一次測定トランスデューサ。非電気量のパラメトリック測定トランスデューサ

講義15

発電機トランスデューサー

発電機コンバーターでは、出力値はEMFまたは電荷であり、測定された非電気量に機能的に関連しています。

熱電変換器（熱電対）.

熱電対回路で発生する熱電効果に基づいています。これらのトランスデューサは、温度を測定するために使用されます。熱電対の動作原理を図1に示します。 15.1、a、2つの異なる導体で構成された熱電回路を示しています AとB 。導体接続のポイント1と2は、熱電対接合と呼ばれます。温度が t 接合部1と2は同じであるため、熱電回路には電流が流れません。接合部の1つ（たとえば、接合部1）の温度が接合部2の温度よりも高い場合、回路に熱起電力（TEMF）が発生します。 E 、接合部の温度差に応じて

E \ u003d f（t 1-t 2）。（15.1）

ジャンクション2の温度が一定に保たれている場合、

E \ u003d f（t 1）。

この関係は、熱電対を使用して温度を測定するために使用されます。 TEDSを測定するために、電気測定装置がジャンクション2のブレークに含まれています（図15.1、b）。ジャンクション1はホット（ワーキング）ジャンクションと呼ばれ、ジャンクション2はコールドジャンクションと呼ばれます（エンド2と2 'はフリーエンドと呼ばれます）。

熱電対のTEDSがホットジャンクションの温度によって明確に決定されるためには、コールドジャンクションの温度を常に同じに維持する必要があります。

熱電対電極の製造には、標準化された組成の純金属と特殊合金の両方が使用されます。標準熱電対の校正表は、自由端の温度が0に等しいという条件で編集されています。 O C.実際には、この温度を維持できるとは限りません。このような場合、熱電対の読み取り値は自由端の温度に合わせて補正されます。自動修正のスキームがあります。

構造的に、熱電対は、溶接によって得られた作動接合部を備えた2つの絶縁熱電対の形で作られ、熱電対を外部の影響や損傷から保護する保護継手に配置されます。熱電対の動作端は、熱電対を電気回路に接続するためのクランプを備えた熱電対ヘッドに引き出されます。

テーブルの中。 15.1は、業界で製造されている熱電対の特性を示しています。高温を測定するには、熱電対PP、PR、VRを使用します。貴金属熱電対は、高精度の測定に使用されます。

設計によっては、熱電対は数秒から数分の時定数を特徴とする熱慣性を持つ可能性があり、急速に変化する温度を測定する能力が制限されます。

熱電対接合部に測定デバイスを含めることに加えて、「電極」にデバイスを含めることが可能です。熱電極の1つのギャップに挿入します（図15.1、c）。（15.1）に従って、このような包含により、温度差の測定が可能になります。 t1 – t2 。たとえば、テスト中の周囲温度を超えるトランス巻線の過熱を測定できます。これを行うには、熱電対の動作接合部を巻線に埋め込み、自由接合部を周囲温度のままにします。

表15.1 熱電対の特性

	指定	アプリケーション範囲、 Cについて
銅-コペル
クロメル-コペル
クロメル-アルメル
プラチナロジウム（10％Rh）-プラチナ
プラチナロジウム（30％Rh ）–プラチナ-ロジウム（6％ Rh）
タングステンレニウム（5％再）–タングステンレニウム（20％再）

熱電対の自由端の温度を一定にする必要があるため、可能であれば、熱電対を測定場所から遠ざける必要があります。この目的のために、いわゆるKP延長線または補償線が使用され、極性を持って熱電対の自由端に接続されます（図15.1、d）。補償ワイヤは異なる導体で構成されており、自由端の温度が変動する可能性のある範囲で、熱電対と同じTEDSが互いにペアで発生します。したがって、補償ワイヤの接続ポイントが温度にある場合 t2 、および熱電対がデバイスに接続されているポイントの温度 t0 、次に、熱電対のTEDSは、自由端の温度での校正に対応します。 t0。

標準の熱電対によって開発される最大TEDSは、単位から数十ミリボルトの範囲です。

TEDSの測定には、磁電、電子（アナログおよびデジタル）ミリボルトメーター、およびDCポテンショメーターを使用できます。磁気電気システムのミリボルトメーターを使用する場合、その端子でミリボルトメーターによって測定される電圧に留意する必要があります

ここで私は- 熱電対回路の電流、および R V ミリボルトメーターの抵抗です。

回路の電流源は熱電対であるため、

I \ u003d E /（R V + R VN）、

ここでRH -ミリボルトメーターの外部の回路セクションの抵抗（つまり、熱電対電極と補償ワイヤー）。したがって、ミリボルトメーターで測定された電圧は次のようになります。

U \ u003d E /（1 + R VN / R V）。

したがって、ミリボルトメータの読み取り値は熱電対のTEDSと大きく異なり、比率が大きくなります。 R BH / R V 。外部抵抗の影響による誤差を減らすために、熱電対で動作するように設計されたミリボルトメーター（いわゆるパイロメトリックミリボルトメーター）は、特定のタイプの熱電対に対して特定の公称値で校正されます。 R BH デバイスの目盛りに表示されます。パイロメトリックミリボルトメータは、0.5〜2.0の精度クラスで市販されています。

電子ミリボルトメータの入力抵抗は非常に大きく、抵抗の影響 R BH 証拠としてはごくわずかです。

圧電トランスデューサ.

このようなトランスデューサーは、直接圧電効果の使用に基づいています。これは、機械的応力の影響下で一部の結晶（石英、トルマリン、ロッシェル塩など）の表面に電荷が現れることで構成されます。一部の分極セラミック材料（チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛）にも圧電効果があります。

プレートが、光学0に垂直に配置された面を持つ平行六面体の形で水晶から切り取られた場合 z、機械的0 y と電気0バツ結晶の軸（図15.2）、次に力がプレートに加えられたとき F x 、電気軸に沿って、面に向けてバツ料金が表示されます

Q x = K p F x、（15.2）

ここで、K p –圧電係数（モジュール）。

フォースプレートにさらされたとき F 機械軸に沿って、同じ面にバツ料金が発生します

Q y \ u003d K p F y a / b、

ここで、aとb プレート面の寸法です。光軸に沿ったプレートへの機械的作用は、電荷の出現を引き起こしません。

圧電効果は符号交代です。加えられた力の方向が変わると、面の表面の電荷の符号が反対の符号に変わります。材料は、キュリー点より低い温度でのみ圧電特性を保持します。

圧電係数の値（モジュール） K p 石英および一般的なセラミック圧電素子のキュリー点温度を表に示します。 15.2。

圧電セラミックからのトランスデューサーの製造は、単結晶からの製造よりもはるかに簡単です。セラミックセンサーは、放射性セラミック製品に一般的な技術に従って、プレス成形または射出成形によって製造されます。電極はセラミックに適用され、リード線は電極に溶接されます。分極の場合、セラミック製品は強い電界に置かれ、その後圧電の特性を獲得します。

圧電トランスデューサの電極に発生する起電力は非常に大きく、数ボルトです。ただし、コンバータにかかる力が一定の場合、電荷が小さく、電圧計の入力抵抗をすばやく流れるため、EMFの測定は困難です。力が可変であり、力の変化の周期がコンバータの静電容量と漏れ抵抗によって決定される放電時定数よりもはるかに短い場合、漏れプロセスはコンバータの出力電圧にほとんど影響を与えません。力が変わるとき法則によるFF =Fmsint EMFも正弦波的に変化します。

したがって、圧電トランスデューサに作用する可変力に変換できる非電気量の測定は、交流電圧または起電力の測定に還元されます。

表15.2 石英およびセラミック圧電素子のパラメータ

素材（ブランド）

キュリー点、o C

チタン酸バリウム（TB-1）

チタン酸ジルコン酸鉛（TsTS-19）

70.0x10 -12

119.0х10-12

圧電トランスデューサは、運動パラメータ（線形および振動加速度、衝撃、音響信号）を測定するために広く使用されています。

圧電トランスデューサの等価回路を図1に示します。 15.3、a）内部容量を備えた発電機の形でと。このような圧電素子の電力は非常に低いため、入力抵抗が大きいデバイスを使用する必要があります（10 11 ... 10 15オーム）。

有用な信号を増やすために、圧電センサーは直列に接続されたいくつかの要素で構成されています。

振動加速度を測定するための圧電センサーの装置を図1に示します。 15.3b）。既知の質量が負荷された圧電素子（通常は圧電セラミック製） m 、ケース1に配置され、端子2を介して電子ミリボルトメーターの回路に接続されます V 。式に面で発生する電荷の式に代入する F = ma、ここでa は加速度であり、（15.2）を考慮に入れると、

U = K u a、

ここで、K u – センサーの電圧変換係数。

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パラメトリックコンバータでは、出力値は電気回路のパラメータ（R、L、M、C）です。パラメトリックトランスデューサを使用する場合、追加の電源が必要であり、そのエネルギーはトランスデューサの出力信号を形成するために使用されます。

レオスタットコンバーター。レオスタティックトランスデューサは、入力値（変位）の影響下での導体の電気抵抗の変化に基づいています。レオスタットトランスデューサは、測定された非電気量の影響下でブラシ（可動接点）が動くレオスタットです。

コンバータの利点には、高い変換精度、重要な出力信号、および設計の比較的単純さを得る可能性が含まれます。短所-スライド接触の存在、比較的大きな動きの必要性、そして時には動くためのかなりの努力。

レオスタティックトランスデューサは、変位に変換できる比較的大きな変位およびその他の非電気量（力、圧力など）を変換するために使用されます。

ひずみゲージトランスデューサ（センサー）。コンバーターの動作はテンソル効果に基づいており、テンソル効果は、導体（半導体）に発生する機械的応力と変形の作用下で導体（半導体）の有効抵抗を変化させることから成ります。

米。 11-6。ひずみゲージワイヤートランスデューサー

ワイヤーが伸びるなどの機械的ストレスを受けると、その抵抗が変化します。ワイヤ抵抗の相対変化、ここで、Sはひずみ感度の係数、はワイヤの相対変形です。

ワイヤーに対する機械的作用下でのワイヤーの抵抗の変化は、幾何学的寸法（長さ、直径）と材料の抵抗率の変化によって説明されます。

高感度が要求される場合、半導体材料のストリップの形で作られたひずみに敏感なトランスデューサーが使用されます。このようなコンバータの係数Sは数百に達します。ただし、半導体コンバータの特性の再現性は劣ります。現在、統合された半導体ひずみゲージは大量生産されており、熱補償要素を備えたブリッジまたはハーフブリッジを形成しています。

ひずみゲージの測定回路には、平衡ブリッジと非平衡ブリッジが使用されます。ひずみゲージは、変形やその他の非電気的量（力、圧力、モーメント）を測定するために使用されます。

温度に敏感なトランスデューサー（サーミスタ）。コンバータの動作原理は、導体または半導体の電気抵抗の温度依存性に基づいています。

温度を測定するために、最も一般的なサーミスタは白金または銅線で作られています。標準のプラチナサーミスタは、-260〜 + 1100°Cの範囲の温度を測定するために使用され、銅-は-200〜 + 200°Cの範囲の温度を測定します。

温度を測定するために、さまざまなタイプの半導体サーミスタ（サーミスタ）も使用されます。これらのサーミスタは、感度が高く（サーミスタのTCSは負で、20°Cでは銅とプラチナのTCRの10〜15倍です）、非常に小さい場合の抵抗（最大1MΩ）サーミスタの欠点は、再現性が低く、変換特性の非線形性です。

ここで、R TとRoは、温度TとToでのサーミスタの抵抗です。Toは、動作範囲の初期温度です。 B-係数。

サーミスタは、-60〜 + 120°Cの温度範囲で使用されます。

-80〜 + 150°Cの温度を測定するために、サーマルダイオードとサーマルトランジスタが使用されます。これらの温度の影響下で、p-n接合の抵抗とこの接合の両端の電圧降下が変化します。これらのコンバータは通常、ブリッジ回路と分圧器の形の回路に含まれています。

サーマルダイオードとサーマルトランジスタの利点は、高感度、小型、低慣性、高信頼性、低コストです。欠点-温度範囲が狭く、静的変換特性の再現性が低い。

電解コンバーター。電解コンバーターは、電解質溶液の電気抵抗の濃度依存性に基づいています。それらは主に溶液の濃度を測定するために使用されます。

誘導トランスデューサ。コンバータの動作原理は、磁気回路の要素の位置、幾何学的寸法、および磁気状態に対する、磁気回路上の巻線のインダクタンスまたは相互インダクタンスの依存性に基づいています。

図11-12ギャップと2つの巻線がある磁気回路

磁気回路上にある巻線のインダクタンス。ここで、Zmは磁気回路の磁気抵抗であり、は巻線の巻数です。

同じ磁気回路上にある2つの巻線の相互インダクタンス、、ここで、-1番目と2番目の巻線の巻数。磁気抵抗は次の式で与えられます。

どこ -磁気抵抗の有効成分（磁束の散乱を無視します）; -それぞれ、磁気回路のi番目のセクションの長さ、断面積、および比透磁率。 mo-磁気定数; dはエアギャップの長さです。 s-磁気回路の空気セクションの断面積、 -磁気抵抗の反応性成分; P-渦電流とヒステリシスによる磁気回路の電力損失; w-角周波数; Ф-磁気回路の磁束。

上記の関係は、インダクタンスと相互インダクタンスは、長さd、磁気回路の空気セクションの断面積s、磁気回路の電力損失などに影響を与えることによって変更できることを示しています。

他の変位トランスデューサと比較して、誘導トランスデューサは、高出力信号、操作の単純さと信頼性によって区別されます。

それらの欠点は、調査中のオブジェクトに対するトランスデューサの逆効果（アーマチュアに対する電磁石の効果）と、デバイスの周波数特性に対するアーマチュアの慣性の影響です。

容量性トランスデューサー。容量性トランスデューサは、コンデンサの電気容量の寸法、プレートの相対位置、およびそれらの間の媒体の誘電率への依存性に基づいています。

2プレートフラットコンデンサの場合、電気容量。ここで、は電気定数です。 -プレート間の媒体の比誘電率。 sはプレートのアクティブエリアです。 dはプレート間の距離です。トランスデューサの感度は、距離dが減少するにつれて増加します。このようなトランスデューサは、小さな変位（1 mm未満）を測定するために使用されます。

プレートのわずかな動作運動は、温度変動でプレート間の距離を変更することによるエラーにつながります。トランスデューサの部品と材料の寸法を選択することにより、このエラーが減少します。

トランスデューサーは、液体のレベル、物質の湿度、誘電体で作られた製品の厚さを測定するために使用されます。

米。 11-16。イオン化コンバーターのスキーム

イオン化トランスデューサー。コンバーターは、ガスイオン化の現象または電離放射線の作用下での特定の物質の発光に基づいています。

ガスの入ったチャンバーにb線などを照射すると、電気回路に含まれる電極間に電流が流れます（図11-16）。この電流は、電極に印加される電圧、気体媒体の密度と組成、チャンバーと電極のサイズ、および電離放射線の特性と強度に依存します。これらの依存関係は、さまざまな非電気量を測定するために使用されます。ガス状媒体の密度と組成、部品の幾何学的寸法です。

電離剤として、放射性物質のa線、b線、g線が使用されますが、X線や中性子線が使用されることはほとんどありません。

電離放射線を使用するデバイスの主な利点は、非接触測定の可能性です。これは、たとえば、攻撃的または爆発的な環境、および高圧または高温下の環境で測定する場合に非常に重要です。これらのデバイスの主な欠点は、放射線源の高い活動で生物学的保護を使用する必要があることです。

1.デバイス、動作原理、およびアプリケーションは何ですか。

a）光電コンバーター;

太陽光発電コンバーターは、コンバーターに入射する光束に応じて出力信号が変化するコンバーターです。太陽光発電コンバーター、または以下でそれらを呼ぶように、フォトセルは3つのタイプに分けられます。

1）外部光電効果のあるフォトセル

それらは真空またはガスで満たされた球形のガラス容器であり、その内面に感光性材料の層が塗布され、陰極を形成します。陽極はニッケル線のリングまたはグリッドの形で作られています。暗くなった状態では、電極間の熱電子放出と漏れの結果として、暗電流がフォトセルを通過します。照らされると、光電陰極は光の光子の影響下で電子を模倣します。アノードとカソードの間に電圧が印加されると、これらの電子が電流を形成します。電気回路に含まれるフォトセルの照明が変化すると、それに応じてこの回路の光電流も変化します。

2）内部光電効果のあるフォトセル

それらは、例えば、光束の作用下でその抵抗を変化させるセレン化カドミウムで作られた接点を備えた均質な半導体プレートです。内部光電効果は、物質内で自由なままである原子の電子軌道からの光量子によってノックアウトされた自由電子の出現にあります。半導体などの材料に自由電子が出現することは、電気抵抗が減少することと同じです。フォトレジスタは、高感度で線形電流-電圧特性（CVC）を備えています。それらの抵抗は印加電圧に依存しません。

3）太陽光発電コンバーター。

これらのコンバーターはアクティブな感光性半導体であり、光が吸収されると、バリア層の光電効果により、自由電子とEMFが生成されます。

フォトダイオード（PD）は、フォトダイオードとジェネレーター（バルブ）の2つのモードで動作できます。フォトトランジスタ-2つ以上のp- "接合を持つ放射エネルギーの半導体レシーバー。フォトダイオードと光電流増幅器が組み合わされています。

フォトダイオードのようなフォトトランジスタは、光信号を電気信号に変換するために使用されます。

b）容量性トランスデューサー;

容量性トランスデューサは、測定された非電気量の作用によって静電容量が変化するコンデンサです。フラットコンデンサは容量性コンバータとして広く使用されており、その静電容量は式C \ u003d e0eS / 5で表すことができます。ここで、e0は空気の誘電率です（e0 \ u003d 8.85 10 "12 F / m; eはコンデンサプレート間の媒体の比誘電率; S面の面積; 5面間の距離）

測定された非電気量はこれらのパラメータのいずれかに機能的に関連している可能性があるため、容量性トランスデューサの設計はアプリケーションによって大きく異なる可能性があります。液体および粒状の物体のレベルを測定するには、円筒形またはフラットのコンデンサを使用します。小さな変位、急速に変化する力と圧力を測定するために-プレート間に可変ギャップを持つ差動容量性トランスデューサ。容量性トランスデューサを使用してさまざまな非電気量を測定する原理を検討してください。

c）熱変換器;

熱変換器は、環境と熱交換される高温係数の通電導体または半導体です。熱交換にはいくつかの方法があります。対流。媒体の熱伝導率; 導体自体の熱伝導率; 放射線。

導体と環境の間の熱交換の強さは、次の要因に依存します。気体または液体媒体の速度。媒体の物理的特性（密度、熱伝導率、粘度）; 環境温度; 導体の幾何学的寸法。導体の温度のこの依存性、したがって、リストされた要因に対するその抵抗は、

気体または液体媒体を特徴付けるさまざまな非電気量（温度、速度、濃度、密度（真空））を測定するために使用されます。

d）イオン化コンバーター;

イオン化トランスデューサーは、測定された非電気量がガス状媒体の電子伝導性およびイオン伝導性の電流に機能的に関連しているようなトランスデューサーです。電子とイオンの流れは、イオン化変換器で、1つまたは別のイオン化剤の影響下でのガス媒体のイオン化、熱電子放出、またはガス媒体の分子に電子などを衝突させることによって得られます。

イオン化トランスデューサの必須要素は、放射線の発生源と受信者です。

e）レオスタットコンバーター;

レオスタットトランスデューサーはレオスタットであり、そのエンジンは測定された非電気量の作用下で動きます。絶縁材製のフレームに均一なピッチでワイヤーを巻いてあります。フレームの上部境界にあるワイヤーの絶縁体が剥がされ、ブラシが金属の上をスライドします。追加のブラシがスリップリング上をスライドします。両方のブラシはドライブローラーから分離されています。レオスタティックトランスデューサは、フレームにワイヤーを巻いたものとレオコードタイプの両方で作られています。線材にはニクロム、マンガニン、コンスタンタンなどが使用されており、接触面の耐摩耗性要件が非常に高い場合や接触圧力が非常に低い場合には、イリジウム、パラジウムなどを含む白金合金が使用されます。レオスタットワイヤは、隣接するターンを互いに分離するために、エナメルまたは酸化物の層で覆われている必要があります。エンジンは、0.003 ... 0.005 Nの接触圧力の2本または3本のワイヤー（イリジウムを含むプラチナ）または0.05 ... 0.1 Nの力のラメラ（銀、リン青銅）で構成されています。巻線ワイヤーの接触面磨かれています。接触面の幅は、2本または3本の線径に等しくなります。レオスタティックトランスデューサのフレームは、絶縁ワニスまたは酸化膜でコーティングされたテキスタイル、プラスチック、またはアルミニウムでできています。フレームの形状はさまざまです。レオスタットトランスデューサのリアクタンスは非常に小さく、通常、オーディオ範囲の周波数では無視できます。

レオスタティックトランスデューサを使用して、限られた周波数範囲で振動加速度と振動変位を測定できます。

f）ひずみゲージトランスデューサ;

ひずみゲージトランスデューサ（ひずみゲージ）は、引張変形または圧縮変形中に抵抗を変化させる導体です。導体の長さ/と断面積Sは変形に伴って変化します。結晶格子のこれらの変形は、導体ｐの抵抗率の変化をもたらし、その結果、全抵抗の変化をもたらす。

アプリケーション：変形と機械的応力、および経路、加速度、力、曲げまたはトルク、ガスまたは液体の圧力など、補助弾性要素（ばね）の変形に比例するその他の静的および動的な機械的量を測定します。等これらの測定量は、質量（重量）、タンク充填レベルなどの派生量を決定するために使用できます。紙ベースのワイヤーひずみゲージ、および箔とフィルムのひずみゲージは、0.005 ... 0.02から1.5 ... 2％までの相対ひずみを測定するために使用されます。フリーワイヤーひずみゲージは、最大6 ... 10％のひずみを測定するために使用できます。ひずみゲージは実質的に慣性がなく、0〜100kHzの周波数範囲で使用されます。

g）誘導トランスデューサ;

誘導測定トランスデューサは、位置（変位）を電気信号に変換するように設計されています。これらは、機械工学および計装における直線寸法の測定を自動化する問題を解決するための、最もコンパクトで、耐ノイズ性があり、信頼性が高く、経済的な測定トランスデューサです。

誘導トランスデューサーは、スピンドルがローリングガイド上に配置されたハウジングで構成されており、その前端には測定チップがあり、後部にはアーマチュアがあります。ガイドはゴム製のカフによって外部の影響から保護されています。スピンドルに接続されたアーマチュアは、本体に固定されたコイルの内側にあります。次に、コイル巻線は、ハウジングに固定されたケーブルに電気的に接続され、円錐ばねによってねじれから保護されます。ケーブルの自由端には、コンバータをセカンダリデバイスに接続するために使用されるコネクタがあります。本体とスピンドルは硬化ステンレス鋼で作られています。アーマチュアをスピンドルに接続するアダプターはチタン合金製です。測定力を発生させるバネが中央に配置され、スピンドルが動く際の摩擦を排除します。トランスデューサのこの設計により、ランダムエラーと読み取り値の変動が0.1 µm未満のレベルに低減されます。

誘導トランスデューサは、主に線形および角変位の測定に広く使用されています。

h）磁気弾性トランスデューサー;

磁気弾性変換器は、電磁変換器の一種です。それらは、強磁性体に対する機械力Pの作用（引張、圧縮、曲げ、ねじれ）に関連して、強磁性体に発生する機械的応力σに応じて強磁性体の透磁率μが変化する現象に基づいています。強磁性コアの透磁率が変化すると、コアRMの磁気抵抗が変化します。 RMが変化すると、コアに配置されたコイルのインダクタンスが変化します。したがって、磁気弾性トランスデューサには、次の一連の変換があります。

P->σ->μ-> Rm-> L。

磁気弾性トランスデューサーは2つの巻線を持つことができます（トランスタイプ）。透磁率の変化による力の作用により、巻線間の相互インダクタンスMと二次巻線Eの誘導起電力が変化します。この場合の変換回路は次のようになります。

P->σ->μ-> Rm-> M-> E。

機械的変形の影響下で強磁性体の磁気特性を変化させる効果は、磁気弾性効果と呼ばれます。

磁気弾性トランスデューサが使用されます：

高圧（10 N / mm2、または100 kg / cm2を超える）の測定用。圧力を直接認識し、追加のトランスデューサーを必要としないため。

強度を測定します。この場合、デバイスの測定限界は、磁気弾性トランスデューサーの面積によって決定されます。これらのトランスデューサーは、力の作用下ではほとんど変形しません。はい、 l= 50 mm、△ l < 10 мкм они имеют высокую жесткость и собственную частоту до 20... 50 кГц. Допустимые напряжения в материале магнитоупругого преобразователя не должны превышать 40 Н/мм2 .

i）電解抵抗変換器;

電解コンバーターは、電気化学コンバーターの一種です。一般的な場合、電気化学コンバーターは、電極が配置された溶液で満たされた電解セルであり、コンバーターを測定回路に変える役割を果たします。電気回路の要素として、電解槽は、それが発生するEMF、通過電流からの電圧降下、抵抗、静電容量、およびインダクタンスによって特徴付けることができます。これらの電気的パラメータと測定された非電気的量との関係を強調し、他の要因の作用を抑制することにより、液体および気体媒体の組成と濃度、圧力、変位、速度、加速度、およびその他の量。セルの電気的パラメータは、溶液と電極の組成、セル内の化学変換、温度、溶液の移動速度などに依存します。電気化学コンバータの電気的パラメータと非電気的量の関係が決定されます。電気化学の法則によって。

電解コンバーターの動作原理は、電解質セルの抵抗が電解質の組成と濃度、およびセルの幾何学的寸法に依存することに基づいています。電解コンバーターの液柱抵抗：

R =ρh/ S = k / ૪

ここで、૪ = 1 /ρは電解質の比導電率です。 k-通常は実験的に決定される、幾何学的寸法の比率に応じたコンバータ定数。

IV。コンバーターの分類。

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制御対象から受信した測定情報は、ある種のエネルギーの信号の形で測定システムに送信され、ある種類のエネルギーから別の種類のエネルギーに変換されます。このような変換の必要性は、一次信号が送信、処理、さらなる変換、および再生に必ずしも便利であるとは限らないという事実によるものです。したがって、非電気量を測定する場合、敏感な要素によって知覚される信号は、普遍的な電気信号に変換されます。

非電気的な測定信号が電気信号に変換されるデバイスの部分は、 コンバータ。

非電気量を測定するための多くの電気的方法があります。研究の便宜のために、電気量と非電気量の関係のタイプに応じて、これらの方法の分類を紹介します。

パラメトリックトランスデューサ、測定された非電気量は、EMFの外部ソースによって供給される電気回路のパラメータの対応する変化に変換されます。この場合、測定対象から受信した信号は、回路に含まれる外部ソースのエネルギーを制御するためだけに使用されます。

ジェネレータコンバータ、測定対象物から受信した信号を直接電気信号に変換します。この場合、外部のEMFソースを使用せずに、目的の変換効果を得ることができます。

パラメトリック法には、電気回路の抵抗、静電容量、インダクタンスの変化に基づく方法が含まれます。

発電機の方法には、電磁気、熱電、圧電、その他の方法があります。

入力は特定の値Xであり、出力は電気信号（Y）です。

(*)

x =>ΔF=>Δх=>ΔR

物理量xを電気信号に変換します。パラメータR、L、C、Mを視覚化するには、それらに発電機を持参する必要があります

（*）電気回路計算の法則はそのような回路に適用されます。

1.1抵抗法.

この方法では、抵抗器の電気抵抗のさまざまな非電気量への依存性を使用します。

たとえば、スライド接点が機械的な力の作用下で移動するときのワイヤーレオスタットのオーム抵抗の変化。

総論。セクション1で説明したように、パラメトリックトランスデューサは、外部ソースからのエネルギーフローのパラメータを制御し、2つのモードのいずれかで動作できます。これらの最初のものでは、コンバータはDC電流または電圧レギュレータです。

測定情報は、電気量のレベルの変化の法則によって運ばれます。このようなコンバーターは基本的に非線形システムである必要がありますが、特定の条件下では、その出力信号は入力に線形に関連していると見なすことができ、ジェネレーターMEPとの類似性もあります。たとえば、最も単純なケースでは、電気インピーダンスを持つコンバータが負荷と直列に接続され、内部抵抗のある電源から電力が供給されます。外部の影響により、コンバータのインピーダンスが変化し、その結果、回路の電流が変化します。による変更

変換の非線形性により、次の積Hoが導入されます。

インピーダンスがMEPの入力値に線形に関連している場合（通常、これは変位です。つまり、次のように記述できます。

電気力がコンバーターに作用し、依存しない場合、力のバランス方程式は次の形式になります。

最後の2つの方程式は、連立方程式（1）と（2）に似ています。その場合、そのようなコンバーターはジェネレーターMEPと同等であり、準可逆と呼ぶことができます。セクション2の一般的な注意事項は、引き続き有効です。DC電源のコンバーターは、電源のエネルギーが主にコンバーター内の電界または磁界の生成に費やされる場合にのみ、準可逆的です。フィールドが小さい場合、動動スナールはありません。入力値と出力値のスペクトル構成の違いにより、交流で電力を供給した場合でも、実質的に同じ結果が得られます（コンバーターは変調器であり、スペクトル、第10章を参照）。

コンバータの出力信号は、電流（負荷時または負荷時の電圧（反対の場合））にすることができます。

電流レギュレータモードに加えて、パラメトリックMECは、自励式発電機の周波数設定回路の一部であるエキサイターモードで動作できます。測定値は、発生する電圧の周波数を変調します。周波数の変化は、出力信号として直接使用することも、別の形式（ディスクリートまたはアナログ）に変換することもできます。このモードでは、コンバーターは常に元に戻せません。

米。 10.容量性トランスデューサー：o-可変ギャップ（面積）; 6-可変透過性; c-差動

交流を動力源とするパラメトリックMEPの出力信号は、通常、増幅変換装置で実行される検出（復調）を受ける必要があります。この信号は、有用な情報を伝達しない別の信号の背景に対して作用するため、その選択が差動回路またはブリッジ回路によって実行されるため、より強力になります。

容量性コンバーター。このコンバータの動作原理は、導体間の静電容量の相対的な位置、サイズ、および導体間の媒体の特性への依存性に基づいています。フラットコンデンサの最も単純なケースでは、その静電容量は

電極の面積はどこですか？ 6-それらの間のギャップ; 電極間スペースの実効誘電率（つまり、特性の不均一性を考慮に入れる）。容量性コンバータの可能な概略図を図1に示します。 10.一方の電極の変位xに対する静電容量の依存性には2つのタイプがあります。

それらの最初のものは面積または実効透磁率の変化に対応し、2番目はギャップの変化に対応します。

最初のタイプの場合

そして2番目のために

したがって、式（30）は次の形式で記述できます。

ここで、または種1と2のそれぞれ。

の式は、基本的にコンバータの電気モードに依存します。分析は複雑であるため、一般的に、定電圧源から電力を供給される場合、2つの極端なケースに限定します。

1静電容量の変化は非常に遅いため、電源はほとんど遅延なく静電容量を充電する時間があり、コンバータと直列に他の静電容量が接続されていない場合と同じ電圧を維持します。（32）は次の形式になります。

一方、またはに等しいので-

静電容量の電荷から

ここで、は電荷の可変部分です。タイプ2の場合、次のように記述できます。

2.静電容量の変化が非常に速いため、電荷が大きく変化する時間がなく、初期値と同じままです。したがって、静電容量の両端の電圧は法則に従って変化します。電荷が変化しない場合は、静電容量を通過する電流はゼロであり、電源は基本的に静電容量の初期充電にのみ必要です（漏れ電流は無視します）。ただし、外力の作用によって支えられる負荷には小さな電流が流れます。最初のタイプの静電容量の変位への依存性（197ページを参照）

つまり、一定の力に加えて、追加の電気的弾性があります。 2番目の種類の依存関係の場合

式（32）は次の形式で記述されます。

第2項は、最初（で）のインピーダンスが容量性であるという事実によって説明されますか？負荷ではなく、初期電流の性質を決定します。

すべてのモードでのコンバーター方程式とその解を表にまとめています。 2.2。

2.容量性トランスデューサの方程式

（スキャンを参照）

テーブルから。 2つの式を見ると、すべての場合で、出力電流は直接的または間接的に依存していることがわかります。定電圧モードで動作し、弾性特性を備えている場合、コンバータは微分器です。定充電モードでは、出力信号は負荷のタイプに依存します。特に、負荷がアクティブな場合、電流は力に比例します。ただし、いずれの場合も、一定の力や変位を測定することはできません。図２は、モードの１つにおいて、コンバータが準可逆的であることを示している。

コンバーターに交流電圧源から電力が供給されると、静電容量が変化しなくても電流がコンバーターを流れ、電流はその変化の法則の静電容量の尺度として機能します。計算には、関数とは何かを考慮して、式（32）を使用する必要があります。たとえば、正弦波周波数電圧で電力を供給している場合、表の式を使用します。 2、出力電流の振幅を決定するには、その前の式の代わりに、そのモジュールをキャリアと呼ばれる周波数で取得し、スペクトルの最高周波数よりもはるかに多くを選択します。比率に応じて、コンバータは次のことができます。短絡とアイドリングの2つの極端なモードで動作します。最初のモードでは、方程式が発生します。

そして2番目に

の式は2つの部分に分けられます。最初の部分は時間に依存せず、2番目の式は周波数で脈動します。ほとんどの場合無視できます（以下を参照）。コンバーターは不可逆的であると見なされます。

計算は、どのモードでも正しい選択をすると、コンバータの出力ドライブの振幅が作用力に比例する可能性があることを示しています。たとえば、アイドルモードと可変クリアランスの場合

したがって、分母が一定になるように選択する必要があります。インピーダンスの弾性の性質により、これはアクティブな負荷に対応します。通常、測定にはブリッジ回路が使用されます。

トランスデューサ電極の最大比引力は、絶縁破壊電界強度によって決定され、空気の場合はです。すべてのモードでの作用力が電気的相互作用力よりもはるかに大きい場合、トランスデューサーを使用すると、入力値の変化の可能な範囲が狭くなるだけです。増加すると、変換の非線形性が急速に増加します。これは、さまざまな線形化方法を使用して減らすことができます。それらの1つは、静電容量が異なる方向に同時に変化する差動コンバーターの使用です（図10、c）。この場合、線形化と感度の向上とともに、外部条件の影響に対する適切な補正が実現されます。容量の変化など、出力がA Cの逆数である場合、直線性は大幅に向上します。 xとの線形接続は、トランスデューサの電極が閉じるまで観察されます。直接線形化は、追加のマイクロプロセッサベースのユニットで出力信号を変換することで実行できます。これは、セルフパワーデバイスでも可能になりました。

容量が交流電圧発生器の駆動回路に含まれている場合、電流や電圧ではなく、時間パラメータ（周波数や持続時間）を測定することができます。インダクタンスのある古典的な発振器では、発振周期は比例しますが、RC発振器では、Cに線形に依存します。この方法は、常に最適なタイプの出力信号を選択できるため、柔軟性が高くなります。たとえば、抵抗性容量性発電機の回路で可変ギャップを使用してコンバータをオンにすると、発振周波数が

周波数の変化はxに比例するため、出力信号として使用することをお勧めします。トランスデューサーの面積が可変の場合、振動周期は変位に直線的に関連します

したがって、どちらの場合も、過負荷耐性が高く、上記の制限なしに動作することが可能です。コンバータが発振回路に含まれている場合、これらの特性は大幅に失われますが、ジェネレータパラメータのはるかに優れた安定性が達成されます。したがって、後者の方法は、高感度で安定した測定システムで広く使用されています。周波数出力付きインバータは、すべての場合で不可逆的です。

容量性トランスデューサの感度は、その幾何学的関係、供給電圧、および構造的安定性によって決まります。最高の感度は可変ギャップで達成されますが、同時に測定の上限が低くなります。したがって、可変面積と可変ギャップを備えたトランスデューサの適用領域は異なります。透磁率が機械的応力に大きく依存する結晶性物質がありますが、透磁率が可変のトランスデューサーが機械的測定に使用されることはめったにありません。このような誘電体は、力および圧力変換器で効果的です。

容量性トランスデューサーは、それらに加えられた力と量、および変位、特に小さいものと非常に小さいものを測定するために使用されます。

誘導コンバーター。誘導性MEPの動作は、通電回路のインダクタンスまたは2つの接続された回路の相互インダクタンスの、それらが配置されている媒体のサイズ、形状、相対位置、および透磁率への依存性の使用に基づいています。特に、ギャップのある磁気コアを備えたコイルのインダクタンスは、後者の長さに依存します（図I）。

コイルの外側を通過する力線が閉じられる環状ギャップが非常に小さいため、無視できると仮定します。コアの絶対透磁率で示される場合; I-コア内の電力線の平均の長さ。コアのないコイルのインダクタンス、次に図に示すインダクタンス。実効透磁率にギャップが与えられている11個のコイル。

この式は、これに加えて、Ifにも当てはまります。

この上、

のインダクタンスはどこですか

米。 11.誘導トランスデューサ：1-固定コア。 2-コイル; 3-可動コア

コイル内の磁場のエネルギー

ここで現在の場合私たちが自分自身を2次の小ささの条件に限定し、それを考慮に入れる場合

これらの量を（30）、（31）に代入し、コンバーター方程式を取得することを考慮に入れます

これらの方程式から、コンバーターは次の係数（ではない）で準可逆的であることがわかります。

出力電流

いつものように、プレレゾナント領域では、トランスデューサーは微分器であり、レゾナンスを超えて、それはスケールのものです。定電圧の誘導コンバーターの供給は、容量性のものとは異なり、そのアクティブ抵抗に無駄に費やされるエネルギーを消費するため、実行されません。交流電圧で電力を供給する場合、エネルギー消費量は減少し、

定数値の可能な測定。出力パラメータは、容量性トランスデューサの場合と同じ方法で計算されます。測定と線形化の時間または周波数の方法を使用する可能性についての結論は有効なままです。

コンバーターには多くのデザインの種類があります。コアの動きに対する最大の感度を特徴とする可変ギャップ長のトランスデューサに加えて、可変ギャップ面積のトランスデューサが知られています。オープン磁気回路付き（固定コアなし）; 可変相互インダクタンスなどを備えています。それらの感度は、最大変位を測定するのに十分です。

誘導トランスデューサは、変位とそれに変換される力と圧力を測定するために使用されます。

磁気弾性トランスデューサインダクタンスの変化のメカニズムによって誘導性とは異なります。これは、強磁性コアに直接力を加えることによって実行されます（図12）。強磁性体の透磁率は、材料の機械的応力に依存することが知られています。電圧がない場合に透磁率が等しい場合、電圧aを生成すると、次のように変化します。応力に対する強磁性体の感度は、aと強磁性体の電界に依存する係数によって特徴付けられます。変更すると、コイルのインダクタンスは、上端、高さ、そして

米。 12.磁気弾性トランスデューサ：1-コア; 2-コイル

この値を（30）に代入すると、コンバータの出力電流の式が得られます。磁気弾性トランスデューサには常に交流電圧が供給されるため、実質的に不可逆的です。出力信号は、（35）と同様の式で求められます。係数値は数百に達する可能性があるため、コンバータは小さな電圧に敏感です。ただし、強磁性体のノイズとヒステリシス現象により、測定可能な最小電圧は次の値に制限されます。

磁気弾性トランスデューサの自然な応用分野は、力と圧力の測定です。ただし、主に同じ符号のゆっくりと変化する量を測定するために、誘導性よりも使用頻度は低くなります。

抵抗性コンバーター。抵抗性MEPの動作は、電気抵抗の式に含まれる量（断面の導体の長さと材料の比導電率y）の機械的影響への依存性の使用に基づいています。最も単純なケースでは、抵抗膜方式のMEPは、スライディングコンタクトの位置によって決定される可変の有効長を持つ直線またはらせん状に巻かれたワイヤです（図13）。このようなコンバーターはレオスタットと呼ばれます。描かれているらせん巻きトランスデューサはアナログではありませんが、回転間距離に等しいステップで離散しています。接点がxだけ移動すると、抵抗の相対的な変化は次のようになります。ここで、Iは巻線の長さです。したがって、1まで変化する可能性がありますが、通常、接点の初期位置は巻線の中央で選択されます。もう1つの例は、ひずみゲージです。これは、変形を受ける電流伝導要素であり、多くの場合、一軸です（図14）。この場合、抵抗が依存するすべての量が変更されます。

ひずみゲージの材料の特性を評価するために、変形中のワイヤの寸法の変化の計算に等しいひずみ感度係数が導入されます

ポアソン比がに等しい値を与えます。しかし、これに加えて、材料の密度が変化し、したがって電荷キャリアの濃度が変化し、結晶格子が変形するため、金属の場合ははるかに大きくなります）。 2種類の電荷キャリアがあり、機械的応力によってエネルギーバンドの構造とキャリアの移動度が変化する半導体では、ひずみ感度係数は1桁高くなりますが、導電率の種類、その値、および配向に依存します。材料の結晶軸に対する抵抗軸の比率。

米。 13.レオスタティックコンバーター

米。 14.ひずみゲージトランスデューサ

抵抗膜方式のコンバータでは、電気的側面の機械的側面への影響を完全に無視することができ、両方とも独立していると見なすことができます。ひずみゲージの機械インピーダンスは比較的小さく、本質的に弾性があります。レオスタットトランスデューサでは、滑り接触は非線形要素です（潤滑なしの摩擦など）。両方のタイプの抵抗変換器の感度は、たとえば電流によって、次の式で決定されます。

ここで、はオブジェクトの変形からひずみゲージの変形への変換係数です。ひずみの伝達は、ひずみゲージの全長に沿って、または個々のポイントで実行されます。耐ひずみ性MEAの設計は多様です。それらは、ワイヤー、ホイル、スプレーフィルム、または単結晶片からさまざまな形状で作られています。

ひずみ抵抗性MEAの感度により、最大で動的変形を測定できます。

レオスタティックトランスデューサは、比較的大きな相対変位を測定するために使用され、テンソレジスタンストランスデューサは、変形とそれに変換される量（力、圧力、モーメント）を測定するために使用されます。

可変特性のコンバーター。特殊な種類のパラメトリックMECは、コンバーターの機械的作用によって変化する非線形の電流-電圧特性を備えたコンバーターです。典型的な例は、メカトロニクスコンバーターです。これは、可動電極を備えた電気真空装置です。イチジクに図１５は、可動アノードを備えたダイオードメカトロンを概略的に示している。弾性膜への力の影響下で発生するアノードがカソードに対して移動すると、ダイオード（電極間の電圧に対するアノード電流の依存性）が変化します。これは、アノード電流の式からわかります。

ここで、Bはカソードの材料と温度および電極の面積に依存する係数です; アノード電圧。変化を図1に示します。 16、右の象限では、特性のファミリーが異なる電極間距離で示されています。十分な精度の分析式がない場合、グラフ形式での依存関係の表現が唯一の可能なものであることがよくあります。ダイオード回路には負荷抵抗が含まれているため、等式化され、その結果、動的特性に応じて電流が変化します。その構成を図の左象限に示します。 16.初期のI–V特性の顕著な非線形性にもかかわらず、動的特性は直線に近いです。

米。 15.ダイオードメカトロニクスコンバーター：1-メンブレン、2-可動ヨウ素

米。 16.コンバーターの動的特性を構築するためのスキーム

初期距離60からアノード変位xを数え、それゆえ、コンバーター方程式は次のように書くことができます。

したがって、両方の方程式は独立しています。コンバータの出力電流

メカノトロンの機械インピーダンスは重要です。通常、このタイプのMEPの作業領域であるプレレゾナンス領域では、コンバーターがスケーリングされます。

ダイオードメカノトロンは、可動電極を備えたコンバーターの中で最も単純です。 2つのアノードと差動スイッチング回路を備えた設計が開発されており、ダイオード回路とトライオード回路の両方に従って、マイクロメートルあたり最大数百マイクロアンペアの感度があります。メカノトロンは剛性が高いため、力や圧力の測定に適しています。

真空に加えて、ソリッドステートコンバーターが知られています-半導体ダイオードとトライオード（トランジスター）。これは、結晶のアクティブ領域に加えられる機械的応力の関数です。-遷移、チャネル。ほとんどすべての既知のタイプの半導体デバイスをこの目的に使用できます。ここでの効果は、活性領域のサイズが変化すると電荷キャリアの濃度と移動度が変化し、絶縁ゲートを備えた電界効果トランジスタでは、絶縁層でも圧電分極が発生するためです。このタイプの半導体MEAは、メカノトロンよりも機械インピーダンスがはるかに低く、感度が高いため、小さな力を測定できます。しかし

安定性は十分ではありません。これまでのところ、それらは普及していません。

レゾネーターコンバーター。このタイプのコンバーターは、周波数選択要素を介した電気機械的フィードバックを備えたジェネレーターであり、そのパラメーターは、それに発生する衝撃に依存します（図17）。フィードバック回路に圧電共振器を備えた発電機は、使用される音波の伝播速度がどこにあるかに等しい周波数で励起されます。整数; Iは共振器内の波の経路の長さです。力が共振器に作用する場合、その寸法と機械的特性、およびそれらとともに生成周波数は、力に比例して最初の近似で変化します。したがって、コンバータは周波数変調を備えた力制御発振器であり、周波数出力を備えた容量性または誘導性MEAに近いですが、後者は機械的ではなく電気的共振を使用します。しかし

ここで、は共振器の質量です。厚さ; 方向のせん断弾性率

安定性は、括弧内の幾何学的パラメーターと弾性パラメーターの組み合わせの安定性によって決まります。この場合、共振器で発生するエネルギーの漏れをなくすことは非常に重要です。これは、励起波のタイプ、共振器の設計、および接続要素の合理的な選択によって達成されます。

共振器MEPは周波数出力を持ち、機械的側面に対する電気的側面の逆効果は2次の小ささの弱い効果によって決定されるため、式（1）および（2）のシステムで説明することは不適切です。、そしてそれは無視することができます。

最も一般的なのは、別のタイプの共振器MEP、いわゆる振動周波数（ストリング）MEPです。彼らの行動は、力で伸ばされた弦の固有振動数が比例しているという事実の使用に基づいています。

初期値は比例しますが、ソリッドステート共振器は、特に速度の点で多くの利点があるため、有望です。それらの感度により、桁違いの電圧を引き起こす力を測定することが可能になります。また、クライストロンタイプの純粋な電気共振器を備えたコンバーターも知られていますが、操作上の重大な不便のために実験室での研究を超えることはありませんでした。共振器MEPは、それらに低減できる力と量を測定するために使用されます。