Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 8. Принцип трехточечной линеаризации
Линеаризующий последовательно включенный резистор. Нелинейность характеристики металлического резистора можно компенсировать нелинейностью другого резистора, изготовленного из выбранного соответствующим образом металлического материала. Рассмотрим датчик,
сопротивление которого выражается соотношением:
2
Rc (T ) = Rc 0 (1 + AcT + BcT ‘
(38)
29
где Т выражается в °С. Присоединим к нему последовательно резистор с сопротивлением Rs (T):
R (T) = Rs 0 (1 + (T + БгТ2), (39)
где Т выражается в °С. Сопротивление составленного из них двухполюсника равно:
R(T) = Rc0 + Rs0 + (Rc0Ac + Rs0As )T + (Rc0Bc + Rs0Bs )T2 . (40)
Сопротивление R(T) будет линейным при условии:
Rs 0Bs = —Rc0Bc . (41)
Таким образом, платиновый резистивный датчик можно линеаризовать, присоединив к нему последовательно резистор из никеля.
Линеаризация измеряемого напряжения в мосте Уитстона. Мост Уитстона образуется посредством соединения двух потенциометров (R1 и R2 с одной стороны, R3 и R4 с другой) [4]. Измеряемое напряжение Um пропорционально разности относительных сопротивлений:
( R2 Ra
Um = E------2-------------------------------4— . (42)
m (R + R2 R3 + R4 J
Сопротивления R3 и R4 постоянны, поэтому линеаризация Um сводится к линеаризации отношения R2/(R1 + R2), что достигается при R2 = Rc (T), когда R1 равно определенному выше значению R,. Мост уравновешивается при температуре T,, в окрестности которой напряжение Um линеаризовано, если R3 = Rt н R4 = Rc (T). Линейность может
быть дополнительно улучшена посредством параллельного включения нескольких (двух или трех) различных датчиков, соединенных последовательно с резисторами постоянного сопротивления. Сопротивление Rc (T) всей группы линеаризуется, как и в предыдущем случае, резистором R,, соединенным последовательно или параллельно.
ЛЕКЦИЯ 4
4.1 Металлические термометры сопротивления
В зависимости от диапазона температур и других предъявляемых требований, термометры сопротивления изготавливаются из платины, никеля и, реже, из меди и вольфрама [5]. Химическая пассивность платины и отсутствие кристаллических изменений обеспечивают стабильность электрических свойств. Благодаря точности определения электрических характеристик и их стабильности обеспечивается взаимозаменяемость платиновых термометров сопротивления. Они используются в ин-
30
тервале температур от 200 до 1000°С, если это позволяет защитный корпус.
Интерес к никелю обусловлен его высокой чувствительностью к температуре. В интервале температур 0-100°С его сопротивление увеличивается в 1,67 раза, тогда как у платины - в 1,385 раза. Однако его химическая активность, в частности способность к окислению, может приводить к изменению электрических свойств. Поэтому применение никеля обычно ограничивается температурами ниже 250°С.
Медь в качестве материала термометра сопротивления применяется потому, что зависимость ее сопротивления от температуры линейна с очень высокой точностью. Однако химическая активность меди не позволяет применять ее при температурах выше 180°С. Кроме того, из-за малого удельного сопротивления приходится использовать более длинные проводники, что приводит к большим габаритам измерительной установки.
Удельное сопротивление вольфрама более чувствительно к температуре, чем у платины, при температурах ниже 100 К. Вольфрам может применяться при более высоких температурах, чем платина, и имеет лучшую линейность удельного сопротивления. Из него изготавливаются очень тонкие проволоки, позволяющие получать большие сопротивления и минимальные размеры датчика. Однако внутренние напряжения, возникающие в процессе волочения проволоки, трудно полностью устранить и при отжиге вольфрама, поэтому стабильность его электрических характеристик ниже, чем у платины. В табл. 4 представлены значения некоторых физических параметров рассмотренных выше металлов.
Таблица4.
Физические свойства некоторых металлов термометров сопротивления.
параметр медь никель платина вольфрам
Tf, °C 1083 1453 1769 3380
с, Дж-°С"1-кг"1 400 450 135 125
Xt, Вт-°С"1кг"1 400 90 73 120
-1 С ° а,г 16,7-10-6 12,8-10-6 8,9-10-6 6-10-6
р, Ом-см 1,72-10-8 10,0-10-8 10,6-10-8 5,25-10-8
а„, °С'1 3,9-10-3 4,7-10-3 3,9-10-3 4,5-10-3
где, Tf - температура плавления, С- удельная теплоемкость при температуре 20°С, Xt - коэффициент теплопроводности, аг- коэффициент линейного расширения, р - удельное сопротивление при температуре 20°С, ар- температурный коэффициент сопротивления при температуре 20°С.
4.2. Термисторы
Общие характеристики. Основное отличие термометров сопротив-
31
ления этого типа состоит в том, что их чувствительность к температуре значительно выше (приблизительно в 10 раз), чем металлических. Кроме того, их температурный коэффициент обычно отрицательный и сильно зависит от температуры. Они изготавливаются из смесей поликристал-лических полупроводниковых оксидов металлов (MgO, М^Л12О4, Мп2О3, Бе304, Со2О3, NiO, ZnTiO4).
Порошки оксидов спекаются в форме под давлением и упрочняются посредством поверхностного обжига при температурах порядка 1000 °С в контролируемой атмосфере. Металлические выводы припаиваются к двум точкам предварительно металлизированной поверхности полупроводника. Термисторы выпускаются в виде дисков, цилиндров, колец, шариков. Высокие значения удельного сопротивления используемых материалов позволяют получить необходимые сопротивления при малой массе и, следовательно, малых размерах (порядка 1 мм). Вследствие этого термисторы имеют малые габариты, что позволяет проводить измерения температуры практически в точке и малую инерционность.
