9.3 Сурет - Магнитті серпімді датчик

Орын ауыстыру және деформацияның электромагниттік датчиктері. түрлі схемалары 9.4-суретте көрсетілген.

Сурет 9.4 - Электромагнитті датчиктер

9.4, а-суретте сызықты орын ауыстыру датчигі көрсетілген.9.4, б-суретте бұрыштық орын ауыстырудыкі. Өлшемдердің нақтылығын көтеру үшін қосылудың трансформаторлы сұлбасы (9.4,в-сурет) мен дифференциалды сұлба (9.4,г-сурет.) қолданылуы.

Электрлік емес шамалардың электрлікке түрлендірілуі және олардың жіктелуі.

Тағайындалуы бойынша өлшеу түрлендіргіштері механикалық, жылулық, химиялық, магниттік, биологиялық және басқа физикалық шамалардың түрлендіргіштеріне бөлінеді.

Жұмыс істеу принципі бойынша өлшеу түрлендіргіштері генераторлық және параметрлік болып бөлінеді.

Параметлер 9.4

Генераторлық		Параметрлік,+
Электромагнитті
Тахогенераторлар	Индуктивті және магнитті серпімді
Жылулық
Термопаралар		Терморезисторлар
Оптикалық
Фотоэлемент		Фоторезистор, фотодиод және т.б.

Генераторлы түрлендіргіштің жұмыс істеу принципі өлшенетін шаманың сәйкес энергияның электрлік формасына түрленуін қамтамассыз ететін белгілі бір физикалық құбылысқа негізделген. Генераторлы түрлендіргішті құрастыру үшін қолданылатын осы физикалық эффектілердің ең маңыздылары 9.5- кестесінде, ал олардың техникалық орындалу принциптерін кескіндейтін схемалар 9.5 - суретте көрсетілген. Термоэлектрлік эффектіні (термопара) жүзеге асыратын түрлендіргіш химиялық табиғаты әр түрлі екі М1 және М2 өткізгіштен тұрады. Егер өткізгізгіштердің бірінің 01 қосылу орының температурасын 02 екіншісінің температурасынан өзгеше етсек, тізбекте спайлар температуралары функциясының айырмасы болып табылатын термоЭҚК пайда болады. ТермоЭҚК Е 02-нің температурасы тұрақты болған жағдайда өлшенетін 01 температурасына пропорционал болады.

Кесте 9.5– Өлшенетін және шығатын шама

Өлшенетін шама	Қолданылатын эффектілер	Шығатын шама
Температура	Термоэлектрлі эффект	Кернеу
Оптикалық шағылудың ағыны	Пироэлектрлік эффект	Заряд
	Сыртқы фотоэффект	Ток
	p-n ығысудағы жартылай өткізгіштегі ішкі фотоэффект
	Фотоэлектромагнитті эффект	Кернеу
Күш, қысым, үдеу	Пъезоэлектрлік эффект	Заряд
Жылдамдық	Электромагнитті индукция	Кернеу
Ығысу	Холл эффектісі	Кернеу

Пироэлектрлік эффектісі бар түрлендіргіште пироэлектриктер(мысалы, сульфат триглицині) деп аталатын белгілі бір кристалдарда олардың температурасына байланысты болатын кездейсоқ электрлік поляризация болады. Бұл жағдайда түрлендіргіштің қарама-қарсы жатқан екі бетінде сол поляризацияға пропорционал болатын қарама-қарсы таңбалы электр зарядтары пайда болады Кристалға сіңірілген шаңылу ағыны конденсатордың қысқыштарындағы кернеудің өзгерісімен анықталатын сәйкес поляризацияның өзгерісіне және температураның өсуіне әкеледі. Пьезоэлектрлік эффектісі бар түрлендіргіште пъезоэлектрлік кристалдағы, мысалы, кварц, кернеудің механикалық өзгеруі кристалдың қарама-қарсы қырларында шамасы бойынша бірдей қарама-қарсы таңбалы электр зарядының пайда болуына әкеледі (9.6-сурет). Осылайша, күш немесе оған қатысты шамаларды (қысым,үдеу)өлшеу пьезоэлектриктің қысқыштары арасындағы кернеуді өлшеу арқылы жүзеге асады.

Сурет 9.5

- Электромагниттік индукция құбылысын пайдалатын түрлендіргіште тұрақты магнит

Электромагниттік индукция құбылысын пайдаланатын түрлендіргіште тұрақты магнит өрісіндегі өткізгіштің орнын ауыстырғанда оның орын ауыстыру жылдамдығына және магнит ағынының мәніне пропорционал ЭҚК пайда болады (9.6, г-сурет). Қозғалмайтын тұйық контурға айнымалы магнит өрісі әсер еткенде онда магнит ағынының өзгеру жылдамдығына мәні жағынан тең (және таңбасы бойынша қарама-қарсы) ЭҚК индукциаланалды. Қозғалмайтын контурға қатысты магнит өрісінің көзі ( мысалы, магнит) орын ауыстырғанда да ЭҚК туындалады. Осылайша, электромагнитті индукцияның ЭҚК-н өлшеу электомагнитті түрлендіргішті қозғалатын элементімен механикалық байланыста болатын объектінің орын ауыстыру жылдамдығын анықтауға мүмкіндік береді

Фотоэлетрлік эффект фотометрия негізі болып табылады және таратушысы жарық болатын аппараттың тасымалдануын қамтамассыз етеді.

Холл эффектісіне негізделген түрлендіргіш. Біртекті магнит өрісінде( магнит өрісі B векторы I топқа Ө бұрышын құрайды) орналасқан жартылай өткізгіштің үлгісі(пластина) арқылы өріске перпендикуляр бағытта электр тогын жібергенде U_x ЭҚК пайда болады:

мұндағы K_H-өткізу типіне және пластина өлшеміне байланысты(9.6, е-сурет).

Холл түрлендіргішін объектілердің орнын ауыстыруын және орын ауыстырғанда түрлентен шамаларды, мысалы, қысымды өлшеуде қолданады. Түрлендіргіштің тұрақты магнитін механикалық түрде объектпен байланыстырады, және де магнит ауытқығанда пропорционалды түрде түрлендіргіштен шығатын кернеу өзгереді (ток тұрақты болып қалады).

Сурет 9.6 – Пироэлектрлер

Параметрлі түрлендіргіштер. Параметрлі түрлендіргіштерде шығатын толық кедергінің кейбір параметрлері өлшенетін шама әсерінен өзгере алады. Түрлендіргіштің толық кедергісі, бір жағынан, оның элементінің геометриялық өлшемдеріне, екінші жағынан-материалдық қасиеттеріне: меншікті кедергісіне, магнит өткізгіштігіне және диэлектрлік тұрақтысына шартталады.

Осылайша, толық кедергідегі өзгерістер өлшенетін шаманың не түрлендіргіш элементің геометриялық өлшеміне, не оның материалының электрлік және магнитті қасиеттеріне, не кейде болатын екеуіне де бір уақытта әсер етуінен туындауы мүмкін. Егер түрлендіргіш құрамында қозғалатын не деформациаланатын элемент болса, түрлендіргіштің геометриялық өлшемдері мен оның толық кедергісінің параметрлері өзгеруі мүмкін.

Түрлендіргіштің қозғалатын элементінің әрбір орналасуына белгілі бір кедергі сәйкес болып табылады және де оның параметрлерін өлшеу арқылы элементтің орналасуын білуге болады. Бұл принциппен көптеген объектілердің орны мен орын ауыстыру түрлендіргіштері жұмыс істейді:потенциометрлік, индуктивті, көлемдік.

Деформация түрлендіргіштің сезімтал элементіне күштің (немесе оған байланысты шаманың- қысым, үдеу) әсер етуінің нәтижесі болып табылады.

Сезімтал элементтің деформациясынан пайда болған түрлендіргіштің комплексті кедергісінің өзгеруі сол түрлендіргіштің құрамында болатын арнайы өлшенетін схемадағы сәйкес электр сигналының өзгеруіне әкеледі.

9.6-кестеде параметрлік түрлендіргіштер көмегімен электрлік емес шамалардың түрлендірілуімен байланысты физикалық эффектілер тізімі келтірілген. Олардың ішінде резистивті түрлендіргіштерді еркше көрсету орынды.

Құрамында қорек көзі және сигналдың қалыптасуының схемасы бар арнайы электр тізбегіне түрлендіргішті қоса отырып, параметрлік түрлендіргіштің толық кедергісін және оның өзгерістерін өлшеуге болады. Көптеген жағдайда өлшеу схемаларының келесі түрлері қолданылады:

- құрамында параллель жалғанған кернеу көзі және түрлендіргіш – потенциометр бар потенциометрлік схема;

- түрлендіргіштің толық кедергісі бар айнымалы контур (сондай-ақ контур ауытқу генераторының бір бөлігі б.т. және оның жиілігін анықтайды);

- күшею коэффициентін анықтайтын элементтердің бірі болатын түрлендіргіш кедергісіндегі операциялық күшейткіш.

Кесте 9.6

Өлшенетін шама	Өлшенетін шама әсерінен өзгеретін электрлік сипаттама	Қолданылатын материалдар типі
Температура	Кедергі	Металдар (платина, никель, мыс) , жартылай өткізгіш
Өте төмен температура	Диэлектрлік өтімділік	Шыны, керамика
Оптикалық сәулелену ағыны	Кедергі	Жартылай өткізгіштер
Деформация	Кедергі	Никель балқымасы, кремний
Орын ауыстыру	Магнит өткізгіштік	Ферромагнитті балқымалар
	Кедергі	Магнитті резистивті материалдар: висмут, индий антимониді

9.6 кестенің жалғасы

Ылғалдылық	Кедергі	Хлорлы литий, амоний оксиді, полимерлер
	Диэлектрлік өтімділік
Сұйықтық мөлшері	Диэлектрлік өтімділік	Сұйық изоляциялы материалдар

Қиыстырылған түрлендіргіштер. Кейбір электрлік емес шамаларды өлшегенде, оларды әрқашан электрлікке түрлендіру мүмкін емес. Мұндай жағдайларда бастапқы өлшенетін шаманы кейін шығатын электрлік шамаға түрлендіру үшін өтпелі электрлік емес шамаға түрлендіру орындалады. Сәйкес екі өлшенетін түрлендіргіштің жиынтығынан қиыстырылған түрлендіргіш шығады (9.7- сурет).

Мұндай түрлендіргіштер екінші түрлендіргіштер сезімтал болып келетін бірінші түрлендіргіштегі деформация мен шығатын элементтің орын аустыруын туғызатын механикалық шамаларды өлшеуге ыңғайлы.

Мысалы қысымды деформациясы механикалық ығысуға әсер ететін түрлендіргіштің электр шамасына түрленетін алғашқы түрлендіргіш болып табылатын мембрана көмегімен өлшеуге болады

Сурет 9.7 - Түрлендіргішттердің схемасы

Индуктивті өлшенетін түрлендіргіштер. Генераторлы түрлендіргіштің жұмыс істеу принципі сәйкес өлшенетін шаманың энергияның электрлік формасына түрленуін қамтамасыз ететін белгілі бір физикалық құбылысқа негізделген.

Индукциялық өлшенетін түрлендіргіш деп жұмыс істеу принципі электромагниттік индукция заңына негізделген түрлендіргіш аталады. Түрлендіргіштің катушкасы болады. Түрлендіргішке кіретін шама әсер еткенде катушканың оған қатысты ішкі магнит өрісі бар тізбектік ағын  өзгереді:

мұндағы w – катушка орамдарының саны; Ф – катушка арқылы өтетін магнит ағыны; В – магнит индукциясы; S – катушканың көлденең қимасының ауданы.

Сондай-ақ катушкада ЭҚК байқалады:

Келтірілген w,В, S шамаларының уақыт бойынша кез-келгені өзгергенде ЭҚК байқалады.

Сурет 9.8 - Ауа саңылауында катушка айналатын тұрақты магниті бар магниттік жүйе болып табылатын түрлендіргіш

Мысал ретінде ауа саңылауында катушка айналатын тұрақты магниті бар магниттік жүйе болып табылатын түрлендіргішті қарастырайық (9.8- сурет).

Катушка Х осімен қозғалған кезде магнит өрісінде орналасқан катушканың қимасының ауданы өзгереді, .

Бұл тізбектік ағынның өзгеруіне алып келеді және катушкада ЭҚК байқалады:

Индукциялық түрлендіргіштер катушканың сызықтық және бұрыштық жылдамдықтарының ЭҚК-дегі магнит өрісінің орын ауыстыруын түрлендіру үшін қызмет етеді. Олар катушканың сызықтық және бұрыштық орын ауыстыруының механикалық энергиясын электрлікке түрлендіреді.

Жылдамдық және діріл түрлендіргіштері. Индукциялық түрлендіргіштер ЭҚК-ні тек қана катушканың магнит өрісінде орын ауыстырғанында ғана генерациялайды. Сол себептен түрлендіргіштердің бұл түрі аз шамадағы сызықтық орын ауыстыру кезіндегі ЭҚК-ң сызықтық жылдамдығын түрлендіру үшін қолданылуы мүмкін. Олар әдетте амплитудасы бірнеше сантиметрден аспаған кездегі теңселу жылдамдығын өлшеу үшін қолданылады.

Дірілдеу жылдамдығының түрлендіргішінің бір конструкциялық шешімі 9.9, а суретте көрсетілген. Түрлендіргіш болат жарманың 2 ішінде орналасқан магнит сақинадан 1 тұрады. Тұрақты магниттің магнит ағыны ауа саңылауы және цилиндр тәрізді өңделген полюс ұштары 3 арқылы орталық цилиндр жүрекшеге өтеді. Цилиндрлік ауа қабатында сол қабатта түрлендіргіш осімен орын ауыстыра алатын каркасқа оратылған өлшенетін катушка 4 бар.

Өлшенетін катушканы 4 шартты түрде 3-ке бөлуге болады ( 9.9, а - сурет.). I бөлік магнит өткізгіштен тыс орналасқан және магнит ағыны оған кірмейді, яғни катушканың бұл бөлігінің ЭҚК-і индукцияланбайды. II бөлік полюс ұштары және цилиндрлік жүрекше құрайтын ауа саңылауында орналасқан. Бұл катушканың орамдарынан өтетін магнит ағыны уақыт бойынша өзгермейді және де орамдар ағыны тұрақты болып қала береді. Катушканың бұл бөлігінде ЭҚК де байқалмайды. Катушканың III бөлігі ауа саңылауынан тыс, бірақ магниттік жүйенің ішінде орналасқан. Бұл катушканың орамдарынан өтетін магнит ағыны да тұрақты, бірақ катушканың теңселуі кезінде орамдар саны өзгереді. Орамдар санының өзгеруі тізбектік ағымның өзгеруіне және ЭҚК-ң байқалуына әкеледі. Әдетте катушка орамдары бірыңғай оратылады. Бұл жағдайда түрлендіргіштің ЭҚК-і теңселу жылдамдығына пропорционал.

а- сызықты діріл түрлендіргіші; б- бұрыштық діріл түрлендіргіші.

Сурет – 9.9

Индукциялық түрлендіргіштер сондай-ақ, бұрыштық теңселу жылдамдығын өлшеуде де қолданыла алады. Мұндай түрлендіргіштің схемасы 14.8,6 -суреттерде көрсетілген. Ол тұрақты магниттен 1, полюс ұштарынан 2, цилиндрлік болат жүрекшеден 3 және катушкадан 4 тұрады. Түрлендіргіш құрылысы магнитті-электрлік өлшеу механизмінің құрылысына ұқсас. Катушканы жүрекше осімен айналдырғанда оның тұрақты магнит өрісінің тізбектік ағыны өзгереді және өлшеу обьектісінің бұрыштық орын ауыстыруына пропорционал ЭҚК индукцияланады.

Тахометрлік түрлендіргіштер. Түрлендіргіштің мұндай типі электромашиналық генератор болып табылады. Мысал ретінде айналмалы тұрақты магниті бар синхронды түрлендіргішті қарастырайық (9.9,а - сурет).

Берілген түрлендіргіште тұрақты магниттің айналу кезінде пайда болатын магнит ағынының өзгеруі есебінен ЭҚК индукцияланады. Одан шығатын сигналдың жиілігі біліктің айналу жиілігіне тең немесе одан кем. Түрлендіргіш орамдар оратылған статордан 1, тұрақты магнит орнатылған ротордан 2 тұрады. Статор цилиндр тәрізді өңделген магнитті жұмсақ материалдан жасалған полюс ұштары ретінде көрсетілген. Магнит айналған кезде орам арқылы өтетін магнит ағыны өзгереді де, онда айнымалы ЭҚК өңделеді. ЭҚК-ң амплитудасы мен жиілігі ротордың айналу жиілігіне пропорционал.

Шығатын сигналдың жиілігі қатынаспен анықталады, мұндағы n-айналу жиілігі, айн/мин; p-полюс жұптарының саны. 9.10- суретте статорда 1 орналасқан тұрақты магниттен қозатын тұрақты токтың тахометрлік түрлендіргішінің схемасы көрсетілген.

Өлшеуіш приборды түрлендіргішке қосқанда соңғысы өлшеуіш тізбекке механикалық қуатқа пропорционал болып табылатын белгілі бір электр қуатын жібереді. Механикалық қуат келесі қатынаспен анықталады:

мұндағы -ротордың бұрыштық айналу жиілігі; М-электр қуатымен байланысты қажетті момент: мұндағы -ПӘК.

Келтірілген қатынастардан түрлендіргіш генерациялайтын ЭҚК жоғарлаған сайын оның білігіне түсетін механикалық қуатта өсетіндігі.

Сурет 9.10 - Тахометрлік түрлендіргіш.

а- орамы қозғалмайтын және магниті қозғалмалы; б – орамы қозғалмалы магниті қоғалмайтын.

Әдебиеттер:

1 нег.[284-328].

Бақылау сұрақтары:

1.Электрлі емес шамаларды электрлі өлшеуді кеңінен қолдану қалай түсіндіріледі?

2.Датчик деген не?

3.Тензодатчиктің жұмыс істеу принципі қандай принципке негізделген?

4. Пъезодатчиктер не үшін қолданылады?

5.Орын ауыстыру мен деформацияның электромагнитті датчиктерінің құрылысы мен жұмыс істеу принципі қандай?

6. Электрлік емес шамаларды электрлікке түрлендіргіштер қалай жіктеледі?