Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Температурная чувствительность



Проводимость материала зависит от изменений температуры t, и в сравнительно узком диапазоне она может быть выражена при помощи температурного коэф­фициента сопротивления (ТКС)α:

ρ= p0t+a(r-/0)]. (3.55)

где р0 — удельное сопротивление материала при эталонной температуре t0 (обыч­но равной либо 0°С, либо 25°С). В более широком диапазоне зависимость удель­ного сопротивления от температуры является нелинейной функцией.

На рис. 3.17 показано, как нелинейная зависимость удельного сопротивле­ния вольфрама от температуры в широком диапазоне значений может быть заме­нена прямой линией с а = 0.0058 "С-1, полученной методом наименьших квадра­тов. Такое приближение может быть использовано только для оценочных расче­тов. Для случаев, где требуется большая точность, для моделирования удельного сопротивления применяют полиноминальную зависимость более высокого по­рядка. Например, удельное сопротивление вольфрама в широком температурном диапазона может быть найдено из уравнения второго порядка:

ρ= 4.45+ 0.0269t + 1.914х 10-6 t2, (3.56)

где t — температура в °С, а ρ — в Ом ×м.



Глава 3. Физические приципы датчиков


 

Металлы имеют положительный ТКС (ПТКС), а многие полупровод­ники и оксиды — отрицательный (ОТКС). Для резисторов, используе­мых в электронных схемах, желатель­но применять материалы с низким температурным коэффициентом, тог­да как для построения температурных датчиков резисторы должны обладать высоким ТКС. Резистивные датчики температуры часто называются терми-сторами или температурными детек­торами (РДТ) (раздел 16.1 главы 16). о Наиболее популярным РДТ является

платиновый детектор, работающий в
широком температурном диапазоне: 200...600°С. Зависимость сопротивле-

ния Pt РТД от температуры показана на рис. 3.18. Для сопротивления, имеющего при температуре 0°С значение R0, линейную зависимость, полученную методом наименьших квадратов, можно за­писать в виде:

(3.57)

где t — температура в °С, a R — в Омах. Множитель при температуре (наклон пря­мой) называется чувствительностью датчика, которую можно записать как: +0.3679%/°С.

Из рисунка видна небольшая нелинейность кривой сопротивления. Если не произвести корректировку, в результатах может появиться значительная погреш­ность. Для получения более точной аппроксимации можно применить полино­минальную зависимость второго порядка, при этом точность станет лучше 0.01°С:

R = R0(1 + 39.08× 10-4t - 5.8 ×10-7 t2)Om . (3.58)

Однако следует отметить, что коэффициенты в уравнениях (3.57) и (3.58) зависят от чистоты материалов и некоторых технологических факторов. Для сравнения точности линейной и полиноминальной аппроксимации, полученных для Pt РТД, рассмотрим следующий пример. Если Pt РТД при 0°С имел сопротивление R0 = 100 Ом, при +150°С линейная аппроксимация позволяет получить значение:

R = 100(1.00 + 36.79х 10 -4 х 150) = 155.55OM, тогда как по полиноминальной зависимости второго порядка это значение равно:

R = 100(l + 39.08х Ю-4 х 150- 5.8х Ю-7 х (150)2)= 157.32OM.

Разница между этими значениями составляет 1.76 Ом, что эквивалентно ошибке —4.8°С при температуре +150°С.



3.5. Сопротивление


Термисторы — это резисторы с
большим значением либо положитель­
ного, либо отрицательного ТКС. Тер­
мисторы изготавливаются из керами­
ческих полупроводников, состоящих,
как правило, из оксидов одного или
нескольких следующих металлов: ни­
келя, марганца, кобальта, титана, желе­
за. Оксиды других металлов почти ни­
когда не применяются. Сопротивления
термисторов лежат в пределах от долей
Ом до многих мегаОм. Термисторы бы­
вают в форме диска, капли, трубки, пла­
стины или тонкого слоя, нанесенного на керамическую подложку. Последние
достижения в области тонкопленочных -
технологий позволяют изготавливать
термисторы методом печатного монта- жа на керамических подложках.

Термисторы с отрицательным ТКС часто выполняют в форме бусинок. Обыч­но такие термисторы изготавливают из проводов из платины, спеченных с кера­микой. Платина выбрана из-за комбинации сравнительно низкого электричес­кого сопротивления и достаточно высокого теплового коэффициента. В процес­се изготовления небольшие порции смеси оксидов металлов и соответствующего связующего вещества распределяются на паре проводов из платины, находящих­ся в слабом натяжении. После того как смесь равномерно осела, бусинки поме­щаются в печь для спекания. При этом оксиды металлов застывают вокруг прово­дов, формируя прочные соединения. Далее на термисторы могут быть нанесены покрытия из стекла или органических веществ.

Термисторы обладают нелинейной зависимостью сопротивления от темпера­туры (рис. 3.18), которую можно аппроксимировать несколькими вариантами урав­нений. Наиболее популярным среди них является экспоненциальное выражение:


 

где Тo — калибровочная температура в Кельвинах, Rt0 — значение сопротивления при температуре калибровки, а β—характеристическая температура материала, тоже в Кельвинах. Обычно β лежит в диапазоне 3000...5000 К, и в пределах узкой зоны может считаться независимой от температуры, что делает выражение (3.59) очень хорошей аппроксимацией. Если требуется более высокая точность, применяется полиноминальная аппроксимация. На рис. 3.18 показаны зависимости сопротивле­ния от температуры для термисторов с коэффициентами β равными 3000 и 4000К. Из рисунка видно, что Pt РТД обладает достаточно линейной температурной ха­рактеристикой с положительным наклоном, но гораздо меньшей чувствительнос­тью по сравнению с термисторами, которые являются нелинейными устройствами с относительно высокой чувствительностью и отрицательным наклоном.



Глава 3. Физические приципы датчиков


Традиционно термисторы тестируются при температуре to = 25°C 0 = 298.15 К), а РТД - при t0 = 0°С (T0 = 273.15 К).

3.5.3 Тензочувствительность

Обычно при механической деформации материала его электрическое сопротив­ление изменяется. Это явление называется пьезорезистивньш эффектом. С одной стороны, в некоторых случаях этот эффект является причиной возникновения погрешностей. С другой стороны, на его основе можно реализовать тензодатчи-ки, реагирующие на механическое напряжение σ.



 

 

где Е— модуль Юнга материала, a F— приложенная сила. В этом уравнении отно­шение dl/l = e называется относительной деформацией материала.

На рис. 3.19 показан цилиндрический проводник (провод), растянутый при помощи силы F. Объем провода v остается постоянным, тогда как его длина уве­личивается, а площадь поперечного сечения уменьшается. В результате уравне­ние (3.54) может быть переписано в виде:


После дифференцирования получим выражение для определения чувствительно­сти сопротивления к удлинению провода:

 

 

Из этого выражения можно сделать вывод, что чувствительность повышается при увеличении длины провода и его удельного сопротивления, а также при уменьшении поперечного сечения. Относительное изменение сопротивления провода является линейной функцией от деформации е и может быть выраже­но в виде:



 

где Se коэффициент тензочувствителъности или чувствительность тензоэлемен-

та. Для металлических проводов он лежит в пределах 2...6, а для полупроводников — 40...200.

Рис. 3.19Механическое напряжение приводит к изменению геометрии проводника и его сопро­тивления


3.5. Сопротивление 89

Самыми первыми тензоэлементами были металлические нити, расположен­ные на диэлектрической пленке. В настоящее время они изготавливаются из фоль­ги из константана (сплава меди и никеля) или монокристаллических полупро­водниковых материалов (например, кремния, легированного бором). Для прида­ния элементам м нужной формы используют методы либо механической обработ­ки, либо фотохимического травления. При механическом воздействии на полу­проводниковый тензоэлемент величина изменения его сопротивления определя­ется либо типом материала, либо концентрацией примеси (см. раздел 9.1 главы 9). Однако чувствительность полупроводниковых тензодатчиков довольно силь­но зависит от температуры, что при работе в широком температурном диапазоне требует проведения соответствующей компенсации.

3.5.4 Влагочувствительностъ

При выборе материала для резистора необходимо учитывагь его удельное сопро­тивление и восприимчивость к факторам окружающей среды. Одним из таких факторов является количество влаги, поглощаемое резистором. На основе гиг­роскопичных материалов, удельное сопротивление которых сильно зависит от концентрации поглощенных молекул воды, можно построить резисторы, реаги­рующие на изменение влажности. Такие резисторы применяются в резистивных датчиках влажности и называются гигристорами. Типовой гигристор состоит из подложки, на которую методом трафаретной печати нанесены два встречно-шты­ревых электрода, покрытые гигроскопичным электропроводным полупроводни­ковым гелем (рис. 3.20А). Гель, как правило, состоит из гидроксиэтилцеллюлозы, нонилфенилполиэтиленгликольэфира и других органических веществ с не менее экзотичными названиями с добавлением углеродного порошка[2]. Этот гель тща­тельно перемешивается до образования однородной массы. Другой тип гигристо-ров изготавливается из пленки из хлорида лития (LiCl) и связующего вещества. Подложка датчика погружается в гель с контролируемой скоростью до тех пор,

 

 


 

Рис. 3.20 А — схема гигристора, Б — его передаточная функция



Глава 3. Физические приципы датчиков


пока гель не заполнит все пространство между электродами. Подложки с нане­сенным покрытием подвергаются термоотверждению, проводимому при опреде­ленной температуре и влажности. Зависимость сопротивления гигристоров от влажности имеет нелинейный характер (рис. 3.20Б), что необходимо учитывать при проведении калибровки и обработки результатов измерений.




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.