2.4. Датчики – генераторы

НАПОМНИМ: генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.

Такие датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются как бы генераторами электроэнергии.

Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей).

Виды:

- индукционные;

- термоэлектрические;

- пьезоэлектрические;

- фотоэлектрические и др.

1. Индукционные датчики

- преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС индукции.

Принцип действия датчи­ков основан на законе

электромагнитной индукции (электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Электродвижущая сила - ЭДС, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.

Величина ЭДС не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:

где  — электродвижущая сила,

 — число витков,

 — магнитный поток через один виток.).

Конструкции индукционного датчика

А. Датчик на основе индукционного преобразователя обычно состоит из постоянного магнита с электрической обмоткой и зубчатого диска (воздуш­ный зазор (0,8…1,5 мм). При вращении диска напротив магнита оказывается то зуб, то впадина, что приводит к изменению магнитного потока в системе магнит-диск. Это изменение магнитного потока индуцирует в обмотке преобразователя переменную ЭДС, частота которой пропорциональна скорости вращения диска и числу зубьев или выступов на нем.

Чувствительность индукционных датчиков зависит от скорости вращения задающего диска-ротора. Современные датчики выполняются, как правило, на основе магнитоуправляёмых микросхем, благодаря чему выдают сигнал даже при остановленном зубчатом диске.

ПРИМЕРЫ:

1. Датчик АБС автомобиля.

Осциллограммы сигналов датчика угловой скорости для АБС автомобиля:

1 - нормальный. 2 – изношен подшипник изношен, 3 - пропущен один зубец.

Частота выходного сигнала пропорциональна скорости вращения автомобильного колеса. ЭБУ АБС использует эту информацию для определения скорости вращения колес и ускорения при торможении.

2. Датчик качания или удара.

На спиральной пружинке из тонкой проволоки укреплен небольшой кусочек магнитомягкого железа, при качании или толчке он взаимодействует со статором датчика, который вырабатывает серию апериодических импульсов

Магнитомягкое железо - эластичный гибкий материал, изготовленный на основе железного порошка. Обладает характеристиками гибких магнитных листов.

Легко режется, сгибается, скручивается или может быть обработан практически в любую форму.

 Данный продукт не является магнитным материалом. Тем не менее, имеет отличную магнитную восприимчивость

3. Тахометр

Датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя. Статор датчика укреплен на кожухе маховика в непосредственной близости от зубчатого венца маховика.

4. Спидометр.

Для измерения скорости движения автомобиля зубчатый ротор датчика укрепляется на выходном валу коробки передач или на блоке коробки передач вместо гибкого вала (устаревшая конструкция).

5. Одометр.

Колесо

Измерение пути автомобиля производится с помощью зубчатого диска, укрепленного на не приводном колесе (рис.6). Одновременно используется как датчик АБС

В. Тахогенераторы - датчики угловой скорости.

 

Тахогенератор представляет собой электрическую машину, работающую в генераторном режиме, при вращении вала которой на выходе вырабатывается электрическое напряжение. Величина этого напряжения (ЭДС) пропорциональна скорости вращения вала тахогенератора. Кроме того, с изменением скорости вращения изменяется частота ЭДС.

Виды:

а) тахогенераторы постоянного тока — измерительный генератор, поток возбуждения в котором создаётся постоянным магнитом или независимой обмоткой.

б) тахогенераторы переменного тока

- синхронного типа - с постоянным магнитом в качестве ротора;

- асинхронного типа (получили наибольшее распространение) по конструкции подобны асинхронным электродвигателям с полым короткозамкнутым ротором. На статоре такого тахогенератора расположены под углом 90° две обмотки, одна из которых (обмотка возбуждения) питается переменным током постоянной частоты и постоянного напряжения, а вторая является выходной, и к ней может быть подсоединён измерительный прибор (вольтметр, отградуированный, например, в об/мин).

Достоинства:

- пара тахогенератор — тахометр не требует дополнительных источников питания, проста и достаточно надёжна в работе.

Недостатки:

- тахогенераторы не могут измерять очень медленное вращение, получающийся сигнал чересчур мал;

- тахогенератор создаёт дополнительную нагрузку на вращающийся вал и содержит трущиеся детали, требующие регулярного ухода.

PS. С развитием электроники тахогенераторы заменяются на схемы с оптронами открытого типа, реагирующими на отражение света от меток на вале или на прерывания луча света крыльчаткой, размещённой на валу — датчики угла поворота (энкодеры).

ПРИМЕР 1

Тахогенератор ТП212-0,20-0,5 предназначен для работы в качестве датчика скорости в системах автоматического регулирования частоты вращения электродвигателей прокатных станов и других металлургических агрегатов в условиях повышенной влажности, запыленности и вибраций.  

ПРИМЕР 2

Асинхронный двигатель с тахогенератором, имеющего ротор из постоянного магнита и общий вал с ротором двигателя.