4. КОМБИНИРОВАННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

В комбинированных преобразователях входная механическая величина сначала преобразуется в промежуточную величину другой природы, а затем в электрическую.

Гальваномагнитные преобразователи. Гальваномагнитные эффекты наблюдаются при движении зарядов в проводнике или полупроводнике, находящемся в магнитном поле, и проявляются в возникновении ЭДС Холла, увеличении сопротивления, а также изменении свойств p-n-переходов [3].

Силовое действие поля на ток приводит, во-первых, к отклонению траектории движения зарядов в направлении, перпендикулярном току, и как следствие, к созданию их избытка у одной грани проводника и недостатка у противоположной, т. е. возникновению ЭДС между ними, называемой ЭДС Холла. При фиксированных значениях тока и индукции поля ее значение обратно пропорционально концентрации носителей заряда. Таким образом, этот эффект проявляется заметно только в

полупроводниках. Во-вторых, из-за воздействия поля на заряды направление тока не совпадает с направлением электрического поля, что эквивалентно увеличению сопротивления. Этот эффект пропорционален квадрату индукции и также наиболее заметен в полупроводниках.

Еще более сильно зависит от магнитного поля полупроводникового диода и транзистора при специальном подборе размеров и свойств материала.

Все эти эффекты могут использоваться для измерения перемещения магнито-чувствительного элемента в неоднородном магнитном поле [22]. Схема такого преобразователя, например, с элементом Холла, показана на рис. 19 (для удобства изображения направление поля повернуто в плоскость рисунка). Магнитное поле создается постоянным магнитом, причем подбирают такую его конфигурацию, чтобы в рабочем пространстве градиент поля был постоянным: где х отсчитывается от некоторого среднего значения. Тогда и ЭДС Холла будет линейно зависеть от перемещения:

где у — магниточувствительность элемента, зависящая от его толщины и концентрации носителей заряда; ток через элемент;

Рис. 19. Гальваномагнитный (холловский) преобразователь: 1 — элемент Холла (направление магнитной индукции условно повернуто на 90° в плоскость рисунка)

Рис. 20. Фотоэлектрический преобразователь: 1 — излучатель

Сила взаимодействия тока с магнитным полем пренебрежимо мала вследствие малой длины элемента. Таким образом, ЭДС преобразователя

Собственный механический импеданс элемента Холла мал, а электрический импеданс — активное сопротивление, как правило, много меньше импеданса нагрузки Поэтому практическое значение имеет чувствительность к перемещению по напряжению Ее значение определяется величинами, входящими в выражение для k. Наибольшее значение у имеет арсенид галлия — до Индукция для магнитов приемлемых габаритов может быть а градиент поля на линейном участке порядка В результате чувствительность по перемещению при предельно возможных токах доходит до Магниторезисторы и магнитодиоды в принципе позволяют получить значительно большую чувствительность.

Гальваномагнитные преобразователи применяют для измерения перемещения и величин, преобразовываемых в него (давления, параметров движения и др.).

Фотоэлектрический преобразователь также чувствителен к перемещению и осуществляет модуляцию светового потока, попадаюшего на светочувствительный элемент (рис 20) Световой поток на входе фотоприемпика

Ток приемника (в данном случае фотодиода) чувствительность; -темновой ток приемника. Таким образом,

Отсутствие влияния выходной стороны на входную очевидно, а чувствительность к перемещению по току равна Типичная чувствительность полупроводниковых фотоприемников а а поток от источника некогерентного света с конденсатором может быть порядка что при дает чувствительность по перемещению около . С фотоумножителем чувствительность на порядок выше, однако он значительно сложнее в применении.

Фотоэлектрические преобразователи применяются главным образом при измерении перемещений [8].

Пьезооптический преобразователь. В пьезооптических преобразователях используется зависимость оптических свойств твердых тел от механических напряжений в них (фотоупругость) В напряженном состоянии показатель преломления становится зависимым от направления колебаний светового вектора, причем разность показателей пропорциональна приложенному напряжению а.

Рис. 21. Пьезооптический преобразователь: I — излучатель (светодиод); 2 — поляризатор; 3 — чувствительный элемент: 4 — фазовая пластинка; 5 — анализатор, в — фотоприемник

Поэтому луч плоскополяризованного света, проходящий через вещество, разделяется на два луча, распространяющиеся с различной скоростью, поляризованные во взаимно перпендикулярных направлениях и имеющие на выходе разность фаз

где I — длина пути света в веществе; так называемая фотоупругая постоянная Если оба луча свести в одну плоскость анализатором, то при рациональной ориентации поляризатора и анализатора относительно направлений главных напряжений [1] световой поток на выходе

где не зависят от Формула выведеиа при условии, что между лучами имеется начальная разность фаз

Простейшая схема пьезооптического преобразователя показана на рис. 21. Луч света (в данном случае от светодиода) проходит через поляризатор 2 на чувствительный элемент 3, далее через фазовую пластинку 4, создающую фазовый сдвиг на 90°, анализатор 5 и попадает на фотоприемник 6. Сигнал последнего отсчитыва-ется от начального уровня, соответствующего половине максимального сигнала.

Согласно формуле для при увеличении о от сигнал, пройдя максимум, вернется к прежнему значению. Однозначная и линейная зависимость соблюдается при отклонениях фазы от начального значения, меньших 10—15°.

Пьезооптическии преобразователь относится к полностью необратимым Его чувствительность к напряжению является функцией нескольких величин и параметров: светового потока от источника; степени поляризации света, прозрачности и

чувствительности фотоупругого материала, его геометрии; длины пути света в нем, чувствительность фогоприемника. Не рассматривая всех этих составляющих, отметим, что постоянная практически пригодных материалов составляет а уровень шумов в раз меньше максимального сигнала, что позволяет измерять воздействия, вызывающие напряжения 2—3 Па

Преобразователь имеет значительный механический импеданс упругого типа и может эффективно использоваться для измерения сил и преобразуемых в них величин

Радиоактивные преобразователи. В преобразователях этого типа используется эффект поглощения радиоактивного излучения в веществе. Удельная интенсивность потока излучения от точечного источника убывает пропорционально квадрату расстояния от него, что дает возможность измерять перемещения. Однако точность таких преобразователей крайне невелика, и они практически не применяются.

Рис. 22. Гамма-резонансный преобразователь 1 — объект; 2 — источник гамма-квантов, 3 — резонансный поглотитель, 4 — детектор гамма излучения 5 — фотоумножитель. в — блок обработки сигналов

Значительно большие возможности дает явление резонансного поглощения гамма-излучения (эффект Мессбауэра) При определенных условиях поглощение гамма-квантов в твердом теле зависит от их энергии Заметное уменьшение поглощения начинается при относительном отклонении энергии от номинального значения на Если излучатель движется, то за счет этого энергия излучаемых квантов изменяется, причем ее относительное изменение равно отношению скорости движения к скорости света. Таким образом, теоретически можно измерять малые относительные скорости — до нескольких микрометров в секунду [23]

Упрощенная схема гамма-резонансного преобразователя показана на рис. 22. Излучение от источника, установленного на объекте измерения, проходит через резонансный поглотитель, детектор гамма-излучения и далее на фотоприемник, после чего сигнал усиливается и регистрируется Фототок связан функционально со скоростью движения источника. Для гармонического движения эта зависимость имеет следующий вид:

где фототок при амплитуда скорости; а — разрешающая способность поглотителя. Как недостаток надо отметить, что в этом выполнении преобразователь не реагирует на знак скорости, а чувствительность его в функции сначала близка к нулю, затем достигает максимума и вновь убывает Эти недостатки могут быть устранены значительным усложнением конструктивной схемы преобразователя.