Чувствительные элементы или датчики

2



Содержание



Чувствительные элементы или датчики

Датчики сопротивления

Датчики индуктивности

Емкостные датчики

Датчики напряжения

Датчики тока

Свойства фотоэлементов определяются их характеристиками

Датчики АУС

Струнные датчики

Магнитоупругие датчики




Чувствительные элементы или датчики



Датчиком называется первичный элемент автоматической системы, реагирующий на изменение физической величины, характеризующей процесс, и преобразующий эту величину в другую, удобную для работы последующих элементов. Статической характеристикой датчика является зависимость изменения выходной величины от изменения входной.

Чувствительностью датчика, или его коэффициентом усиления, называется крутизна статической характеристики.

Датчики можно классифицировать либо по тем величинам, которые они должны измерять (датчики давления, датчики уровня), либо по тем параметрам, в которые преобразуются измеряемые величины (датчики сопротивления, датчики индуктивности). Более рациональная классификация по второму признаку, так как два индуктивных датчика, служащие для измерения различных величин (например, давления, уровня), сходны между собой и имеют близкие конструктивные и эксплуатационные характеристики. В то же время емкостный и индуктивный датчики, служащие для измерения одной и той же величины, сильно отличаются друг от друга по конструкции, схеме и характеристикам.

Так как многие физические величины предварительно преобразуются в одну и ту же механическую величину - перемещение (например, изменение уровня преобразуется в перемещение поплавка), то значительная часть датчиков может быть сконструирована в виде устройств, преобразующих перемещение в ту или иную выходную величину. По выходному параметру датчики могут быть классифицированы следующим образом: датчики сопротивления, датчики индуктивности, датчики емкости, датчики напряжения, датчики тока, датчики фазы, датчики частоты, датчики числа импульсов, датчики длительности импульса, датчики давления (пневматические или гидравлические).


В некоторых случаях осуществляется несколько стадий преобразования регулируемого параметра, например из механической величины сначала в какую-либо другую (например, тепловую, световую и т.д.), а затем уже в электрическую или пневматическую.



Датчики сопротивления



Основными типами датчиков сопротивления являются потенциометрические датчики, угольные датчики, тензометры и термометры сопротивления.

Потенциометрические датчики применяют чаще всего для измерения перемещений. Главное их достоинство в простоте и отсутствии необходимости последующего усиления. Основными недостатками их являются наличие скользящего электрического контакта, необходимость относительно больших перемещений движка и значительного усилия для его перемещения. Простой реостат, изменяющий ток в электрической цепи при перемещении его движка, почти не используют в автоматике ввиду значительной нелинейности его характеристики.

Угольные датчики применяют в основном для измерения больших усилий и давлений. Обычно угольный датчик имеет вид столбика из графитовых дисков, на концах которого находятся контактные диски и упорные приспособления, воспринимающие измеряемые усилия. Сопротивление такого столбика электрическому току складывается из собственно сопротивления графитовых дисков и переходного контактного сопротивления поверхностей их соприкосновения. Из-за неровности поверхностей графитовых дисков их соприкосновение происходит не по плоскости, а по отдельным точкам. Если угольный датчик подвергнуть сжатию, то площадь соприкосновения графитовых дисков увеличивается и переходное контактное сопротивление уменьшается. Это свойство и используют в угольном датчике.

Существенными недостатками угольных датчиков являются нелинейность характеристики, нестабильность сопротивления и значительный (до 5%) гистерезис, т.е. различие между сопротивлением для одних и тех же величин усилий при сжатии и последующем снятии сжимающего усилия.

Область применения угольных датчиков ограничена измерением больших усилий и давлений, не требующих большой точности.

Тензометры изготовляют либо из тонкой проволоки, либо из особой массы - тензолита. В обычном исполнении проволочный датчик представляет собой тонкую (15-60 мк) проволоку, сложенную в виде решетки и обклеенную с двух сторон папиросной бумагой. Такой элемент приклеивают прочным клеем к детали для измерения ее деформации. Измерение деформации основано на изменении сопротивления проволочки при ее растяжении или сжатии, происходящем при деформации детали. Тензолитовые датчики, выполняемые в виде стерженьков диаметром до 1 мм, также наклеивают на деталь; они изменяют сопротивление при ее деформации.

Тензодатчики широко применяют для измерения деформации деталей в самых различных областях техники. Они характеризуются малым относительным изменением сопротивления не более 1%, что требует измерительных схем высокой чувствительности.

Статическая характеристика проволочных датчиков имеет линейный вид, т.е. чувствительность проволочных датчиков практически постоянна. Для измерения применяют проволочные датчики из материала типа константана с небольшой чувствительностью (порядка 2), но с малым температурным коэффициентом сопротивления.

Сопротивление таких датчиков обычно равно 100 - 200 Ом. С целью повышения чувствительности (до 3-4) применяют датчики из сплавов типа элинвара, характеризуемых относительно высоким температурным коэффициентом сопротивления. Сопротивление таких датчиков выбирают равным 500-1000 Ом. Для увеличения чувствительности применяют включение в мостовую схему двух или даже четырех одинаковых проволочных датчиков.

Термометры сопротивления получили широкое распространение для измерения температур различных сред в пределах от - 50 до +800° С.

Действие электрических термометров сопротивления основано на свойстве некоторых материалов менять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

Для изготовления термометров сопротивления используют медь, никель, сталь, платину и другие металлы. Медь применяют при измерении температур в пределах до 180° С, сталь и никель до 300° С в атмосфере, свободной от влаги и коррозионных газов, особенно сернистых; платину от - 200 до +900° С в агрессивных средах. Сопротивление таких датчиков выбирают равным 40-100 Ом.

В последнее время в качестве термометров сопротивления используют термисторы, которые изготовляют из полупроводников, представляющих собой оксиды, сульфиды, карбиды металлов с большим отрицательным температурным коэффициентом.

Термисторы изготовляют прессованием и обжигом измельченных и очищенных материалов, а затем покрывают защитным слоем эмали или лака, имеющих одинаковый с исходными материалами коэффициент расширения.



Датчики индуктивности



Принцип работы датчиков основан на изменении индуктивного сопротивления катушки со сталью. Датчики индуктивности широко применяют благодаря их существенным достоинствам: простоте, надежности и отсутствию скользящих контактов; возможности непосредственного использования показывающих приборов за счет относительно большой величины отдаваемой электрической мощности; возможности работы на переменном токе промышленной частоты.

Основной областью применения индуктивных датчиков является измерение угловых и линейных механических перемещений. Изменение входного параметра в датчиках индуктивности преобразуется в изменение индуктивности катушки благодаря перемещению якоря, сердечника или катушки.

Индуктивные датчики применяют только на относительно низких частотах (до 3000-5000 Гц), так как на высоких частотах резко возрастают потери в стали на перемагничивание и реактивное сопротивление обмотки.

Для устранения недостатков, свойственных рассмотренному датчику индуктивности, которые состоят в том, что для измерения перемещения якоря в обоих направлениях необходимо иметь начальный воздушный зазор, т.е. и начальную силу тока, из-за чего создается неудобство в измерении, значительные погрешности от колебаний температуры и питающего напряжения, а также для устранения электромеханического усилия притяжения якоря, зависящего от величины воздушного зазора, применяют дифференциальный индуктивный датчик.

Датчики индуктивности с подвижным сердечником содержат две одинаковые катушки, расположенные на одной оси. Внутри катушек перемещается сердечник цилиндрической формы, связанный с измерителем. Если сердечник расположен симметрично относительно катушек, то индуктивные сопротивления катушек одинаковы. При перемещении сердечника в ту или другую сторону изменяется индуктивность катушек. При этом индуктивность той катушки, в сторону которой переместился сердечник, растет, а другой - уменьшается. Соответственно изменяется сила токов, проходящих через катушки.

Работа всех рассмотренных датчиков основана на изменении индуктивности. Существуют датчики, работа которых основана на изменении коэффициента взаимной индукции двух катушек. Такие датчики называются трансформаторными, или индукционными, и содержат две катушки: одна питается напряжением переменного тока, другая является выходной, и с нее снимается напряжение, пропорциональное перемещению якоря или сердечника.

Трансформаторные датчики выполняют с переменным зазором между якорем и сердечником, для измерения малых перемещений; с переменной площадью зазора, используемые для измерения средних перемещений, и с подвижным сердечником, используемые для измерения перемещений с широким диапазоном. Последние имеют преимущество перед другими трансформаторными датчиками, так как сердечник может быть отделен от катушек герметической трубкой. Такой датчик называют плунжерным.

В некоторых случаях выходная катушка состоит из двух катушек W2l и W2U, включаемых одна навстречу другой. У некоторых датчиков, наоборот, вторая катушка может поворачиваться или перемещаться относительно сердечника. Такие трансформаторные датчики с подвижной рамкой называют ферродинамическими.

Особенностями трансформаторных датчиков является возможность больших перемещений якоря и отсутствие электрической связи между измерительной цепью и цепью электрического питания. Между ними существует только магнитная связь, что во многих случаях является преимуществом.



Емкостные датчики



Емкостный датчик представляет собой обычный плоский или цилиндрический конденсатор, изменение емкости которого происходит либо за счет перемещения одной из пластин, либо за счет изменения диэлектрической постоянной среды е, находящейся между пластинами. Перемещение пластин вызывает изменение емкости благодаря изменению расстояния между пластинами б или площади пластин. Все емкостные датчики работают на переменном токе, как правило, с повышенной частотой и требуют обычно применения дополнительных усилителей напряжений, так как сигнал, получаемый от емкостных датчиков, имеет очень малую величину.

Емкостный датчик с переменным расстоянием между пластинами имеет одну неподвижную и одну подвижную пластины, связанные с измерителем. Благодаря перемещению подвижной пластины изменяется зазор между пластинами, что приводит к изменению емкости датчика. Для увеличения чувствительности и уменьшения влияния посторонних факторов такой датчик обычно выполняют дифференциальным, т.е. он содержит две неподвижные и одну подвижную пластины. При перемещении подвижной пластины изменяются емкости и между подвижной и неподвижными пластинами.

Емкостные датчики включают в соседние плечи мостовой схемы.

Емкостный датчик с изменением площади пластин состоит из ряда неподвижных и подвижных пластин, которые поворачиваются на определенный угол. При повороте подвижных пластин по отношению к неподвижным изменяется величина активной площади датчика, что приводит к изменению емкости датчика.

Емкостные датчики с изменяющейся диэлектрической постоянной среды можно применять для измерения концентрации электролитов или уровня жидкости. Обычно такие датчики выполняют в виде двух коаксиальных цилиндров, между которыми находится измеряемая жидкость. При изменении концентрации электролита или уровня жидкости линейно изменяется емкость датчика.


Датчики напряжения



У датчиков напряжения величина выходного напряжения пропорциональна значению регулируемого параметра. Изменение значения регулируемого параметра приводит к изменению выходного напряжения. К датчикам напряжения могут быть отнесены сельсинные передачи, работающие в так называемом трансформаторном режиме, пьезоэлектрические датчики, термопары, различные тахогенераторы и др.

Сельсины обычно выполняют по типу асинхронных машин переменного тока, т.е. они имеют ротор и статор, на которых уложены соответствующие обмотки.

В пазах статора находится трехфазная статорная обмотка, причем фазные обмотки в пространстве смещены на 120°. Ротор сельсина имеет однофазную, а иногда и трехфазную обмотки. Сельсины некоторых типов выполняют с трехфазной обмоткой на роторе и однофазной - на статоре. Сельсинная передача состоит из двух сельсинов - датчика СД и приемника СП и может служить как для передачи на расстояние угловых перемещений, так и в качестве измерительного устройства, вырабатывающего на выходе напряжение, зависящее от угла рассогласования роторов сельсин-датчика и сельсин-приемника.

Режим работы сельсинов в схемах передачи на расстояние угловых перемещений называется индикаторным.

Основной характеристикой индикаторного режима работы сельсинной передачи является зависимость синхронизирующего момента от угла рассогласования между роторами сельсин-датчика (СД) и сельсин-приемника (СП).

Основной статической характеристикой этого режима работы является зависимость напряжения, индуктируемого на роторной обмотке СП от угла рассогласования между роторами СД и СП.

Работа пьезоэлектрических датчиков основана на пьезоэлектрическом эффекте, свойственном некоторым кристаллам. Датчики обычно изготовляют из кварца, так как при сильно выраженном пьезоэлектрическом эффекте и одновременно высокой механической прочности свойства кварца мало зависят от температуры и отличаются высокими изоляционными качествами.

Тахогенераторы служат для получения напряжения, пропорционального скорости вращения, и их используют как электрические датчики угловой скорости. В зависимости от вида выходного напряжения их разделяют на тахогенераторы постоянного и переменного тока.

Тахогенераторы постоянного тока конструктивно подобны

электродвигателям постоянного тока и выполнены с возбуждением как от постоянных магнитов, так и от электромагнитов.

Тахогенераторы переменного тока разделяют на синхронные и асинхронные.

Тахогенератор синхронного типа представляет собой небольшую синхронную машину с ротором в виде постоянного магнита. Выходное напряжение такого тахогенератора имеет и амплитуду, и частоту, пропорциональные скорости вращения. Обычно оно выпрямляется полупроводниковым выпрямителем.

Выходное напряжение этого тахогенератора характеризуется переменной частотой, что затрудняет использование его в обычных схемах переменного тока, и, кроме того, тахогенератор нечувствителен к изменению направления вращения.

От этих недостатков свободен асинхронный тахогенератор. Конструкция асинхронного тахогенератора подобна конструкции двухфазного двигателя с тонкостенным ротором. Обмотка возбуждения тахогенератора питается от сети переменного тока, а в выходной обмотке наводится э. д. с. переменного тока с частотой сети и амплитудой, пропорциональными величине скорости. При изменении направления вращения фаза выходного напряжения меняется на обратную.

Термопары применяют для точного измерения высоких температур (100-2000° С). Особенно широко их используют в металлургии для контроля и автоматического регулирования большинства тепловых процессов. Крупными преимуществами термопар, помимо возможности измерения высоких температур, являются их сравнительно малая инерционность, простота и очень малые габариты получаемых датчиков.

Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте, который заключается в том, что если соединить концами два разнородных по материалу проводника и места соединений поместить в среды с разными температурами, то в полученной таким образом электрической цепи появится электрический ток ввиду наличия термоэлектродвижущей силы (т. э. д. с). Эта т. э. д. с. пропорциональна по величине разности температур двух концов электрической цепи и зависит от материалов обоих проводников

Термопары характеризуются следующими основными свойствами. Абсолютная величина т. э. д. с. не зависит ни от распределения температур вдоль однородных проводников, ни от порядка ее отсчета. Это означает, что величина т. э. д. с. не изменится, если, например, нагревать какую-то произвольную точку проводника, не меняя при этом температур горячего и холодного спаев.



Датчики тока



У датчиков тока изменение регулируемого параметра приводит к изменению тока через датчик. Основным типом таких датчиков являются фотоэлементы, хотя некоторые из них служат также датчиками напряжения.

Принцип работы фотоэлементов основан на изменении проводимости или на возникновении э. д. с. под действием светового потока. В первом случае происходит изменение тока в цепи фотоэлемента, который питается от постороннего источника напряжения. Следовательно, фотоэлемент осуществляет преобразование светового потока в электрическую величину - ток. Это явление называют фотоэлектрическим эффектом.

К электродам фотоэлемента подводится анодное напряжение от отдельного источника. Благодаря световому потоку из катода вырываются электроны, которые под действием электрического поля движутся от катода к аноду. У некоторых фотоэлементов внутри колбы создается вакуум. Их называют вакуумными. Для усиления фототока в колбу фотоэлемента иногда вводят небольшое количество инертного газа (аргона). Такие фотоэлементы называют газонаполненными. Возможность зажигания самостоятельного разряда - существенный недостаток газонаполненного фотоэлемента.



Свойства фотоэлементов определяются их характеристиками



Спектральной характеристикой фотоэлемента называется кривая зависимости фототока от частоты (или длины волны) света при постоянной интенсивности светового потока. Эта кривая характеризует распределение чувствительности по спектру излучения.

Для катодов фотоэлементов, предназначенных для видимой или ближней инфракрасной области, обычно используют щелочные металлы, поверхность которых была подвергнута специальной обработке. У этих катодов в определенной спектральной области обнаруживается резкий максимум чувствительности.

Для газонаполненных фотоэлементов пропорциональная зависимость фототока от светового потока справедлива для относительно небольших значений светового потока.

При использовании фотоэлементов для измерения весьма важное значение имеет стабильность их интегральной и спектральной чувствительности. Как показывает опыт, чувствительность фотоэлементов понижается

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом или фотосопротивления относятся к полупроводниковым приборам - их сопротивление меняется под действием света. Они обладают высокой стабильностью величины сопротивления, незначительной инерционностью и температурной зависимостью, а также почти пропорциональной зависимостью между фототоком и световым потоком.

В настоящее время наряду с рассмотренными фотоэлементами в качестве датчиков тока начинают применять также фотодиоды и фототриоды, в которых используют чувствительность электронно-дырочного перехода в полупроводниках к световому потоку. Фотодиод включается в цепь источника тока в направлении обратной проводимости. При отсутствии светового потока в цепи нагрузочного сопротивления, включенного последовательно с фотодиодом, протекает небольшой ток обратной проводимости, так называемый темновой ток. Если зона электронно-дырочного перехода освещается световым потоком, то ток возрастает пропорционально величине светового потока. У фототриода за счет эффекта усиления чувствительность к световому потоку значительно выше, чем у фотодиода.



Датчики АУС



В настоящее время промышленность выпускает комплекс элементов и устройств электронной и пневматической агрегатных унифицированных систем автоматического регулирования и контроля (АУС). Агрегатный принцип построения систем и унификация входных и выходных параметров позволяют из сравнительно небольшого числа стандартных блоков компоновать различные схемы автоматического контроля и регулирования.

В электронной агрегатной унифицированной системе (ЭАУС) широко применяют датчики постоянного тока с унифицированным выходным сигналом 0-5 (или 0,5 - 5) мА, а также датчики переменного тока с неунифицированным выходным сигналом. В пневматической агрегатной унифицированной системе часто используют пневматические датчики, у которых выходное давление изменяется от 20 до 100 кн/м2 (0,2-1 кГ/см2). Для связи электронных и пневматических устройств служат специальные электропневматические и пневмоэлектрические преобразователи.

В большинстве пневматических датчиков входной сигнал преобразуется в перемещение заслонки, которая управляет истечением воздуха из сопла, изменяя давление в камере, расположенной перед соплом. Принцип работы таких устройств описан ниже при рассмотрении пневматических усилителей, являющихся часто составными элементами пневматических датчиков.



Струнные датчики



Для измерения неэлектрических величин применяется и частотный метод, при котором измеряемая величина преобразуется в переменное напряжение, частота которого зависит от этой величины. Достоинством частотного метода измерения является то, что в процессе передачи и дальнейшей обработки частотного выходного сигнала не возникает дополнительной погрешности.

Наибольшее развитие для преобразования неэлектрических величин в частоту получили струнные датчики. Принцип действия струнного датчика основан на зависимости собственной частоты колебаний натянутой струны длиной и массой от силы натяжения. Струнные датчики используются в приборах для измерения силы, давления, расхода, температуры и др. При воздействии на струну измеряемой силы струна практически не растягивается, поэтому первичный преобразователь (например, мембрана в датчике давления) работает, почти не деформируясь.



Магнитоупругие датчики



Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на магнитоупругом эффекте - физическом явлении, проявляющемся в виде изменения магнитной проницаемости ферромагнитного материала в зависимости от механических напряжений в нем. Магнитоупругие датчики используются для измерения силовых параметров: усилий, давлений, крутящих и изгибающих моментов, механических напряжений и т.п.