Датчики

Лекция 4–6

Любой измерительный прибор можно рассматривать как преобразователь измеряемой величины G, который представляет эту величину в виде численных значений {G} и выдает результат в удобной для его восприятия и дальнейшего использования форме. На рисунке 2 изображена обобщенная модель измерительного прибора, где измеряемая величина G представлена входной величиной x_e, а отображением измеренного значения {G}[G] является выходная величина x_a. Это преобразование реализуется функциональным элементом, который носит название чувствительного элемента, или первичного измерительного преобразователя (ПИП).

Рис. 2. Обобщенная модель измерительного прибора

Микроэлектронные ПИП с выходными электрическими или оптическими сигналами называют сенсорами. Нередко ПИП именуются также датчиками (несмотря на популярность термина «датчик» он не рекомендован государственным стандартом в нашей стране в качестве предпочтительно используемого. Смысл этого понятия – «давать» информацию, т.е. самостоятельно генерировать сигнал, что не соответствует свойственной ПИП функции преобразования измеряемой величины в сигнал, пригодный для дальнейшего использования).

В сравнительно простых средствах измеряемая величина отображается непосредственно в виде выходной величины. Часто, однако, выходные сигналы ПИП подвергаются вторичному преобразованию, что связано с требованиями дальнейшей обработки сигналов. При этом должна существовать однозначная функциональная зависимость между измеряемой величиной, т.е. оригиналом, и ее отображением. Обычно стремятся к тому, чтобы эта зависимость при измерительном преобразовании была линейной и функция x _a= f (x _e) – уравнение преобразования ПИП – графически отображалась прямой линией.

Чувствительные элементы и датчики являются одним из основных элементов автоматических систем. Они предназначены для изменения и контроля различных физических величин (параметров производственных процессов): температуры, давления, влажности, концентрации растворов, частоты вращения и т.д. Как правило, чувствительный элемент реагирует на изменение параметра и преобразует это изменение в вид, удобный для дальнейшего использования в автоматической системе. В большинстве случаев требуется изменение неэлектрической величины преобразовать в изменение электрической величины. Конструктивно оформленная часть автоматической системы, в которой изменяемая величина одновременно преобразуется в другую физическую величину, более удобную для ее дальнейшего использования в автоматической системе, называется датчиком. Датчик включает в себя чувствительный элемент. Однако на практике и в технической литературе часто не делают различия между понятиями «чувствительный элемент» и «датчик».

Датчики представляют собой весьма разнообразные устройства. Это объясняется физической природой измеряемых величин (параметров процесса) и различием принципов, положенных в основу их измерения. Обычно датчики классифицируются по измеряемой величине (температуре, расходу жидкости, влажности материала и т.п.) и параметру, в который преобразуется сигнал чувствительного элемента (омическое сопротивление, индуктивность, емкость и т.п.).

Чувствительные элементы (датчики) могут быть контактными и бесконтактными. В первом случае в момент измерения чувствительный элемент соприкасается с контролируемым веществом, во втором измерение происходит без соприкосновения.

Датчики, используемые в автоматических устройствах, могут быть параметрическими и генераторными. Параметрические датчики преобразуют изменение контролируемой величины, обычно неэлектрической, в изменение параметров электрической цепи. Генераторные датчики преобразуют изменение контролируемой величины в ЭДС.

Основными требованиями, предъявляемыми к датчикам, являются: высокая чувствительность, линейность зависимости выходной величины от входной и малая инерционность. Датчик как элемент автоматической системы осуществляет преобразование контролируемой величины, ее называют входной величиной x _1, в другую — выходную величину х ₂. Под чувствительностью S понимают отношение приращения Δ x ₁ к приращению Δ x ₂:

.

Переходя к пределу при Δ x ₁ -> 0, получим выражение для дифференциальной чувствительности S _Д:

.

Чувствительность может иметь размерность (например, мВ/град, Ом/мм и др.) и быть безразмерной величиной.

Иногда пользуются показателем относительной чувствительности η:

,

где х ₁₀ и х ₂₀ — заранее выбранные базисные значения входной и выходной величин датчика. В этом случае чувствительность всегда будет безразмерной величиной.

Ниже мы рассмотрим некоторые важнейшие типы датчиков.

В автоматических системах широко используется механические чувствительные элементы, входной величиной которых является перемещение. Это объясняется тем, что различные физические величины, например сила, момент силы, давление, температура, скорость, ускорение, геометрические размеры тел, сравнительно просто преобразуются в пространственные перемещения, функционально связанные с количественным значением этих величин. Эти перемещения затем преобразуются в функционально связанные с ними электрические параметры — силу тока, напряжение, индуктивность, емкость.

Наиболее распространенными датчиками с преобразованием перемещений в электрические величины являются реостатные (потенциометрические), электротензометрические, индуктивные и емкостные.

Реостатные датчики преобразуют перемещение чувствительного элемента в изменение тока или напряжения. На рисунке 3 представлены (реостатные датчики, включаемые по схеме потенциометра.

Выходной ток I _н и напряжение U _H однозначно связаны с положением движка (при постоянном значении напряжения питания U), а при достаточно большом сопротивлении нагрузки (R _н >> R) и равномерной намотке проводника практически обеспечивается линейная зависимость или , т.е. реостатный датчик представляет собой делитель напряжения с линейным или угловым перемещением движка. Чувствительность таких датчиков определяется выражением для линейного перемещения s движка (рис. 3а) и для углового перемещения α движка (рис. 3б).

Рис. 3. Реостатные датчики

У такого рода датчиков имеются существенные недостатки, обусловленные наличием скользящего контакта. Например, перемещение движка в пределах одного витка обмотки не вызывает изменения выходной величины, поэтому возникает погрешность, связанная со ступенчатым изменением выходной величины U _н при плавном изменении входной s или α.

Обычно обмотку датчика изготовляют из манганиновой или константановой проволоки. В наиболее ответственных случаях обмотку датчика изготовляют из тонкой (d = 0,03 мм) платиновой иридиевой проволоки, обеспечивающей хороший контакт при очень малом давлении движка на обмотку.

К группе реостатных относятся угольные датчики, которые преобразуют передаваемое на них усилие в электрическое сопротивление или напряжение. Схема одного из угольных датчиков показана на рисунке 4а. Он состоит из графитовых дисков, собранных в виде столбика 1. Столбик состоит из 10—15 дисков диаметром 5–10 мм и толщиной 1­2 мм. На концах столбика имеются контактные диски 2 и упорные конструкции 3, через которые передается давление. Электрическое сопротивление такого датчика складывается из собственного сопротивления графитовых дисков и переходного сопротивления на контактных поверхностях между этими дисками. С увеличением давления переходное контактное сопротивление датчика уменьшается.

На рисунке 4б представлена кривая зависимости сопротивления датчика от приложенного усилия Р, которая приближенно выражается зависимостью

,

где R _г — суммарное собственное сопротивление графитовых дисков; μ л – постоянный коэффициент; Р – приложенное к датчику усилие.

Дифференциальную чувствительность угольного датчика можно найти, продифференцировав предыдущее выражение по Р:

.

На практике чаще пользуются относительной чувствительностью

,

где Δ R — изменение сопротивления датчика при изменении его длины на Δ l.

Рис. 4. Угольный датчик

Недостатком угольных датчиков является нелинейность характеристики, нестабильность ее во времени, значительная зависимость сопротивления от температуры окружающей среды и существенный гистерезис (до 8 %).

Для измерения малых перемещений (доли миллиметра), упругих деформаций, вибраций чаще всего используются электротензометрические элементы, представляющие собой проволочные датчики, деформация которых преобразуется в изменение электрического сопротивления. Такой проволочный датчик (тензометр) представляет собой тонкую (d= 0,02... 0,05 мм) проволоку 1 (рис. 5), зигзагообразно наклеенную на изоляционное основание 2 — обычно тонкую бумагу. Наиболее часто употребляется константановая или нихромовая проволока, к концам которой прикрепляются медные выводы 3. Датчик клеем (БФ-2, БФ-4, силиконовым или другим) укрепляется на детали и деформируется вместе с ней. При проведении измерений тензометр обычно включают в плечо мостовой измерительной схемы.

Рис. 5. Тензометр

Индуктивные датчики применяют для измерения и контроля механических перемещений в пределах 0,01—50 мм. Однако некоторые из них, т.н. плунжерные индуктивные датчики, могут применяться для измерения перемещений, достигающих десятков сантиметров.

Схема простейшего якорного индуктивного датчика показана на рисунке 6а. Входной величиной в данном случае является воздушный зазор δ, изменяющийся при перемещении ферромагнитного якоря 1, а выходной — ток i при постоянном напряжении U: ,

где – сопротивление катушки 2 датчика; R — активное сопротивление катушки; ω — частота тока; L — индуктивность катушки датчика.

Рис. 6. Якорный датчик

Индуктивность L, Гн, катушки можно вычислить по приближенной формуле:

,

где — число витков катушки; F — площадь сечения магнитопровода.

Так как активное сопротивление катушек значительно меньше индуктивного, т.е. R << L, приближенно можно принять

(1)

и

. (2)

Примерная зависимость i = f (δ) приведена на рисунке 6б. Эта зависимость линейна в достаточно широком диапазоне изменения зазора 6. Когда активное сопротивление становится coизмеримым с индуктивным, линейность нарушается.

Чувствительность индуктивного датчика можно определить из выражения (1):

.

На рисунке 7 показана принципиальная схема плунжерного индуктивного датчика. В этих датчиках используется свойство катушки индуктивности изменять свое сопротивление при введении в нее ферромагнитного сердечника. Для питания индуктивных датчиков используется переменный ток промышленной (50 Гц), а иногда и более высокой частоты (до нескольких килогерц).

Рис. 7. Плунжерный индуктивный датчик

Емкостные датчики представляют собой конденсатор, емкость которого изменяется при изменении измеряемой неэлектрической величины, в частности величины перемещения. Таким образом, у емкостных датчиков входной величиной является линейное или угловое перекрещение, а выходной — электрическая емкость. Примеры емкостных датчиков приведены на рисунке 8.

Рис. 8. Емкостные датчики

Емкость С плоского конденсаторного датчика с изменяющимся расстоянием между пластинами (рис. 8 а) определяется по формуле:

,

где — диэлектрическая постоянная; F — активная площадь конденсатора; δ — расстояние между пластинами.

Tаким образом, при изменении расстояния δ между пластинами будет изменяться емкость датчика. Дифференциальная чувствительность S _Д датчика в этом случае определится по формуле:

.

Емкостные датчики с изменяющимся расстоянием между пластинами используют для измерения очень малых перемещений – до 10^{-6 м. Такая высокая точность достигается включением датчика в плечо мостовой схемы, питаемой напряжением высокой частоты.}

Емкостной датчик с угловым перемещением а показан на рисунке 8б. Емкость такого конденсатора можно определить по формуле:

,

где F — активная площадь конденсатора при α=0; δ — расстояние между пластинами.

У этого датчика входной величиной является α, а выходной С.

Дифференциальная чувствительность:

.

Схема цилиндрического емкостного датчика показана на рисунке 8в. Здесь емкость изменяется при относительном осевом перемещении цилиндров, образующих конденсатор:

,

где δ – величина перекрытия внутреннего цилиндра наружным; r ₁ и r ₂ – радиусы соответственно внутреннего и внешнего цилиндров.

Дифференциальная чувствительность определяется по формуле:

.

Общими недостатками емкостных датчиков являются практическая невозможность работать на промышленной частоте 50 Гц и, следовательно, необходимость в специальном источнике питания высокой частоты; большое влияние паразитных емкостей и многих других факторов.

Магнитоупругие датчики основаны на явлении магнитоупругого эффекта – изменении магнитной проницаемости у феррометаллов при упругой деформации. Упрощенная схема магнитоупругого датчика приведена на рисунке 9а. Он состоит из магнитопровода с катушкой индуктивности. При упругой деформации магнитопровода его магнитная проницаемость μ изменяется, в результате чего изменяется полное электрическое сопротивление катушки , т.к. .

В качестве материала магнитоупругих датчиков обычно применяют никелево-железные сплавы. Зависимость относительного изменения магнитной проницаемости от механического напряжения:

в области упругих деформаций приведена на рисунке 9б.

Для магнитоупругих датчиков различают два вида чувствительности: электрическую

и магнитную

.

Общая чувствительность датчика

.

Рис. 9. Магнитоупругий датчик

Рис. 10. Пьезометрический датчик

Датчик этого типа обладает высоким быстродействием и небольшими размерами. Существенным его недостатком является большая температурная погрешность, которая доходит до 1 % на 1 °С. Это заставляет применять специальные схемы для компенсации температурных погрешностей. Питание схемы с подобными датчиками осуществляется от источника переменного тока повышенной частоты (5-10³... 5-10⁴ Гц).

Пьезоэлектрические датчики, используемые чаще всего для измерения и контроля быстроизменяющихся давлений, деформаций и т. п., основаны на пьезоэлектрическом эффекте. Сущность этого эффекта состоит в появлении зарядов на гранях кристалла при его механических деформациях. В таких датчиках обычно используются пластина (или несколько пластин), особым образом вырезанная из кристалла турмалина, кварца или сегнетовой соли. В качестве материала для пластин широко используется титанат бария.

При действии силы Р вдоль так называемый электрической оси кристалла на границах пластины возникают электрические заряды q различных знаков, величина которых определяется зависимостью:

,

где k ₀ — пьезоэлектрическая постоянная, или модуль.

Эти датчики, являющиеся генераторными, представляют собой пластину, помещенную между обкладками. Возникающее между обкладками напряжение U равно:

,

где С — емкость датчика; С ₀ — емкость присоединяемой к датчику измерительной схемы (емкость проводов, емкость измерительного устройства).

Дифференциальная чувствительность датчика:

.

Из вышеприведенного выражения следует, что на чувствительность датчика существенно влияет С ₀, увеличение которой приводит к уменьшению чувствительности.

Для увеличения чувствительности датчик составляют из нескольких пластин, расположенных столбиком (рис. 10) и соединенных параллельно. В этом случае:

, (4)

где п – число пластин датчика. Из выражения (4) найдем

. (5)

Сравнивая выражения (4) и (5), можно сделать вывод, что использование в пьезоэлектрических датчиках нескольких пластин приводит к повышению чувствительности благодаря уменьшению влияния емкости С ₀.

Среди электромашинных датчиков наиболее распространенными являются тахогенераторы постоянного и переменного тока. Они служат для получения напряжения, пропорционального частоте вращения, и используются как электрические датчики угловой скорости.

Тахогенераторы постоянного тока (рис. 11) выполняются с возбуждением от постоянного магнита (рис. 11а) или от внешнего источника постоянного тока (рис. 11б). ЭДС тахогенератора определяется выражением:

,

где k_е — коэффициент, зависящий от конструкции и схемы якоря; Ф —поток возбуждения; — угловая скорость.

Рис. 11. Тахогенераторы

При постоянном потоке возбуждения (Ф = const) ЭДС Е зависит только от частоты вращения якоря. Чувствительность тахогенераторов:

составляет ~ 10 мВ/мин^-1. Характеристика тахогенератора Е = f(n) приведена на рисунке 11в. Видно, что с увеличением нагрузки R _н характеристика становится нелинейной и чувствительность уменьшается.

Фотоэлектрические датчики, реагирующие на изменение светового потока, в качестве чувствительного элемента содержат фотоэлементы различных типов. Фотоэлементами называют устройства, служащие для превращения энергии света в энергию электрического тока.

Фотоэлектрические датчики широко используются для измерения и контроля различных параметров производственных процессов — температуры, уровня жидкости, концентрации растворов прозрачности газовой среды, для учета, сортировки и отбраковки штучных изделий (деталей, коробок и т.п.), для контроля состояния поверхности тел в автоматических системах, для слежения за срезом детали при ее обработке по контуру и т.д.

Фотоэлементы по принципу их действия можно разделить на две группы. К первой группе относятся фотоэлементы, использующие явление внешнего фотоэффекта, когда под действием светового потока освободившиеся электроны покидают вещество, т.е. возникает электронная эмиссия. Такие приборы называются фотоэлементами с внешним фотоэффектом. Ко второй группе относятся фотоэлементы с внутренним фотоэффектом. Это могут быть фотосопротивления, у которых под действием светового потока изменяется электрическая проводимость вещества, и фотоэлементы с запирающим слоем (вентильные фотоэлементы), у которых под действием светового потока возбуждается собственная ЭДС.

На рисунке 12а показано устройство фотоэлемента с внешним фотоэффектом (электровакуумный фотоэлемент). В стеклянном баллоне, из которого выкачан воздух, в среде вакуума или инертного газа (чаще аргона) помещены два электрода — анод 1 и катод 2. Анод фотоэлемента представляет собой круглую пластину или кольцо, а катод наносится на внутреннюю поверхность стеклянного баллона фотоэлемента в виде тонкого светочувствительного слоя (обычно сурьмяно-цезиевого). Схема включения фотоэлемента с внешним фотоэффектом показана на рисунке 12б. В цепь анода включается источник постоянного напряжения (150—200 В) и сопротивление нагрузки R _н. При освещении фотоэлемента в анодной цепи возникает ток, создающий на сопротивлении нагрузки некоторое падение напряжения.

Рис. 12. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом

Количество электронов, испускаемых источником при фотоэффекте, прямо пропорционально световому потоку, падающему на поверхность металла. Следовательно, сила тока фотоэлектрической эмиссии

,

где Ф – световой поток, лм; k _ф — коэффициент пропорциональности.

Чувствительность фотоэлемента

измеряется в микроамперах на люмен. В газонаполненных сурьмяно-цезиевых фотоэлементах чувствительность может достигать 150–200 мкА/лм, тогда как в вакуумных приборах она составляет 20–30 мкА/лм.

На pисунке 12б приведены световые характеристики фотоэлемента с внешним фотоэффектом, показывающие зависимость сил тока фотоэлемента от сотового потока.

Фотосопротивления подставляют собой полупроводниковые фотоэлектрические приборы, в которых используется свойство полупроводников увеличивать свою электропроводность под действием света. Получая энергию от светового потока, электрон переходит в зону проводимости пропорционально энергии светового потока, не выходя за пределы полупроводника. Если к концам такого полупроводника приложить разность потенциалов, то сила протекающего в этой цепи тока будет зависеть от освещенности полупроводника. При этом в отличие от фотоэлементов с внешним фотоэффектом фотосопротивление не обладает односторонней проводимостью, а одинаково проводит электричество в обоих направлениях.

Схема устройства фотосопротивления показана на рисунке 13а. На решетку из проводников 1 испарением в вакууме нанесен тонкий слой полупроводника 2. Наиболее светочувствительными полупроводниками являются селен, сернистый таллий, сернистый свинец, сернистый висмут и сернистый кадмий. Фотосопротивления монтируются в пластмассовом корпусе, снабженном штырьками для включения в схему. Для доступа света к светочувствительной поверхности в корпусе сделано окно.

Рис. 13. Фотосопротивление

При изменении освещенности решетки меняются электрическое сопротивление фотоэлемента и сила тока I _ф в цепи. У всех фотосопротивлений зависимость силы фототока I _ф от величины светового потока Ф при постоянном напряжении питания U имеет нелинейный характер и может быть представлена выражением

,

где 0 < п < 1.

Как видно из рисунка 13б, с увеличением освещенности чувствительность

падает, а наибольшую чувствительность такие фотоэлементы имеют при малых освещенностях. Однако чувствительность фотосопротивлений значительно больше, чем фотоэлементов с внешним фотоэффектом.

Недостатками фотосопротивлений являются нелинейность характеристики, инерционность, значительная температурная погрешность.

Фотоэлементы с запирающим слоем (вентильные фотоэлементы: принципиально отличаются от фотосопротивлений тем, что являясь генераторными датчиками, не требуют для своей работы внешнего источника питания. Благодаря энергии светового потока, в них создается ЭДС, которая используется для получения электрического тока в цепи нагрузки. Таким образом, в вентильных фотоэлементах происходит преобразование световой энергии в электрическую.

Схема устройства фотоэлемента с запирающим слоем показана на рисунке 14а. Элемент состоит из тонкой полупрозрачной пленки золота 1, запирающего слоя 2, слоя полупроводника 3 и металлического электрода 4.

Рис. 14. Фотоэлемент с запирающим слоем

В качестве полупроводника используют закись меди, селен, сернистый таллий, кремний. Запирающий слой при соответствующей термической обработке образуется на границе полупроводника с золотом. Обладая односторонней проводимостью (детектирующим свойством), он не позволяет электронам, освободившим под действием светового потока, возвращаться обратно. Вследствие этого на контактных электродах (между пленкой золота 1 и электродом 4 появляется ЭДС. При замыкании фотоэлемента на сопротивление нагрузки в образующейся цепи пройдет ток, сила которого I _ф зависит от освещенности фотоэлемента.

Световые характеристики фотоэлемента с запирающим слоем при различных значениях сопротивления нагрузки R _н приведены на рисунке 14б. С увеличением R _н нарушается линейность зависимости I _ф = f (Ф) и уменьшается чувствительность фотоэлемента.

Дата добавления: 2014-01-04