8. Электронные датчики

Электронный датчик (механотрон, рис. 1.46, а), преобразующий механические величины в электрический сигнал, представляют собой электронную лампу, отдельные электроды которой под влиянием внешних воздействий могут смещаться относительно других. Конструктивно механотрон представляет собой диод с перемещаемым анодом 2 или триод с перемещаемым анодом или сеткой. Механотрон выполняется так, чтобы под воздействием измеряемой величины (перемещения, усилия, ускорения) подвижный анод 2 перемещался параллельно неподвижному катоду 1. С увеличением расстояния между катодом и анодом напряженность электрического поля уменьшается, что приводит к уменьшению анодного тока.

Свойства любого механотрона характеризуются чувствительностью к перемещению по току k_i, напряжению k_u и силе k_p:

При измерениях необходимо, чтобы механотрон был защищен от прямых потоков теплого и холодного воздуха, а колебания окружающей температуры не превышали ±1 ºС и направление механического воздействия было перпендикулярно к плоскости анодов. Линейность выходной характеристики механотрона с точностью не ниже 1 % сохраняется при сопротивлении анодных нагрузок, большем внутреннего сопротивления каждого диода в 2–2,5 раза.

Рис. 1.46. Электронные датчики

На рис. 1.46, б показана схема включения механотрона в измерительную цепь. На рис. 1.46, в представлен тиратронно-механический преобразователь для обнаружения растений. В исходном состоянии тиратрон 1 потушен, а конденсатор 2 заряжен до напряжения источника питания. В случае прикосновения электродов 3 к растению тиратрон зажигается, срабатывает электромагнитное реле 4, являющееся источником информации о наличии растений. В момент включения тиратрона конденсатор разряжается через тиратрон и катушку до уровня напряжения затухания. Затем тиратрон гаснет, реле выключается, а конденсатор заряжается через резистор 5 до напряжения источника, и схема возвращается в исходное состояние.

9. Емкостные датчики

Емкостные датчики (рис. 1.47) представляют собой конденсаторы с изменяющимся зазором d (см) между обкладками, площадью перекрытия пластин F (см²) или диэлектрической проницаемостью  (nФ/см). Изменение входной величины вызывает изменение емкости конденсатора.

Рис. 1.47. Емкостные датчики

Емкость плоского конденсатора С и его сопротивление R_c определяются формулами:

,

,

где f – частота питающей сети.

Емкостные преобразователи с переменным зазором между пластинами (рис. 1.47, а, б) служат для измерения линейных перемещений с точностью до 0,1–0,01 мкм; с переменной площадью (рис. 1.47, ж) для измерения линейных и угловых перемещений; с изменением диэлектрической проницаемости среды (рис. 1.47, в) – для измерения уровней, влажности, температуры, химического состава и пр.

Для повшения точности измерения и чувствительности применяется дифференциальное устройство (рис. 1.47, г), емкости которого включены в соседние плечи мостовой схемы (рис. 1.47, д). На рис. 1.47, е показана резонансная схема включения.

10. Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики (рис. 1.48) используются в сельскохозяйственной автоматике при измерении усилий, давлений, вибраций, для ориентации машин и в других случаях.

Рис. 1.48. Пьезоэлектрические датчики:

а, б – пьезоэлемент, работающий на сжатие, и его схема включения;

в, г – элементы, работающие на изгиб; д – элемент, работающий на сдвиг

В них используется пьезоэлектрический эффект, сущность которого заключается в том, что под действием приложенного усилия на гранях некоторых кристаллов (кварца, титаната бария, турмалина, сегнетовой соли и др.) появляются электрические заряды (прямой пьезоэффект). При внесении пьезоэлемента в электрическое поле он деформируется (обратный пьезоэффект). В пьезоэлементах различают три оси: оптическую Z и перпендикулярные к ней электрическую (пьезоэлектрическую) Х и механическую У. При действии силы Р вдоль оси Х (сжатие или растяжение), на гранях, перпендикулярных к оси X, возникают разнополярные электрические заряды Q (продольный пьезоэффект). При действии силы вдоль оси У на тех же гранях также возникают разнополярные электрические заряды (поперечный пьезоэффект). При действии силы вдоль оси Z пьезоэффект отсутствует. Знаки зарядов определяются направлением силы Р (растяжение или сжатие).

Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем k₀:

при продольном пьезоэффекте: k₀ = Q_хlP_х;

при поперечном пьезоеффекте:

Пьезоэлемент представляет собой пластину кристалла 1 с обкладками 2 на гранях f_x (см. рис. 1.48, а). Напряжение между обкладками 2 при отсутствии нагрузки и без учета емкости измерительной схемы (см. рис. 1.48, б):

,

где  – диэлектрическая постоянная материала пластины;

d – толщина пластины.

Промышленностью освоен выпуск пьезоэлементов на базе кварца и турмалина (ТБ-1, ТБК-3, ТБКС, НБС-1, ЦТС-19, ЦТС-23, ЦТБС-1, ЦТБС-3).

Выпускаются пьезоэлементы, работающие на изгиб (см. рис. 1.48, в, г) и на сдвиг (см. рис. 1.48, д). Пьезоэлемент, работающий на изгиб, состоит из двух одинаковых, склеенных между собой балок или пластинок 1, между которыми находится металлическая фольга 2.

При соответствующей поляризации элементов можно получить либо сумму напряжений (см. рис. 1.48, б), либо сумму зарядов (см. рис. 1.48, г). Пьезоэлементы, работающие на сдвиг, выполняют в виде колец 1, в которые вклеен внутренний электрод 2, вклеенных во внешний электрод 3. При такой конструкции пьезоэлементы обладают малой боковой чувствительностью.

Если приложенная сила Р_х постоянна, то с течением времени (t) происходит стекание заряда и напряжение на выходе изменяется по экспоненциальному закону. Поэтому пьезоэлектрические элементы применяют в основном для измерения усилий, изменяющихся с частотой выше 15 кГц.

Выходное напряжение их обычно невелико, поэтому в системах автоматики они используются с усилителями.

На рис. 1.48, е показан пьезоэлектрический преобразователь системы автоматического вождения зерноуборочных комбайнов по бровке нескошенного хлеба. В стержневом корпусе 1 установлены пьезоэлементы в виброзащитных блоках из резины. Их воспринимающие части 2 в виде игл с одним или несколькими зубьями выступают на величину до 1 мм через отверстия в корпусе. Механические колебания воспринимающей части 2 вызывают появление механических напряжений в пьезоэлементе, вследствие которых возникает пропорциональная им ЭДС на основе пьезоэффекта. Преобразователь устанавливается на левом полевом делителе жатки комбайна под углом _д к продольной оси комбайна на высоте примерно 0,6 высоты растений.