2.3.2 Индуктивные преобразователи в цепях постоянного тока. Занятие 22.

Индуктивное сопротивление в цепях постоянного может проявить себя только при изменении магнитного потока, тока или других величин в катушке. Это и используется в датчиках, включенных в цепи постоянного тока.

Датчик представляет собой катушку, с П-образным сердечником, включенную в цепь постоянного тока. Ток, протекающий по катушке, создает магнитный поток Ф. Вращающийся якорь из электротехнической стали, представляет собой диск, один сектор которого вырезан. При вращении якоря магнитная цепь катушки то замыкается (когда сердечник перекрывается сталью), то размыкается (когда против сердечника устанавливается вырезанный сектор).

Разомкнутая магнитная цепь имеет большое магнитное сопротивление и магнитный поток Ф, протекающий по сердечнику, невелик (см. первый участок диаграммы Ф). Когда якорь начинает перекрывать полюса, магнитное сопротивление уменьшается, магнитный поток Ф увеличивае тся. Увеличение магнитного потока продолжается до тех пор, пока сердечник полностью перекроет якорь (см. второй участок диаграммы Ф). Это показано на третьем участке диаграммы Ф. Пока сердечник перекрыт, поток Ф постоянен и максимален.

На четвертом участке диаграммы Ф поток убывает вследствие того, что против сердечника устанавливается вырезанный сектор. При дальнейшем вращении якоря процесс повторяется. Скорость изменения магнитного потока зависит от скорости вращения якоря и от формы стенок сектора. Скорость минимальна в начале и в конце перекрытия полюсов, максимальна, когда полюса перекрытии наполовину.

От скорости изменения магнитного потока через сердечник катушки зависит ЭДС Е, возникающая в катушке:

E = .

При возрастании магнитного потока в катушке возникает ЭДС одного направления, при убывнии—другого. При возрастании скорости изменения магнитного потока формируется фронт импульса. при убывании –срез. Когда магнитный поток не изменяется, ЭДС равна нулю.

По катушке протекает ток. Он создает на ней падение напряжения U. Когда имеются импульсы Е, напряжение на катушке

U_L = U + E.

Это показано на диаграмме. Чтобы избавиться от постоянной составляющей, установлен разделительный конденсатор С.

За один оборот якоря датчик вырабатывает два импульса, противоположной полярности. Избавиться от одного из них можно с помощью диодов.

Датчик является индуктивным импульсным датчиком. Датчик безотказен, прост, надежен, механически прочен и может работать при достаточно широком диапазоне температур.

2.4 Ёмкостные преобразователи. Занятие 23.

В емкостных преобразователях меняется емкость в зависимости от изменения измеряемой величины.

Емкость конденсатора

С=₀ ,

где  – относительная диэлектрическая проницаемость среды,

₀ – диэлектрическая постоянная (₀=8,85*10^-12 ),

S – площадь пластины конденсатора,

d – расстояние между пластинами.

Из формулы видно, что при измерениях преобразователем, чувствительным элементом которого является емкость, можно менять S, d, .

Датчики работают на переменном напряжении при f>400 Гц (при меньших частотах мала чувствительность). Емкостные датчики включают в измерительную мостовую схему.

Измеритель уровня жидкости, представляет собой две параллельные пластины, установленные в емкости.

Емкость С конденсатора зависит от площади пластин, покрытой жидкостью. Выше уровень жидкости – больше площадь, больше емкость. Емкостью пластин. лежащих выше уровня жидкости, можно пренебречь.

Е мкостный датчик давления представляет собой конденсатор, одна из обкладок которого выполнена в виде мембраны. Между мембранами создается давление воздуха, относительно которого измеряется внешнее давление. При внутреннем давлении p =100 кПа (1Ат) датчик измеряет избыточное давление (АТИ)

Дифференциальный датчик усилия включают в мостовую схему, позволяющую определить величину и направление усилия. Сила F изгибает мембрану. Нулевое положение мембраны определяется пружиной и начальным усилием. Мембрана может изгибаться в обе стороны. В результате изгиба мембраны меняется емкость одного из плеч мостовой схемы.

Дифференциальный емкостный датчик можно использовать в качестве емкостного датчика толщины ленты или толщины лакокрасочного покрытия. Лента протягивается между обкладками конденсатора. Толщина ее меняет емкость одного или другого плеча, что определяется мостовой схемой.

2.5 Фотоэлектрические (импульсные, муаровые) преобразователи.

2.5.1 Импульсные преобразователи. Занятие 24.

В состав фотоэлектрических преобразователей входят источник света и приемник. Приемники работают на основе внешнего или внутреннего фотоэффекта. При внешнем фотоэффекте ток эмиссии фотокатода зависит от освещенности. При внутреннем фотоэффекте активное сопротивление фотоприемника зависит от освещенности.

В качестве источников света используют различные приборы, излучающие свет в диапазонах от инфракрасного до ультрафиолетового, в том числе и лампы накаливания.

Широкое применение нашли светодиодные излучатели. В них используется явление излучения света р-n – переходом при прохождении через него прямого тока. Яркость свечения линейно зависит от плотности тока, цвет – от материала.

Все большее применение находят лазерные светодиоды, обладающие когерентным излучением.

К приемникам излучения относятся:

а) электровакуумные или газонаполненные фотоэлементы; фотоэлектронные умножители (ФЭУ); передающие электронно-лучевые трубки. В них используется внешний фотоэффект;

б) фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы – приборы, использующие внутренний фотоэффект.

Фоторезисторы обладают очень высокой чувствительностью (по сравнению с фотоэлементами). Величина тока зависит от размера активной области фоторезистора и достигает десятков мА.

Недостатки фоторезисторов заключаются в инерционности (постоянная времени τ -- до десятых долей секунды) и в зависимости от температуры.

Фотодиоды имеют два режима работы: фотогальванический и фотодиодный. При фотогальваническом эффекте под действием света на p-n – переходе возникает ЭДС (генераторный преобразователь). При фотодиодном эффекте к фотодиоду прикладывается напряжение обратной полярности. Обратный ток зависит от освещенности p-n – перехода. При увеличении освещенности ток увеличивается, что и используется.

В фототранзисторах используется возможность управления транзистором не только с помощью тока базы, но и путем освещения базы светом. В фотодиодах, фототранзисторах используется фотослой Ge (германий), Si (кремний), Se (селен).

В фотоэлектрических датчиках используются фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы. Фотоприемник может работать в дискретном или аналоговом режиме. Применяются следующие датчики работающие в дискретном режиме:

1)датчики положения (концевые датчики);

2)датчики скорости и перемещений;

3)кодовые датчики положения (круговые и линейные);

4)датчики размеров деталей – для бесконтактных измерений.

В о всех случаях используется подвижная диафрагма (в качестве которой может служить сама измеряемая деталь), перекрывающая световой поток от источника к приемнику. На рис. показана диафрагма с зубцами, служащая для создания импульсов в приемнике, количество которых пропорционально числу оборотов диафрагмы. Такой преобразователь может использоваться в датчиках пути, скорости, ускорения.

На рис. показана возможная электрическая схема такого датчика. При закрытой диафрагме транзистор закрыт. На нем падает почти полное напряжение питания, что воспринимается как логическая единица. При открытой диафрагме транзистор освещен и открыт. Напряжение на нем близко к нулю, что воспринимается как логический ноль. При медленном вращении диафрагмы переход от единицы к нулю и наоборот может быть достаточно долгим. Это может привести к "дребезгу", что недопустимо. Поэтому вместо логического элемента в датчиках, имеющих возможность медленного вращения, устанавливают пороговый элемент (триггер Шмитта).

В кодовых датчиках положения светодиоды установлены на каждой линии расположения фотоприемников на перемещающемся объекте, а фотоприемники—на неподвижной

позиции в положениях, соответствующих коду. Количество светодиодов, расположенных в одну линию, равно колчеству разрядов максимального кода.

В литературе фотоэлектрические преобразователи часто называют оптическими преобразователями, чтобы подчеркнуть, что первичным преобразователем является оптический элемент.

Фотоэлектрические импульсные преобразователи просты, дешевы, малогабаритны. Недостатком их является возможность воздействия на них постороннего света или непрозрачность среды (пыль, гряз и проч.).