Параметрические датчики

К параметрическим относятся датчики активного сопротивления, емкостные, индуктивные. К датчикам активного сопротивления относятся: контактные, реостатные, потенциометрические, тензометрические, термометры сопротивления.

В контактных датчиках механическое перемещение преобразуется в замкнутое и разомкнутое состояние контактов управления электрической цепи. Один из вариантов использования – измерение толщины металлической ленты[2].

Реостатные датчики используются для измерения длины. Потенциометрические датчики используются для измерения угла поворота. Конструктивно – это электромеханический элемент, состоящий из проволочного потенциометра и токосъёмника, соединенных с источником питания и нагрузкой. В качестве питания чаще используется напряжение постоянного тока. Нагрузкой такого датчика является полное входное электрическое сопротивление усилителя, реле, электромагнитного преобразователя и т.д. Закон преобразования перемещения в электрический сигнал определяется конструкцией датчика, схемой подключения к источнику питания и нагрузки, а также режимом работы.

При экспериментальных исследованиях напряженных состояний конструкций или в качестве преобразователей деформаций в различных измерительных устройствах применяются тензорезисторы (тензодатчики). Их широкое распространение объясняется тем, что они малоинерционные, позволяют дистанционно и во многих точках проводить измерения, способ установки их на исследуемую деталь не требует сложных приспособлений и не искажает поле деформации исследуемой детали. Малые размеры и масса тензорезисторов позволяют размещать их в малодоступных местах и устанавливать на детали в период сборки конструкции. Тензорезисторы используют совместно с современными многоканальными информационно-измерительными системами.

Принцип измерения деформаций с помощью тензорезисторов состоит в том, что при деформации изменяется их сопротивление.

В СССР тензорезисторы стали применяться в 40-х годах прошлого столетия.

Конструктивно тензорезистор, имеющий выводы для подключения к электрической цепи, представляет собой чувствительный элемент из тензочувствительного материала (проволоки, фольги, полупроводника) закрепленный с помощью связующего элемента (клея, цемента) на исследуемой детали. Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента. В 70-е годы прошлого столетия на тензорезисторы был разработан ряд основополагающих ГОСТов [4].

Метрологические характеристики тензорезисторов условно разделены на следующие, связанные с параметрами:

- с измеряемой деформацией вдоль главной оси тензорезистора(входным сигналом), такие как чувствительность k, и функция преобразования деформации ξ(ε) при нормальной температуре(главная ось – ось, направление которой совпадает с направлением максимальной чувствительности датчика деформации);

- с чувствительностью тензорезистора к деформации, перпендикулярной к главной оси тензорезистора – поперечная чувствительность ;

- с измеряемой деформацией и временем её воздействия – ползучесть Π и механический гистерезис Г;

- с действием таких влияющих величин, как температура(функция влияния температуры на чувствительность Φ_t), температурная характеристика сопротивления ξ_t, ползучесть при нормальной температуре Π_{t max} и времени(дрейф выходного сигнала Д_t).

Функция преобразования деформаций будет в этом случае иметь вид:

(2.1)

t

где ε – измеряемая деформация; – выходной сигнал тензорезистора; – значение выходных сигналов, зависящих от характеристик ползучести, гистерезиса, температурных характеристик - сопротивления, дрейфа, вносимых в формулу в виде поправок, число и знак которых зависит от конкретных влияющих величин и схемы измерения деформаций.

(2.2)

Для получения различных расчетных зависимостей исследуемых деформаций следует учитывать две функции, выполняемые тензорезистором: передачу деформации исследуемой конструкции через связующие чувствительному элементу и преобразование переданной деформации в приращение электрического сопротивления чувствительного элемента. То есть основная характеристика тензодатчика – это коэффициент тензочувствительности:

где R – сопротивление тензодатчика; – приращение сопротивления датчика при деформации; l – длина решетки(базы); – увеличение длины решетки при деформации.

(2.3)

Ползучесть тензорезисторов по ГОСТ 20420-75 определяется как изменение выходного сигнала тензорезистора во времени при фиксированном значении деформации, вызвавшей этот сигнал, и при фиксированных значениях влияющих величин с учетом поправки на дрейф выходного сигнала:

где – выходной сигнал сразу после нагружения до деформации ε; – выходной сигнал нагруженного тензорезистора после выдержки времени .

Тензодатчики бывают проволочными (рис 2.1), фольговыми (рис 2.2) и полупроводниковыми.

Проволочные выполняются из очень тонкой высокоомной проволоки. Фольговые травятся из высокоомной фольги. Они выполняются в виде разных конфигураций, таких как: спиральные, лестничные, розеточные, прямые, мембранные и т.д.

Сопротивление проволочных тензодатчиков лежит обычно в пределах Ом, величина их коэффициентов тензочувствительности лежит в пределах

Многие улучшенные характеристики по сравнению с проволочными и фольговыми имеют полупроводниковые тензодатчики. Основными их достоинствами являются малые размеры и высокая тензочувствительность (на два порядка выше чем у проволочных), высокий уровень выходного сигнала.

Например, при одних и тех же размерах сопротивление полупроводникового тензодатчика может лежать в пределах от 100 Ом до 50 кОм, а коэффициент тензочувствительности от 100 до 200. К недостаткам этих датчиков следует отнести сложность изготовления и необходимость специальных средств температурной компенсации при их эксплуатации.

Для измерения температуры используют металлические термометры сопротивления – терморезисторы и полупроводниковые термометры сопротивления – термисторы. Их принцип действия основан на изменении электрического сопротивления при изменении их температуры.

В качестве металла терморезисторы часто используют платину(для температуры от -200 до +500⁰C) и медь(для температуры от 40 до 180⁰C). В области температур жидкого гелия и ниже применяются бронзовые терморезисторы, так как их температурный коэффициент не зависит от магнитных полей, наводимых при этих температурах. Термометр сопротивления – самый точный термоэлектрический датчик, позволяющий измерять температуру с точностью до 10^-4 , для этого следует фиксировать сопротивление с точностью до 3*10^-6.

(2.4)

Термисторы в отличии от терморезисторов имеют удельное сопротивление изменяющееся в зависимости от температуры по экспоненциальному закону:

где A и B – постоянные параметры, зависящие от материала термистора.

Термисторы изготавливаются в виде стержней, дисков или шариков. Диапазон измеряемых ими температур от -60 до +180⁰C. Термисторы обладают высокой точностью и малой постоянной времени по сравнению с другими типами термоэлементов.

Все датчики температуры можно разделить на два класса: дискретные термочувствительные элементы и интегральные датчики. Они отличаются исполнением. В состав дискретных элементов в числе других входят терморезисторы и термисторы. Они также могут входить в состав интегральных датчиков, но в сверхминиатюрном исполнении.

(2.5)

Емкостным датчиком является конденсатор с двумя или несколькими электродами. Из физики и электротехники известно, что емкость – это коэффициент пропорциональности между зарядом и напряжением.

q=CU.

Количество электрической энергии выражают формулой:

(2.6)

Емкость плоского конденсатора пропорциональна диэлектрической проницаемости ε, площади пластин S, и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами d

(2.7)

К достоинствам емкостных датчиков можно отнести: простоту конструкции, сравнительно высокую чувствительность. К недостаткам: влияние паразитных емкостей C_п(рис 2.3), влияние изменения окружающей среды(температур, влажности) на величину емкости датчика C_д.

	Рис 2.3

Влияние паразитных емкостей существенно уменьшается, если датчик подключается через экранированные провода (кабели).

К емкостным датчикам близки по своим характеристикам полупроводниковые диоды и p-n переходы транзисторов при подаче на них обратного (отрицательного) напряжения. В зависимости от величины напряжения у них меняется барьерная емкость[1]. Такие элементы с электрически-управляемой емкостью называют варикапами.

Устройства, содержащие не менее двух поверхностей, между которыми действует электрическое поле, называются электростатическими преобразователями. Электрическое поле создается извне приложенным напряжением или возникает при действии на вход преобразователя измерительного сигнала. Преобразователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением, составляет группу емкостных преобразователей (емкостных датчиков).

Емкостные датчики можно разделить на две группы: не­дифференциальные (обычные) и дифференциальные. В схемах с обычными датчиками происходит преобразование входной неэлек­трической величины (угол поворота, линейный размер) в электриче­скую (частота, ток, напряжение), функционально зависящую от вход­ной величины[8].

В схемах с дифференциальными датчиками, включенными в следящие системы, с датчиков снимается лишь сигнал рассогласова­ния, который становится равным нулю в установившемся состоянии следящей системы. Примером обычного емкостного датчика может быть емкость, включенная в контур генератора (рис. 2.4). Здесь при из­менении угла поворота оси конденсатора переменной емкости (датчи­ка) изменяется его емкость. Это вызывает изменение частоты генера­тора, являющееся выходной величиной.

На рис.2.5 приведен другой пример использования такого датчика. В этом случае с изменением значения емкости «С» меняется ток через нее, а, следовательно, и напряжение на выходе системы, то есть, ее выходная величина. Данный метод измерения емкости достаточно подробно описан в [2]. Подобные системы являются разомкнутыми системами регулирования. Их недостаток - зависимость значения вы­ходной величины от параметров источника питания датчика, стабиль­ности усилителя и других элементов схемы, а так же от внешних ус­ловий, В реальности, стоит измениться напряжению или частоте гене­ратора, питающего датчик (Рис. 2.5), как напряжение, частота и фаза, являющееся выходными величинами, тоже изменяются.

От этих недостатков свободны схемы с дифференциальными емкостными датчиками, включенными в замкнутую систему автома­тического регулирования. В этих схемах выходной величиной является угол поворота отрабатывающего двигателя или другой оси, связан­ной с ним через редуктор. Главной характеристикой такой системы является чувствительность, показывающая, при каком минимальном отклонении чувствительного элемента система отработки приходит в действие. Напряжение питания, температура и тому подобное - влия­ют лишь на чувствительность системы, на точность системы они мо­гут влиять в той мере, в какой она связана с чувствительностью. Это значит, что схема с емкостными дифференциальными датчиками, как и любые мостовые нулевые схемы со стабильными сопротивлениями в плечах, предъявляет меньше требований к стабильности источника питания,

Дифференциальный емкостной датчик представляет собой две последовательно включенные емкости, сделанный так, что при увели­чении одной из них другая уменьшается. Эти две емкости могут быть включены в мостовую схему (рис.2.6), где два других плеча - реостат­ные. Если напряжение, снимаемое с диагонали моста, использовать в качестве сигнала для следящей системы, перемещающей движок по­тенциометра R в сторону уменьшения рассогласования, то всегда в установившемся состоянии следящей системы это напряжение равно нулю. Тогда будет справедливо соотношение:

С₂

С₁

Отсюда следует, что в схеме с дифференциальными емкостными датчиками с воздушным диэлектриком показания отрабатывающего органа (например, положения стрелки указателя) не зависят ни от состава газа (воздуха), ни от наличия в нем влаги, так как для обеих емкостей датчика диэлектрическая проницаемость меняется одинаково. Для обычных датчиков состав и влажность воздуха могут обусло­вить погрешность с сотые доли процента.

Дифференциальные конденсаторы (датчики) могут иметь раз­ные конструкции. Вариант датчика малых углов поворота представлен на рис.2.7

Подвижная пластина C, являющаяся общей обкладкой конденса­тора может отклоняться на некоторый угол относительно неподвиж­ных обкладок. Когда это отклонение идет против часовой стрелки, емкость плеча C₁ увеличивается, а C₂ уменьшается, а по часовой стрелке наоборот.

Из всех методов измерения емкости (мостового, частотного, метода заряда-разряда конденсатора и т.д.) наиболее простым является метод емкостно-омического делителя (Рис.2.5). Суть метода состоит в том, что если емкостное сопротивление делителя много больше активного R, то падение напряжения на активном сопротивлении U_R прямо пропорционально измеряемой емкости “C”. К обычному методу измерения рис.2.5 можно добавить ещё два метода сравнения с использованием дифференциального трансформатора (Рис.2.8) и отрезков коаксиального (телевизионного) кабеля, которые разнятся на половину длины рабочей волны [2].

Г

ДТ

С_Х

С_Э

R

У

С

В связи с малостью сигнала (падение напряжения UR) на сопротивлении R желательно использовать усилитель У. Роль дифференциального трансформатора и отрезков кабеля состоит в том, что они сдвигают сигнал на исследуемой емкости C_x и эталонной емкости C_э на градусов. Выходным индикатором должен быть стрелочный прибор с «нулем посередине».

Более простой и точной является схема (Рис.2.9), но её используют на сравнительно высоких частотах. Её целесообразно использовать для дистанционных измерений.

Индуктивный датчик – это особая разновидность датчиков. Они давно известны, продолжают совершенствоваться, находят широкое применение в технике. Это электромеханические устройства, предназначенные, в основном, для преобразования угловых и линейных перемещений в напряжение. Большинство индуктивных датчиков рассчитывают для работы при относительно низких частотах до 5кГц, так как при более высоких частотах значительно растут потери в стали на перемагничивание, растет реактивное сопротивление обмотки. По конструктивному исполнению датчики подразделяются на датчики с подвижным якорем, подвижным сердечником, поворотным якорем и датчики магнитоупругого типа.

Индуктивные датчики могут использоваться для регистрации магнитных полей, где применяют различные типы магнитных датчиков: гальвано-магнитные датчики, магнитодиоды, магнитотранзисторы, магнитооптические датчики и т.д.

В основе работы наиболее изученных гальвано-магнитных датчиков лежат эффекты, возникающие в твердых телах, помещенных в магнитное поле, например, открытые в конце восемнадцатого века эффект Холла и магниторезистивный эффект (эффект Гаусса). Эти эффекты взаимодополняющие. Усиление одного эффекта приводит к уменьшению другого (превалирование того или иного эффекта достигается конструктивными мерами).

Холловские элементы или датчики на эффекте Холла – это четырехполюсники из тонкого полупроводникового материала (Рис.2.10), которые имеют пару токовых электродов и пару холловских электродов.

Если через токовые электроды пропустить ток I и поместить холловский элемент (ХЭ) в магнитное поле с индукцией B, то на электрические заряды в полупроводнике будет действовать сила Лоренца. Траектория зарядов искривится и на одном холловском электроде возникнет избыток зарядов одного знака, а на другом – противоположного знака. Таким образом, между холловскими электродами возникнет холловское напряжение E_x, пропорциональное индукции поля B. Холловское напряжение создает поперечное электрическое поле, уравновешивающее силу Лоренца. В линейной зоне передаточной характеристики ХЭ (Рис.2.11) холловское напряжение определяется выражением:

(2.8)

где c_x – холловская постоянная; I – ток; α – отклонение поля от ортогонального направления к поверхности полупроводника; d – толщина полупроводникового холловского элемента.

Таким образом, ХЭ является множительным и знакочувствительным элементом.

Эта формула справедлива в случае, если , то есть при очень малом α и значительном I. Эффект Холла характеризуется холловской постоянной c_x и присущ всем твердым телам. Например, для меди c_x (Cu) ≈ 10^-10м³/А∙с. В то же время, полупроводники (Si, Ge, InSb, GaAs, InAs) имеют холловскую постоянную на много порядков больше c_x≈ 10^-3÷10^-5 м³/А∙с. Из формулы холловского напряжения следует, что в ХЭ из InAs (c_x ≈ 10^-3 м³/А∙с) толщиной в 100 мкм, помещенном в поле B = 1 Тл, при токе в 1 mA возникает E_x = 10 мВ.

Основные преимущества датчиков Холла заключаются в отсутствии механических движущихся частей и высоком быстродействии(до 100кГц). Они отличаются высокой надежностью, долговечностью, не требуют физического контакта с измеряемой средой. Датчики Холла используются там, где требуется высокая точность и надежность. Они находят применение в безколлекторных двигателях, измерителях различных величин, сварочном оборудовании, бытовых приборах, компьютерах и т.д.

Для нужд транспорта используются индуктивные датчики приближения, датчики расстояния и датчики пути. При приближении объекта на определенное расстояние уровень напряжения на выходе датчика приближения резко изменяется, а при удалении объекта от датчика напряжение возвращается к начальной величине. В отличии от датчика приближения, напряжение на выходе датчика расстояния изменяется плавно – в зависимости от расстояния до объекта. Величина напряжения на выходе датчика пути пропорциональна пути, пройденному объектом вдоль датчика.

Чувствительный элемент индуктивного датчика приближения – индуктивность, которая является колебательным контуром генератора, к выходу которого подключен дискриминатор с усилителем. Генератор вырабатывает высокочастотные колебания, переменное магнитное поле которых излучается катушкой на открытой стороне ферритового сердечника. При приближении металлического предмета на определенное расстояние к индуктивности энергия колебательного контура поглощается и расходуется на перемагничивание и образование вихревых токов. На достаточно малом расстоянии поглощение энергии становится максимальным, амплитуда колебаний генератора уменьшается, и дискриминатор, реагируя на этот процесс, выдает сигнал. Величина переменного магнитного поля, излучаемого датчиком, зависит от его размеров и является одним из факторов, определяющих расстояние срабатывания датчика.

Расстояние срабатывания – это расстояние, на котором приближающийся к активной поверхности датчика объект вызывает изменение его выходного сигнала. Это расстояние зависит как от размеров и формы активной поверхности, так и от размеров и формы объектов воздействия и от материала, из которого этот объект изготовлен.

Для студентов энергетических специальностей важно знание таких датчиков, как датчики тока. Они предназначены для формирования электрического сигнала, пропорционального силе тока протекающего по измеряемой цепи. Датчики тока весьма многочисленная группа приборов. Ток, протекающий по проводнику, создает вокруг этого проводника магнитное поле. Измерив величину и определив направление этого магнитного поля, можно определить величину, направление и форму протекающего тока. Отсюда и основное преимущество датчиков тока, реализующих такой принцип работы: они измеряют любой вид тока (постоянный, переменный, импульсный) без разрыва токовой цепи с гальванической развязкой выходного сигнала. Несмотря на большую стоимость, датчики тока могут заменять токовые шунты и трансформаторы тока, если измеряемое напряжение цепи преобразовать в ток (для этого надо использовать токозадающее сопротивление), то величина этого тока будет пропорциональна напряжению в измерительной цепи (падению напряжения на токозадающем сопротивлении).

Именно этот принцип лежит в основе датчиков напряжения, а наличие в их конструкции датчиков Холла, обеспечивает гальваническую развязку силовых цепей и цепей контроля.

Датчики измерения мощности предназначены для преобразования активной мощности потребляемой нагрузкой в цепях промышленной частоты 50 Гц, и постоянного тока в пропорциональный сигнал токового интерфейса 0 – 20 mA, или 4 – 20 mA, гальванически изолированного от измерительных цепей. А так как самыми простыми и распространенными из датчиков тока являются резистивные датчики, то датчики тока отнесем к типу параметрических датчиков.

В зависимости от принципа действия датчики тока подразделяются на резистивные, токовые трансформаторы и датчики на эффекте Холла.

Резистивные датчики имеют в своем составе резистор, включаемый в измеряемую цепь. Датчики на основе токового трансформатора позволяют измерять только переменные токи в ограниченном частотном диапазоне. Достоинствами токовых трансформаторов являются: отсутствие вносимых потерь, напряжения смещения и необходимости использования внешнего источника питания. Датчики тока на основе эффекта Холла делятся на датчики с открытой петлей и датчики с закрытой петлей(компенсационные). Такие датчики позволяют осуществлять измерения постоянных, переменных и импульсных токов, работают в широком частотном диапазоне, имеют надежную электрическую изоляцию, ими не выделяется тепло.

Выпускаемые за рубежом датчики Холла классифицируются по типу выходного сигнала. Они делятся на датчики с линейным сигналом по напряжению(CSL), датчики с выходом по току(CSN) и датчики с цифровым сигналом(CSD).

Выходной сигнал линейного датчика полностью отражает форму сигнала измеряемого тока и может быть использован для обратной связи в системах контроля двигателей, для регулировки работы электроустановок и т.д. Цифровые датчики могут быть задействованы в системах звуковой сигнализации, для запуска электродвигателей, при открывании клапанов, при выключении насосов и т.д.

Конструктивно многие датчики тока имеют измерительное отверстие для проводника, что гарантирует отсутствие потерь при монтаже, минимизирует рассеиваемую энергию, обеспечивает выходную изоляцию. Датчики тока не могут быть повреждены большими бросками тока.

Общие сравнительные характеристики датчиков тока представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Дата добавления: 2014-12-27