министерство образования и науки

российской федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса»

(ГОУ ВПО «ЮРГУЭС»)

А.А. Сапронов, В.В. Семенов, Ю.Б. Ханжонков

Автоматизация

измерений,

контроля и испытаний

Конспект лекций

для студентов направления 653800

«Стандартизация, сертификация и метрология»,

специальности 072000 «Стандартизация и сертификация»

Часть 1

ШАХТЫ

ЮРГУЭС

2007

УДК 004.9(07)

ББК 32.97-018.2я73

С197

Авторы:

к.т.н., доцент кафедры «Радиоэлектронные системы»

А.А. Сапронов

к.т.н., доцент кафедры «Радиоэлектронные системы»

В.В. Семенов

к.т.н., доцент кафедры «Радиоэлектронные системы»

Ю.Б. Ханжонков

Рецензенты:

к.т.н., доцент кафедры «Радиоэлектронные системы»

Ю.А. Валюкевич

к.т.н., доцент кафедры «Информационные системы и радиотехника»

В.Г. Манжула

С197 Сапронов, А.А. Автоматизация измерений, контроля и испытаний: конспект лекций. В 2 ч. Ч. 1 / А.А. Сапронов, В.В. Семенов, Ю.Б. Ханжонков. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007. – 48 с.

Данный конспект лекций предназначен для студентов очной и заочной форм обучения направления 653800 «Стандартизация, сертификация, метрология», специальности 072000 «Стандартизация и сертификация» при изучении основных разделов специальной дисциплины федеральной компоненты: «Автоматизация измерений, контроля и испытаний».

Самостоятельные разделы конспекта лекций могут быть использованы и при изучении различных дисциплин в рамках подготовки и переподготовки специалистов в области автоматизации измерений.

В первую часть конспекта вошли 10 лекций по данному курсу. Материал изложен в доступной форме с использованием иллюстраций. В конце приведен библиографический список.

УДК 004.9(07)

ББК 32.97-018.2я73

© Южно-Российский государственный

университет экономики и сервиса, 2007

© Сапронов А.А., Семенов В.В.,

Ханжонков Ю.Б., 2007

Содержание

Введение 4

Лекция 1–3. Задачи и компоненты автоматизации измерений, испытаний и контроля 6

Лекция 4–6. Датчики 10

Лекция 7. Усилители 24

Лекция 8. Реле 31

Лекция 9. Исполнительные элементы 35

Лекция 10. Фильтрация измерительных сигналов 44

Библиографический список 47

Введение

Автоматикой называют науку об общих принципах построения и расчета устройств и систем, выполняющих свои основные функции без непосредственного вмешательства человека. Такие устройства и системы называются автоматическими. Автоматика охватывает комплекс прикладных дисциплин, связанных с проектированием, расчетом и практическим применением различных автоматических устройств.

Русские и советские ученые внесли большой вклад в научное обоснование, теоретическую разработку и практическое применение автоматики. В частности, необходимо отметить особое значение теоретических разработок П.Л. Чебышева, И.А. Вышнеградского, А.М. Ляпунова, Н.Е. Жуковского, А.Н. Крылова, Н.М. Крылова, Н.Н. Боголюбова, Б.В. Булгакова, А.А. Андронова, Л.С. Понтрягина, А.Г. Ивахненко, А.А. Фельдбаума, В.С. Кулебакина, И.Н. Вознесенского, В.В. Солодовникова, А.В. Михайлова, Е.П. Попова, Л.С. Гольдфарба, Я.3. Цыпкина, Б.Н. Петрова, В.А. Трапезникова, В.Т. Загороднюка и мн.др.

Автоматизацией называют внедрение автоматических устройств в тот или иной процесс для выполнения функций управления. Автоматизация представляет собой высшую ступень развития машинного производства и позволяет добиться резкого улучшения его эффективности и качества.

Производственный процесс называют автоматическим, если все его этапы, включающие в себя получение, передачу, преобразование, использование материалов, энергии и информации осуществляются без непосредственного участия человека.

В состав легкой промышленности входит большое количество разнообразных производств — это производство кожи и меха, искусственной кожи, швейных изделий, изделий из кожи и др. Каждое из них характеризуется своими специфическими задачами в области автоматизации, что объясняется огромным разнообразием производственных процессов, использующих механические, химические, физико-химические и другие методы обработки сырья и полуфабрикатов.

Так, при автоматизации первичной обработки сырья в кожевенной и меховой промышленности в первую очередь должны решаться задачи автоматизации контроля сохранности сырья, управления линиями для сортировки и комплектования партий сырья, управления погрузочно-разгру-зочными механизмами на складах. В кожевенном производстве большое значение приобретают вопросы автоматизации жидкостных процессов, химических станций, сушильных установок. В швейном производстве важной задачей является автоматизация раскроя ткани и других материалов, влажно-тепловой обработки швейных изделий, обработки деталей по контуру; аналогичные задачи ставятся и при автоматизации обувной промышленности. Сложные задачи в области автоматизации решаются в промышленности, производящей искусственную кожу и полимерные пленочные материалы, приготовление и нанесение покрытий, тепловая обработка, контроль толщины и т.д. Иными словами, задачи, которые необходимо решать при автоматизации производственных процессов отраслей легкой промышленности, являются многообразными и сложными.

Исходные материалы, используемые в большинстве производств легкой промышленности отличаются большой нестабильностью физико-механических и геометрических параметров. Это обстоятельство может приводить к значительному разбросу параметров полуфабрикатов и готовых изделий. Для получения конечного продукта необходимого качества промежуточные параметры технологических процессов должны поддерживаться в достаточно узких пределах. В результате требуется с высокой точностью поддерживать на заданном уровне или изменять по заданному закону большое количество различных параметров технологических процессов. Решение данной задачи невозможно без повышения уровня автоматизации промышленности. Это позволяет значительно улучшить качество продукции при увеличении производительности, улучшении условий труда и увеличении экономической эффективности (прибыли) производства.

Лекция 1–3

Задачи и компоненты автоматизации

измерений, испытаний и контроля

Промышленные автоматические системы в зависимости от выполняемых ими функций можно классифицировать на автоматические системы контроля и автоматические системы управления.

Автоматическая система контроля решает задачу сбора информации, т.е. сведений о состоянии одного или нескольких параметров, характеризующих тот или иной производственный процесс или объект. В подобных устройствах конечный результат контроля может выражаться в форме регистрации состояния параметра, в виде сигнализации при наступлении определенных состояний, в сортировке по тем или иным признакам и т.д.

Автоматический контроль широко распространен в легкой промышленности. Такому контролю подвергаются сырье (например, кожевенное при хранении на кожзаводах), исходные материалы (например, различные растворы в кожевенном производстве, а также производстве искусственной кожи), параметры технологических процессов (например, температура, давление, время и т.п.), параметры, характеризующие работу оборудования (например, учет простоев, наличие смазки и др.), полуфабрикат (например, картонная масса, ткань и др.) и, наконец, готовая продукция (например, кожи, поливинилхлоридная пленка и др.).

Сейчас нет ни одного производства, в котором хотя бы частично не осуществлялся автоматический контроль за ходом производственных процессов. Автоматический контроль (и измерение имеет не только большое самостоятельное значение, но и является основой, как мы увидим в дальнейшем, других, в том числе самых сложных систем автоматики (автоматическое управление, регулирование и др.).

Устройства автоматического контроля и измерения применяются для осуществления контроля за ходом производственного процесса. При этом могут преследоваться различные цели. Прежде всего это наблюдение за ходом производственного процесса или контроль за качеством изделий (например, контроль размеров и формы деталей обуви, толщины покрытия при производстве искусственной кожи, температуры в сушильной камере и др. Автоматический контроль используется для получения показателей, необходимых для учета работы той или иной производственной установки, агрегата, конвейера, поточной линии и т.д. Для производств легкой промышленности особый интерес представляет учет штучных предметов, длины, площади и массы твердых тел, объема и массы жидкостей и газов.

К устройствам автоматического контроля можно отнести и различные виды автоматической сигнализации. Командная сигнализация предназначается для передачи типовых командных сигналов от одного поста управления к другому. Контрольная технологическая сигнализация служит для автоматического извещения о включении в работу или останове отдельных установок, вспомогательных устройств (например, нагревательных элементов), о положении запорных органов на различных коммуникациях и т.п. Предупредительная сигнализация автоматически извещает персонал о возникновении опасных изменений режима, которые в дальнейшем могут привести к аварии. Сигнализация всех видов может быть световой (оптической) или звуковой (акустической). Схемы автоматической сигнализации аварийных режимов, как правило, имеют оба вида сигналов, которые при возникновении аварийной ситуации подаются одновременно.

Отдельно следует остановиться на автоматической защите и блокировке. При возникновении ненормальных режимов устройства автоматической защиты либо прекращают контролируемый производственный процесс, например отключают электрические устройства и электрические сети при коротких замыканиях, либо обеспечивают другие меры для ликвидации опасности, например открывают предохранительный клапан для снижения давления в резервуаре, когда оно превышает предельно допустимое значение. Между автоматической защитой и автоматической сигнализацией существует тесная связь. И для того, и для другого часто используется одно и то же автоматическое устройство. Например, контролируя давление какой-либо среды в резервуаре, автоматическое устройство может сначала дать сигнал о начавшемся повышении давления, а потом сбросить его, если будет превышен допустимый предел.

Особым видом автоматической защиты является автоматическая блокировка. Устройства автоблокировки предотвращают возможность неправильных включений и выключений оборудования и тем самым предупреждают повреждения или даже аварии, которые могут возникать из-за невнимательности обслуживающего персонала, неправильно понятой команды и других причин.

В качестве примера можно указать на блокировочные устройства, применяемые в системе конвейер — бункер — накопитель. Они не допускают пуск конвейера при закрытом бункере.

Поскольку действие устройств автоматической защиты так или иначе связано с органами управления производственными процессами, машиной, аппаратом и т.п., ее можно рассматривать как разновидность автоматического управления. Автоматические системы управления предназначены для управления работой тех или иных процессов без непосредственного участия человека.

Управлением в широком смысле слова называется организация того или иного процесса, обеспечивающая достижение определенной цели. Управляемым процессом может быть процесс производства какого-либо продукта (например, натуральной или искусственной кожи) или изделия (например, обуви). Цель управления в этом случае заключается в создании продукта или изделия с заданными характеристиками и свойствами.

Управляемые процессы, так же как и цели управления, могут быть разнообразными. В связи с этим существует громадное разнообразие автоматических систем управления, которые классифицируются по различным признакам.

Прежде всего автоматические системы можно подразделить на два основных класса: циклические и ациклические.

Циклические (или детерминированные) автоматические системы достигают поставленной цели без всякой свободы выбора, не выходят за пределы установленной для них жесткой программы вне зависимости от условий фактического протекания процесса. В подобных системах контрольная информация или отсутствует, или имеет вспомогательное значение. Важнейшими представителями этих систем являются машины-автоматы, автоматические линии и т.п.

Ациклические (или информационные) автоматические системы функционируют на основе полученной или контрольной информации о фактическом протекании управляемых процессов. В информационной автоматической системе происходит постоянный обмен информацией между управляемым процессом (объектом) и управляющей частью системы.

Наиболее важным и чаще других встречающимся представителем автоматических систем управления в технике являются автоматические системы регулирования. Автоматическим регулированием называется изменение какого-либо параметра процесса по определенному закону без непосредственного участия человека. Параметр процесса, подлежащий регулированию, называют регулируемой величиной, а техническое устройство, в котором протекает процесс, требующий автоматического регулирования, – объектом регулирования.

Автоматическое регулирование является частным случаем автоматического управления. Управляемым процессом в этом случае является процесс изменения регулируемой величины во времени (или как функции какой-либо другой величины), а цель управления заключается в обеспечении соответствия изменения регулируемой величины определенному закону — алгоритму функционирования автоматической системы регулирования.

Возможности современной автоматики существенно расширили применение ЭВМ, особенно в кибернетических системах, предназначенных для решения задач, значительно более сложных, чем задачи, решаемые автоматическими системами регулирования. К таким задачам относятся, в частности, самонастройка и даже самоорганизация автоматических систем (адаптивных систем), обеспечение оптимального функционирования технических устройств, протекания производственных процессов и др. Например, экстремальные системы не только решают обычную задачу следования закону изменения регулируемой величины, но и автоматически ищут наиболее выгодное значение требуемой регулируемой величины, т.е. то ее значение, которое необходимо в данный момент выдерживать, чтобы при изменяющихся внешних условиях режим работы объекта регулирования был экстремальным (имел максимальный КПД, минимальный расход энергии и т.п.).

Широкое распространение получили машины (станки) с цифровым программным управлением. На базе этих машин создаются сложные автоматизированные комплексы.

Применение ЭВМ в сочетании с устройствами для получения контрольной информации о фактическом протекании технологического процесса (с обратными связями) позволяет осуществить всесторонний контроль и анализ технологического процесса и по специальным программам изменять его, настраивать на оптимальный (в определенном смысле) режим.

Существующие в настоящее время разнообразные автоматические системы представляют собой совокупность отдельных элементов, выполняющих вполне определенные функции. При этом множество самых различных по назначению, принципу действия, физической природе и устройству систем состоит из одинаковых, но выполняющих разные функции элементов. Эти элементы могут быть различными по своей физической природе (электрические, пневматические, гидравлические, оптические, акустические, механические и др.), принципу действия, конструктивному оформлению и т.п., но иметь одно и то же назначение, один и тот же функциональный признак. Классифицируя элементы по этому признаку, можно выделить некоторые из них, общие для различных автоматических систем контроля, управления и регулирования.

Обобщенная структурная схема типовой системы автоматического измерения, контроля и испытания приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема системы автоматического

измерения, контроля и испытания:

Д1,…Дn – датчики физических величин; У1,… Уn – усилители сигнала с датчиков;

Ф1,…Фn – фильтры; К – коммутатор; АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

ОЗУ – оперативное запоминающие устройство; ПЗУ – постоянное запоминающее

устройство; М – модулятор; Д – демодулятор; ПК – персональный компьютер;

ПО – программное обеспечение; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;

УМ – усилитель мощности; ИЭ1-ИЭn – исполнительные элементы

Лекция 4–6

Датчики

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 х₂. Под чувствительностью S понимают отношение приращения Δx₁ к приращению Δx₂:

.

Переходя к пределу при Δx₁ -> 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 х₁₀ и х₂₀ — 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; μл – 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 ΔR — изменение сопротивления датчика при изменении его длины на Δl.

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; r₁ и r₂ – 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 k₀ — пьезоэлектрическая постоянная, или модуль.

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

,

где С — емкость датчика; С₀ — емкость присоединяемой к датчику измерительной схемы (емкость проводов, емкость измерительного устройства).