Термометры сопротивления. Термометры сопротивления как и термопары, предназначены для измерения температуры газообразных, жёстких и жидких тел, и температуры поверхности. Принцип действия термометров основан на применении свойства металлов и полупроводников изменять собственный электрическое сопротивление с температурой. Для проводников из чистых металлов эта зависимость в области температур от –200 °С до 0 °С имеет форму:
Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3],
а в области температур от 0 °С до 630 °С
Rt=R0[1+At+Bt2],
где Rt, R0 — сопротивление проводника при температуре t и 0 °С; А, В, С — коэффициенты; t — температура, °С.
В диапазоне температур от 0 °С до 180 °С связь сопротивления между температуры и проводника описывается приближенной формулой
Rt=R0[1+?t],
где ? — температурный коэффициент сопротивления материала проводника (ТКС).
Для проводников из чистого металла ??6-10-3…4-10-3 град-1.
Измерение температуры термометром сопротивления сводится к измерению его сопротивления Rt, с последующим переходом к температуре по формулам либо градуировочным таблицам.
Различают проволочные и полупроводниковые термометры сопротивления. Проволочный термометр сопротивления представляет собой узкую проволоку из чистого металла, закрепленную на каркасе из температуростойкого материала (чувствительный элемент), помещенную в предохранительную арматуру (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Чувствительный элемент термометра сопротивления
Выводы от чувствительного элемента подведены к головке термометра. Выбор для того чтобы сопротивления проволок из чистых металлов, а не сплавов, обусловлен тем, что ТКС чистых металлов больше, чем ТКС сплавов и, следовательно, термометры на базе чистых металлов владеют большей чувствительностью.
Индустрией выпускаются платиновые, никелевые и бронзовые термометры сопротивления. Для единой градуировки и обеспечения взаимозаменяемости термометров стандартизованы величины их сопротивления R0 и ТКС.
Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) представляют собой бусинки, диски либо стержни из полупроводникового материала с выводами для подключения в измерительную цепь.
Промышленность серийно производит множество типов термисторов в разном конструктивном оформлении.
Размеры термисторов, в большинстве случаев, мелки — около нескольких миллиметров, а отдельные типы десятых долей миллиметра. Для предохранения от воздействия среды и механических повреждений термисторы защищаются покрытиями из стекла либо эмали, и железными чехлами.
Термисторы в большинстве случаев имеют сопротивление от единиц до сотен килоом; их ТКС в рабочем диапазоне температур многократно превосходят у проволочных термометров. В качестве материалов для рабочего тела термисторов применяют смеси оксидов никеля, марганца, меди, кобальта, каковые смешивают со связующим веществом, придают ему требуемую форму и спекают при большой температуре. Используют термисторы для измерения температур в диапазоне от -100 до 300°С. Инерционность термисторов относительно мала. К числу их недочётов направляться отнести нелинейность температурной зависимости сопротивления, отсутствие взаимозаменяемости из-за громадного разброса номинального сопротивления и ТКС, и необратимое изменение сопротивления во времени.
Для измерения в области температур, родных к полному нулю, используются германиевые полупроводниковые термометры.
Измерение электрического сопротивления термометров производится посредством мостов постоянного и переменного тока либо компенсаторов. Изюминкой термометрических измерений есть ограничение измерительного тока для того, чтобы исключить разогрев рабочего тела термометра. Для проволочных термометров сопротивления рекомендуется выбрать таковой измерительный ток, дабы мощность, рассеиваемая термометром, не превышала 20 … 50 мВт. Допустимая рассеиваемая мощность в термисторах намного меньше и ее рекомендуется определять экспериментально для каждого термистора.
Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы). В конструкторской практике довольно часто нужны измерения механических деформаций и напряжений в элементах конструкций. Самый распространенными преобразователями этих размеров в электрический сигнал являются тензорезисторы. В базе работы тензорезисторов лежит свойство металлов и полупроводников изменять собственный электрическое сопротивление под действием приложенных к ним сил. Несложным тензорезистором возможно отрезок проволоки, жестко сцепленный с поверхностью деформируемой подробности. Растяжение либо сжатие подробности приводит к пропорциональному растяжению либо сжатие проволоки, в следствии чего изменяется ее электрическое сопротивление. В пределах упругих деформаций относительное изменение сопротивления проволоки связано с ее относительным удлинением соотношением
?R/R=K??l/l,
где l, R — начальные сопротивление и длина проволоки; ?l, ?R — сопротивления и приращение длины; K?— коэффициент тензочувствительности.
Величина коэффициента тензочувствительности зависит от особенностей материала, из которого изготовлен тензорезистор, и от метода крепления тензорезистора к изделию. Для железных проволок из разных металлов K?= 1… 3,5.
Различают проволочные и полупроводниковые тензорезисторы. Для изготовления проволочных тензорезисторов используются материалы, имеющие высокий коэффициент тензочувствительности и малый температурный коэффициент сопротивления. самый употребительным материалом для изготовления проволочных тензорезисторов есть константановая проволока диаметром 20 … 30 мкм.
Конструктивно, проволочные тензорезисторы являются решёткой , складывающуюся из нескольких петель проволоки, наклеенных на узкую бумажную (либо иную) подложку (рис. 5.5). В зависимости от материала подложки тензорезисторы смогут действующий при температурах от -40 до +400 °С.
Рис. 5.5. Тензометр
Существуют конструкции тензорезисторов, прикрепляемых к поверхности подробностей посредством цементов, талантливые действующий при температурах до 800 °С.
Главными чертями тензорезисторов являются номинальное сопротивление R, база l и коэффициент тензочувствительности K?. Индустрией выпускается большой выбор тензорезисторов с величиной базы от 5 до 30мм, номинальными сопротивлениями от 50 до 2000 Ом, с коэффициентом тензочувствительности 2±0,2.
Предстоящим развитием проволочных тензорезисторов являются фольговые и пленочные тензорезисторы, чувствительным элементом которых являются решетка из полос фольги либо узкая железная пленка, наносимые на подложки на лаковой базе.
Тензорезисторы выполняются, на базе полупроводниковых материалов. Наиболее тензоэффект выражен у германия, кремния и др. Главным отличием полупроводниковых тензорезисторов от проволочных есть громадное (до 50 %) трансформацию сопротивления при деформации благодаря громадной величине коэффициента тензочувствительности.
Индуктивные преобразователи. Индуктивные преобразователи используются для измерения перемещений, размеров, расположения поверхностей и отклонений формы. Преобразователь складывается из неподвижной катушки индуктивности с магнитопроводом и якоря, кроме этого являющегося частью магнитопровода, перемещающегося относительно катушки индуктивности. Для получения допустимо большей индуктивности якорь и магнитопровод катушки выполняются из ферромагнитных материалов. При перемещении якоря (связанного, к примеру, со щупом измерительного устройства) изменяется индуктивность катушки и, следовательно, изменяется ток, протекающий в обмотке. На рис. 5.6 приведены схемы индуктивных преобразователей с переменным воздушным зазором d (рис. 5.6а) используемых для измерения перемещения в пределах 0,01…10 мм; с переменной площадью воздушного зазора S? (рис. 5.6б), используемых в диапазоне 5 … 20 мм.
а б
Рис. 5.6. Индуктивные преобразователи перемещений
5.2. Операционные усилители
Операционный усилитель (ОУ) — это дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления. Для усилителя напряжения передаточная функция (коэффициент усиления) определяется выражением
.
Для упрощения конструкторских расчетов предполагается, что совершенный ОУ имеет следующие характеристики.
1. Коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи равен бесконечности.
2. Входное сопротивление Rd равняется бесконечности.
3. Выходное сопротивление R0 = 0.
4. Ширина полосы пропускания равна бесконечности.
5. V0= 0 при V1= V2 (отсутствует напряжение смещения нуля).
Последняя черта крайне важна. Так как V1-V2 = V0 / А, то в случае, если V0 имеет конечное значение, а коэффициент А вечно велик (обычное значение 100000) будем иметь
V1- V2 = 0 и V1= V2.
Потому, что входное сопротивление для дифференциального сигнала(V1 — V2)
кроме этого весьма громадно, то возможно пренебречь током через Rd .Эти два допущения значительно упрощают разработку схем на ОУ.
Правило1. При работе ОУ в линейной области на двух его входах действуют однообразные напряжения.
Правило2. Входные токи для обоих входов ОУ равны нулю.
Разглядим базисные схемные блоки на ОУ. В большинстве этих схем ОУ употребляется в конфигурации с замкнутой петлей обратной связи.
5.2.1. Усилитель с единичным коэффициентом усиления
(повторитель напряжения)
В случае, если в неинвертирующеи усилителе положить Ri равным бесконечности, а Rf равным нулю, то мы придем к схеме, изображенной на рис. 5.7.
 |
В соответствии с правилу 1, на инвертирующем входе ОУ также действует входное напряжение Vi, которое конкретно передается на выход схемы. Следовательно, V0 = Vi, и выходное напряжение отслеживает (повторяет) входное напряжение. У большинства аналого-цифровых преобразователей входное сопротивление зависит от значения подобного входного сигнала. Посредством повторителя напряжения обеспечивается постоянство входного сопротивления.
5.2.2. Сумматоры
Инвертирующий усилитель может суммировать пара входных напряжений. Любой вход сумматора соединяется с инвертирующим входом ОУ через взвешивающий резистор. Инвертирующий вход именуется суммирующим узлом, потому, что тут суммируются все ток и входные токи обратной связи. Базисная принципиальная схема суммирующего усилителя представлена на рис. 5.8.
 |
Как и в простом инвертирующем усилителе, напряжение на инвертирующем входе должно быть равняется нулю, следовательно, равен нулю и ток, втекающий в ОУ. Так,
if = i1 + i2 + . . . + in
и
. . . 
Так как на инвертирующем входе действует нулевое напряжение, то по окончании соответствующих подстановок, приобретаем
V0 = -Rf ( +. . . + ).
Резистор Rf определяет неспециализированное усиление схемы. Сопротивления R1, R2, . . . Rn задают значения весовых входных сопротивлений и коэффициентов соответ-ствующих каналов.
5.2.3. Интеграторы
Интегратор – это электронная схема, которая производит выходнойсигнал, пропорциональный интегралу (по времени) от входного сигнала.
 |
На рис. 5.9 продемонстрирована принципиальная схема несложного аналогового интегратора.Один вывод интегратора присоединен к суммирующему узлу, а второй – к выходу интегратора. Следовательно, напряжение на конденсоторе одновре-менно есть выходным напряжением. Выходной сигнал интегратора не удается обрисовать несложной алгебраической зависимостью, потому, что при фикси-рованном входном напряжении выходное напряжение изменяется со скорос-тью, определяемом параметрами Vi ,R и C. Так, чтобы отыскать выходное напряжение, необходимо знать продолжительность действия входного сигнала. Напряжение на первоначально разряженном конденсаторе
,
где if – через конденсатор и ti — время интегрирования. Для хорошего
Vi имеем ii = Vi/R. Потому, что if = ii , то с учетом инверсии сигнала приобретаем
Из этого соотношения направляться, что V0 определяется интегралом (с обратным знаком) от входного напряжения в промежутке от 0 до t1 , умноженным на масштабный коэффициент 1/RC. Напряжение Vic — это напряжение на конденсаторе в начальный момент времени (t = 0).
5.2.4. Дифференциаторы
Дифференциатор производит выходной сигнал, пропорциональный скорости трансформации во времени входного сигнала. На рис. 5.10 продемонстрирована принципиальная схема несложного дифференциатора.
 |
Ток через конденсатор 
.
В случае, если производная хороша, ток ii течет в таком направлении, что формируется отрицательное выходное напряжение V0.
Так,
.
Данный способ дифференцирования сигнала думается несложным, но при его практической реализации появляются неприятности с обеспечением устойчивости схемы на высоких частотах. Не каждый ОУ пригоден для применения в дифференциаторе. Критерием выбора есть быстродействие ОУ: необходимо выбирать ОУ с высокой большой скоростью нарастания выходного напряжения и высоким значением произведения коэффициента усиления на ширину полосы. Отлично трудятся в дифференциаторах быстродействующие ОУ на полевых транзисторах.
5.2.5. Компараторы
Компаратор – это электронная схема, которая сравнивает два входных напряжения и производит выходной сигнал, зависящий от состояния входов. Базисная принципиальная схема компаратора продемонстрирована на рис. 5.11.
 |
Как видим, тут ОУ трудится с разомкнутой петлей обратной связи. На один из его входов подается опорное напряжение, на другой – малоизвестное (сравниваемое) напряжение. Выходной сигнал компаратора показывает: выше либо ниже уровня опорного напряжения находится уровень малоизвестного входного сигнала. В схеме на рис.5.11 опорное напряжение Vr подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующий вход поступает малоизвестный сигнал Vi .
При Vi Vr на выходе компаратора устанавливается напряжение V0 = — Vr (отрицательное напряжение насыщения). В противоположном случае приобретаем V0 = +Vr .Возможно поменять местами входы – это приведет к инверсии выходного сигнала.
5.3. Коммутация измерительных сигналов
В информационно-измерительной технике при реализации аналоговых измерительных преобразований довольно часто приходится осуществлять электрические соединения между двумя и более точками измерительной схемы с целью привести к необходимому переходному переходному, рассеять запасенную реактивным элементом энергию (к примеру, разрядить конденсатор), подключить источник питания измерительной цепи, включить ячейку аналоговой памяти, забрать выборку постоянного процесса при дискретизации и т. д. Помимо этого, многие измерительные средства реализовывают измерительные преобразования последовательно над солидным числом электрических размеров, распределенных в пространстве. Для реализации сообщённого употребляются измерительные ключи и измерительные коммутаторы.
Измерительным коммутатором именуется устройство, которое преобразует пространственно разнесенные аналоговые сигналы в сигналы, поделённые во времени, и напротив.
Измерительные коммутаторы аналоговых сигналов характеризуются следующими параметрами:
динамическим диапазоном коммутируемых размеров;
погрешностью коэффициента передачи;
быстродействием (частотой переключении либо временем, нужным для исполнения одной коммутационной операции);
числом коммутируемых сигналов;
предельным числом переключений (для коммутаторов с контактными измерительными ключами).
В зависимости от типа применяемых в коммутаторе измерительных ключей различаются контактные и бесконтактные коммутаторы.
Измерительный ключ является двухполюсником с очевидно выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Переход ключа из одного состояния (закрытого) в второе (открытое) выполняется посредством управляющего элемента.
5.4. Аналого-цифровое преобразование
Аналого-цифровое преобразование образовывает важную часть измерительной процедуры. В показывающих устройствах эта операция соответствует считыванию числового результата экспериментатором. В цифровых и процессорных измерительных средствах аналого-цифровое преобразование выполняется машинально, а итог или поступает конкретно на индикацию, или вводится в процессор для исполнения последующих измерительных преобразований в числовой форме.
Способы аналого-цифрового преобразования в измерениях созданы глубоко и основательно и сводятся к представлению мгновенных значений входного действия в фиксированные моменты времени соответствующей кодовой комбинацией (числом). Физическую базу аналого-цифрового преобразования образовывает сравнение и стробирование с фиксированными опорными уровнями. Громаднейшее распространение взяли АЦП поразрядного кодирования, последовательного счета, следящего уравновешивания и другие. К вопросам методики аналого-цифрового преобразования, каковые связаны с тенденциями развития АЦП и цифровых измерений на ближайшие годы относятся, в частности:
— устранение неоднозначности считывания в самые быстродействующих АЦП сопоставления, приобретающих все большее распространение с развитием интегральной разработке;
— достижение устойчивости к сбоям и улучшение метрологических черт АЦП на базе излишней совокупности счисления Фибоначчи;
— использование для аналого-цифрового преобразования способа статистических опробований.
5.4.1 Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи
Цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются неотъемлемым элементом регулирования и контроля автоматических систем управления. Помимо этого, потому, что большинство измеряемых физических размеров являются аналоговыми, а их обработка регистрация и индикация, в большинстве случаев, осуществляются цифровыми способами, ЦАП и АЦП нашли широкое использование в автоматических средствах измерений. Так, ЦАП и АЦП входят в состав цифровых измерительных устройств (вольтметров, осциллографов, анализаторов спектра, корреляторов и т. п.), программируемых источников питания, дисплеев на электроннолучевых трубках, графопостроителей, радиолокационных совокупностей установок для микросхем и контроля элементов, являются серьёзными компонентами разных генераторов и преобразователей, устройств ввода вывода информации ЭВМ. Широкие возможности применения ЦАП и АЦП раскрываются в телевидении и телеметрии. Серийный выпуск малогабаритных и довольно недорогих ЦАП и АЦП предоставит шанс еще более широкого применения способов дискретно постоянного преобразования в технике и науке.
Существует три разновидности конструктивно технологического выполнения ЦАП и АЦП: модульное, гибридное и интегральное. Наряду с этим часть производства интегральных схем (ИС) ЦАП и АЦП в общем количестве их выпуска непрерывно возрастает, чему в значительной мере содействует широкое распространение методов и микропроцессоров цифровой обработки данных. ЦАП — устройство, которое формирует на выходе аналоговый сигнал (напряжение либо ток), пропорциональный входному цифровому сигналу. Наряду с этим значение выходного сигнала зависит от значения опорного напряжения Uоп, определяющего полную шкалу выходного сигнала. В случае, если в качестве опорного напряжения применять какой или аналоговый сигнал, то выходной сигнал ЦАП будет пропорционален произведению входных цифрового и аналогового сигналов.В АЦП цифровой код на выходе определяется отношением пpeобразуемого входного аналогового сигналa к опорному сигналy, соответствующему полной шкале. Это соотношение выполняется и в том случае, если опорный сигнал изменяется по какому-либо закону. АЦП возможно разглядывать как измеритель взаимоотношений либо делитель напряжений с цифровым выходом.
5.4.2. Правила действия, структурные схемы и основные элементы АЦП
На данный момент создано много типов АЦП, удовлетворяющее разнообразным требованиям. В одних случаях преобладающим требованием есть высокая точность, в других — скорость преобразования.
По принципу действия все существующие типы АЦП возможно поделить на две группы: АЦП со сравнением входного преобразуемого сигнала с дискретными уровнями напряжений и АЦП интегрирующего типа.
В АЦП со сравнением входного преобразуемого сигнала с дискретными уровнями напряжений употребляется процесс преобразования, сущность которого содержится в формировании напряжения с уровнями, эквивалентными соответствующим цифровым кодам, и сравнении этих уровней напряжения с входным напряжением с целью определения цифрового эквивалента входного сигнала. Наряду с этим уровни напряжения смогут формироваться в один момент, последовательно либо комбинированным методом.
АЦП последовательного счета со ступенчатым пилообразным напряжением есть одним из несложных преобразователей (рис. 5.12).
 |
По сигналу Пуск счетчик устанавливается в нулевое состояние, по окончании чего по мере поступления на его вход тактовых импульсов с частотой fт линейно-ступенчато возрастает выходное напряжение ЦАП.
При достижении напряжением Uвых значения Uвх схема сравнения прекращает подсчет импульсов в счетчике Сч, а код с выходов последнего заносится в регистр памяти. Разрядность и разрешающая свойство таких АЦП определяется разрядностью и разрешающей свойством применяемого в его составе ЦАП. Время преобразования зависит от уровня входного преобразуемого на-пряжения. Для входного напряжения, соответствующего значению полной шка-лы, Сч должен быть заполнен и наряду с этим он обязан организовать на входе ЦАП код полной шкалы. Это требует для n- разрядного ЦАП времени преобразования в (2n — 1) раза больше периода тактовых импульсов. Для стремительного аналого-цифрового преобразования применение аналогичных АЦП не нужно.
В следящем АЦП (рис. 5.13) суммирующий Сч заменен на реверсивный счетчик РСч, дабы отслеживать изменяющееся входное напряжение. Выходной сигнал КН определяет направление счета в зависимости от того превышает либо нет входное напряжение АЦП выходное напряжение ЦАП.
.
Перед началом измерений РСч устанавливается в состояние, соответствующее середине шкалы (01 … 1). Первый цикл преобразования следящего АЦП подобен циклу преобразования в АЦП последовательного счета. В будущем циклы преобразования значительно сокращаются, поскольку этот АЦП успевает отследить малые отклонения входного сигнала за пара тактовых периодов, увеличивая либо уменьшая число импульсов, записанное в РСч, в зависимости от символа рассогласования текущего значения преобразуемого напряжения Uвх и выходного напряжения ЦАП.
АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания)нашли самоё широкое распространение в силу достаточно простой их реализации при одновременном обеспечении высокой разрешающей метод-ности, быстродействия и точности, имеют пара меньшее быстродействие, но значительно громадную разрешающую свойство в сравнении с АЦП, реализующими способ параллельного преобразования.
 |
Для увеличения быстродействия в качестве управляющего устройства употребляется распределитель импульсов РИ и регистр последовательного приближения. Сравнение входного напряжения с опорным ( напряжением обратной связи ЦАП ) ведется, начиная с величины, соответствующей старшему разряду формируемого бинарного кода.
При пуске АЦП посредством РИ устанавливается в исходное состояние РПП:
1000 . . .0. Наряду с этим на выходе ЦАП формируется напряжение, соответствующее половине диапазона преобразования, что обеспечивается включением его старшего разряда. В случае, если входной сигнал меньше, чем сигнал от ЦАП, в следующем такте посредством РПП на цифровых входах ЦАП формируется код 0100. . . 0, что соответствует включению 2-го по старшинству разряда. В следствии выходной сигнал ЦАП значительно уменьшается в два раза.
В случае, если входной сигнал превышает сигнал от ЦАП, в очередном такте обеспечивается формирование кода 0110 … 0 на цифровых входах ЦАП и включение дополнительного 3-го разряда. Наряду с этим выходное напряжение ЦАП, возросшее в полтора раза, снова сравнивается с входным напряжением и т. д. Обрисованная процедура повторяется n раз (где n — число разрядов АЦП).
В следствии на выходе ЦАП сформируется напряжение, отличающееся от входного не более, чем на единицу младшего разряда ЦАП. Итог преобразования снимается с выхода РПП.
Преимуществом данной схемы есть возможность построения многоразрядных (до 12 разрядов и выше) преобразователей относительно большого быстродействия (с временем преобразования порядка пара сот наносекунд).
В АЦП яркого считывания(параллельного типа) (рис. 5.15) входной сигнал в один момент прикладывается ко входам всех КН, число m которых определяется разрядностью АЦП и равняется m = 2n — 1, где n — число разрядов АЦП. В каждом КН сигнал сравнивается с опорным напряжением, соответствующем весу определенного разряда и снимаемым с узлов резисторного делителя, питаемого от ИОН.
 |
Выходные сигналы КН обрабатываются логическим дешифратором, производящим параллельный код, являющийся цифровым эквивалентом входного напряжения. Подобные АЦП владеют самым высоким быстродействием. Недочёт таких АЦП содержится в том, что с ростом разрядности количество требуемых элементов фактически удваивается, что затрудняет построение многоразрядных АЦП аналогичного типа. Точность преобразования ограничивается стабильностью и точностью КН и резисторного делителя. Дабы расширить разрядность при высоком быстродействии реализуют двухкаскадные АЦП, наряду с этим с выходов второй ступени ДШ снимаются младшие разряды выходного кода, а с выходов ДШ первой ступени — старшие разряды.
АЦП с модуляцией длительности импульса (однотактный интегрирующий)
АЦП характеризуется тем, что уровень входного аналогового сигнала Uвх преобразуется в импульс, продолжительность которого tимп есть функцией значения входного сигнала и преобразуется в цифровую форму посредством подсчета числа периодов опорной частоты, каковые укладываются между концом импульса и началом. Выходное напряжение интегратора под действием подклю-
ченного к его входу Uоп изменяется от нулевого уровня со скоростью
.
В момент, в то время, когда выходное напряжение интегратора делается равным входному Uвх , КН срабатывает, в следствии чего заканчивается формирование длительности импульса, за который в счетчиках АЦП происходит подсчет числа периодов опорной частоты. Продолжительность импульса определяется временем, за которое напряжение Uвых изменяется от нулевого уровня до Uвх :
Преимущество данного преобразователя содержится в его простоте, а недочёты — в довольно низкой точности и низком быстродействии.