Лабораторная работа

Изучение бесконтактных датчиков, градуировка индукционного и ультразвукового датчиков

1. Цель работы

1. Изучение принципа действия назначения, и конструкции оптических, емкостных, индуктивных и ультразвуковых датчиков.

2. Проведение градуировки индукционного и ультразвукового датчиков.

2. Общие сведения о бесконтактных измерениях

Измерения, при которых не происходит непосредственного контакта датчика с анализируемой средой или объектом, называются бесконтактными. К датчикам, реализующим этот способ измерения, относятся оптические, емкостные, индукционные и ультразвуковые датчики. Наиболее часто они используются для определения положения объектов. Выходными сигналами датчиков может быть аналоговый сигнал (изменение выходного тока или напряжения пропорционально расстоянию до объекта) и дискретный (релейный). Последние носят название бесконтактных выключателей. Одной из основных характеристик является расстояние срабатывания, т.е. расстояние от объекта до активной поверхности датчика, при котором происходит изменение состояния выхода датчика,

3. Индуктивные датчики

В основе принципа действия индуктивного датчика, изображенного на рисунке 1.1 лежит воздействие металлического объекта на высокочастотный генератор. Расположенная на ферритовом сердечнике катушка колебательного контура (1) формирует в зоне активной поверхности датчика высокочастотное электромагнитное поле (2). Внесение в это поле металлического (электропроводящего) объекта (3) вызывает электрические потери в автогенераторе из-за возникающих в объекте вихревых токов. Величина этих потерь пропорциональна расстоянию между металлическим объектом и датчиком. Амплитуда колебаний автогенератора оценивается последующей схемой обработки, формирующий аналоговый или дискретный выходной сигнал.

Рисунок 1.1 - Индуктивный датчик

В датчиках с аналоговым выходом изменение выходного унифицированного сигнала (по напряжению 0…10 В и по току 0…20 мА) пропорционально изменению расстоянию до металлического объекта.

Индуктивные датчики с релейным выходным сигналом (бесконтактные выключатели) получили наиболее широкое распространение. Расстояние срабатывания для различных материалов объекта (сталь, латунь, медь, алюминий) будет различна. Индуктивные бесконтактные выключатели применяются при измерении числа оборотов вала, при контроле положения изделий при перемещении, при управлении и контроле положения запорной арматуры.

4.Емкостные датчики

Активная поверхность емкостного датчика образована двумя металлическими электродами, которые можно представить как электроды «развернутого» конденсатора в соответствии с рисунком 1.2.

Поверхности электродов А и В включены в цепь обратной связи высокочастотного конденсатора, который настроен таким образом, что при отсутствии каких-либо объектов возле поверхности электродов колебания тоже отсутствуют. Приближение объекта вызывает удлинение электрического поля перед по

верхностями электродов. Благодаря этому повышается емкость между пласти-

нами А и В и запускается автогенератор. Амплитуда колебаний оценивается

последующей схемой обработки, формирующий дискретный выходной сигнал.

Рисунок 1.2 - Емкостной датчик

Емкостные датчики срабатывают как от электропроводящих объектов, так и от диэлектриков. Объекты из электропроводящих материалов образуют по отношению к активной поверхности датчика своеобразный противоэлектрод. Таким образом формируется две емкости С_А и С_В, включенные последовательно в соответствии с рисунком 1.3.

Рисунок 1.3 - Виды срабатывания емкостных датчиков

Благодаря высокой проводимости металлы позволяют реализовать большее расстояние срабатывания, причем в отличие от индуктивных датчиков, расстояние срабатывания для различных металлов будет одинаково большим.

Если непроводящий материал вводится между пластинами конденсатора, емкость повышается в зависимости от диэлектрической постоянной материала ε, как показано на рисунке 3. Величина диэлектрической проницаемости для любого твердого или жидкого материала выше, чем диэлектрическая постоянная воздуха (ε_{воздуха} =1). Приближение объекта из любого материала к активной поверхности емкостного датчика ведет к увеличению емкости между электродами. Чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больше расстояние срабатывание. При работе с органическими материалами (зерно, древесина) расстояние срабатывание существенно зависит от содержания влаги в материале (ε_воды =81).

Емкостные датчики применяются в качестве сигнализаторов уровня при бесконтактном измерении в емкостях из диэлектрика (пластик, стекло) и при контактном измерении с контролируемой средой; при счете единиц продукции; при контроле заполнения бутылок и картонных упаковок; при контроле разрыва полотна и провода при намотке.