с неинвертирующего входа . В ре ­
зультате они ослабляют дру г друга пропор ц ионально коэф ­
фициенту осл абления синфазного сигнала .
В зависимости от способа съем.а5· с выхода и подачи на
вход сигнала отрицательной обратной связи на базе ОУ реа ­
лизуются четыре типа усилителей (8 .7) : усилитель напряже­
ния, усилитель тока , усилитель переходного сопротивления
(трансформатор сопротивления) и усилитель переходной
проводимости (трансформатор проводимости) . Кроме того ,
различают инве ртирую щ ее и неинвертир ующее включен ие
ОУ . При включении ОУ в качестве и н вертирующего усили­
теля фаза выходного сигнала сдвигается. на 180 град. отно ­
сительно фазы входного сигнала . Это включение ОУ явля­
ется основным .
Неинвертирующее включение ОУ применяется в тех слу­
чаях, когда необходимо саг.пасовать источник, обладающий
высоким сопротивлением, со схемой обработки сигнала, име ­
ющей низкое входное сопротивление . В этом случае фаза
выходного сигнала повторяет фазу входного .
В результате развития схемотехнических и технологичес­
ких решений разработан ряд полупроводниковых ОУ, кото ­
рые можно условно разделить на четыре группы [8.12) : ОУ
общего применения, которые позволяют строить узлы аппара­
туры, имеющие суммарную погрешность на уровне 1 %; пре­
цизионные ОУ, котоvые имеют очень большой коэффициент
усиления, а также гарантированные малые уровни дрейфов
и шумов, что обеспечивает реализацию узлов, работающих
с погрешностью не более десятых долей процента; быстродей­
ствующее ОУ, предназначенные для построения широкопо­
лосных усилителей со скоростью нарастания выходного на­
пряжения более 20 В/мкс, и микромощные ОУ, которые по­
требляют от источников питания ток менее 1 мА.
К первой группе относятся ОУ 140УД1, l40УД5, 140УД2,
140Д6, 140УД7, 140УД8, 140УД9, 140УД18, 140УД20 ,
153УД1, l53УД2, 153УДЗ, i5ЗУД6, К544УД1, К551УД1,
К551УД2, К553УД1, К553УД2, К553УДЗ, Ю401УД1,
Кl401УД2, Кl407УД1, Кl407УД2, Кl408УД2, КI409УД1 .
Ко второй группе - прецизионных ОУ
-
относятся
140УД14, 140УД17 и 153УД5.


Таблица 8.6
Основные параметры операционных усилите.пей
На пряже - Дрейф
Дрейф
Коэффн - Скорость Час"tо-
Напряжение ине сме- напря -
Разность разности
цне11т ос -
нараста - та еди-
Входное Входное Выход- Ток
Тип операuи -
жения Входной
Коэффнuн- лаблення
источников
щення
входнмых входнмых
ння аы-
ничн.
сопротн- напря - ное на - потре -
онноrо уснли -
смеще- ТОК /8Х •
ент уснле - сннфаз -
тел я
пнтання .
нуля .
ннял u" ,
нА
токов
токов
ння . к" ной 110-
ходноrо ус иле-
вленне .
жение, пряже - бления .
и•. в
и"
д/fJXo нА дt••/ дт
напряж .,
ння ,
кОм
в иие,В мА
мВ
лт.
нА/ 0С
мехи.
В/• •• МГu
мкВ/ .0С
Кос
140УД1
А
±6,3
7
20 5-103 1,5-103 30 900. _ -4000 60
0,2
5
4 ±1,5 ±3 4,2
-
---
--
--
Б
±12,6
8-103
2000.. _104
0,5
±6
140УД2
±12,6
5
20
700
200
3
35- !0
3
80
0,12
2
300 ±4 ±IO 16
140УД5 ~ ±12
7
45
800
200
1,5
l IOOO
60
3
15
150
-
±85
--
--
---
--
--
-
--
-
Б
4,5
6
юз
150
5
11000
80
6
100
10
140УД6 ~ ±15
5
20
30
10
0,1
7 .1Q4
80
2,5
1
3-10' ±11 ±12 2,8
-
--
--
--
--
---
--
--
Б
8
40
50
15
0,3
5-104
70
2
140УД7
±15
4
6
200
50
0,4
5-104
70
10
0,8
400 ±12,4 ±11,5 2,8
140УД8 ~ ±15
50
50
0,1
0,1
-
5-104
70
2
1
-
±10 ±10 3
---1---
---
-
-
Б
100 100 0,5
2- !04
5_
5
140УД9
±12,6
5
15
350
10
3
35. юз
80
0,2
1
300
-
±10 8
140УД10
±15
4
-
250
50
-
5- !04
80
50
15
!ООО
-
±11 8
20
140УД11
±15
1О
-
250
50
-
25-103
70
20
15
-
-
±12 8
140УД12
±1,2.. -18
5
3
7,5
3
-
5-104
70
0,03
1
5-103
±1 ±2 0,02
---
---
--
1---
50
15
юs
0,8
5-104
1О 1О 0,15
140УД13
±15
50
0,5
0,5
0,2
0,003
0,01
90
-
ю-2 5-104
±10 ±1
2
140УД14
±15
2
20
2
0,2
0,02 25- !0
3
70
0,2
0,5 3- !04
-
±13 0,6
140УД17
±15
20
0,2 0,15
0,05 ю-з
5. JO!f 160
2,5
3
юs
±12 -
3,5
140УД18
±15
10
-
1,0
0,2
-
5-104
80
5
2,5
-
±10 ±11 4
140УД20
±15
6
-
200
50
-
5-104
70
0,3 0,55
400
±14 ±14 3,5


Продолжение табл . 8.6
Напряже- Дрейф
Дрейф
Коэффи - Скорос т ь Часто-
Напряжение нне сме- напря -
Разно сть раз ности
uнеНт ос- нарас та та ед н- Входное 1Вход1юе Выход- Ток
Тип операuи -
жени я Входной
Коэффиuи - лабления
онного усилн -
источников
щення
смеще- ток t.)C.
входнмых входи м ых
~нт уснле- сннфаз- ния вы- ннчн. сопроти- напря- ное на- потре-
тел я
п итания,
нуля .
НИЯ Л Ut:w/
нА
токов
токов
ння, IС.
ной по- ходно rо усиле - вление. жение , пряже- блення.
и•. в
Иом
д/оJС. иА дt"/дт
напряж ..
ния,
кОм
в ние,В мА
мВ
лт.
иА/0С
мехи ,
В/••,
МГu
мкВ/.0С
Кос
140УД21
±15
60
0,6
0,1
0,5 4.10-з
106
120
2,5
3
-
±10 ±10 5
140УД22
±15
10
-
0,2
0,05
-
25-104
80
12
5
-
±10 ±11 0,01
140УД23
±15
5
-
0,1
0,02
-
5-104
80
30
20
2
±12 -
7
153УДI
±15
5
30
600
250
17
2-104
65
0,06
1
100
±5±106
153УД2.
±15
0,5
20
500
200
2
2· 104
70
0,5
1
300
±30 ±11 3
153УД3
±15
2
10
200
50
3
3-104
80
0,2
1
300
±8 ±10 3,6
153УД4
±6
5
50
400
15
3
2-103
70
0,1
1
200
2
±4 0,8
153УД5
±15
2,5
5
125
35
0,5 125-103 94 5.10-з 0,1
юз
±5±102
153УД6
±15
2
15
75
10
-
5-104
80
0,5
0,7
-
-
±10 3
154УДI
±15
3
-
20
10
-
2-105
86
10
-
· •;_.
-
-
±11 0,12
154УД2
±15
2
20
100
20
-
105
86
150
-
~~
-
-
±10 6
154УД3
±15
9
-
2125
30
-
8-103
80
80
-
-
-
±9,5 7
154УД4
±15
6
-
120
300
-
8°103
74
400
-
-
-
±10 6
К544УДI А
±15
30
30 0,15
0,05 5.10- 2
5-104
64
2
1
104
±10 ±10 3,5
-
--
--
--
---
Б
50
100
1
2-104
К544УД2 А
±15
30
50
0,1
0,1
-
2-104
70
20
15
-
±10 ±10 7
-
--
--
--
---
Б
50
100 0,5
104
КМ551УДIР
±15
1,5
1О
100
20
1
5· 105
100
-
-
-
-
±10 5
-
--
--
--
---
--
Б
2,5
125
35
2,5· 105 94
КМ551УД2А
±15
5
-
2-103
103
-
5°103
70
-
-
-
-
±10 10
Б
К553УДI А
±15
7,5
10 1,5· 103 500
0,8
15-103
65
0,2
1
100
±8±106
-
--
---
--
--
Б
2
200
50
25-103
3,6


"
Продолжение табл. 8 _6
Дрейф
Козффи -
;
Напряже-
Дрейф
Скорость Частn-
Напряжение ние сме- наnря
Разность разности
UИС'НТ ОС-
нараста- та С..IИ-
В '<О.1НОС' 1В хо.1НОС Вы хоз. - Ток
Тип операцн-
ження Входной
Козфф 11ш1 - ~~а6.н:'ш1я
ис точников
шения
смещ е - ток/"",
в х одимых входи~ ы х
НТ \'C~l .l'C- си н фаз-
ния вы-
ннчн .
сопроп1-
напря нос на- потпе-
ОНН О ГО УПIJ1И-
IНIТЗ НИ Я,
нуля,
TOIIO B
то ков
'< 0.LНОГО уси.1е -
в.1 снис.
ЖС'НИС, пряже- li.1енвя.
те~1 я
и•. в
и" HИЯl\Uf..'t ' н А
д/111. нАд/"/дт.
HllЯ-. К11 ной по-
нпя.
к0'1
в
ние, В .... л
.Н.
"а:- х и,
наnр яж ..
.... в мкВ/,°С
нА/0С
Кос
В/." МГ11
К553УД2
±15
7,5
20 2-10
3
500
2
2-104
70
0,5
1
300
±12 ±10 6
К553Уд3
±15
2
10
200
50
3
3-10
4
80
0,2
1
300
±В±103
К574УДI
±15
20
30
0,5
0,2
-
150
80
90
18
109
±15 ±10 5,5
Кl401УДI А
±5
5
35
150
30
-
2-10
3
70
0,5
2,5
100
-
2,8 8,5
-
--
~
Б
15
12,5
Кl401УД2
3___33
5
30
\160
30
-
5-10
4
70
0,5
-
5-104
-
12
3
±1,5 _" lб
К1407УД1
±12
6
-
104 2· 10
3
-
104
70
25
20
-
-
3
8
К1407Уд2
±12
5
-
15
5
-
5. 10
4
70
0,5
3
-
-
-
0,1
Кl407УД3
±(2___ 12)
5
-
5-10
3
103
-
104
76
-
-
-
±3
2
КР1408УД1 А
±27
8
-
40
10
-
7· 104
70
1,5
0.5
-
±34 ±21 5
-
-
--
--
---
Б
10
50
15
5. 104
Кl408УД2
±15
5
-
200
50
-
5-10
4
70
0,3
о.в
400
±12 ±11,5 2,8
К109УДI А
15
15
-
0,05
0,03
0,2
2-10
5
70
'4
-
-
±IO±16
-
--
---
~
-
Б
±5
0,01
+2.5 2 ,5


Быстродействующие ОУ третьей группы состоят из
140У1Д10, 140УДI1, 154УДЗ, 154УД4, К544УД2 и К574УД1,
а к четвертой относятся 153Уд4 и 140Уд12 . Отдельно в ряду
усилителей стоит 140УД 13, который представляет собой диф ­
ференциальный предусилитель постоянного тока типа МДМ
(с модуляцией, последующим усилением и демодуляцией
си г нала) и КР 1408УД 1 - универсальный высоковол ьтный
ОУ . Параметры рассмотренных отечественных операционных
усилителей приведены в табл. 8.6 .
При выборе ОУ для использt'!щ:!fшя в измерительных си­
стемах прежде всего определяется нужная группа усилите­
лей. Выбор группы производится из анализа требований к
измерительной системе и задач, которые должен решать в ней
ОУ. Затем на основании табл. 8.6 выбирается ОУ из группы
усилителей данной группы .
Для повышения миниатюризации аппаратуры многие ОУ
имеют свои анало ги в бескорпусном варианте (табл . 8.7).
Это позволяет располагать бескорпусные ОУ рядом с первич­
ным преобразователем и получать минимальные габаритные
размеры для датчиков . Схемы включения бескорпусных ОУ
аналогичны их корпусным аналогам.
Таблица 8.7
Бескорпусные ОУ н нх аналоrн
в корпусном исполнении
Условное обоз начение
710 УДl-1
740 УДIА-1
740 УДIБ-1
740 УД5-1
740 УД4-1
740 УД3-1
Серия корпусных ОУ
153 УД4
153 УДIА
153 УДIБ
153 УД2
140 УДб
140 УДI
При практическом использовании ОУ возникает необхо­
димость подключения дополнительных цепей . Схемы вклю­
чения и параметры цепей частотной коррекции ОУ приведены
в табл . 8.8. Так как уменьшение коэффициента усиления
усидителя с отрицательной обратной связью достигается за
счет увеличения глубины обратной связи, то чем он меньше,
тем эффективнее должна быть коррекция частотной харак ­
теристики ОУ . Поэтому в табл. 8.8 приведены параметры
цепей коррекции для разл ич ных значений коэффициента
усиления .
Практика применения вспомогательных цепей ОУ, а так­
же методы кор}Jекции параметров ОУ ш ироко описаны в


литературе [8. 1, 8 .7, 8 . 11, 8.15] и поэтому в данной работе
не рассматриваются .
Важным является вопрос сопряжения датчиков с входом
ОУ или же сопряжение первичного измерительного преоб­
разователя с последующими функциональными узлами .
Будем считать, что вопросы защиты от проникновения внеш ­
них наводок в схему или подавления помех, генерируемых
в отдельных ч астях ус тройства, уже решены [8. 7, 8 .8] .
Рассмотрим способы подавления помехи в случае, когда она
присутствует во входных цепях измерительной системы .
Напряжение синфазной помехи обычно возникает из-за
наличия разности потенциалов между точками зазем л ения
датчика и самой измерительной схемы. Часто оно обуслов ­
лено гальванической связью источни_ка сигнала с какой­
;;JI И бо точко й схемы, н аходящейся под некоторым потен­
циалом относительно нулевой шины (земл и ) измерите­
льной системы ; в дру г их случаях эта связь может носит ь
преимущественно емкостной характер и тогда сигнал си н ­
фазной помехи не имеет постоянной составляющей. На
праю ике, в основном, приходится иметь дело с сигна л ом
оеинфазной помехи, содержащим как постоянную, так и пе­
ременную составляющие . Наqряжение дифференциальной
помехи возникает, главным образом, за счет асимметри и
входных цепей измерительной системы и линий связи между
датчиком и измерите.'Iьной системой. т. е. за счет перехода
синфазной помехи в дифференциальную. До полнительным
источником дифференциальных напряжений помехи могут
быть термоэлектрические потенциалы в цепях из разно­
родных металлов и индуктивные наводки на контур л иний
связи [8 .8]. Обычно термо-э . д. с . уравновешивают друг
друга (контактные пары оказываются попарно встречно ­
включенными), однако необходимым условием компенса ции
является равенство температур контактных пар и отсу тствие
в них окисных пленок, так как они имеют очень высокие
термоэлектрические способности .
Так как дифференциальная помеха приложена ко входу
измерительной системы аналогично входному сигналу, то
основной проблемой, связанной с подавлением помех, являет­
ся ослабление напряжения синфазной помехи, (Исп) до его
перехода в дифференциальную помеху ( U ) . Отношение
Uсп/Uдп является коэффициентом ослабле~'kя синфазной
составляющей (Косе).


Тип овы е схемы включения ОУ
No
Вк'lючеuие
2
1.
2.
3.
4.
5.
Таблица В.В
Пар.а:истры RHClllH ll X ILt:'llC Й
3
1 40УД\
к"
R,
с.
R.
кО~
11Ф
Ом
1
1
\03
75
\О \О
5!0
320
::.
., .1<JO 102
102
620
>\00 юз
102
620
1 40УД2
Rl=O,I кОм ; R2=0 ,2 кОм ,
С5=33 н Ф
КосCIС2С3С4
мкФнФнФнФ
+1
·1
6,8 15
2,2
---
~-
-1
0,1
3,3
6,8 1,2
-\О 0.25 2,2 6,8 0,75
-10( -
2,2 6,8 0 ,75
---~--~ _
_
.___
__ ....__
-
140УД5
к••
Е.В
CI
пФ
С2
11Ф
С3
пФ
1 ± 12 10(13)10(15) 5(45)
±6 5,1 (10)5,1 (!0)151 (27)
> IU ±12... 430
... ±6
о
1 40УД6 1 40УД7 (140УД8)
R+1-;- 1О кОм
о
В 14 0УД7 доnускается включе ­
ние
C~70..;-I50 nФ между выво ­
дами 2- 8, тем самым увеличи ­
вается скорость нарастания
выходного наnряжения до 2J в/мкс
В 140УД8 вывод 1 необходимо
заземлить
140УД9
С1=15 ООО nФ
С2=0,1 мкФ


.No
Включение
2
6.
7.
8.
9.
10.
Продол,жение табл. 8.8
П араметr ы в неш н 11х ueпef1
з
140УД\О, 140УД11
Rl =3 кОм, R2=R3=200 кОм,
Cl=O,l мкФ
Подключается при инвентирую­
щем включении для увеличени я
скорости нарастания выходного
напряжения до 150 В/мкс
140УД12
R2= 100 кОм
,Е±
в
1.5
мкА
15
1,5 Rl= I, 7MO 1 70к0м
3
3,6 МОм 360 кОм
6
7,5 МОм 750 кОм
15
20МОм 2МОм
140УД\3
frp . {мод.
кГu
кГu
3
3
10
10
30
30
140УД17
140УД18
140УД21
140УД22
140УД22
140УД23
CI
пФ
С2
СЗ
мkФ мкФ
2400 0 ,1
0,15
750 0 ,03 0,047
24 ,0
0,()1
0,015
75 3.1о--• 4,7 .10--
140УД\4
С.=30 пФ/К.0с
если К0с ~ 10, то С.=3пФ


Продолжение табл . 8 .8
3
Il
+Е
1 53УД I, 153УД3
(К553УД I , К553УД3 )
Вы
к
RI
CI
С2
щ·
кОм
нФ
пФ
1.5
5,1
200
10
1,5
0 ,51
20
r:-· . :~
100
1,5
0,11
3
1000
о
0,()1
3
12.
153УД2, 153УД6
а
(К553УД2)
к
"'
с,.
30
10
5
-Е
100
3
б
к
°'
с1.11Ф
С2 ",Ф
30
300
\О
5
50
100
3
30
в
Ко,·
CI, пФ
С2.11Ф
дwz
150
5
10
150
3
\00
150
3
13
153УД4
CI ~51 пФ/К0с
с2~ 100 пФ/К0с
1!Хiк
R=IOO кОм
.
-Е


2
14.
------
15.
+Е
16.
17.
18.
19.
Вых
Продолжение табл. 8.8
153Уд5
RI
Ко,
Ом
10
10
27
\00 47
103 470
?;!: 1о• 104
К154УД\
R=I МОм
3
R2
Ом
39
270
о
о
о
К154УД4
С=23-10 пФ
К544УДI
R=I0-150 кОм
К544УД2
CI
С2
мкФ
мкФ
0,05 0,02
0,05 10-•
10- 2
о
10- 3
о
.ш-5 о
R= 150 кОм, С=О , 5+50 пФ
при Кос=\;
при Кос?;!: 20 выводы
1 и 8 свободны;
при Кос ,..;; 20 выводы
1 и 8 п еремкнуть
К574УД1
R= 100-200 кОм
R2=3-5 МОм,
С=\0-30 пФ
Вывод 1 необходимо
заземлить


2
20.
R
21.
22.
23.
Продолжен ие табл. В.В
3
КР1408УД1
R=\ -\0 кОм
КР 1 408УД2
Rl=R2=IO кОм
1\1 40! ~Дl' 1 40!У Д2
Счетверенны е ОУ .
К140\УД2 может работать
при однополярном
питании
КI407УД2
К\409УД1
!, 5 - баланс
8- коррекция
Основным методом увеличения КОСС является симметриро­
вание входных цепей измерительных систем и увеличение
полных входных сопротивлений. Это можно проиллюстриро­
вать на конкретных схемах, выполненных на ОУ. На рис . 8 . 7.а
показана дифференциальная схема усиления сигналов по­
стоянного тока . Предедьное значение КОСС в ней опреде­
ляется собственным КОСС ОУ и классом точности масштаб­
ных резисторов R 1,
••• ,
R4 (8.1 4] . Значения сопротивлений
R1 ... R4 ограничены по максимуму из-за наличия разности
входных токов смещения. Действительно, погрешность от
входных токов определяется произведением их разности на
значение входного сопротивления.
Высокий КОСС трудно обеспечить в усилителе с изменяю­
щимся коэффициентом усиления . Поддержать равенст во
сопротивлений резисторов Rз и R4 во всем диапазоне регули­
рования усиления можно только применением спаренных
прецизионных поrенциометров с одинаковыми характеристи-


Ивы:r
Рис. 8.7 .
Дифференциальные е,хемы на ОУ .
ками изменения сопротивления . Если же сопротивления бу­
дут отличаться, то по мере их расхождения возрастут погреш ­
ности, связанные с усилением синфазных помех . Из-з а
сложности согласования перемещения ползунков практичес ­
ки невозможно заменить Rз и R4 спаренным переменным рези ­
стором и сохранить Косе ::::::: 60 дБ во всем диапазоне регулиров­
ки. Поэтому в случае перестраиваемого коэффиuиента ус иле­
ния лучше применять схему, приведенную на рис . 8.7,6. Здесь
коэффициент усиления регулируется одним переменным ре ­
зистором желательно многооборотным типа СПБ-14. Выход ­
ной делитель, состоящий из резисторов Rs и RБ (потен ц ио­
метр), изменяет выходное напряжение пропорuионально от ­
ношению (Rs+ RБ) / RБ . При этом одновременно поддерж и ­
вается равенство входного тока и тока обратной связи. Чем
меньше значение сопротивления резистора RБ, тем выше
должен быть входной сигнал усилителя для балансировк и
этих токов . Усиление может меняться в пределах 10 ... 2000
раз без появления погрешностей из-за изменения уровн я
си нфазной помехи, обеспечивающейся соотношением RБ ~ Rз.
Эти усилители могут быть реализованы на микросхемах
серии 153 и 140 . Более совершенный принцип регулирования
коэффициента усиления использован в схеме (рис . 8.7 , в) на
двух операционных усилителях. Усиление изменяется нел и ­
н ейно в зависимости от положения движка переменного ре-
286


зистора, но зато требуется только четыре точных резистора
с одинаковыми номинальными значениями сопротивления .
Схема проста в настройке .
Значительно лучшие параметры имеет схема рис. 8.7г, в
которой глубина отрицательной обратной связи обоих вход­
ных ОУ оказывается одинаковой, а резистор дает возможность
регулйровать усиление . В этой схеме разбаланс входных со­
противлений для синфазных составляющих определяется уже _
не только входными сопротивлениями усилителей OY l и ОУ2,
сколько утечками в линиях связи между неинвертирующи­
ми входами OYl и ОУ2 и шинi~.Мf! питания этих усилите ­
лей . Допустимое значение суммы сигнала и синфазной
помехи здесь также ограничено допустимым уровнем сигна­
лов на входе ОУ . Приведенные схемы можно выполнить
на ОУ 140УД12, 140УД14, I53УД5, К554УДI и Кl408УД2.
При использовании в этих схемах дифференциальных ОУ
сумма значений си гнала и синфазной помехи должна
быть меньше допустимого входного синфазного напряже­
ния ОУ, составляющего 5... 15 В. КОСС рассмотренных
схем определяется точностью применяемых резисторов,
что ограничивает возможности увеличения косе. Для
получения более высоких значений косе используются
схемы гальванического разделения [8 .7].
Особое место занимает вопрос подключения входного
экранированного кабеля между измерительной системой с
ОУ на ее входе и датчиком с выходным сопротивлением Rg
[8.1]. При передаче входного сигнала по экранированному
кабелю экран необходимо соединить с входным ОУ, как по­
казано на рис. 8.8. Вследствие того, что на.пряжение на пара­
зитной емкости кабеля Сп практически постоянно при любом
Uвх, она не влияет на время установления выходного на ­
пряжения.
Рассмотрим несколько схем подключения различных
датчиков к входам ОУ . ОУ позволяют усиливать сигналы
от фотодиодов и фоторезисторов, у которых, в зависимости
от освещенности, меняется выходное сопротивление. Если
для этой цели использовать ОУ 153УД2, схемы включения
которого приведены в табл . 8.8, то напряжение на фотоэле­
ментах не будет изменяться, и потому выходной ток будет
строго пропорционален уровню освещенности ; кроме то го,
из-за ·низкоомной нагр узки, подключенной в т очке суммиро­
вания (вывод 2), значительно повышается скорость их ра ­
боты. Фоторезистор и фотодиод включаются. между отрица ­
тельным источником пит ания и выводом 2. Причем, фотодиод
имеет обратное включение . Между выводами 2 и 6 включает­
ся резистор, а неинвер тирующий вывод (3) п одкл юч ается к
287


Рис. В.В.
Подключен ие
входно го экранно го кабеля к ОУ
общей ш ине . Входное напряжение схем ы определяется ка к
произведение тока, протекающего через резистор или фото­
элемент, и сопротивления резистора .
В случае, когда один из контактов фотодиода заземляется,
возможны следующие схемы его включения на ОУ 140УД 1.
П ри малом входном сопротивлении фотодиода применяется
схема включения, реа ли зованная с учетом ти пово го вклю ­
;очения ОУ 140 УД1 (п . l, табл . 8.8). Ф отодиод включен между
корпусно й шиной и выв одо м 10, парал лельно ему включается
резистор l О кОм. Вывод 9 через резистор 5, l кОм соединяется
с корпусной шиной и через резистор R2 = 51 кОм с выходом
ОУ вывод 5. Кроме того, вывод 3 ОУ через С=4700 пФ сое­
диняется с корпусной шиной .
•
При малой освещенности фотодиода его выходное соп ро­
тивление может быть порядка 20 МОм . Поэтому необходимо
применить согласующий каскад между фотодиодом и входом
ОУ 140УД1А - повторителем напряжения . Повторитель
напряжения, выполненный на полевом транзисто ре VT l
(КПlОЗ) и биполярном транзисторе VT2 (КТ312), обла дает
высокой стабильностью и нечувствителен к изменению пи ­
тающих напряжений и сопротивлений резисторо в.
Потенциал коллектора транзистора VT2 близ ок к нулю
(0 ... 0,5 В) относительно общей точки . Так как выходное со­
противление повторителя напряжения мало (поря дка 20...
30 Ом), то нагрузочное сопротивление может быть выбра но
сравнительно малым (470 Ом) . При указанных на схеме
(рис. 8.9) значениях сопротивлений резисторов коэффицие нт
усиления составляет 100, а постоянная составляющая на
выходе усилителя составляет 700 мВ .
Мостовые источники сигналов широко используюся для
обнаружения малых приращений одного из резисторов моста .
Для построения такой измерительной схемы можно подклю ­
чить к выходной диагонали мостовой схемы диффере нциаль ­
ный усилитель . Но в ряде случаев при применении мостовых
измерительных схем стремятся решать дополн ительные за­
дачи, такие как исключение влияния соединительных линий
и коррекции погрешностей от нелинейностей .
Пример построения схемы усилителя сигнала терморе-
288


Рис. 8.9 .
Усилятел ь си г нала фотод иода
зистора на ОУ 140УДБ приведен на рис. 8.10 . Значения
сопротивле ни й мостовой схемы R1 =R2= R з = R1
2,2 кОм, а резисторы, включенные в цепи ОУ обладают
сопротивлением R4 =47 Ом и RБ= 12. кОм.
Сопротивление терморезистор а являет с я нелинейной
функцией температуры и дл я л инеаризации этой зависи мо ­
сти обеспечивают обр ат но пропо рцио н ал ьн9е изме н ение
коэффициента усил ен ия чувств ительн ости терморезистора .
С увеличен и ем температуры со пр от ивл ен ие R1 уменьша­
ется, а коэффициент усиления ОУ увели ч ивается. Этот эф­
фект и обес печивает почт и л ин ейную з ав исимость выходно­
го напряжения ОУ от те мп ератур ы. Кроме описа н ной схе­
мы, возможны и другие включения мостовых схем. Так,
вместо R1 применяется второй терморез истор , а второй ко­
нец диа гонали питания мост а подключается к источник у
отрицательно го напряже н ия.
Если же мост является низкоомным, то в с хему , приве­
денную на рис . 8. 10, необходимо ввести дополнительно три
резистора, которые включаются возле 1 0- го вывод а ОУ
[8. 15] .
'
В анало говой измерительной технике очень часто необ­
ходимо усиливать си гн алы с одновременным исключ ением
постоянной составляющей. Это б ы вает в тех случаях, ко гда
требуется усилить напряжение от незаземленно го источни ка
сигнала и получить его на выходе схемы от носительно уровня
земли или другого уровня .
Наиболее простой способ р еали зации такой схемы ос н о ­
ван на использовании ОУ в дифферен циальном включ ен и и.
Схема реализуетс я на ОУ 1 53УД2 (см. табл . 8.8, п. 11, а).
В типовое включение ОУ в н есены следующ ие добавле ни я :
вывод 2 соедиf! еН через резистор 1 кОм с положительн ы м
289


~----i1>+12,бВ
R,
Рис. 8.10.
Усилитель сигнала
терморезистора
источником питания; вывод 3 соединен через резистор 10 кОм
с корпусной шиной и через резистор l кОм с !Зыходом источ ­
ника сигнала (датчиком), второй выход которо го соединен
с" пОJюжительным источником питания . Схема имеет два су­
щест венных недостатка : источник сигнала наrружен на низ­
коомный входной делитель, подключенный к неинвертиру­
ющему входу (вывод 3); резисторы в цепи обратной связи
должны тщатеJ1ьно подбираться для предотвращения по ­
грешнссти на выходе усилителя, связанной с наличием вход­
НDГО синфазного сигнала . Эти недостатки устраняются, если
применить схему на двух ОУ (рис . 8 . 11). Включенный на вы ­
ходе ОУ 153УД2 полевой транзистор создает падение напря ­
жения на резисторе обратной связи R1, равное выходно му
сигналу . Падение напряжения на другом резисторе обратной
связи R2 равно входному напряжению, умноженному на отно­
шение R2/ R1. При этом ослабление синфазного сигнала схемы
определяется коэффициентом ослабления ОУ и не зависит
от точности подбора резисторов . Эмиттерный повторитель
обеспечивает низкое выходное сопротивление первого ОУ.
Использование на входе схемы ОУ типа 153УД2 обеспечи ­
вает ее работоспособность тогда, когда смещение входного
напряжения достигнет уровня положительного источника
питания 15 В . Вспомогательные цепи на схеме не указаны,
они соответствуют типовому включению ОУ, которые приве ­
дены в табJI. 8.8.
На базе двух и более ОУ строятся точные измерительные
усилители, которые обеспечивают получение таких характе­
ристик усилителей, реализация которых в одном ОУ прак­
тически н евозможна .
На рис. 8 . 12 показана схема точного измерительного уси ­
лителя [8.14], выполненная на МДМ-усилителе 140УД13
(OYl) и двух микросхемах 140УД7 (ОУ2 и ОУЗ) . Один из
ОУ (ОУ2) увеличивает коэффициент усиления усилителя
п еременного напряжения, входящего в структуру МДМ,
290


Рис. 8.11 .
Усилитель
СО СДВflГОМ
постоянного
уровня сигнала
а второй (ОУЗ) - служит д.пя сглаживания пульсаций
и увеличения выходного сигнЕлi!~ У рассмотренного выше
уси"1ителя есть один существенный недостаток - узкая
полоса пропускания. Верхняя граница полосы пропуска­
ния (по уровню 0,7) у усилителей МДМ не превосходит
обычно 10 ... 20 % частоты коммутации [8.5] . Так как ча­
стота коммутации , как правило, составляет 0,5 .. .2,5 кГц
(иногда до 5 кГц), то усилители МДМ могут применяться
лишь для сигналов, дежащих в частотной полосе от нуля
до 1 кГц. Если же речь идет об измерительных усилите"1ях,
для которых частотная погрешность не должна превышать
0,5 %, то рабочая полоса усилителя МДМ оказывается
еще меньшей.
Для расширения полосы пропускания прецизионного
измерительного усилителя в рассмотренную схему (рис. 8.12)
вводится еще один ОУ 140УД6. Входом прецизионного из­
мерительного усилителя являются входы ОУ 1 ( 140УД 13)
и 140УД6, инвертирующие (выводы 2) и неинвертирующие
(выводы 3), входы которых соединены между собой. Выходом
всей схемы усилителя является выход ОУ140Уд6· (вывод 6) .
Вывод 1 усилителя 140УД6 через резистор 5 кОм соединен
с выводом 4 и через резистор в 1,0 МОм с выходом ОУЗ (вывод
б) . В схеме прецизионного измерительного усилителя ОУ2 и
ОУЗ представляют собой микросхемы 140УД14. Резистор R1
и конденсатор С 1 не используются, а резистор Rз составляет
1,0 МОм.
Если же ·в схеме точного измерительного усилителя
(рис. 8. 12) разорвать отрицательную связь с выхода усили­
теля (вывод б ОУЗ) на его вход (вывод 2 OYl) и неинвен­
тирующий вход ОУЗ через резистор сопротивлением в
100 кОм соединить с корriусной шиной, а резистор R1 исклю­
чить, то при подаче на его вход (выводы 2 и 3 ОУ-1) сигнала
измерительный усилитель обеспечит усиление с коэффици­
ентом, превышающим 108
.
Очень часто в измерительных приборах требуется исклю ­
чить зависимость выходного тока от сопротивления нагруз­
ки . В этом случае применяются стабилизаторы тока или уси-
291


Рис. 8.12.
Точный измерительный усилитель
лители с токовым выходом. Описания подобных схем имеют­
СfJ: в работах [8.5, 8 .10, 8.11, 8. 15].
Одна из схем, которая может работать как стаб ил из атор
тока и как источник тока, управляемый н апряже н ие м,- приве­
дена на рис. 8.13 . Схема выполнена н а микросхемах 140УД7.
Для поддержания в нагрузке тока , равного заданному току,
который определяется входным напряжением, используется
ОУ, охваченный отри ц ательной обратной связью по току . OYl
поддерживает паден и е напряжения на резисторе Rн равным
входному напряжению. На ОУ2 реализована схема усилителя
с выходом по то ку и с заземленной нагрузкой.
8.4 . ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ И АНАЛОГО - ЦИФРОВЫЕ
ПРЕО Б РАЗОВАТЕЛИ
Современные АЦП и ЦАП классифицируются по т рем
основным признакам: по принципу действия, по быстродей­
ствию и конструктивному исполнению . По принципу действ ия
различают АЦП параллельные, последовательного прибли ­
жения, последовательно-параллельные и интегрирующие
[8.5]. Для реализации ЦАП испо"1ьзуются различные
структурные схемы: ЦАП с суммированием напряжен ий,
ЦАП с делением напряжений и ЦАП с суммированием
токов .
По быстродействию АЦП и ЦАП подразделяются на пре­
образователи высокого, среднего и малого быстродействия.
Преобразователи выпускаются и реализуются в трех ва­
риантах конструктивного исполнения: модульном, гибридном
и монолитном .
292


Рис. 8.13.
Схема источника тока,
управляемо го напряжением
Значительные успехи в области производства АЦП и ЦАП
связаны, в первую очередь, с созданием новой, более совер­
шенной элементарной базы н а основе интегрально й техно­
логии . К ним относятся микросхемы серий К572, К594, Ю 107,
К1108,KlllЗиЮl18.
В состав серии К572 входят: К572ПА 1 - 1 0-разрядный
умножающий ЦАП; К572ПА2- 12- разрядный умножаю­
щий ЦАП с функцией записи и хранения цифровой ин­
форм ации ; К572ПВ 1 -12-разрядный АЦП и К572ПВ2-
АЦ П, работающий по принц и пу двухтактно го интегрирова­
н ия и представления информации в семисегментном коде
[8.13] .
ЦАП К572П А1, обладающий средним быстродействием
и малой пот ребляемой мощностью, используется при постро­
ен ии преобразователей «цифра-аналог», которые являются
базовы ми элементами для преобразователей аналоговой и
цифровой информации. Матрица типа R-2R изготавливает­
ся по ш~еночной техноJюгии на том же кристалле, где распо­
ложены КМОП-ключи . Резисторы в матрице имеют номиналы
R= 10 кОм+ 10 % и 2R=20 кОм+ЗО %. В дополнение к
ма три це ти па R-2R изготавливается, согласованный с ней по
н о м иналу, резистор 10 кОм . Этот резистор включается в цепь
обратной связи внешнего ОУ, поэтому выходной ток матрицы
с бол ьшой точностью преобразуется в выходное напряже­
ние ОУ.
Шкала выходного тока по обоим выходам микросхемы
К572ПА I имеет амплитуду + 1 мА, а полное время преобра­
зования кода в аналоговы й сигнал зависит от типа ОУ .
В зависимости от кода и схемы включения усилителей
выходное напряжение схемы может быть однополярным
(рис. 8.14,а ) и двухполярным ( рис . 8.14,6) . В обоих схемах
293


включения опорное напряжение Иоп может иметь любую
полярность. Если н апряжение и зменяется, то первая схема
работает как двухквадратный, а вторая схема - как четы ­
рехквадратный умножитель сигналов .
Микросхема К572ПА2 обеспечивает также как унипо ­
л ярный, так двухполярный режим работы (рис . 8.15) . Только
в отличие от микросхемы К572ПА1 на ее выходе для обеспече­
ния двухполярного режима работы необходимо только один
ОУ . Разрядность этого ЦАП составляет 12 бит (см. табл. 8 .9).
Параметры цифроаналоrовых преобразователей
Параметр
К572ПАI К572ПА2
Разрядность, бит
10
ДИфференциальная нелинейность ,
в % от полной шкалы
±0,1
Погрешность коэффициента пере-
дачи, в %от полной шкалы
3
Время установления выходного
тока, мкс
5
Напряжение питания, В
15
То.1< потребления, мА
2
Опорное напряжение, В
±17
а
Рис. 8.14 .
.
1р
Uбых Код
10р
Схемы включения ЦАП типа К572ПА1 :
12
±0,06
±0,6
15
5/15
1
2
-
15В
а - двухквадратныА режнм~ б - четырехквадратныА режим
'
Таблица 8.9
К594ПАI К1108ПАI К118ПАI
12
12
в
±0,024 ±0,75 ± 1,2
-
-
±5
3,5
0,4
0,02
5/-15 5/-15
- 5,2
25/35 •5/48 130
-
-
-
Полупроводниковая ми1<росхема маломощного АЦП
К572ПВ1 на 12 двоичных разрядов предназначена для ра­
боты в радиэлектронной аппаратуре и выполняет :
функцию АЦП последовательного приближения совмест­
но с внешним компаратором (усилителем) с выводом парал­
лельного двоичного кода;
функцию умножающего ЦАП совместно с внешним усили­
телем;
294


Uunr Uunz
а
Рис. ·в. 15.
Схемы включения (ЦАП типа К572 ПА2;
а - уннпопяриыА режи м; 6 - д вухпоп ярный режим
Uunt Иип2
r5
побайтовый (поразрядный) вывод - ввод цифровой инфор­
мации для согласования с В-разрядной шиной данных микро ­
процессора .
В схемах включения микросхемы необходимо проводить
балансировку ОУ или компаратора для получения нужной
точности. При этом необходимо учитывать, что выходное со­
противление по аналоговому выходу, в зависимости от циф­
рового кода, в пределах от 00 ... 01 до 11 .. . 11 изменяется от
8R до R, где R - номинал резистора матрицы R- 2R
(R=Б кОм) . Работа микросхемы К572ПВ1 в том или ином
режиме обеспечивается подачей импульсов управления на
выводы 2 и 16 в соответствии с табл . 8.10 .
Как уже отмечалось, К572ПВ 1 может испол ьзоваться для
построения АЦП последовательного приближения . В этой
схеме включения (рис. 8. 16) желательно использовать компа ­
ратор напряжения типа 521САЗ . При работе схемы в качест­
ве ЦАП необходимо использовать операционные усилители
типа К574УД1, К544УД2, 140УД14 .
Для защиты аналоговых выходов и выводов питания в
схеме включения микросхемы допо л нительно вводятся диоды
КД514, которые подключаются между выводами 46, 47 и
корпусом, а также между выводами 3 н 24.
Микросхема К572ПВ2 представляет собой АЦП, работа ­
ющий по принципу двухтактного интегрирования с автомати­
ческой коррекцией нуля и автоматическим определением по­
лярности входного сигнала. К572ПВ2 включает в себя КМОП
295


Таблица B.ll
П араметры аналого- цифровых преобразователей
Параметр
К572ПВI К572ПВ2 К1107ПВI К1107ПН> KI 1 07 П ВЗ~ 1 108ПВ1 К t1 13 ПВ
Разряднос ть, бит
12
11
6
8
6
1О 8... 10
По греш ность пре-
образования
±2
±1 ±0,78 ±0,5 ±0,25 ±1
±4
е.м.р. е.м.р.
Диапазон входного
напряжения, В
±5
±2
2
-
2...0 ±2,5
-
±5
Время преобразо-
вания, мкс
500
-
0,1
0,1
0,02
1
300
Напряження
питания, В
5/15 5/-5 5/-6 5/-6 4,7/ 5/-5,2 5/15
35/ISO
-
5,4
Ток потребления, мА 3/5 1,8/ 1,5 30/150
60/80 50/ 130 10/20
Вюходное на пряже-
ние низкого уров-
ня, в
0,3
-
0,4
0,4
-
2
0,4
0,4
Выходное напря-
жение высокого
уровня, В
2,4
-
2,4
2,4
-
0,7 2,4
2,4
•
аналоговые и КМОП цифровые схемы. Диапазон изменения
входного сигнала равен + 1,999 В и + 199,9 мВ.
Цифровая информаuия на выходе АЦП представляется
в семисегментном коде, а цифровой отсчет производится на
3,5-дека дном индикаторе . В ыводы микросхемы мо гут непо ­
средст ве н но подкл юч а ться к семисегм е нтJIЫМ светодиодным
индикаторам . Для проверки работоспособности выходных
ка ск адов м икросхемы необходимо вывод 20 подсоединить
к источнику питания Инп 1 • При этом на светодиодном табло
должно появиться значение - минус 1888.
Для макс и м а льного подавления сетевой по мехи крат ной
50 Гu , тактовая частота должна быть кратной ча стоте 50 Г ц.
Типовым рядом частот тактового генератора является:
40, 50, 100, 200 кГц.
Опис анн ые микросхемы ЦАП и АЦП позволяют р азраба­
ты ва т ь и в ыпускать эл ек т ронную аппаратуру с к ач ественно
новыми показателями. Они применяются для ввода в ЭВМ
ан алоговых данных; дл я вывода информации из ЭВМ и пере­
дача ее на исполнительные устройства ; для измерения анало­
;гов ых си гналов; для перехода к цифровым сигналам в цепях
автоматического регулирован ия.


а
Рис. 8.16.
Схемы включения микросхемы l(572ПBI ;
а - в режиме АЦП с компаратором ;
6- врежимеЦАПсОУ
·
8.5. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
6
Промышленностью выпускаются интегральные микросхе­
мы стабилизаторов серии К142 и гибридные микросхемы
серий 275 и К817.
Полупроводниковые интегральные схемы серии К142
представляют собой стабилизаторы компенсационного типа
с цепями защиты от короткого замыкания . Дл я регулировки
выходного напряжения в стабилизаторах серии 142 приме-
. няе тся
внешний делитель (кроме К142ЕН5) . Такое построе­
ние схемы позволяет расширить диапазон выходных регули­
руемых напряжений .
В состав серии К142 входят 8 стабилизаторов (табл . 8. 11) .
Интегральная схема стабшшзатора напряжения положитель­
ной полярности типа К142ЕН1 (2) относительно проста и
поэто мv ее можно считать базовой.
С р авн ител ьно малое количество элементов в цепи усиле ­
ния и обратной свя:;щ, мал ое выходное сопрот и вле н ие сост а в -


Таблица 8.IJ
Параметры стабил изаторов серии 142
Обозначенне
Ток пот ·
1(••
К,,
микросхемы
и.... в
ребления,
%
%
мА
К142ЕНI
3... 12
4
0,2
0,2
КР142ЕН2
12 ... 30
4
0,3
0,5
Кl42ЕН3
3...30
10
0,05
0,25
Кl42 ЕН4
3...30
10
0,05
0,25
Кl 42ЕН5
5 ±0,1
10
0,05
1
К 1 42ЕН6 по выходам :
на положительном +15±0,3
18
0,0015
0,2
на отриuательном
- 15±0,3
18
0,001 5
0.2
К142ЕН8
9±0,27
10
0,05
1
Кl42ЕН9
20±0,4
10
0,05
1
Кl42ЕШ
3."30
10
-
-
йо га транзистора, развязка дифференциал ьного уси л ителя
от источника опорного напряжения через делит ель и эм и т ­
терный повторитель обеспечивают достаточно высокие ста ­
билизирующие и динамические свойства ст абилизатора . Схе­
ма также содержит дополнительные элементы защиты от
электрических перегрузок: по току и корот кому за м ы к анию .
•
Наличие выводов от отдельных узлов схемы позволяет
улучшать характ еристики за счет подключения внешнего
дополнительного источника питания (выводы 4, 8), у сил и ­
вающего транзистора (выводы 13, 14, 16), фильтра ш умов
(выводы 2, 18, 12) .
Отсутствие делителя регу.11ировки выходного напряжения
позволяют оперировать выбором необходимого уровня вы­
ходного напряжения с помощью внешнего резистивного де ­
лителя, использовать схему для стабилизации отрицательн о­
ной полярности напряжения и других функциональных целе й.
В импульсном режиме наибольший выброс не превышает
1,0 ". 1,5 % уровня выходного напряжения .
При использовании корректирующих конденсаторов, ко ­
торые подключаются к выводам 8,13Сн;;;;::1 ...5 мкФ и к выво­
дам 2,12 Ск;;;;:: 100 пФ, практически полностью подавляются
собственные шумы стабилизатора напряжения .
Основная схема включения устройства типа Kl42EH1,2
(рис . 8. 17) представляет собой функциона.'Iьно законченный
стабилизатор напряжения . Она обеспечивает получение ста ­
билизированного выходного напряжения положительной по ­
лярности, требуемое значение которого в определенном ин­
тервале можно установить при помощи резистора R1 ~ 20 кОм .
Дискретные элементы выбираются из условий обеспечения
необходимого электрического режима микросхемы . Сопро-
298


Рис. B.i7.
Основная схема
включе н ия
интегрального
А5
ста б ил изатора
напряжения Кl42EHl,2
тивление R2 резистивного делителя находится из равенс т ва
или превышения минимально допустимого тока делителя
(/дел;;:: 1,5 мА) и обычно составляет R2 ~ 1,2 кОм . Резисторы
Rз. R4. RБ работают в цепях защиты . С помощью де:1ителя
R4 , Rs задается напряжение на базу транзистора защиты .
Резистор Rз служит датчи ком тока в схеме за щиты от пере­
грузок по току. Сопротивления этих резисторов выбираются
из отношений [8 .9) .
Rз = Иэбт/f н.пороr,
Rs= (И.".+ Иэбл) / /д,
где Иэбт =О,7 В, fд =О,3 мА . При этом R4=2 кОм.
Очень часто возникает необходимость увеличения выход­
ных токов . Для этой цели обычно подключают дополнитель ­
ный внешний мощный транзистор п -р-п или р - п -р- типа
(рис . 8.18) . В этом случае резистор R2 служит для замыкания
токов утечек регулирующего транзистора и выбирается в пре­
делах 50 ". 150 Ом . Использование в данных схемах допол ­
нительных транзисторов п -р - п типа КТ803 или КТ908 или
р-п-р типа ГТ906 позволяет получить выходные токи fн;;:: 1 А
пра~тически без ухудшения основных параметров микросхем .
Схема вк.1ючения интегральной микросхемы К142ЕН1,2
с раздельным питанием отличается от типового включения
(рис. 8. 17) тем, что на выводы 4 и 16 подаются напряжения
от отдельных источников питания, в связи с чем они не соеди ­
нены; отсутствуют резисторы Rз. R4. R5; вывод 1О не подклю­
чен к выходной шине . Следует также отметить, что напряже ­
ние питания опорного источника, подключенного к выводу 4
(как правило, стабилизированное), должно быть равным или
превышать второе входное стабилизируемое напряжение,
которое поступает на вывод 16.
Двухкаскадный интегральный стабилизатор напряжения
с регулируемым выходным напряжением типа К142ЕН3 имеет
более широкий диапазон регулирования выходного напряже­
ния . Узел защиты от перегрузок по току и короткого замы -
20*
299


а
Рис. 8.18.
. Схема
повышения выходно го тока
с помощью внешнего транзистора;
:9 - п-р-n-типа;
' lS - р-п-р-типа
6
кания этого стабилизатор а ср абатывает при превышении на
20...25 % предельно допусти мого тока нагрузки. Тепловая
за щита выключает стабилиз атор при температуре ( 170 ± 20) 0 С.
В интегральных стабилизаторах напряжения с фиксиро­
ванным выходным напряжением используются источники
опор н ого напряжения н а основе запрещенной зоны полупро­
водни ка. Эти источники опорного напряжения позвоJiяют
снизить входные напряжения до 3.. .5 В и тем самым за счет
уменьшения допустимых напряжений , при низки х входны х
напряжениях, повысить к. п . д . стабилизатора . Дл я ул уч ш е­
ния условий внутренней т.ермокомпенсации наиболее целе -
. сообразн ым
яв.1яется использование усил ителя сигн ал а р ас ­
- со гласования на основе составных транзисто ров с общ им
эмиттером . Примером та кого построения и является интег­
ральная микросхема стабилизатора напряжен и я KJ42EH5A
с выходным напряжением 5 В .
Сочетание отдельных рассмотренных ти~ов микросхем
на положительную и отри ц ател ьную полярности на пря же н и й
позвол яют реали зовать в интегральном исполн ен ии стабил и­
заторы напряжения с двухполярным входом и выходом.
Эти стабилизаторы напряжения, в основном, выполняются
с согласованно изменяющимися выходными напряжениями
и, как правило, используются дЛЯ питания операционных
усилителей. Стабилизатором такого типа и является
К14:2ЕН6 [8. 9 ].
Все описанные интегральные стабилизаторы напряжения
относятся к устройствам непрерывного дей~твия. В послед­
нее время в источника х вторично го эл ектр опи т ан и я все шире
300


применяются ключевые стабилизаторы напряжения. Исполь­
зование непрерывных стабилизаторов напряжения с регули­
руемым входом для построения ключевых стабилизаторов
напряжения связано с разработкой специализированных
интегральных микросхем . .
f
Рис. 8.19 .
Типовая схема включения
микросхем Кl42ЕП1
....!:::L
VD
Типовая схема включения интегральной схемы К142ЕП1
приведена на рис. 8.19. Это схема ключевого стабилизатора
напряжения с последовательным включением регулирующе­
го элемента, работающего в двухпозиционном режиме. Для
работы в режиме с широтно-импульсной модуляцией к
выводам 14, 15 микросхемы необходимо приложить пилооб­
разное напряжение с частотой до 100 кГц. Схема содержит
транзисторный ключ VT2, VT3, диод VD, сглаживающий
фильтр LC(Dp. С4) и схему управления на основе интеграль­
ной микросхемы.
Гибридные интегральные стабилизаторы серии 275 пред­
ставляют набор ИС с фиксированными выходными напря­
жениями, составляющими ряд от 1 В до 24 В [8.2] . В этой
серии имеются стабилизаторы положительного и отрицате­
льного напряжений. Особенностью стабилизаторов серии
275 являтся применение внутренних делителей обратной
связи с температурной компенсацией. Такой метод позволяет
уменьшить влияние окружающей температуры на работу
схемы, но и одновременно у~еньшает возможности примене­
ния микросхемы. Для обесnечения регулировки в некотором
весьма ограниченном диапазоне в микросхемах стабилиза-
301


торов выведена средняя точка делителя . Параметры ста ­
билиЗато_ров серии 275 приведены в табл . 8.12 .
Таблица 8.12
Параметры стабилизаторов серии 275
Тип
ивых'
и.х·
1.
р0;.о· кl:.
к,.
стаби л изатора
8± 10%
в
мА
%
%
275 ЕН! А,Б
1,2
6...9
30
0,5
0,07 0,25
275 ЕН2 А,Б
2,4
7... 12
20
0,5
0,09 0,25
275 ЕН3 А,Б
3,0
7,5 ... 12
20
0,5
0,1 9 0,25
275 ЕН4 А,Б
4,0
8,5 ... 12
20
0,5
0,1
0,25
275 ЕН5 А,Б
5,0
9,5 ... 14
20'
0,5
0,12 0,15
275 ЕН6 А,Б
6,0
10,5 ... 15
20·
0,5
0,12 0,15
275 ЕН7 А,Б
-6,О
10,5 ... 15
20
0,5
0,12 0 ,15
275 ЕН8 А,Б
6,3
10,5 ... 15
20
0,5
0,12 0,15
275 ЕН9 А,Б
-6,3
10,5 ... 15
20
0,5
0,12 0,15
275 ЕНIО А,Б
9,0
13,5... 19
20
0,5
0,15 0,1
275 ЕН!l А,Б
12,О
16,5 ...24
15
0,5
0,2
0,1
275 ЕН12 А,Б
-12,О
16,5 ... 24
15
0,5
0,2
0,1
275 ЕН13 А,Б
12,6
17 ... 24
15
0,5
0,2
0,1
275 ЕН14 А,Б
- 12,6
17 ...24
15
0,5
0,2
0,1
275 ЕН15 А,Б
-15,О
19,5 ... 20
15
0,5
0,22 0, 1
275 ЕН16 А,Б
24,0
28,5 ...40
6
0,5
0,32 0 ,1
Стабилизаторы положительного напряжения типов
275ЕН 1-бА,Б· отличаются друг от друга только номиналами
резистора выходного делителя . Изменяя сопротивление вну­
треннего делителя посредством внешних сопротивлений, под­
ключаемых к выводу 14, можно регулировать входное напря­
жение . Конденсаторы С 1 обычно выбираются 0,1 мкФ и вклю ­
чаются между 14 и 10 выводами. Конденсатор С2 выбирается
порядка 1 мкФ .
Для защиты выхода микросхем от превышения тока в
режиме короткого замыкания ее нагрузки предусмотрены
выводы 1, 2, 3 и 4 ДJlЯ подк.1ючения ограничивающего рези­
стора . Значение сопротивления Rагр зависит от величины до­
пустимого тока нагрузки и определяется по формуле
Rorp:::::0,7 / fдоп:::::О,7{Ивх- Ивых) / 1,3 Ррас · до п,
где Ррас - до п - допустимая мощность, рассеиваемая стаби­
лизатором.
СтабИJшзаторы отрицательного напряжения по своей
структуре похожи на стабилизаторы положительного напря ­
жения . Однако активные элементы имеют другой тип прово­
димости, а регулирующий элемент выполнен по схеме Дар­
лингтона .
Микросхемы серии К817 предназначены для использо -
302


вания в качестве источников опорного напряжения, а также
для питания стабилизированным напряжением в цифровых,
логических и других устройствах ш и рокого применения.
Микросхемы серии К817 выполнены по гибридной техноло­
гии. Интегральные стабилизаторы К817ЕН1 и К817НЕ2
предназначены для выработки стабилизированных как
положительных (К817ЕН1), так и отрицательных (К817ЕН2
напряжений 9, 10, 12 и 15 В .
Максимально допустимая м@щ-мость, рассеиваемая ми­
кросхемами К817ЕН1А,Б и К817ЕН2А,Б приведена в
табл . 8.13- для температуры окружающей среды + 25 °С
в режиме тока нагрузки 200 мА и выходного напряжения
15 В . Для других значений температуры окружающей среды,
а также в режимах, отличающихся от указанного выше, мак­
симальная мощность рассеивания рассчитывается по формуле
Ррас =Рт +Рз (Вт),
где Рт=1,63-1,25 · 10- 3 (t-25 °С),
Рэ= 10(/н+О,006) 2 +6· 10-
3
Ивых ,
t - температура окружающей среды,
0
С;
fн - ток нагрузки, А;
Ив ых - выходное напряжение, В .
При токах нагрузки, превышающих номинальное значе­
ние (50 мА), предельно допустимое входное напряжение рас­
считывается по формуле
И
_
Ррас +fн Ивых
БХ• доп - fн +О,007 '
(8.1)
где Рр ас - мощность, рассеиваемая микросхемой, Вт .
При практической реализации предельно допустимого
входного напряжения, которое определяется по форму­
ле (8. 1), ДОЛЖНО ВЫПОЛНЯТЬСЯ УСЛОВИе иВХ min ~ иВХ ДОП ~ иBXmax ·
Схемы включения микросхем К817ЕН16А,Б, К817ЕН2А,Б
для стабилизации напряжения на уровне 15 В приведены
на рис. 8.20 и 8.21.
При включении микросхемы К817ЕН1А,Б на выходное
напряжение + 12 В входное напряжение подается на выводы
3, б и 17, вывод 1 заземляется, выводы 13 и 20 соединяются
перемычкой, а выходное напряжение снимается с выводов
15, 23, 25, 26.
Если же стабилизатор должен выдавать напряжение
+ 10 В, то входное напряжение прикладывается к выводам
3, 7 и 17, вывод 1 заземляется, выводы 13 и 20 соединяются
перемычкой . Выходное напряжение снимаетсf! с выводов
15, 21, 25, 27. В отличие от предыдущего включения при
303


Рис. 8.20.
Схема включения
микросхемы К817ЕН1А,Б
на выходное
напряжение + 15 В
Параметры стабилизаторов серии 817
Тип
и.ых.
и.х.
стабилизатора
в
в
К817 ЕН! А,Б
15
27,5
12
24,5
10
22,5
9
21,5
К817 ЕН2 А,Б
-15
-2 7,5
-12
- 24,5
-10
- 22,5
-9
- 21,5
КМП817
ЕНЗ А,Б
+ (3.. .6) +12
КМП817
ЕН4 А,Б
± (9 ...24) ±28
Рис. 8.21 .
Схема включения
микросхемы К817ЕН2А,Б
на выходное
напря~енне 15 В
Таблица 8.13 .
/,,
РВ~С·
Нестабильность
мА
выходного
напряжения. %
200
2
±0,5
200
2
±0,5
120
±2
50
±0,5
стабилизации напряжения на уровне +9 В входное напря­
жение прикладывается к выводам 3, 5 и 17, а выходное -
снимается с выводов 15, 22, 25, 28. На микросхеме К817ЕН2А,Б
при ее включении в стаби,1изатор выходного напряжения -
12 В, производится соединение перемычкой выводов 13 и 20,
15 и 19. Входное напряжение прикладывается к выводам 2, 3,
5 и 17, вывод 1 заземляется . Выходное напряжение снимается
с выводов 10, 25. В случае, когда микросхема должна обес­
печить стабилизированное напряжение минус 10 В, входное
напряжение подается на выводы 3, 6, 28 и 17, а снимается
с вывода 25. Вывод 1 заземляется, а выводы 25 и 10. 13 и 20,
15 и 19 соединяются перемычками. В1(J!ючение микросхемы
для стабилизации выходного напряжения на уровне минус


9 В отличается от рассмотренного включения только тем,
что входное напряжение прикладывается к выводам 3, 7, 27.
Для токов нагрузки от 50 до 200 мА между выводами
17 и 19 микросхемы необходимо включить внешний резистор
защиты Rэ. значение сопротивления которого определяется
по формуле
R,=0,84/(J. -0,05) Ом .
~ -:\''
Микросхемы К817ЕНIА,Б и К81~7ЕН2А,Б допускают корот-
кое замыкание на выходе на неограниченное время .
Встроенная емкость предназначена для устранения воз­
буждения микросхемы при выходных напряжениях 9, 10
и 12 В. Для ее подключения необходимо выводы 13 и 20
микросхемы соединить перемычкой . При выходном напря­
жении 15 В между выводами 3 и 20 микросхемы включается
конденсатор емкостью 4700 пФ и рабочим напряжением не
менее 20 В.
В случае, когда стабилизаторы напряжения работают
в особо тяжелом режиме (при импульсной нагрузке), необ­
ходимо подключить дополнительный внешний конденсатор
параллельно выходным выводам микросхемы 3 и 15 . В этом
случае внутренняя емкость не ПОДl(.ТJючается .
Выходное напряжение может быть получено в диапазоне
от 7 до 25 В при подключении внешнего резистора к одному
плечу выходного делителя. В случае подключения резистора
к выводам микросхемы 3, 26 выходное напряжение умень­
шается. При подключении резистора к выводам микросхемы
25, 26- увеличивается. При изменении плеч делителя внеш­
ним резистором следует иметь в виду, что внутреннее опор­
ное напряжение равно 3,28 В.
При необходимости умощнения электрических режимов
применяются схемы с умощняюшими транзисторами (рис .
8.22 -8 .23), но при этом токи и напряжения микросхемы не
должны превышать значений, указанных в табл. 8.13 .
Микросхемы КМП817ЕН3 предназначены для стабилиза­
ции напряжения питания на номинальном фиксированном
уровне +5В и регулируемого в пределах + (3 ... бВ) . Номи­
нальные выходные напряжения обеспечиваются с помощью
внутренних делителей микросхем.
С помощью микросхемы КМП817ЕН3 выходное напряже­
ние, отличное от фиксированного номинального значения
(5 В при входном напряжении равном 10 В), может быть по­
лучено в пределах от 3В до бВ при подключении внешнего ре­
зистора . Если резистор включен между выводами 17 и 18 ста­
билизатора, то выходное напряжение становится меньше 5В .
305


Рис. 8.22 .
Схема включения
микросхемы К817ЕНIА , Б
Рис. 8.23.
vт
Ивы:z
Схема включения
микросхемы К817ЕН2А, Б
с умощияющим транзистором
с умощняющим транзистором
Если внешний резистор подключается к выводам 16 и 17, то
выходное напряжение увеличивается . Стабилизатор рассчи­
тан на работу с токами нагрузки 120 мА - без радиатора
и 500 мА - при использовании радиатора .
Если ток нагрузки стабилизатора составляет менее 500 мА,
"' между выводами стабилизатора 2 и 15, необходимо включать
резистор защиты, значение сопротивления которого рассчи ­
тывается по формуле
Rз =~6-О,75 (Ом) ,
fcp
~;де /ер - ток срабатывания зашиты в А .
Гибридные интегральные стабилизаторы КМП817ЕН4
обеспечивают двухполярные стабилизированные выходные
напряжения + 12В; + 15В, регулируемые в пределах
+ (9 ...24) В . Они, в основном, предназначены для питания
операционных усилителей.
В стабилизаторе КМП817ЕН4, кроме основных значений
выходного напряжения + 15 ( + 12) В, при входном напря­
жении соответственно +23 ( +20) В могут быть получены
и дополнительные значения напряжения +20В и +24В при
помощи внутреннего делителя . Кроме того, в стабилизаторе
могут быть получены промежуточные значения выходного
напряжения в пределах от + 7 до + 24 В. Максимальное
входное напряжение стабилизатора КМП817ЕН4 не должно
превышать +ЗОВ.
При подключении внешнего резистора к выводам 22, 23
микросхемы выходное напряжение уменьшается, а при под­
ключении внешнего резистора к выводам 22 ,8- увел ич и­
вается.
При токе нагрузки микросхемы КМП817ЕН4, превы ш аю­
щего значение 50 мА, между выводами 11, 12 и 4, 5 необхо­
димо включать внешние резисторы защиты Rз, сопротивление
которых рассчитывается по формуле
Rз=IОбО/(/н-50) (Ом) .
306


Для больших токов нагрузки стабилизатора КМП817ЕН4
номинальные выходные напряжения + 12В, + 1 5В и +20В
можно получить при соответствующем зако рачива нии выво­
дов микросхемы 21, 23; 20, 23; 19, 23. При этом сопротивление
резисторов составляет R1=R2=1 кОм.
д'ля питания стаби~изированным напряжением устройств,
которые потребляют большие токи, чем допустимые токи на­
грузки стабилизаторов КМП817ЕН3 и КМП8 17 ЕН4, необхо­
димо применять внешние регу.!f~Ир~юшие транзисторы . Элек­
трические режимы токов и наПрЯжений стабилизаторов не
доJ1жны превышать значений, указанных в таб.1ице 8.1 3 .
Стабилизаторы КМП817ЕН3 и КМП817ЕН4 имеют встро­
енную защиту от перегрузок по току, мощности и от коротких
замыканий . Схема защиты обеспечивает автоматический
возврат стабилизатора в рабочее состояние после устранения
аварийной ситуации .
Для выбора стабилизатора прежде всего оцениваются
условия его эксплуатации и габаритно-весовые характеристи­
ки, которые приемлемы для данного конкретного случая . За­
тем, на основании данных об имеющихся питающих напря­
жениях, выбирается нужная серия микросхем . Для этой цели
можно использовать табл . 8.11, 8 . 12, 8.13 .
После проведенной оценки производится выбор конкрет­
ной микросхемы с учетом выходного напряжения и тока, а
также с учетом нужного коэффициента нестабильности на­
пряжения . Предлагаемый · метод выбора стабИJшзатора по­
зволяет без особых трудностей выбрать нужный стабилиза­
тор. Однако бывают случаи, когда для реwения конкретной
задачи измерений стабилизатор выбирается только по одному
или двум параметрам. Этими параметрами почти всегда
бывают выходное напряжение и коэффициент нестабильности
выходного напряжения .
·


Список литературы к главе 8:
8. 1. Алексенко А. Г., Коломбе · т Е. А., Стародуб Г. И .
Применение прецизноиных аналоговых ИС . - М .: Радио и связь,
1985. -
204 с.
8.2 . Аналоговые и цифровые интегральные схемы / Под ред. Якубов ­
ского С. В. - М.: Сов . радио, 1990. -
496 с.
8.3. Бахтиаров Г.Д.,Малинии В. В., Школин.В.П.Анало­
го-цифровые преобразователи.- М .: Сов. радио, 1980.-28 0 с.
8.4. Гитис Э. И., Пискулов Е. А. Аналого-цифровые преобра­
·зователи. - М. :
Энергоатомиздат. 1981. - 360 с.
8.5 . Гут н и к о в В. С. Интегральная электроника в измерительных
устройствах.- Л .: Энергия, 1988.-
·304 с.
8~6. К о ф л ин Р., Др и ск ол Ф . Операционные усилители и линейные
интегральные схемы.- М.: Мир, 1979. - 3 60 с.
8.7 . Марше Ж. Операционные усилители и их применение. - Л. : Энер ­
гия, 1974.- 216 с.
8.8 . О т т Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. ­
М.: Мир, 1979.- 248 с.
8~9 . П о л я н и н К. П . Интегральные стабилизаторы напряжения .­
М .: Энергия, 1979 .-
192 с.
8.1 0 . Проектирование и применение операционных усилителей /Под ред .
Дж. Грема. Дж . Тоби , Л. Хьюлсмана.- М. : Мир. 1974 .-
512 с.
8. 11 . Современные линейные интегральные микросхемы и их применение /
Пер. с англ. Под ред. М. В. Гальперина.- М.: Энергия, 1980.-272 с.
8.12 . Справочник по интегральным микросхемам /Под ред . Тарабри ­
на В . В.- М .:· Энергоатомиздат , 1984. - 52 8 с.
8.13 . Тит ц е У., Ш е н к К. Полупроводниковая схемотехника.~ М. : Мир ,
1983.-
512 с.
8.14 . Хорош к о В. А., Чирк о в Д. В. Повышение помехоустойчивости
интегральных операционных усилителей. /Проблемы гибридной
вычислительной техники: Сб. науч. тр.- Киев. : Наук. думка, 1979.-
С. 127-130 .
8.15 . Шил о В. Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной
аппаратуре.- М .: Сов. радио , 1979.-
368 с.


КРАТКИЙ РУССКО-УКРАИНСКИЙ ТЕРМИНОЛО Г ИЧЕСКИЙ
СЛОВАРЬ ПО ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ
Быстродействие
Верояfиая погрешность
Вероят ность
Веду щий (мех)
Весы рычажные
Вещество
Влажность
Влияние
Влияющий фактор
Возмущение
Воспроизводимость
Гарантия качества
Гарантийный срок
Давление
Датчик
Действительное значение
Действующее значение
Действующий стандарт
Деление шкалы
Делитель напряжения
Длительность
Доверите.1ьиая вероятность
Дополнительная погрешность
Достоверность
Затухание
Звеио преобразовательное
Избыточный
Изделие
Излучение
Из:11ерение
Измерительный преобразователь
Измерительный прибор
Измеряемая величина
Интегрирующее звено
Испытание
Исследуемый сигнал
Истинное значение
Клеймо
Колебательный
Круговая частота
Мгновенное значение
Мера
· Мнимый
Многократный
Наблюдение
Надежность
Напряжение
Необратимый
Несовместимый
Образец вещества
Образцовый
Обратное преобразование
Швидкодi я
ймовiрна похибка
Ймовiрнiсть
Тяговий
Терези
,Ре~;1рвииа
"Вологiсть
Вплив
Фактор впливу
Збурення
Вiдтворюваиiсть
Запорука якостi
Гараитiйний термiн
Тис к
Давач
Дiйсне значения
Дiюче значения
Чииний стандарт
Подiлка шкали
Подiльник иапруги
Тривалiсть
Гарантiйна ймовiрнiсть
Додаткова похибка
Вiрогiднiсть
Погасания, згасаиия
.'Iанка перетворювальна
Надмiрний
Вирiб
Випромiнювания
Вимiрювания
Вимiрювальний перетворЮвач
Вимiрювальний прилад
Вимiрювана величина
lитегрувальна ланка
Випробовування
Дослiджуваний сигнал
lстиние зиачеиня
Тавро
Коливний
Колова частота
МиттЕВе, миттьове' значения
Mipa
Уявний
Багаторазовий
Спостереження
Надiйнiсть
Напруга
Незворотний
Несумiсиий
Зразок речовини
Взiрцевий
Зворотне перетворення


Окрес т ность
Окружающий
Окружающая среда
-Определение
Отказ устойчивый
Отсчет
Показание
Показывающий прибор
Помеха
Помехоустойчивость
Преобразователь
Прибор
Приведенная погрешность
Промежуток, интервал
Пространство
Постоянная (константа)
Работоспособность
Разрешающая способность
Разрушение
;распределение
Расхождение
Регистрация показаний
Регист рирующий прибор
Регул ирующий
Сеть
Сечени~
~овмес т имость
Согл асованность
Состав
Состоя тел ьность
Средство измерений
С тепень
Ступенчатый срок
Существенный , значимый
Счетный
Счетчик
Уравновешивающее преобразование
Уровень
Усилитель
Установка
Установившийся
устойчивость
Устройство
Учас ток цепи
Фазовращатель
Цепь п реобразования
Частный
Чувст ви тельный элемент
Явление
Ок iл
Навколишн i й
Довкiлля
Означення
Вiдмова стiйка
Вiдлiк
Показ
Показувальний прилад
Завада
Завадост i йкiсть
Перет ворювач
Прилад
Зведена похибка
Промiжок
Простiр
Стала
Працезлатнiсть
Роздiльна здатнiсть
Руйнувания
Розподiл
Розб i жнiсть
РеЕстраu i я показiв
РеЕструвальний прилад
Регулювальний
Мережа
Перерiз
Сумiсн iсть
Уз годженiсть
Склад
Слушнiсть
Засiб вимiрювань
Ступiнь
Схiдчатий термiн
Iстотний
Злiчений
Jliчильник
Зрiвноважувальне перетворенн~
Рiвень
Пiдсилювач
Устава
Усталений
Стiйкiсть
Пристр i й
Дiл янка кола
Фа з оповертач
Коло перетвореиня
Частинний
Чутл ивий елемент
Явище


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


ББК 32.96-04
Д20
Авторы:
3. Ю. Готра, Л. Я. Ильниuкий, Е. С. Полищук,
Л. В. Сибрук, В. А. Хорошко, О . И. Чайковский,
Н. И. Чичикало, Влодзимеж Калита
ДОВIДl<ОВЕ ВИДАННЯ
Готра Зенон Юрiйович
1 льни ц ь кий Людвиг Якович
Полiщук €вген Степановичтаiн.
ДАВАЧJ
Довiдник
За редакцiЕю 3. Ю. Готрн та О. 1. Чайковськоrо
Львiв, «Каменяр»
(Росiikькою мовою)
Редактори А. А. Черняк. М. /. Швед
Художн• оформ лення Г. В. Куча6ського
Художнiй редактор В. / . Сава
Техt1iчиий редактор В. /. Франчук
Коректори О. В. Крiль , / . М. Микита
Здано иа складання 06.06.90. Пiдписано до друку 14.06 .94 .
Формат 84Х108 1 /з2- Пanip друк . No 2. Гарнiтура лiтературиа .
Офсетиий друк. Умов. друк. арк . 16 ,38. Умов . фарбовiдб . 16,8 .
Обл . -вид. арк. 16.46 . Замовлеиня 831 -0 .
Вндавннцтво «Каменяр)I) . 290000. Львiв . Пiдвальиа, 3
Львiвська книжкова фабрика « Атпас» . 290005. Львiв. Зелена, 20_
Давачi: Довiдник / 3 . Ю. Готра, Л. Я. 1.nьниuький,
Д20 €. С. Полiщук та iн.; За ред. 3. Ю. Готри та О. 1. Чай-
11.овського. - Львiв: Каменяр, 1995. -
312 с.: табл.:
рис. - Рос.
ISBN 5-7745-0233-3
У довlднику вмiщено основнi характеристики nеретворювачiв
фiзичних величин, висвiтлено методи lx корекцii i класифiкацi\ ,
а також nараметри i технiчнi данi тензорезисторiв, наniвnровiдни­
кових теизодавачiв i термоnеретворювачiв, давачiв Холла, магнi·
тодiодiв, рiзноманiтних мiкроелектронних елементiв.
Для робiтникiв nриладобудiвних niдnриЕмств, учнiв nрофтех ­
училищ, коледжiв i технiкумiв, студентiв вищих учбових закладiв,
а також iнженерiв i технiкiв, що nраuюють у галузi вимiрювал ь·
ноi технiки.
д 2402020000-023 14-91
95
ISBN 5-7745 -0233 -3
ББI( 32.96 -04
'С :l. Ю. Гснrа. ~1 Я. И:1ы111111<11ii.
Е. С По:н11ау1.;,Jl. В. Сибr~ ''·В. А. XfJ·
1101111-ю. О. И. Чайкс1nсю11i. Н И. Чнчfl·
IШ.1(). В.10.1:111\.!('Ж Ка.111 та. 199.=}