2.2.2.Потенциометрические датчики. Занятие 20.

Потенциометрические датчики служат для преобразования механических перемещений в электрический сигнал. Преобразователь представляет собой потенциометр, скользящий контакт которого перемещается измеряемым объектом. Потенциометрические датчики относятся к электроконтактным датчикам.

И змеряемое перемещение Х зависит от положения движка и может изменяться от 0 до L. U_ВЫХ=kX, где k - коэффициент пропорциональности. Датчик представляет собой обмотку из тонкого провода (манганин, константан), намотанного на жесткий каркас. От усилия прижатия движка к обмотке зависят многие параметры. Движок изготавливается из серебра, серебра с палладием, фосфористой бронзы. Рычажные системы позволяют получить необходимую чувствительность. Форма и вид преобразователей могут быть самыми разнообразными.

Статическая характеристика преобразователя сильно зависит от сопротивления нагрузки. Поэтому преобразователь обычно подключают к одной постоянной нагрузке, под которую рассчитывают датчик. Чтобы получить меньший скачок напряжения при переходе от витка к витку, нужен более тонкий провод. Но это влияет на механическую прочность (или габариты) датчика. При толстом проводе возникает большой скачок напряжения при переходе с витка на виток. Иногда применяют многооборотные потенциометры со сложным перемещением движка вдоль витков.

Функциональные датчики позволяют получить выходной сигнал, зависящий от положения движка не по линейному, а другому, зависящему от формы поверхности катушки, закону. Закон изменения выходной величины можно задать и количеством витков на единицу длины каркаса катушки.

Скользящий контакт

Форма катушки

Намотка

Потенциометрические датчики применяются в качестве:

датчиков уровня жидкостей,

датчиков давления газов и жидкостей,

в других подобных системах.

Следует отметить их недостаточную точность.

К датчикам, основанным на изменении сопротивления, относятся тензометрические датчики (тензометры). Их обычно используют для измерения деформаций. Тензометры представляют собой изогнутую змейкой проволоку диаметром 0,01…0,05 мм, наклеенную на бумажную или пластмассовую основу. Материалом служит константан (для уменьшения температурных влияний) или алюминиевая фольга (качество таких тензометров значительно ниже). Тензометры наклеивают в опасном месте (например, на трещине в стене). При деформациях проволока растягивается, ее сопротивление R= ,( где ρ—удельное сопротивление, l –длина проводника, s—его поперечное сечение) изменяется. Сопротивление тензодатчиков R=50…2000 Ом. Тензодатчики могут изготавливаться в интегральном исполнении. В этом случае они значительно точнее.

2.3 Индуктивные преобразователи

2.3.1 Индуктивные преобразователи в цепях переменного тока. Занятие 21.

Индуктивные преобразователи преобразуют перемещение в электрический сигнал.

Перемещения приводят к изменению магнитного зазора, который определяет магнитное сопротивление R_м магнитной цепи, либо индуктивность L, либо взаимоиндуктивность М. Эти преобразователи часто относят к параметрическим: L=f(x), M=f(x) (меняется параметр L, или M).

Индуктивные преобразователи служат для измерения сил, давления, температуры, свойств магнитных материалов, толщины немагнитных покрытий на стали, расхода газов и жидкостей.

Достоинства: простота, дешевизна, механическая прочность, надежность, высокая чувствительность, возможность измерения малых и больших перемещений.

Недостатки: возможность влияния внешних магнитных полей, частоты питающего напряжения U.

Возможна следующая классификация индуктивных датчиков:

• простые индуктивные – меняется R_м,, а следовательно, индуктивность L (параметрические преобразователи);

• дифференциальные индуктивные преобразователи (реверсивные);

• трансформаторные индуктивные;

• магнитоупругие (меняется магнитная проницаемость μ материала в зависимости от усилия сжатия или растяжения материала);

• генераторные (ЭДС зависит от скорости перемещения или зазора).

Простые индуктивные преобразователи представляют собой обмотку, намотанную на ферромагнитный сердечник, магнитная цепь которого замыкается перемещающимся якорем . Датчик и измерительная схема последовательно подключаются к источнику переменного напряжения. Якорь перемещается относительно сердечника. При этом эффективная площадь S_m магнитного потока Ф в области зазора меняется. Магнитный поток , где I—ток катушки, w—число витков катушки (Iw—магнитодвижущая сила—МДС), R_M—магнитное сопротивление магнитной цепи.

Индуктивность обмотки меняется в зависимости от величины магнитного сопротивления R_м

R_м= R_стали + R_зазора = R_стали + ,

S_M – площадь поперечного сечения зазора ;

- магнитная проницаемость воздуха.

Сопротивление обмотки Z=R+jL, ток I= зависит от  и S_M.

Статическая характеристика датчика (зависимость тока от перемещения Х) и зависимость сопротивления Z от величины перемещения Х показаны на рис. 3.26.

Перемещение X берется в сторону увеличения от положения якоря =0. При =0 I=I₀; так как при =0 Z=Z_MAX ток I₀ является минимальным током. Сердечник магнитной цепи ненасыщен и сопротивление магнитной цепи зависит от магнитной проницаемости  стали.

- начальное значение, Z уменьшается в зависимости от увеличения зазора , или от изменения площади S (и то и другое на графике обозначено X).

Имеется область АВ, где график почти прямая линия. В этой области обеспечивается почти прямая пропорциональность между током и перемещением. На этой части характеристики работают датчики.

В индуктивных датчиках должен быть начальный зазор, чтобы обеспечить перемещение в обе стороны. Начиная с точки В, происходит резкое уменьшение скорости изменения тока – зазор очень велик и небольшие перемещения роли не играют.

Индуктивные датчики включают обычно в мостовую схему переменного тока.

Следует учесть, что катушка притягивает якорь, так как в ней протекает ток I от постороннего источника. Эту силу надо компенсировать.

В дифференциальных преобразователях последовательно соединяются катушки двух про- настых индуктивных преобразователей, у которых общий якорь. Важным условием является равенство индуктивностей катушек L₁=L₂, когда якорь находится в среднем положении. Обмотки подсоединены так, что по нагрузке Z_Н токи от каждого плеча протекают в противоположном направлении. Если якорь датчика находится в среднем положении, то

I_нагр = I₁ - I₂

При перемещении якоря влево L₁ увеличивается, L₂ уменьшается, Z1 увеличивается, Z₂ уменьшается, I₁ уменьшается, а I₂ увеличивается ( ). Ток нагрузки I_нагр изменяется в зависимости от величины и направления перемещения якоря.

Дифференциальные датчики обладают следующими качествами:

а) реверсивной характеристикой;

б) большим участком линейности;

в) катушки притягивают якорь одинаково;

г) выходной сигнал при перемещении =0 равен нулю;

д) фаза тока при переходе через нулевое положение меняется на противоположную (180⁰), это дает возможность фазовых измерений.

Дифференциальный датчик как бы приспособлен для включения в мостовую схему

В трансформаторных индуктивных датчиках имеется две обмотки, на одну из которых подается переменное напряжение, а с другой снимается сигнал. Коэффициент взаимоиндукции обмоток меняется при перемещении якоря. В трансформаторных датчиках отсутствует непосредственная связь между цепью питания и измерительной цепью.

ЭДС вторичной обмотки E₂ максимальна при зазоре =0. В этом случае весь магнитный поток сцепляется со вторичной обмоткой, число витков которой w₂, и он максимален, так как магнитное сопротивление R_М минимально ( , ).

С увеличение  Е₂ убывает.

Недостатком трансформаторных датчиков является нелинейность характеристики.