12. Датчики электрических и неэлектрических величин
12.1 Общие сведения
Датчики – чувствительный элемент «АУ», воспринимающий контролируемую величину и преобразующий её в сигнал, удобный и достаточный для передачи на расстояние и для воздействия не исполнительные устройства «АУ»
Датчики могут быть параметрические и генераторные как электрические датчики.
В параметрических изменение величины неэлектрической природы преобразуется в изменение параметра электрической цепи: активное, индуктивное, ёмкостное сопротивление.
В генераторных изменение неэлектрической величины преобразуется в электродвижущую силу.
Датчики могут быть пневматические, в котором преобразуется изменение результирующего параметра в выходной сигнал в виде давления сжатого воздуха.
Чувствительность датчика равна Sд:
,
(23)
где
–
приращение (изменение) выходной величины;
–
приращение (изменение) входной величины.
12.2 Датчики активного сопротивления
12.2.1 Реостатные и потенциометрические датчики
Выполняется в виде переменного градуированного сопротивления, подвижный контакт которого связан с преобразуемым элементом. Датчики представляют собой проволочный реостат, ползунок которого перемещается под воздействием контролируемого или регулируемого параметра.
Составные части датчика: каркас в виде плоской или цилиндрической пластины; обмотка из проводов с большим удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления, например, из константана, манганина, нихрома (при малых контактных давлениях используется серебро, платина, золото); ползунок.
Непрерывному изменению входного параметра датчика соответствует ступенчатое (дискретное) изменение сопротивления, равное значению одного витка обмотки. Это приводит к погрешности измерения, которую можно уменьшить за счет уменьшения диаметра проволоки. При создании датчика стремятся к тому, чтобы было как можно больше витков датчика на единицу входного параметра, что приводит к уменьшению дискретности выходной характеристики.
Потенциометрический датчик представляет собой реостат, включенный по схеме делителя напряжения. В режиме холостого хода выходное напряжение датчика Uвых равно
,
(24)
где I – ток датчика; Rх – сопротивление введенной части датчика; Uвх – входное напряжение питания датчика; Rп – полное сопротивление датчика.
Если намотка датчика выполнена равномерно и сопротивление проволоки на единицу длины постоянно, то справедливо выражение
,
(25)
где
x
– перемещение ползунка датчика,
соответствующее Rx;
- длина обмотки датчика, соответствующая
Rп.
Вместо ползунка для таких датчиков может быть использована щетка из серебра или сплавов на основе благородных металлов, которая скользит по проводу, прижимаясь к нему с некоторым усилием, контактным давлением.
Рисунок 35 – Схемы включения потенциометрических датчиков
Статическая характеристика такого датчика линейна и располагается в области первого квадранта, а датчик называется однотактным и определяет только величину перемещения без учета знака этого перемещения. Для определения знака перемещения датчик выполняют двухтактным. На рисунке 1 приведены схемы включения потенциометрических датчиков как делителей напряжения. Они могут быть нагружены и ненагружены.
Соотношение 25 справедливо для ненагруженного датчика (рисунок 25а). На рисунке 25б приведена нагруженная схема, для которой Uвых равно:
,
(26)
где
- соотношение сопротивления нагрузки
и полного сопротивления датчика.
Выходная характеристика становится нелинейной. На рисунке 1в приведена двухтактная ненагруженная схема, в которой
.
(27)
В отличие от однотактных схем эта схема обеспечивает получение знакопеременного напряжения на выходе, но масштаб напряжения уменьшается вдвое.
При нагруженной двухтактной схеме (рисунок 1г):
.
(28)
На рисунке 1д приведена реостатная схема, используемая обычно в устройствах ввода и отработки следящих систем, когда напряжение, подаваемое на вход реостата, превышает его номинальное рабочее напряжение.
Величину масштабного сопротивления Rм определяют по формуле:
,
(29)
где Rи и Uи – измеряемое сопротивление и напряжение; U0 – калиброванное напряжение.
Потенциометрические датчики в устройствах автоматики применяют, в основном, для измерения угла поворота различных приборов и механизмов. С выходных клемм таких датчиков снимают напряжение постоянного или переменного тока, пропорционального углу поворота ползунка или щетки потенциометра. К датчикам угла поворота относятся прецизионные потенциометры типа ПЛ1, ПЛ2, ПП, ПД, ПК. Потенциометрические датчики угла поворота, применяемые как датчики крена летательных апппаратов – ДК-3, ГДК-52, дополнительно используют гироскопический эффект.