Общие сведения о датчиках контактного сопротивления


Датчики

Классификация. Анализ советских и зарубежных разработок ДКС показывает, что к настоящему времени наметились следующие два основных направления развития датчиков, построенных на принципе контактного сопротивления—пьезорезисторное и тензорезисторное (табл. 1.1).

Основнымиэлементами пьезорезисторных ДКС являются (рис. 1.1,а) чувствительный элемент I, металлические обкладки 2, оболочка 3 и выводные провода 4, а тензорезисторных ДКС — чувствительный элемент 1, выводные контакты 2 и выводные провода 3 (рис. 1.1,6).

Пьезорезисторы (ПР) КС представляют собой самостоятельные модули и применяются в основном в качестве датчиков силы и давления. Тензорезисторы КС являются приклеиваемыми преобразователями, используются только в сочетании с деформируемым телом, на поверхность которого они монтируются, и служат, главным образом, в качестве датчиков деформаций.

 

Общие сведения о датчиках контактного сопротивления

По конструктивному выполнению чувствительного элемента (ЧЭ) пьезорезисторы КС разделяются на пластинчатые, нитевые, зернистые, брикетно-пористые и брикетные. Их выполняют из различных металлических и неметаллических полупроводниковых (по удельному сопротивлению) материалов или композиций. У пластинчатых пьезорезисторов ЧЭ представляет собой пакет ЭП пластин, который состоит или из однокомпонентных ЭП материалов, например пластин угле графита, ЭП бумаги, ЭП резины, высокоомной металлической фольги или из многокомпонентных ЭП материалов, например пластин ЭП бумаги с промежуточными прокладками из металлической фольги, пластин металлической фольги с высокоомным покрытием и т. д. У нитевидных пьезорезисторов ЧЭ представляет собой клубок ЭП нитей. Узернистых — ЧЭ выполняют в виде слоя зернистого ЭП материала, например углеграфита, магнетита, окиси меди и других неугольных зернистых ЭП материалов без примесей и с примесями. У брикетнопористых пьезорезисторов ЧЭ представляет собой брикет пористого эластичного полимерного материала, пропитанного ЭП композицией. У брикетных пьезорезисторов ЧЭ состоит из брикета сплошного ЭП материала, например ЭП резины.

 У тензорезисторных ДКС чувствительный элемент выполняют в виде полоски, пленки или нити из смеси ЭП порошка со связующим (например, угольного порошка с бакелитовым лаком), ЭП резины либо в виде других ЭП композиций.

См. также:  Пьезоуправляемые резисторы и потенциометры

По уровню образования токопроводящих каналов ДКС можно разделить на две группы — с контактированием на макроскопическом уровне и с контактированием на микроскопическом уровне. К первой группе относятся ДКС с дискретными чувствительными элементами — пластинчатые, нитевидные, зернистые и брикетно-пористые преобразователи, у которых существует физическая граница между контактирующими элементами и переходное сопротивление представляет собой область соприкосновения между отдельными точками разных поверхностей. К второй группе можно отнести брикетные и тензорезисторные преобразователи, состоящие из сплошных чувствительных элементов, у которых нет физической границы между контактирующими элементами и переходное сопротивление представляет собой область контактов между проводящими частицами или их цепочками, как, например, у ЭП резины, или область контакта в микроскопических трещинах проводящих цепочек, как, например, в угольно-бакелитовых тензолитах.

Перечисленные выше пьезорезисторы КС являются ДКС с электронной проводимостью. Разработаны также пьезорезисторы КС с ионной проводимостью, представляющие собой пористую основу, например, из бумаги, ткани, ниток, полимерных эластичных материалов, пропитанную электролитом.

Основные параметры. В табл. 1.2 приведены основные параметры одиннадцати советских и зарубежных образцов пьезорезисторных ДКС с чувствительными элементами в виде пакета из 10 пластин: углеграфита, ЭП бумаги, ЭП резины, ЭП бумаги и промежуточных пластин металлической фольги, оксидированной металлической фольги; в виде слоя зерен углеграфита, магнетита; в виде пористого брикета разработки СССР, разработки США, разработки Японии; в виде сплошного брикета ЭП резиныТ Обозначения в таблице: 5—площадь ДКС, Рном — номинальное давление, —толщина чувствительного элемента, —деформация, Я0— начальное сопротивление, ДК—приращение сопротивления.

Как видно из таблицы, характерными для всех типов пьезорезисторных ДКС являются большое изменение выходного параметра, малые габариты и масса, допускающие создание высокочувствительных микродинамометров. Меньшей деформацией и меньшими габаритами обладают пластинчатые, зернистые и брикетные преобразователи.

См. также:  Зернистые пьезорезисторы

Погрешности ПР складываются из погрешностей, вызванных упругим последействием, гистерезисом, стабильностью нуля и воспроизводимостью нагрузочной характеристики. Эти погрешности у ПР КС как по знаку, так и по абсолютной величине зависят от характера нагружения — заданной нагрузки или заданной деформации. Проявление этими датчиками реологических свойств связано с фактором времени и поэтому особенно ощутимо в статическом режиме нагружения, в котором погрешности достигают 10— 30%. Исследования реологических свойств ПР позволили разработать методы и средства снижения суммарной погрешности ПР примерно до 5%.

Нелинейность зависимости выходного параметра ПР от нагрузки Я=/(Р) близка к 60%, а зависимости выходного сигнала измерительной цепи от нагрузки (Р)— 10—15%.

Тензорезисторные ДКС ранее находили применение в основном для качественных оценок деформаций. Разработки последних лет позволили значительно повысить их точность.

Основные области применения. Анализ современного состояния разработок пьезорезисторов контактного сопротивления показал, что по конструктивному выполнению основных и дополнительных элементов они допускают значительное многообразие, чем облегчается задача построения датчиков различного назначения. На пьезорезисторах могут строиться следующие преобразователи неэлектрических величин в электрические и элементы автоматики:

датчики сил, давлений, ускоренийи вибраций, в том числе микродинамометры для измерения одно-, двухи трехосного напряженного состояния и запоминающие динамометры; датчики объемного давления и разрежения для измерений в жидких и газообразных средах, в том числе агрессивных, а также датчики минимального давления; электроманометры мембранного и поршневого типа, а также с трубкой Бурдона; сенсорные коммутирующие и управляющие устройства; датчики систем охранной и предупредительной сигнализации, например дверные датчики и пьезорезистивные коврики; пьезоуправляемые резисторы и потенциометры; магнитопьезоуправляемые резисторы и потенциометры с электрическим и позиционным управлением; бесконтактные реле; преобразователи постоянного тока; датчики близости; датчики влажности и температуры; нелинейные и бистабильные резисторы; тактильные датчики для роботостроения и микронагреватели.

См. также:  Стабильность физико-механических свойств смолы

Тензорезисторы контактного сопротивления могут найти применение в следующих областях: в тензометрии; для измерения контактных давлений; для построения динамометров, тензоуправляемых резисторов и потенциометров, датчиков влажности и температуры.

Особый интерес представляет применение пьезорезистивных материалов для построения моделей различных конструкций, в том числе горных выработок, позволяющее непосредственно использовать материал модели для измерения напряженного состояния в любых точках конструкции.

Возможность градуировки пьезорезисторов статическими силами и отсутствие необходимости в усилительном устройстве значительно упрощают процесс проведения с их помощью динамических измерений.

Использование пьезорезисторов в качестве основы резистивноемкостных пьезодатчиков позволяет строить преобразователи механических величин в частоту электрического сигнала. А использование эффекта изменения контактного сопротивления между ферромагнитными пластинами сердечника дросселя или трансформатора при его сжатии позволяет строить вихретоковые датчики силы. Потенциальные возможности данного типа механоэлектрических преобразователей далеко не исчерпываются приведенными примерами. Дальнейшие исследования и разработки позволят не только повысить точность датчиков контактного сопротивления, но также расширить область их применения.

Анализ преимуществ и недостатков ДКС по сравнению с датчиками, построенными на других физических принципах, является предметом самостоятельного исследования. В данной книге приведены лишь примеры практического применения ДКС.