Цель работы

Цель работы
1. Изучить принцип действия, области применения и схемы
магниторезистивных преобразователей (МРП).
2.
Экспериментально определить характеристики
магниторезистивного преобразователя перемещений (МРПП).
Общие сведения
Назначение, принцип действия и электрические схемы
включения магниторезистивных преобразователей
Магниторезистивные преобразователи (МРП) предназначены для
преобразования магнитной индукции, линейных и угловых перемещений
в электрический сигнал. Они применяются в навигационных приборах,
устройствах контроля параметров окружающей среды и режимов работы
различных агрегатов летательного аппарата.
Магниторезистивные преобразователи основаны на использовании
эффекта Гаусса, который проявляется в изменении электрического
сопротивления преобразователя от влияния внешнего магнитного поля.
Эскиз конструкции МРП изображен на рис.1,а). Здесь представлена
пластина 1, изготовленная из полупроводникового материала, с размерами
, с двумя напыленными электродами 2. При включении МРП в
электрическую цепь ток в пластине, если магнитная индукция В=0,
обуславливается
носителями
зарядов:
электронами
и
дырками,
перемещающимися по прямолинейным траекториям. Сопротивление
пластины, при наличии носителей зарядов двух знаков, определяется
выражением
Где:

- заряд электрона;

- средняя концентрация и подвижность электронов;

- средняя концентрация и подвижность дырок,

- соответственно длина и сечение пластины.
При наличии внешнего магнитного поля с индукцией В (рис. 1,б))
на носители зарядов действует сила Лоренца
Где:

- нормальная проекция магнитной индукции;
 V- вектор скорости движения носителей заряда.
При
этом
траектории
носителей
движения
зарядов
становятся
нелинейными, а так же изменяется их подвижность (рис 1,6).
Эти отклонения, увеличивающие путь электронов, приводят к возрастанию
сопротивления полупроводника.
Статическая характеристика МРП имеет вид [1,2]
Где:

- сопротивление полупроводниковой пластины при отсутствии
магнитного поля;

- приращение сопротивления полупроводниковой
пластины под влиянием магнитного поля;

- сопротивление полупроводника при наличии магнитного поля;

-
подвижность носителей тока;

- размерный коэффициент, характеризующий поле, материал
и форму полупроводниковой пластины.
Магниторезисторы изготовляются из полупроводниковых материалов
таких как антимонид индия (InSb), арсенид индия (InAs) и др., в которых сильно
проявляется магниторезистивный эффект вследствие большой подвижности
носителей заряда. Магниторезистивный коэффициент
зависит от формы
конструкции МРП. На рис. 2,а) показаны статические характеристики МРП,
отличающиеся только отношениями длины и ширины.
Обычно используют для магниторезисторов форму пластины, имеющей
малое отношение длины к ширине. Габаритные размеры магниторезисторов
составляют единицы миллиметров. Для увеличения сопротивления МРП
изготавливаются в виде ряда коротких участков, соединенных перемычками
(рис. 2,б).
Из статической характеристики следует, что с помощью МРП можно
непосредственно измерять индукцию магнитных полей. Это используется в
широком диапазоне изменения магнитной индукции от
Т до
Т.
Измерение же других параметров (перемещений, усилий, давлений и
других физических величин) основано на косвенном методе, при котором
необходимо вначале обеспечить взаимосвязь между исследуемым параметром X
и изменением индукции магнитного поля Вг. Это приведет к изменению
относительного сопротивления
, по которому можно
судить об измеряемом параметре.
На рис. 3 показаны возможные схемы конструкций магниторезистивных
преобразователей перемещений (МРПП).
На рис. 3,а изображена магнитная схема 1 с переменным воздушным
зазором, а следовательно, переменной величиной магнитной индукции
МРП 2
при перемещении может занимать различное положение в воздушном зазоре
системы и от этого будет изменяться магнитная индукция
него.
воздействующая на
На рис 3,б изображена магнитная система с подвижным якорем 3. МРП
укреплен на полюсах 2 постоянных магнитов 1. Магнитная индукция в рабочих
зазорах, воздействующая на МРП, меняется при перемещении якоря.
Электрические схемы включения магниторезисторов приведены на рис. 4.
В схеме делителя напряжений (рис. 4,а) используются два магниторезистора
с сопротивлениями
и
, и терморезистор
включенные в цепь питания
Выходной сигнал
Терморезистор
постоянного или переменного тока.
снимается с одного из магниторезисторов.
сопротивление которого зависит от изменения
температуры, служит для компенсации температурных погрешностей.
Мостовая схема (рис. 4,б) состоит из двух магниторезисторов с
сопротивлениями
, и двух терморезисторов
. Терморезисторы,
являясь плечами моста, одновременно обеспечивают компенсацию температурных
погрешностей.
Погрешности магнитоэлектрических преобразователей: МРП
свойственны методические и инструментальные погрешности.
Методические погрешности определяются следующими факторами:
3. Нелинейностью статической характеристики.
4. Непостоянством магнитного поля из-за размагничивающего влияния
тока в магниторезисторе.
5. Нагревом магниторезистора электрическим током.
6. Инерционностью носителей тока полупроводникового материала.
7. Инерционностью подвижного элемента конструкции.
Инструментальные погрешности выражаются влиянием следующих
факторов:
1. Неточностями изготовления деталей и сборок.
2. Изменением температуры окружающей среды.
3. Временными изменениями свойств материалов.
4. Изменением внешнего магнитного поля.
5. Непостоянством напряжения источника питания.
Экспериментальная часть
Задание
1. Ознакомиться с теоретической частью.
2 . Ознакомиться с исследуемым терморезистивным преобразователем
перемещений.
3 . Ознакомиться с лабораторной установкой.
4. Определить статические характеристики МРП
и
и построить их графики.
5. Сделать выводы по работе. Оценить погрешность проведенного эксперимента с
учетом погрешностей используемых приборов.
Описание исследуемого магниторезистивного преобразователя
перемещений (МРПП)
Магниторезистивный преобразователь перемещений предназначен для
измерения линейных перемещений в диапазоне (0,..,1.5) мм. Выходным
сигналом является напряжение постоянного тока.
Принципиально-конструктивная
схема
магнитной
системы
преоборазователя приведена на рис.5. В качестве источников магнитных потоков
используются два неподвижных идентичных магнита 3, 8 с полюсными
наконечниками 2,4 и 7,9. На торцах полюсных наконечников 2 и 7 расположены
соответственно
магниторезисторы
и
В
начальном
положении
ферромагнитный якорь 5 (концентратор магнитных силовых линий) расположен
посередине рабочих зазоров.
При перемещении якоря 5, изменяются магнитные сопротивления
воздушных зазоров, что приводит к изменению индукции и магнитных потоков,
пронизывающих магниторезисторы 1 и 6. Например, увеличивается омическое
сопротивление магниторезистора 6 и уменьшается омическое сопротивление
магниторезистора
сигнала
1,
что
приводит
к
изменению
выходного
электрической схемы, в которую включены магниторезисторы.
Описание лабораторной установки.
Электрическая схема лабораторной установки приведена на рис. 6, где
МРПП - исследуемый магниторезистивный преобразователь перемещений, ПН преобразователь напряжения переменного тока 220В, 50Гц в напряжение
постоянного тока 6 В - для питания установки и 9В - для питания цифрового
вольтметра; Пр - предохранитель; JT - сигнальная лампа; П1 - выключатель цепи
питания; П2 - переключатель каналов МРПП; V - вольтметр.
Питание электрической схемы осуществляется от сети переменного тока 220
В, 50 Гц. Поскольку исследуемый МРПП работает при напряжении питания
постоянного тока 6 В, то требуемое напряжение обеспечивает преобразователь
напряжения ПН. Конденсаторы С1 и СЗ сглаживают пульсации питающего
напряжения, а стабилизаторы DA1 и DA2 служат для стабилизации напряжения 6
В и 9В.
На рис. 7 изображена блок-схема лабораторной установки (вид сверху).
На панели I смонтирован исследуемый магниторезистивный преобразователь
4 (МРПП), шток которого соединен со стрелочным индикатором 3 (СИ), который, в
свою очередь, связан с микрометрическим винтом 2 (MB). Включение напряжения
питания 220В, 50Гц производится тумблером 8 (П1) через предохранитель 7 (Пр).
При этом загорается сигнальная лампа 9 (JI). Далее с помощью преобразователя
напряжений 10
(ПН) происходит понижение напряжения и стабилизация его до 6В и 9В.
Выходной сигнал измеряется с помощью вольтметра 6 (V). Справа внизу
панели
показана
конструкция
магниторезистивного
преобразователя
перемещений 11.
Порядок проведения эксперимента.
1.
Подключить установку к сети питания 220В, 50Гц .
2.
Установить микрометрический винт MB в крайнее правое
положение.
3.
Установить тумблер П1 в положение "Вкл." При этом загорится
сигнальная лампа JI.
Измерение зависимости
4.
Установить переключатель П2 в положение I.
5.
Записать начальное значение с вольтметра V в таблицу.
6.
Перемещать микрометрический винт влево до тех пор пока
значения на вольтметре V не начнут изменяться.
7.
Повернуть шкалу стрелочного индикатора (СИ) так, чтобы
стрелка индикатора совпала с нулем на шкале. Записать значение
вольтметра в таблицу.
8.
Перемещать микрометрический винт в диапазоне от 0 до 1,4 мм с
шагом 0,1 мм, контролируя перемещение микрометрического
винта MB по стрелочному индикатору СИ, снять показания
вольтметра V. Результаты измерений занести в таблицу.
Измерение зависимости
L
9.
Установить переключатель П2 в положение II.
10.
Произвести измерения по методике, изложенной в пунктах 6,7,8.
11.
Установить тумблер П1 в положение «Выкл».
Таблица
12.
Зависимости
нанести на один график
статических характеристик и предъявить преподавателю для
проверки.
13.
Рассчитать напряжение на выходе измерительного моста
преобразователя
. Результаты расчёта занести в
таблицу.
14.
На основе полученных точек построить график
15. Визуально определить участок характеристики, который может считаться
условно линейным. Обозначить эту область на графике. Графически, по
методу наименьших квадратов, аппроксимировать
характеристику
полиномом первого
порядка с точностью 5%. Определить диапозон измерения по входным
и выходным величинам, чувствительность и погрешность
нелинейности статической характеристики на выбранном участке.
Требования к отчету по работе.
Отчет должен содержать:
1. Ф. И. О., группа;
2. название, задание работы;
3. принципиальную электрическую схему лабораторной установки;
4. таблицу и графики результатов исследований;
5. перечень измерителей входных и выходных величин и их точность;
6. выводы о проделанной работе.
Литература.
1. Лаврова А. Т. Элементы автоматических приборных устройств,- М.:
Машиномтроение, 1975г.
2. Шихин А. Я . Автоматические магнитоизмерительные системы. - Библ. по
автоматике. Вып. 575 -М.: Энергия, 1977г.
3. Котенко Г. И. Гальваномагнитные преобразователи и их применение. - JL:
Энергоиздат, 1982г.
4. Мартынов Ю. И. и др. Магниторезистивный датчик низких давлений,Приборы и системы управления. - 1982г.