1.2.1. Чувствительные элементы и датчики

Чувствительный элемент является неотъемлемой частью каждого автоматического регулятора. Чувствительные элементы классифицируются в зависимости от физической природы входной и выходной величины (электрический или неэлектрический вход и выход), а также по измеряемой ими величине (уровень давления, температура, расход).

Для получения электрического сигнала, пропорционального измеряемой величины, первичный чувствительный элемент сопрягают с преобразующим устройством или датчиком. Схема такого сопряжения показана на рис. 1. Рассмотрим кратко основные типы датчиков.

Рис. 1. Схема сопряжения первичного чувствительного элемента с датчиком:

х₁ – входной сигнал; х₂ – выходной сигнал чувствительного

элемента; х₃ – выходной сигнал датчика

Контактные датчики применяются в релейных САР и предназначены для преобразования линейных либо угловых перемещений чувствительного элемента в электрический сигнал.

Рис. 2. Схемы контактных датчиков:

а – одностороннего; б - двустороннего

Различают односторонние и двусторонние контактные датчики. Принцип действия таких датчиков показан на рис. 2. Нечувствительность контактного датчика определяется величиной зазора .

К датчикам, работающим на принципе изменения омического сопротивления, относятся потенциометрические, угольные, тензометрические и др.

Потенциометрические или реостатные датчики преобразуют угловое или линейное перемещение в электрическое напряжение (рис. 3). Зависимость между выходной x_вых или входной x_вх величинами определяется соотношением

, (1)

где а — перемещение движка потенциометра;

а_max — полная длина рабочей части потенциометра.

Если необходимо, чтобы датчик реагировал на знак входного перемещения, надо выполнить его по схеме, приведенной на рис. 3, б.

Рис. 3. Схемы потенциометрических датчиков:

а – одноконтактного; б - двуконтактного

Тензометры изготавливаются из проволоки диаметром в несколько десятков микрон (рис. 4, а, б) либо из фольги (рис. 4, в). Тензометры приклеивают к детали, деформацию которой необходимо измерить. При деформации детали происходит также деформация проволочек тензометра, в результате чего изменяется их поперечное сечение, длина, удельное сопротивление.

Рис. 4. Схемы тензометрических датчиков:

а, б – проволочных; в – из фольги

Принцип действия индуктивных датчиков основан на изменении индуктивного сопротивления катушки с железным сердечком при перемещении железного якоря. На рис. 5 показано схематическое устройство такого датчика. Входной координатой этого датчика является зазор , а выходной – ток в катушке. Сила тока в цепи переменного тока определяется из выражения

, (2)

где R — омическое или активное сопротивления катушки;

 — частота переменного тока;

U₀ — напряжение в сети переменного тока;

L — индуктивность катушки.

Рис. 5. Схема индуктивного Рис. 6. Схемы емкостных

датчика датчиков

Емкостный датчик представляет собой конденсатор, емкость которого зависит от площади пластин, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды между пластинами. На рис. 6, а показан датчик с изменяемой площадью пластин, а на рис. 6, б – с изменяемым расстоянием между пластинами.

Магнитоупругий датчик состоит из магнитопровода, на котором расположена индуктивная катушка (рис. 7). При сжатии магнитопровода его магнитная проницаемость изменится, в результате чего изменится полное электрическое сопротивление катушки, помещенной в цепи переменного тока.

Рис. 7. Схема магнитоупругого Рис. 8. Схема пьезо-

датчика электрического датчика

В пьезоэлектрических датчиках (рис. 8) использован эффект появления зарядов на гранях некоторых кристаллов (турмалин, кварц, сегнетова соль) при их механической деформации. Для увеличения чувствительности датчик составляют из нескольких пластин.

Для измерения частоты вращения широко применяются датчики частоты вращения или тахометрические генераторы постоянного и переменного тока. Напряжение, снимаемое с коллектора тахометрического генератора, пропорционально частоте вращения ротора.

Для передачи на расстояние углового перемещения какого-либо вала используются датчики углового перемещения или сельсины. В конструктивном отношении сельсин представляет собой электрическую машину, на роторе (статоре) которая размещена однофазная обмотка возбуждения, а на статоре (роторе) – трехфазная обмотка синхронизации. В том случае, если передаваемый крутящий момент имеет небольшое значение, сельсины включаются по схеме индикаторного режима. При больших значениях передаваемого крутящего момента включение осуществляется по трансформаторной схеме. Схема включения сельсинной пары при работе в индикаторном режиме приведена на рис. 9. Ротор сельсина-датчика СД связан с командной осью. Ротор сельсина-приемника СП связан с исполнительной осью.

Рис. 9. Схема датчика углового перемещения

При равенстве углов ₁ и ₂ ротора датчика и приемника ЭДС в соответствующих обмотках статора приемника и датчика совпадают как по фазе, так и по величине. Так как эти обмотки включены навстречу друг другу, то токи в обмотках и проводах соединительных линий отсутствуют и система находится в равновесии. При нарушении равенства углов ₁ и ₂ ЭДС соответствующих статорных обмоток датчика и приемника не будут равны. В связи с этим под влиянием разности ЭДС в соединительных проводах появятся токи, возникнут соответствующие вращающие моменты, которые будут действовать до тех пор, пока сельсина-приемника не повернется на тот же угол, на который был повернут сельсин-датчик.