Резистивний перетворювач

Визначення та функція резистивних перетворювачів

Визначення: Резистивний перетворювач — це тип перетворювача, в якому опір змінюється відповідно до впливу навколишнього середовища. Зміну опору можна виміряти за допомогою пристроїв для вимірювання чергового (AC) або постійного (DC) струму. Цей універсальний перетворювач використовується для вимірювання різних фізичних величин, включаючи температуру, переміщення та вібрацію.

Точне вимірювання фізичних величин може бути складним завданням. Резистивні перетворювачі спрощують цей процес, перетворюючи фізичні величини на змінні опори, які легко можна виміряти електричними вимірювальними приладами. Принцип зміни опору знайшов широке застосування в численних промислових умовах, дозволяючи точний моніторинг та керування різними параметрами.

Резистивні перетворювачі можуть функціонувати як первинні або вторинні перетворювачі. Як первинний перетворювач, він перетворює фізичні величини на механічні сигнали. У ролі вторинного перетворювача він безпосередньо перетворює ці механічні або інші вхідні сигнали на електричні сигнали, що сприяє подальшій обробці та аналізу.

Приклад: Ковзаючий резистивний перетворювач

Розглянемо схему ковзаючого резистивного перетворювача, яка показана на малюнку нижче. У цьому встановленні ковзаючі контакти розташовані на резистивному елементі. Слайдер розроблений так, щоб рухатися горизонтально. Коли слайдер рухається, він змінює значення опору резистивного елемента перетворювача. Ця зміна опору потім виявляється та вимірюється джерелом напруги, позначеним як E. Цей простий, але ефективний механізм демонструє, як резистивні перетворювачі можуть перетворювати механічний рух (форма переміщення) на електричний сигнал, який можна кількісно визначити та використовувати для різних цілей, таких як визначення положення в автоматизованій техніці або системах керування.

Резистивні перетворювачі: перетворення сигналів, переваги та принцип роботи
Перетворення сигналів

У резистивному перетворювачі переміщення слайдера ефективно перетворюється на електричний сигнал. Цей процес перетворення дозволяє кількісно визначати та аналізувати фізичні рухи, що робить резистивні перетворювачі надзвичайно корисними у широкому спектрі вимірювальних застосувань.

Переваги резистивних перетворювачів

Резистивні перетворювачі мають кілька відмінних переваг, які сприяють їх широкому використанню в різних галузях:

• Універсальні вимірювальні можливості: Обидва типи систем — чергового (AC) та постійного (DC) струму, які використовують струм або напругу, добре підходять для вимірювання змінного опору цих перетворювачів. Ця адаптивність дозволяє безшовну інтеграцію з різними електричними встановленнями, сприяючи легкому впровадженню в існуючі вимірювальні та керуючі системи.

• Швидка реакція: Резистивні перетворювачі характеризуються швидкими часами реакції. Вони можуть швидко виявляти та реагувати на зміни вимірюваних фізичних величин, надаючи практично моментальний відгук. Ця швидкодіяльність є важливою в застосуваннях, де необхідні своєчасні та точні вимірювання, таких як динамічні системи моніторингу та керування.

• Широкий спектр варіантів: Доступні в широкому діапазоні розмірів, резистивні перетворювачі можна підлаштувати під різні просторові обмеження та вимоги до застосувань. Крім того, вони пропонують широкий діапазон опор, що дозволяє вимірювати широкий спектр фізичних величин з різними величинами. Ця гнучкість у розмірах та діапазоні опор робить їх вигідним вибором для численних інженерних та наукових застосувань.

Принцип роботи резистивних перетворювачів

Операційний принцип резистивних елементів перетворювачів базується на фундаментальному зв'язку між електричним опором, довжиною провідника та площою поперечного перерізу провідника. Зокрема, опір елемента перетворювача прямо пропорційний довжині провідника та обернено пропорційний його площі поперечного перерізу. Коли фізичні зміни, такі як переміщення або зміни температури, впливають на перетворювач, вони викликають відповідні зміни в довжині або площі поперечного перерізу резистивного елемента. Ці зміни, в свою чергу, призводять до змін значення опору, яке можна виміряти та скорелювати з оригінальною фізичною величиною, яка контролюється.

Де R — опір у омах.

• A — площа поперечного перерізу провідника у квадратних метрах.

• L — довжина провідника у метрах.

• ρ — удельна електрична опірність матеріалу в ом-метрах.

Резистивний перетворювач проектується з урахуванням змін довжини, площі та удельної електричної опірності металу.

Застосування резистивних перетворювачів

Резистивні перетворювачі відіграють ключову роль у різних галузях завдяки своїй здатності перетворювати фізичні величини на електричні сигнали, використовуючи зміни опору. Ось деякі з їх ключових застосувань:

Потенціометри

Як лінійні, так і поворотні потенціометри є основними прикладами резистивних перетворювачів. У цих пристроях, коли змінюється положення перемикача (ковзаючого контакту), відповідно змінюється ефективна довжина резистивного елемента, яку проходить електричний струм. Оскільки опір прямо пропорційний довжині провідника (як вказує формула R =ρL/A), ця зміна довжини призводить до відповідної зміни опору. Ця характеристика робить потенціометри надзвичайно ефективними для вимірювання переміщення, чи то лінійного у випадку лінійних потенціометрів, чи то кутового у випадку поворотних потенціометрів. Вони широко використовуються в застосуваннях, таких як джойстики для ігрових консолей, датчики положення в роботизованих руках та регулятори гучності в аудіообладнанні.

Датчики напружень

Датчики напружень використовують піезорезистивний ефект, коли опір напівпровідникового або металевого матеріалу в межах датчика змінюється, коли на нього діє механічне напруження. Коли зовнішня сила викликає деформацію або напруження матеріалу датчика, це змінює фізичну структуру на атомному рівні, що, в свою чергу, модифікує електричний опір. Точне вимірювання цієї зміни опору дозволяє інженерам точно визначати параметри, такі як тиск, сила та переміщення. Датчики напружень широко використовуються в галузях, таких як авіація для моніторингу структурного здоров'я літаків, автомобільна інженерія для вимірювання сил на деталях двигуна, та цивільна інженерія для оцінки напруження на мостах та будівлях.

Резистивні термометри

Також відомі як Резистивні Температурні Детектори (RTD), резистивні термометри працюють на принципі, що електричний опір металів змінюється передбачувано зі зміною температури. Різні метали мають специфічні температурно-опорні характеристики, і шляхом калібрування залежності опор-температури, ці пристрої можуть надавати надзвичайно точні вимірювання температури. RTD часто використовуються в застосуваннях, де необхідне точне керування температурою, таких як в промислових виробничих процесах, науково-дослідних лабораторіях та климатичних середовищах. Вони надають відмінну стабільність, повторюваність та широкий діапазон вимірювань, що робить їх надійним вибором для задач вимірювання температури.

Термістори

Термістори базуються на принципі, що температурний коефіцієнт їх матеріалу значно змінюється зі зміною температури. На відміну від багатьох металів, термістори зазвичай мають негативний температурний коефіцієнт (NTC). Це означає, що зі зростанням температури опір термістора зменшується в обернено пропорційному співвідношенні. Термістори надзвичайно чутливі до змін температури, що дозволяє швидко та точно вимірювати температуру. Вони широко використовуються в застосуваннях, де потрібні компактні розміри, висока чутливість та швидкі часи відгуку, таких як термостати для побутової техніки, датчики температури в системах охолодження комп'ютерів та медичні пристрої для моніторингу температури тіла.

У суті, різні способи, якими опір металів та інших матеріалів може змінюватися відповідно до фізичних явищ, формують основу застосувань резистивних перетворювачів. Ця унікальна властивість дозволяє точне вимірювання та моніторинг широкого спектра фізичних величин, роблячи резистивні перетворювачі незамінними компонентами сучасних вимірювальних та керуючих систем.