Датчики

5.5.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

При эксплуатации систем автоматики и инфор­мационно-измерительной техники возникает необ­ходимость в измерении и анализе различных физических величин. Зачастую требуется привести их к виду и форме, удобным для дальнейшей обработ­ки, но не поддающимся непосредственному воспри­ятию. Для этих целей служат датчики.

Электрический датчик — устройство, которое, подвергаясь воздействию некоторой, как правило, неэлектрической, физической величины (переме­щение, скорость, ускорение, давление, температу­ра, влажность, освещенность, цвет, состав примесей и их содержание, частота колебаний и т. п.) вызы­вает изменение состояния электрической цепи (пу­тем ее замыкания и размыкания, изменения одного из электрических параметров: R, L, С или генера­ции ЭДС) и выдает эквивалентный электрический сигнал (заряд, ток, напряжение и т.д.), являющий­ся функцией этой контролируемой величины: , где х — входная контроли­руемая величина; у — выходной сигнал датчика.

В общем случае под сигналом понимают матери­альный носитель информации. Электрический сиг­нал — это изменяющийся заряд, ток или напряже­ние, несущие информацию об измеряемой вели­чине.

Различают две основные формы сигналов:

непрерывную в виде физического процесса; ин­формация в нем определяется уровнем какого-либо информатированного параметра: тока, частоты, ам­плитуды, фазы и т.п.;

дискретную, кодированную, при которой инфор­мация заключена в числе элементов кода, их рас­положении во времени или в пространстве.

Датчики как составная часть систем автоматичес­кого регулирования характеризуются статическими и динамическими показателями. Датчики должны иметь: высокую надежность, большой срок безотказ­ной работы; высокую точность (т.е. выраженное в процентах относительное откло­нение выходного сигнала от номинального его зна­чения); стабильность и однозначность характерис­тик (отсутствие остаточного сигнала, зоны нечувст­вительности и гистерезиса) и их независимость от внешних воздействий (старение элементов схемы, нестабильность питающего напряжения и сопротив­ления на выходе измерительного органа, влияние окружающей среды и т.п.); высокую восприимчи­вость (способность реагировать на незначительные отклонения измеряемой величины); высокую чувст­вительность s, которая не должна зависеть от значения и закона изменения контролируемой величины; высокое быстродействие, скорость пре­образования измеряемой величины должна обеспе­чивать надежное слежение за ее изменениями; вы­сокую эффективность (максимум выходного сигна­ла при минимуме входной потребляемой энергии); минимальные статические и динамические погреш­ности; минимальную реакцию (сам датчик не дол­жен искажать процессы, за которыми он призван следить и контролировать); минимальную пульса­цию выходного сигнала (датчик постоянного тока) и минимальные колебания фазы выходного напря­жения (датчик переменного тока); минимальные га­бариты, массу и стоимость; простую конструкцию, предусматривающую свободную компоновку с другими аппаратами и элементами; не оказывать вли­яния на обслуживающий персонал и работу близле­жащих аппаратов и устройств.

Датчики подразделяются на две большие группы:

1) пассивные, или параметрические;

2) активные, или генераторные.

К первой группе относятся датчики, которые не в состоянии самостоятельно создавать на выходе электрический сигнал, для их работы необходим ис­точник питания, а датчик под действием контроли­руемой величины лишь меняет свои внутренние па­раметры, что в конечном итоге и вызывает измене­ние выходного сигнала. Активные датчики не нуж­даются в постороннем источнике питания, они сами под воздействием измеряемой величины генериру­ют электрический сигнал, как правило, в виде ЭДС. Ниже приведена возможная классификация пас­сивных и активных датчиков.

Пассивные датчики: резистивные; индуктивные; емкостные.

Активные датчики: индукционные; термоэлект­рические; пироэлектрические; на фотоэффекте (внешнем или внутреннем); фотоэлектромагнит­ные; пьезоэлектрические; Виганда; Холла; магнитострикционные; на твердых электролитах.

Датчики также могут классифицироваться по:

физическим явлениям, лежащим в основе их ра­боты (закон электромагнитной индукции, эффект Холла, закон Нернста, магнитострикция, измене­ние электрической емкости при изменении влажно­сти и т.п.);

наличию подвижных элементов (электромехани­ческие) или их отсутствию (статические);

принципу действия, т.е. по тому, как именно ис­пользуется физическое явление, прямо или косвен­но (например, в термомагнитных датчиках температура влияет на магнитную проницаемость магнитопровода, это приводит к изменению индуктивно­сти устройства, что в итоге сказывается на токе в цепи или на напряжениях на отдельных ее участ­ках);

устройству, т.е. по тому, как принцип действия реализуется в конструкции (например, оптический датчик содержания солей в растворе, акустический датчик шума);

контролируемой величине: давлению, влажнос­ти, ускорению, углу поворота и т.п.;

назначению, объекту регулирования: температу­ре печи, частоте вращения двигателя, скорости пе­ремещения дуги;

виду передаточной функции: безинерционные, инерционные, с запаздыванием и т.п.

Лекция 22

5.5.2 ПАССИВНЫЕ ДАТЧИКИ

Резистивные датчики обычно используются для контроля линейных и угловых перемещений, дав­ления, температуры и т.д. Принцип их действия основан на изменении активного электри­ческого сопротивления под влиянием измеряемой величины. В зависимости от включения (как ре­остат или потенциометр) их подвижного элемента, меха­нически связанного с рабочим механизмом, будет эквивалентно меняться и выходной сигнал.

Многие резистивные датчики относятся к безы­нерционным звеньям; их чувствительность обычно лежит в пределах от 3 до 5 В/мм. Резистивные дат­чики сопротивления могут быть каркасными и бес­каркасными. Бескаркасные могут быть жидкостны­ми или электролитическими. Для измерения угла поворота резистивные датчики имеют подвижный элемент, отклоняющийся на угол α (см. рис. 5.11 и 5.12).

Рис. 5.11

В каркасных датчиках (рис. 5.11, а — г) в каче­стве сопротивления используются проволока с высокоомным удельным электрическим сопротивле­нием, слой полупроводника или пленка металла. Электролитические датчики (рис. 5.11, д — и) мо­гут использоваться только в цепях переменного тока из-за разложения электролита и поляризации элек­тродов при постоянном токе; их сопротивление сильно зависит от температуры. По указанным при­чинам наиболее предпочтительными являются диф­ференциальные схемы их включения. Выходной сиг­нал датчиков может быть в виде тока I_Х (рис. 5.11, а) или напряжения U_x.

Вид характеристики в значительной степени за­висит от значения сопротивления нагрузки. Напри­мер, для схемы по рис. 5.11, б выходное напряже­ние U_x выражается следующим равенством:

В зависимости от вида характеристики резистив­ные датчики могут быть линейными и нелинейны­ми. Иногда преднамеренно характеристике прида­ют специальный нелинейный вид. Для этого исполь­зуют фигурные каркасы (рис. 5.12, а и б), шунти­руют отдельные участки (рис. 5.12, в — д) или вы­полняют

Рис. 5.12

их из материалов с различным удельным электрическим сопротивлением. На рис. 5.12, а, б представлены принципиальные схемы резистивных датчиков с фигурными каркасами. Каркасы имеют толщину b. Их высота h зависит от координаты х. При перемещении движка на длину dx происходит изменение сопротивления датчика на dR. Общее изменение сопротивления R датчиков от положения х их движка показано под соответствующими эски­зами датчиков. В датчиках (рис. 5.12, в, г) карка­сы не фигурные, но, тем не менее, эти датчики также позволяют получить нелинейную характеристику. Последнее достигается за счет шунтирования отдель­ных участков датчиков вспомогательными резисто­рами (рис. 5.12, в) или за счет закорачивания этих участков перекатывающимся фигурным контактом (рис. 5.12, г). В датчике, показанном на рис. 5.12?, д, за счет конструктивных особенностей при пово­роте движка на угол α выходной сигнал изменяется по закону синуса или косинуса.

В промышленности используются различные ти­пы резистивных датчиков: Ш1, ДУП и др.

Принципиальные схемы датчиков линейных пе­ремещений на магнитных усилителях приведены на рис. 5.13. Первый из них (рис. 5.13, а) представ­ляет собой дроссельный магнитный усилитель, ра­ботающий в режиме вынужденного намагничива­ния. Если х =const, то ток, протекающий по рези­стору R_H, будет постоянным и датчик работает, как стабилизатор среднего значения тока в нагрузке. При х =var происходит изменение тока I и напря­жения U на резисторе R_H. Чем дальше удален маг­нит 2 от магнитопровода 1, тем меньше показания амперметра и вольтметра. Ввиду известной стабиль­ности характеристики управления дроссельного маг­нитного усилителя ток в резисторе будет мало зави­сеть от напряжения е питания, частоты сети I и со­противления R_H. В таких датчиках (при неизмен­ном сопротивлении R_H) удается обеспечить стабиль­ность показаний приборов с точностью ±0,25 % при изменении напряжения питания на ±25 %.

Рис. 5.13

Датчик линейных перемещений (рис. 5.13, б) — это магнитный усилитель с самоподмагничиванием, управляемый полем постоянных магнитов 2 и 3. При перемещении ферромагнитной пластины 4 изменяется магнитное состояние участков магнито­провода 1, на которых размещены рабочие обмот­ки и . За счет этого изменяются угол насыще­ния и как результат среднее напряжение на резисто­ре.

Лекция 23

Индуктивные датчики предназначены для изме­рения перемещений и усилий. Принцип их дейст­вия основан на изменении индуктивности под вли­янием контролируемой величины; выходной сигнал и его фаза зависят от положения подвижного эле­мента. Эти датчики могут работать лишь с источниками переменного тока. По сравнению с резистивными датчиками они менее чувствительны к колебаниям температуры, но весь­ма чувствительны к перепадам частоты f и значения питающего напряжения U, обладают повышенной реакцией. Принципиальная схема нереверсивного индуктивного датчика линейных перемещений с переменным немагнитным зазором 6 показана на рис. 5.14. Конструктивно он подобен П-образному электромагнитному реле с прямоходовым движени­ем якоря. На магнитопроводе 1 расположена обмот­ка 2, к которой подается напряжение U. Выходной сигнал снимается с балластного сопротивления . Для гальванической развязки входной и сиг­нальной цепей может использоваться дополнитель­ная обмотка 2', с которой снимается сигнал .

Рис. 5.14

Оба сигнала и могут сниматься одновре­менно. При неизменном зазоре δ выходные сигналы будут изменяться эквивалентно изменениям коор­динат х, у или z якоря 3 (рис. 5.14).

Ниже рассматриваются некоторые типы индук­тивных датчиков.

1.Индуктивные датчики типа ИД состоят из не­
подвижной обмотки, заключенной в стальной магнитопровод, и перемещающегося внутри обмотки якоря. При перемещении якоря изменяются индук­тивность обмотки и ее полное электрическое сопро­тивление переменному току.

2.Датчики серии ИКВ построены на принципе преобразования линейного перемещения движуще­гося объекта в изменение индуктивного сопротивле­ния обмотки со стальным сердечником. Их принци­пиальная схема включения показана на рис. 5.15. Датчик состоит из корпуса 1, внутри

Рис. 5.15

которого перемещает­ся плунжер (сердечник) 2, связанный посредством штока 3 с рабочим механизмом. При перемещении штока 3 вверх или вниз изменяется индуктивное со­противление обмоток N. Сигнал снимается с не­ большого резистора R. Для уменьшения остаточного выходного сигнала U_x и для определения направления движения х датчики ИКВ-30 включаются по­парно по дифференциальной схеме (рис. 5.15).

Индуктивные датчики используются в дифферен­циальных манометрах типа ДММ для измерения рас­хода жидкостей.

3. Индуктивный датчик перемещений типа Э применяется в дистанционных манометрах.

4. Датчики размеров типа БВ-908 и БВ-844 ра­ботают в комплексе с записывающим устройством типа БВ-662 и предназначены для контроля разме­ров деталей в машиностроении.

5. Датчики углового перемещения типов ОДУ (однокоординатные) и ДДУ (двукоординатные) применяются в гироскопических устройствах для измерения угла прецессии.

6. Датчики магнитного поля на герконах могут использоваться для измерения и анализа внешних созданных не индуктивной обмоткой магнитных по­лей и любых других физических величин, приводя­щих к изменению магнитного поля вокруг геркона.

Трансформаторные датчики являются разновид­ностью индуктивных датчиков. Они содержат магнитопровод 1 и две или более подвижные или не­подвижные обмотки, некоторые из которых могут быть короткозамкнутыми (рис. 5.16). Работа этих датчиков основана на изменении магнитной связи, взаимной индуктивности между первичной (вход­ной возбуждения) обмоткой 2 с числом витков N_B и вторичными (выходными, сигнальными) обмот­ками 3 с числом витков N_С, вызванном воздействием контролируемой величины.

Принципиальная схема датчика линейных пере­мещений с короткозамкнутым витком (экраном) показана на рис. 5.16. При нейтральном располо­жении экрана 4 в силу полной симметрии системы магнитный поток, создаваемый обмоткой 2, поровну распределяется в левую и правую части магнитопровода 1. ЭДС, наведенные этими потоками в сиг­нальных обмотках 3, равны между собой и направ­лены встречно. В итоге результирующий выходной сигнал U_x равен нулю. При смещении экрана 4 с нейтрали на некоторое

Рис. 5.16

расстояние х потоки в левой и правой частях системы будут различными, поя­вится выходной сигнал, эквивалентный смещению на расстояние х экрана. Датчик прост и надежен, но чувствителен к колебаниям частоты и амплитуды питающего напряжения.

Трансформаторные датчики используются для измерения механических сил и перемещений. Они надежны в эксплуатации, имеют значительный вы­ходной сигнал, который без усиления может ис­пользоваться в последующих элементах схемы. К недостаткам можно отнести повышенные габариты, массу, инерционность и реакцию.

Емкостные датчики конструктивно просты, на­дежны, обладают малой массой и габаритами, ма­лой инерционностью и высокой чувствительностью; используются для измерения небольших перемеще­ний, влажности, давления. Емкость датчика при внешнем воздействии может меняться за счет изме­нения зазора между электродами и их площади, ме­ханической деформации диэлектрика и его свойств. Емкость датчиков обычно мала (10-100 пФ), поэ­тому желательно работать на повышенных часто­тах. Чувствительность датчика зависит от конструк­ции, схемы включения и параметров, определяю­щих значение емкости. Конструктивно емкостные датчики подобны электролитическим резистивным датчикам. Рассмотрим некоторые из них.

1. Емкостные датчики серии ДЕ применяются для измерения линейных размеров деталей и контроля движущихся тел с диэлектрической проницаемостью, отличающейся от проницаемости ваку­ума.

2. Для непрерывного измерения уровня жидких легковоспламеняющихся, горючих, взрывоопасных и агрессивных сред используются датчики серии ЭИУ-1В. Их принцип действия основан на измене­нии емкости системы "земля — изолированный электрод" при погружении его в жидкость.

3. Датчики серии ЕДО предназначены для изме­рения пульсирующих и импульсных давлений воз­духа и других газов; работают на принципе преобразования давления, приложенного к мембране, в изменение емкости.

4. Малогабаритные датчики серии ДК-М1 и ДК-М2 используются для измерения частоты и амплитуды пульсации давления на лопатках турбин.

Емкостные датчики магнитного поля на герконах в отличие от индуктивных датчиков на герконах не имеют индуктивной обмотки. Сигнал в них сни­мается с выводных концов геркона. Датчики служат для контроля параметров, приводящих к изменению магнитного поля вокруг геркона

Лекция 24

5.5.3 АКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ

Индукционные датчики являются наиболее рас­пространенным классом активных датчиков как по заложенным в них принципам действия, так и по назначению и конструктивному воплощению. Они могут быть постоянного и переменного тока (одно­фазные и многофазные) и обычно используются для контроля частоты вращения, углового ускорения, угла поворота, скорости и ускорения линейного пе­ремещения. Эти датчики могут выдавать значитель­ные выходные сигналы, как по напряжению, так и по мощности, в широком диапазоне изменения кон­тролируемой величины имеют практически линей­ную характеристику, хорошо противостоят кратко­временным механическим и электрическим пере­грузкам, просты в обращении.

1.Датчик частоты вращения (тахогенератор) по конструкции и принципу действия практически ни­чем не отличается от традиционных генераторов. Выходные ЭДС и частота пропорциональны частоте вращения вала датчика.

2. Датчик углового ускорения подобен индукци­онному реле с барабанчиком или двухфазному дви­гателю с полым ротором. Если одну из обмоток подключить к источнику постоянного напряжения и вращать вал датчика с переменной частотой, то на зажимах второй обмотки будет индуцироваться ЭДС, пропорциональная угловому ус­корению.

Фотоэлектронные датчики могут использовать­ся в качестве индикаторов углового перемещения. Так, поворотные фотоэлектронные путевые выклю­чатели серии ВПФ-11 предназначены для выдачи сигналов в систему автоматического управления, функционально связанную с углом поворота вала механизма, и используются в бесконтактных систе­мах автоматического управления, построенных, на­пример, с использованием элементов УБСР-ДМ. Они могут обеспечить работу небольших контакт­ных реле типа РПУ-2 или герконовых реле.

Датчик магнитного поля Виганда состоит из предварительно механически обработанной прово­локи из сплава "викалой" (10% V, 52% Со и 38% Fe) диаметром примерно 0,3 мм. Этой проволокой наматывают сигнальную обмотку N_c длиной 15 мм, имеющую примерно 1300 витков. Если такую об­мотку поместить в магнитное поле, то при превы­шении определенного значения напряженности Н магнитного поля направление намагничивания спон­танно меняется. В результате на зажимах ка­тушки появляется импульс напряжения е_с длитель­ностью от 15 до 50 мкс и амплитудой до 5 В.

К достоинствам датчика следует отнести следую­щее: отсутствие постороннего источника питания; большой выходной сигнал (несколько вольт); широ­кий температурный диапазон применения (от —196 до +175 °С); искробезопасность; конструктивная за­щищенность от коротких замыканий; амплитуда и длительность импульсов не зависят от скорости изменения магнитного поля. Последнее позволяет ис­пользовать подобные датчики как датчики частоты вращения при скоростях, близких к нулю.

Помимо рассмотренных выше имеются датчики серий BE-192 и ДС. Датчик угловых перемещений серии BE-192 предназначен для использования в системах автоматического регулирования станков и для информационной связи по положению между исполнительными механизмами станка и устройст­вом числового программного управления — УЧПУ (исполнение BE-192), а также для штурвала управ­ления приводом подачи и корректировки програм­мы металлорежущих станков с УЧПУ (исполнение ВЕ-192-1). Форма выходных сигналов прямоуголь­ная.

Бесконтактные датчики серии ДС преобразуют частоту вращения вала в последовательность прямо­угольных импульсов, частота которых меняется пропорционально частоте вращения вала.

Дата добавления: 2014-01-04