Активные датчики

Общий принцип их действия заключается в создании выходного сигнала в виде тока, заряда или ЭДС, эквивалентного механическому, тепловому, магнитному, световому и другим воздействиям. Индукционные датчики – это наиболее распространенный класс активных датчиков. Они могут быть постоянного и переменного тока (однофазные и многофазные), обычно используются для контроля частоты вращения, углового ускорения, угла поворота, скорости и ускорения линейного перемещения. Эти датчики могут выдавать значительные выходные сигналы напряжения и мощности, в широком диапазоне изменения контролируемой величины имеют практически линейную характеристику, хорошо противостоят кратковременным механическим и электрическим перегрузкам, просты в обращении.

Индукционные датчики могут быть получены на базе трансформаторных датчиков: ecли одну из обмоток, например обмотку возбуждения, и магнитопровод, на котором она размещается, заменить постоянным магнитом. Вместо постоянного магнита можно использовать обмотку (например, ту же обмотку возбуждения), подключенную к источнику неизменного постоянного тока или напряжения.

Датчик частоты вращения (тахогенератор) выдает на выходе напряжение, пропорциональное частоте вращения ротора. На рис. 1.10 показаны принципиальные конструктивные схемы тахогенераторов постоянного (рис. 1.10, а) и переменного (рис. 1.10, б) токов. B них магнитный поток возбуждения создается постоянным магнитом 1. При вращении poтора 3 (в датчике на рис. 1.10, б роль ротора выполняет вращающийся постоянный магнит 1) c угловой скоростью ω в сигнальных обмотках Nc индуцируется переменная ЭДС, пропорциональная угловой частоте ω.

б)

а)

ω

ω

S

N

S

N

B

y

Z

c

x

А

1

1

3

2

1

Pиc. 1.10. Тахогенераторы: а) постоянного тока, б) переменного тока, 1)постоянный магнит, 2)магнитопровод, 3)ротор

Для выпрямления генерируемого напряжения в схеме рис. 1.10, a используется коллектор и щетки. В целях уменьшения напряжения между соседними ламелями из середины каждой сигнальной обмотки сделана отпайка, coeдинeнная с сooтветствующей коллекторной пластиной. Сигнальные обмотки могут быть не только сосредоточенными, как на рис. 1.10, но и распределенными.

Taxoгенераторы могут контролировать не только частоту вращения, но и угол поворота φ рабочего механизма. Для этого датчик нужно вращать с постоянной частотой, a на выход необходимо подключить интегрирующее устройство. B датчике постоянного тока можно обойтись без него: одну из щеток необходимо механически соединить с рабочим механизмом, a poтор вращать с постоянной частотой. Тогда по мере вращения рабочего механизма будет изменяться взаимное положение щеток и напряжение между ними, причем напряжение будет изменяться пропорционально углу поворота рабочего механизма.

Фотоэлектрические датчики. Принцип действия фотоэлектрических генераторных датчиков основан на явлении возникновения электродвижущей силы на границе двух материалов под действием света (фотоэффект в запирающем слое). Чувствительным элементом таких датчиков являются фотогальванические элементы — фотоэлементы с р-n переходом, обладающим вентильными свойствами.

Фотодиод (рис. 1.11) представляет собой полупроводниковый прибор с р-п переходом, чувствительный к воздействию излучений оптического диапазона электромагнитных волн. В фотодиодах используют германий(Ge), кремний (Si), а также арсенид галлия (GaAs), сернистый свинец (PbS), телурид свинца (РbТе) и некоторые другие полупроводниковые материалы.

Вентильный режим

R_Н

R_Н

G₁

+

-

V1

V1

Фотодиодный режим

Поток излучения

Поток излучения

а) б)

Рис. 1.11. Схемы включения фотодиодов

В отсутствие облучения по своим физическим свойствам фотодиод не отличается от обычного полупроводникового диода, а при воздействии излучения на р-п переход по обе его стороны возникают пары дополнительных носителей зарядов (электроны и дырки проводимости). Создаваемое ими электрическое поле в переходе усиливается, и между выводами фотодиода устанавливается разность потенциалов (фотоЭДС) порядка десятых долей вольта. При подключении к выводам фотодиода нагрузки в ее цепи возникает ток. Такой режим фотодиода называется вентильным (рис. 1.11,а).

В устройствах автоматического управления фотодиоды работают с внешним источником питания постоянным токомпри обратном напряжении на р-n переходе. Такой режим называют фотодиодным.

При работе в диодном режиме фотоэлемент включается в цепь источника ЭДС в направлении, обратном его проводимости (рис. 1.11, б). Фотоэлементы, предназначенные для работы в этом режиме, называются фотодиодами.

При затемненном фотодиоде в цепи нагрузки протекает небольшой ток обратной проводимости, а при освещении фотодиода ток резко возрастает. Появившиеся в последние годы фототранзисторы работают аналогично, однако чувствительность их к световому потоку значительно выше, чем у фо­тодиодов благодаря эффекту внутреннего усиления.

Термоэлектрические датчики. Принцип действия термоэлектрических датчиков основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в цепи, состоящей из двух проводников, выполненных из разнородных материалов, при поддержании разных температур точек соединения возникает ЭДС, пропорциональная разности температур горячего и холодного спаев. Проводники составляющие эту цепь, называют термоэлектродами, а цепь, составленную из двух термоэлектродов, называют термопарой (термоэлементом). Для увеличения чувствительности термоэлемента несколько термопар соединяют последовательно в батарею.

Так как термоэлектрод практически неоднороден вследствие местных загрязнений, различной структуры по его длине, местных механических напряжений и деформаций, то при неравномерном нагревании отдельных его мест образуется дополнительная, паразитная термоЭДС. Для уменьшения ее влияния к свободным концам термопары присоединяют удлинительные термоэлектроды, называемые иногда компенсационными проводами, а другие концы этих проводов отводят в зону с постоянной и низкой температурой.

Еще более сильно проявляется термоэлектрический эффект в термоэлементе из полупроводниковых материалов. Преимущество полупроводниковых термопар состоит в том, что они позволяют при той же разнице температур получать большие электродвижущие силы, чем термопары, выполненные из металлов.

Термоэлектрические датчики применяют в автоматических регуляторах температуры, а также других неэлектриче­ских величин, например, скорости потока воздуха. В последнем случае неэлектрическая величина вначале преобразуется в изменение температуры, на которую затем и реагирует тер­моэлектрический датчик.

Пьезоэлектрические датчики. Для измерения быстро изменяющихся механических процессов, вибраций, переменных усилий, ускорений, давлений широко применяют пьезоэлектрические датчики.

Принцип их действия основан на пьезоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в кристаллах некоторых диэлектриков при воздействии механических сил происходит разделение (смещение) электрических зарядов так, что одна область их заряжается положительно, а другая — отрицательно. Явление преобразований механической энергии упругих деформаций в электрическую энергию получил название прямого пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлектрический эффект выражен наиболее ярко у кварца, сегнетовой соли, титаната бария и др. Наибольшее применение приобрели кристаллы кварца, поскольку он обладает высокой прочностью, стабильностью свойств в широком диапазоне температур, нечувствительностью к влажности и химическим воздействиям.

Для характеристики свойств кварца приняты направления по пространственным осям, которые называют,соответственно, электрической, нейтральной (механической) и главной или оптической осью.

`

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

-

-

P

1

2

3

4

5

6

4

1

2

3

а) б)

Рис. 1.12. Пьезодатчик давления (а) и точечный пьезоэлектрический путевой датчик (б)

При действии силы по электрической оси образуется пьезоэффект, который носит название продольного пьезоэффекта; воздействие растягивающих или сжимающих усилий, направленных по механической оси, вызывает появление пьезоэффекта, называемого поперечным пьезоэлектрическим эффектом.

Схема устройства пьезоэлектрического датчика давления показана на рис. 1.12, а. Он включает: пьезоэлектрические пластины 1; гайку из диэлектрика 2; электрический вывод 3 и корпус 4, который служит вторым выводом; изолятор 5; металлический электрод 6. При осевом давлении P на выходе датчика появляется пьезоЭДС, пропорциональная давлению.

На рис. 1.12 представлен эскиз точечного пьезоэлектрического путевого датчика, который состоит из двух одинаковых частей, прикрепляемых с обеих сторон рельса к его шейке. Пьезоэлектрические элементы 1 размещены в обоймах 2, а кронштейны 3 крепят части датчика к шейке рельса посредством резиновых прокладок 4. Обоймы 2 пьезоэлементов посажены плотно между головкой и подошвой рельса, в результате чего вертикальные прогибы рельса от воздействия нагрузки на ось преобразуется пьезоэлементами в электрические сигналы прохождения колеса. Переданные по экранированному кабелю сигналы усиливаются и преобразуются нормирующим преобразователем датчика, находящимся в путевом ящике сбоку пути. Зона действия (чувствительности) датчика — около 20 см в обе стороны от точки крепления датчика к рельсу. Датчик регистрирует проходящие колеса, скорость которых не менее 1 км/ч и сила давления на рельс (1…10)∙ Н.

Пьезоэлектрические датчики из-за их безынерционности и высокой частоты собственных колебаний применяются при наблюдении быстротекущих процессов. Недостаток датчиков — значительная утечка зарядов, что затрудняет их применение при измерении медленнотекущих процессов.

Датчик Холла. Принцип действия датчиков Холла основан на эффекте Холла, который заключается в следующем. Если взять металлическую пластину, длина которой больше ширины, а толщина — много меньше ширины, поместить пластину в магнитное поле и пропустить вдоль нее определенный ток, то на краях пластины появляется ЭДС, которая пропорциональна величине магнитной индукции. Практическое применение нашли датчики Холла с пластинами из полупроводниковых материалов. В них происходит смещение электронов на один край пластины и смещение дырок (под ними условно понимают положительно заряженные частицы с зарядом, равным заряду электрона) — на другой. ЭДС Холла равна:

где I — ток в пластине, А;

В — индукция магнитного поля, Тл;

α — угол между направлением вектора индукции и прямой, соединяющей края пластины, град;

δ — толщина пластины, м;

— постоянная Холла, м³/Кл.

Датчики Холла с пластинами из металлов непригодны для практического применения, так как в них возникает малая ЭДС, соизмеримая с помехами. Значительная ЭДС Холла, достигающая единиц вольт, возникает в полупроводниковых материалах с электронной проводимостью. К ним относятся германий, монокристаллы InSb и InAs, пленка HgSe и др. Моно­кристаллические датчики изготовляются в виде пластинок (δ>0,1 мм), которые с целью увеличения механической прочности покрываются синтетическими смолами с хорошей теплопроводностью.

Таким образом, датчик или преобразователь Холла представляет собой полупроводниковую пластину с двумя парами соединительных проводов, из которых две — входные и две — выходные. Для большей прочности пластины наносят на керамическую или иную подложку.

Пленочные датчики изготовляют распылением материала по поверхности изолирующей подложки из слюды с последующей термообработкой. Толщина пленок 0,002...0,05 мм. Чтобы осуществить электрическую изоляцию пленки и ее защиту от механических повреждений, применяют лаковые покрытия.

Искажения в величине ЭДС Холла и погрешности датчика возникают с появлением термоЭДС и гальванических ЭДС в местах соединения металлических выводов с полупроводниковыми материалами. Чтобы исключить появление ЭДС Холла при нулевом внешнем сигнале (B =0), необходимо расположить выводные электроды по краям пластины на одном эквипотенциальном уровне. Колебания температуры вызывают изменение постоянной Холла, удельного электрического сопротивления и размеров пластины. Для их компенсации используют специальные схемы.

Области применения датчиков Холла: системы промышленной и бытовой автоматики, датчики тока, устройства электронного зажигания автомобилей, бытовые счетчики потребления электроэнергии и др.

2.56±0.2

1.3±0.1

3.00±0.15

Ø0.18±0.01

Рис. 1.13. Габаритные размеры датчика Холла с выводами в противоположные стороны

Дата добавления: 2014-11-29