Измерительные приборы в электрических измерениях, страница 9

Рис. 3.14. (а) Подключение усилителя напряжения к пьезоэлектрическому датчику силы, с помощью кабеля. (b) Схема усилителя заряда.

выходном напряжении V₀. Это означает, что напряжения, приложенные к кабелю и к входному импедансу операционного усилителя, становятся приблизительно равными нулю. Пренебрегая импедансами кабеля и усилителя, видим, что выходной заряд датчика полностью стечет через импеданс, образованный параллельным соединением С₀ и R₀. Следовательно, передаточная функция равна:

.

Если R₀ настолько велико, что ωR₀C₀ много больше единицы, то коэффициент передачи будет действительной величиной:

У операционного усилителя всегда имеется небольшой втекающий или вытекающий входной ток (необходимый для обеспечения требуемого режима по постоянному току входных транзисторов усилителя). Поэтому в отсутствие R₀ усилитель заряда интегрировал бы этот ток до тех пор, пока, наконец, не попал бы в состояние насыщения на выходе. Однако сопротивление резистора R₀ надо выбирать большим для того, чтобы на низких частотах усилитель заряда работал удовлетворительно. Как следствие, операционный усилитель должен иметь крайне малые входные токи смещения (например, во входном каскаде должны быть применены полевые транзисторы).

Выходное напряжение усилителя заряда V₀ пропорционально заряду Q, возникающему на выходе датчика, поскольку. Малое значение выходного импеданса источника напряжения V₀ может пригодиться впоследствии в процессе дальнейшей передачи.

3.2.2 Термоэлектрические датчики

При каждом измерении температуры происходит перенос энергии: она либо отбирается у измеряемого объекта, либо добавляется ему. Последнее происходит в том случае, когда измеряемая температура ниже, чем температура датчика, которая стремится к тому, чтобы сравняться с температурой окружающей среды. Этот теплообмен, оказывающий влияние на измеряемый объект, происходит при каждом измерении и приводит к ошибкам. Передача энергии от измеряемого объекта к датчику температуры или наоборот осуществляется посредством теплопроводности, конвекции или излучения. Перенос тепла в веществе при отсутствии движения называется теплопроводностью. В контактных датчиках температуры теплопроводность является основным способом передачи энергии. Передача тепловой энергии движущейся массой называется тепловой конвекцией. Конвекция является важнейшим способом передачи энергии, когда датчик температуры помещен в газовый ПОТОК. Наконец, передача тепла инфракрасным электромагнитным  излучением называется тепловым излучением. В этот процесс вещество не включено. На этом способе передачи энергии основана радиационная термометрия.

Мы рассмотрим здесь четыре существенно различных метода преобразования, используемых в термоэлектрических датчиках. Все они основаны на температурной зависимости той или иной переменной в измерительной системе или ее параметра. Первый метод основан на температурной зависимости электрических параметров, например, омической составляющей или ширины запрещенной зоны кремния в биполярном транзисторе. Во втором методе измеряется контактная разность потенциалов двух металлов, образующих так называемые термопары. Измерение теплового излучения тела при температуре выше Т=0 К составляет сущность третьего метода (в этом случае датчики называют пирометрами). Наконец, четвертый метод сводится к косвенному измерению температуры. Сначала температура влияет на механическую величину (например, на резонансную частоту кристалла), которая, в свою очередь, влияет на электрическую величину (частоту колебаний генератора). Этот способ используется в термометрах с кварцевым резонатором. Таблица 3.1 дает краткую сводку достоинств и недостатков этих методов.

Табл. 3.1.    Сравнение различных методов измерения температуры.

	Резистивный датчик	Термистор	ИС-датчик	Термопара	Датчик излучения	Кварцевый датчик
Достоинства	Стабильность Точность	Высокая эффективность Быстрый 2-проводное измерение	Дешевый Линейный Большое напряжение	Пассивный датчик Простой Прочный Дешевый Большой темпера-турный диапазон	Не нагружает объект Измеряет на рас-стоянии	Высокая точность Высокая стабиль-ность Высокая линей-ность
Недостатки	4-проводное измерение Нелинейность Дорогой Медленный Выделяет тепло	Низкая стабильность Сильная нелинейность Малый температурный диапазон Хрупкий	Медленный Выделяет тепло Требуется источник питания Т<1500	Большая нелиней-ность Малое напряже-ние Требуется температур-ный эталон Невысокая стабильность	Неточный Нестабиль-ный Дорогой Требуется температур-ный эталон	Самый дорогой

Резистивные датчики температуры

Электрическое сопротивление любого материала в той или иной степени зависит от температуры. Если эта зависимость точно известна и достаточно воспроизводима, то ею можно воспользоваться, переходя от измерения температуры к измерению сопротивления. Мы будем различать резистивные термометры, основанные на чистых металлах, металлические термометры, и резистивные термометры, в которых применены полупроводниковые материалы, полупроводниковые термометры.

Сопротивление чистых металлов можно записать в виде степенного ряда:

где R(T) – сопротивление датчика при температуре Т, а R(T₀) – его сопротивление при определенной эталонной температуре Т₀. Если температурный диапазон не слишком велик, то достаточно оставить первые два члена и датчик можно считать почти линейным.

Чаще всего применяются платина и никель. При температуре Т₀ = 273 К =3,85´10^-3 К^-1, а =6,17´10^-3 К^-1. Диапазон измерения платинового датчика простирается от 70 К до 1000 К, а у никелевого датчика – от 200 К до 500 К. При температуре 273 К коэффициент при квадратичном члене для платины равен, = - 5,83´10^-7 К^-2 , а при члене третьей степени – = -314´10^-12 К^-3.