2513

81

17 ДАТЧИКИ

Датчиком называется электрический аппарат, который производит непрерывное ( пропорциональное) преобразование величины контролируемого параметра в другую электрическую или неэлектрическую величину удобную для фиксации.

По характеру величин, получаемых на выходе электрические датчики делятся на параметрические пассивные и генераторные (активные). К первым относятся те датчики, у которых измерение контролируемой величины приводит к изменению одного или нескольких параметров электрической цепи (например: R, L, С). К генераторным датчикам относятся те, которые сами являются источниками электрической энергии, (например датчики Холла, Термопары....)

Основные требования, предъявляемые к датчикам сводятся к следующему:

1 высокая надежность;

2.чувствительность (без предварительного усиления);

3.непрерывность характеристики; "вход-выход";

4.минимальные весогабаритные показатели;

5.широкий диапазон измерений;

6.отсутствие обратного воздействия;

7.малая инерционность датчика.

Номинальной характеристикой датчика называется зависимость выходной величины от входной (рисунок 17.1), которая приписывается паспортом и используется как расчетная при проведении измерений. Основной характеристикой датчик является его чувствительность

где Y - полное изменение выходной величины; Х - полное изменение входной величины.

Датчики могут быть линейными (S=const) и нелинейными (S=var ). Важным параметром датчика является порог чувствительности - это

минимальное изменение входной величины, вызывающее наименьшее, но обнаружимое без дополнительных устройств изменение выходной величины. Важнейшим параметром датчика является его погрешность. Экспериментальная характеристика "вход-выход" отличается от номинальной на величину погрешности.

82

Различают абсолютную и относительную погрешность датчика по

относительная погрешность равна

где Xвхн- значение входной величины датчика, определяемое по физическому значению входной величины и номинальной характеристике ;

Хд - истинное значение входной величины.

Аналогично могут быть рассмотрены погрешности датчика по выходу. На погрешность оказывают влияние внешние условия: температура, поля, напряжение и частота источника питания и т.д. Погрешности датчика при нормальных значениях, влияющих внешних факторов называются основными.

Контактные датчики (или релейные) - широко используются для выполнения счетных операций и контроля линейных размеров деталей (рисунок 17.2). Различают однопредельные (а) и многопредельные (б) контактные датчики. Простота конструкции обеспечивает высокую надежность и чувствительность (1 мк) датчиков такого типа, которые в основном зависят от работы контактной системы. Напряжения на контактах и ток в них не должны превышать значений необходимых для поддержания дугового разряда (см.раздел "Электрические контакты"). Дугообразование должно быть исключено. Для уменьшения износа контактов желательно применение схемных методов увеличения износоустойчивости. Большое значение для работы датчика имеет выбор материалов контактов. Хорошие результаты получены с контактами из сплава паладий-иридий и сплава вольфрамарения.

Резистивные датчики.

В таких датчиках ползунок переменного сопротивления связан с элементом, перемещение которого контролируется. Применяется как датчик линейных и

угловых перемещений. Зависимость R=f( , x) может быть линейной или нелинейной (например, если каркас имеет переменное сечение) Возможные схемы включения датчиков приведены на рисунке 17.3. Наиболее простой является реостатная схема (рисунок 17.3а).

Широкое применение находит потенциометрическая схема (рисунок 17.3б). Если входное сопротивление измерительной схемы велико, то выходное

напряжение определится в зависимости от расстояния перемещения - x , как

Чувствительность датчика будет

83

Для повышения чувствительности необходимо увеличивать U0 .Однако том растѐт мощность рассеиваемая датчиком. Максимальная чувствительность определяется; как:

где Рmax- наибольшая допустимая мощность резистора R0.

При больших R0 предел увеличения чувствительности ограничен возможностью перекрытия изоляции датчика.

В схеме (рисунок 17.3в) при перемещении ползунка вниз от среднего

положения Uвых имеет одну полярность, а вверх другую.

Чувствительность резистивных датчиков 3-5 В/мм, точность работы датчиков зависит от стабильности U0 и R0. Поэтому для датчиков применяют

материалы с малым ТК . Преимуществом резистивных датчиков является простота кон струкции, высокая точность (до 0,5%), малые весо-габаритные показатели, высокая стабильность.

Главный недостаток - наличие подвижного контакта, ухудшающего надежность и уменьшающего срок службы.

Индуктивные датчики

Рассмотрим простейший датчик (рисунок 17.4а). Пренебрегая магнитным сопротивлением стали, потоками рассеяния и выпучивания в зазорах, индуктивной обмотки L будет равна:

Ток, протекающий в цепи определится:

индуктивных датчиках. На рисунке 17.4б показана зависимость индуктивности L и тока I от зазора . АБрабочий участок. В большинстве конструкций при

ненасыщенном магнитопроводе величина зазора такова, что магнитное сопротивление воздушного зазора намного больше магнитного сопротивления стали, а активное сопротивление нагрузки и катушки на много меньше индуктивного сопротивления катушки. Тогда, пренебрегая Rм.ст и R+Rн

где 4107 Гн/м

характеристика имеет два нелинейных участка: в начале координат - он объясняется неправомерностью пренебрежения Rн.ст на малых зазорах ; при I УСТ. - неравномерностью пренебрежения R+Rн при малых XL.

Величину первоначального зазора необходимо выбирать на середине линейного участка нагрузочной характеристики. Упрощенная формула (17.11) может быть использована на линейном участке АБ. Чувствительность датчика равна

т.е. с увеличением 0 чувствительность датчиков такого типа резко падает. Датчик имеет следующие недостатки:

1. Фаза выходного сигнала не меняется при изменении направления движения якоря ; при необходимости измерять в двух направлениях: необходимо установить 0 и I0 которое зависит от величины питающего напряжения и температуры окружающей среды.

2.Мал линейный участок характеристики "вход-выход ; ток в нагрузке зависит от амплитуды и частоты питающего напряжения.

3.В процессе работы датчика на якорь действует сила притяжения к якорю, которая ничем не уравновешивается и вносит погрешности в работу датчика. Ее величина равна:

зазора, Fэ - постоянна, но для датчиков с большим КI, эти силы могут быть значительны и вызвать изменение положения детали или даже сброс ее.

Указанные недостатки ограничивают область применения одинарных индуктивных датчиков (ОИД) до уровня ступенчатого релейного управления (бесконтактные датчики положения лифтов, транспортеров и т.д.)

Большое применение находят дифференциальные индуктивные датчики (ДИД), представляющие собой два индуктивных датчика с общим якорем

(рисунок 17.5а). При среднем положении якоря одинаковы 1= 2, XЛ1=XЛ2, I1=I2. Но направление токов противоположно и результирующий ток в нагрузочном сопротивлении Rн равен нулю. При отклонении якоря в ту или иную сторону на нагрузке фиксируется разностный ток от изменения индуктивных сопротивлений каждой из катушек.

85

Зависимости токов в каждой из катушек и в нагрузке показаны на рисунке 17.5б. По сравнению с ОИД возрастает крутизна характеристики IН=f( ).Характеристика становится более линейной. На якорь действуют равные ( = 0) и противоположно направленные силы, уменьшающие эффект обратного воздействия на изменяемый объект. ДИД обеспечивают больший

предел измеряемой величины (до 5 10 3 м), большую чувствительность я меньшую погрешность от влияния температур.

Другие конструкции, в частности для фиксации больших перемещений якоря до 1ОО мм - соленоидные, рассмотрены в (1,с. 416).

Для развязки цепей питания и измерения широко применяются трансформаторные датчики (ТД). Принципиальные схемы таких датчиков представлены на рисунке 17.6.

Происходит перераспределение U1 и U2.

Зависимость Uвых.=f( ) представлена на рисунке 17.6б. Контролируемое перемещение в пределах 2мм.

Более совершенной является дифференциальный датчик рисунок 17.6в. Для измерения угла поворота используются датчики с поворотной рамкой рисунок 17.6г. Выходное напряжение в этом датчике пропорционально синусу угла поворота

где Р - число витков рамки; В- максимальное значение индукции в рабочем зазоре; SР - площадь рамки;

- угол поворота.

Имеется большое разнообразие конструкций ТД, относительно большая мощность датчиков (до 10 Вт) позволяет применять их без усилителей.

Динамические свойства датчиков определяются инерционными свойствами подвижной системы.

Магнитоупругие датчики

Основаны на изменении магнитной проницаемости ферромагнитных материалов в зависимости от механических усилий, действующих на них. Эти датчики используются для измерения статических и динамических нагрузок. В

датчиках (рисунок 17.7) при изменении F меняется магнитная проницаемость

, следовательно, индуктивное сопротивление обмотки. Относительная чувствительность датчика

86

Для увеличения чувствительности желательно, чтобы материалы имели высокую проницаемость А и небольшую индукцию насыщения. Поэтому для таких датчиков широко применяется пермалой.

Погрешности датчика вызываются колебаниями питающего напряжения

(изменяются начальные значения А и магнитоупругий эффект), температуры (изменяются сопротивление обмотки и магнитоупругий эффект) и магнитоупругим гистерезисом. Поэтому датчики должны питаться от стабилизированного источника; для компенсации температурной погрешности в плечи измерительного моста включается компенсационный датчик; для компенсации погрешностей от гистерезиса, достигающих 4%, применяются материалы с узкой петлей гистерезиса. Напряженность магнитного поля должна приближаться к напряженности насыщения. Максимальная механическая нагрузка не должна превышать 1/7 предела упругости.

Кроме магнитоупругого эффекта в технике часто применяется обратный - магнитострикционный эффект. Сущность его проявляется в том, что при подключении обмотки на переменное напряжение определенной частоты близкой к частоте механического резонанса магнитной системы), линейные размеры магнитопровода начинают меняться в довольно больших пределах с резонансной частотой. Магнитострикционный эффект используется для создания вибраторов различного типа.

Индукционные датчики - используют явление электромагнитной индукции. Этот принцип реализуется, если проводник или катушка двигается в магнитном поле, при этом изменяется потокосцепление, связанное с проводником или катушкой и в них возникает ЭДС. Индукционные датчики

При подключении на выход дифференцирующих или интегрирующих цепочек выходной сигнал пропорционален ускорению и линейному перемещению. Простейший датчик изображен на (рисунок 17.8). Контроль частоты вращения осуществляется тахогенераторными или импульсными датчиками. Тахогенератор постоянного тока - это генератор малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов. Выходное напряжение определяется, как

Е к n

Чаще применяется асинхронный тахогенератор переменного тока

(рисунок 17.9). Обмотка статора -1 питается от сети переменного тока частотой 4OO Гц. Обмотка 2 неподвижна и повернута относительно обмотки 1 на 90°. Алюминиевый ротор 3 связан с валом, скорость которого контролируется. При неподвижном роторе поток обмотки 1 не наводит в обмотке 2 ЭДС, т.к. оси обмоток сдвинуты на 90°. При вращении ротора в нем индуктируются ЭДС и токи, пропорциональные частоте вращения. Эти токи создают поперечное магнитное поле с частотой питающей обмотки, в обмотке 2 под действием магнитного поля ротора возникает ЭДС, амплитуда которой пропорциональна

87

угловой скорости ротора Е . При питании обмотки 1 постоянным током обмотка 2 выдает ЭДС пропорциональную угловому ускорению контролируемого вала.

На рисунке 17.10 представлен принцип действия импульсного датчика. Стальной зуб, проходя мимо рабочего зазора, резко меняет сопротивление магнитной системы постоянного магнита. При нарастании магнитного потока в обмотке появляется прямой импульс тока, при спадании - обратный. Число импульсов в единицу времени подсчитывается специальным счетчиком. Достоинством датчика является высокая точность.

Тензодатчики

Принцип их работы основан на эффекте изменения активного сопротивления некоторых материалов под действием усилий (динамических и статических). Различают три типа тензодатчиков. Различают три типа тензодатчиков.

1.Проволочные - конструктивно выполняются в виде плоской проволочной катушки, закрепленной на эластичном изоляционном материале. Измерение сопротивления датчика при действии растягивающих усилий производится мостом. Датчики выполняются с малой базой L= 2-7мм, R=5-10 Ом, средней базой L=10-30 мм R=100-400 Ом и большой базой L > 30 мм, R=400-600 Ом. Главный недостаток - большие температурные погрешности (особенно при динамических деформациях).

2.Фольговые датчики конструктивно выполняются также как проволочные, но вместо проволоки на эластичном изоляторе нанесена фольга ( напылением в вакууме, гальванической печатью и др. способами. Такой способ закрепления проводника значительно увеличивает теплоотдачу в изолятор, а, следовательно, уменьшает погрешности измерений. Одновременно улучшается восприимчивость к деформациям, чувствительность и надежность конструкции. Материал обеих типов датчиков - константан; фольговые - толщиной 2-10 мкм, сопротивление 30-250 Ом.

3.Полупроводниковые датчики - используют так же тензоэффект, но при во воздействии на некоторые полупроводники по сравнению с 1, 2 они имеют значительно большую чувствительность (>300), больший уровень выходного сигнала, малые размеры, повышенную точность, больший срок службы.

Раньше были разработаны многокомпонентные датчики (на основе

графита + кварцевый песок + бакелитовая смола). Но они имеют недостаточную механическую прочность, неустойчивость характеристик (до 20%) и гистерезис измерений (до 3%). Поэтому, в последнее время в основном используются кристаллические полупроводниковые датчики на основе германия, кремния или арсенида галлия.

Пьезодатчики - работают на основе пьезоэлектрического эффекта, сущность которого заключается в том, что на гранях некоторых кристаллов кварц, титанат бария, сигнетова соль, турмалин и др) при их сжатии или растяжении появляются заряды - это прямой пьезоэффект. Он используется в основном для исследования динамических процессов (например, выстрел) т.к.

88

собственная частота датчика велика. Обратный пьезоэффект (при внесении в электрическое поле, силовые линии которого совпадают с направлением пьезооси, происходит сжатие или растяжение кристалла) применяется для исследования мощных переменных электрических полей и для создания ультразвуковых облучателей. Наилучшими пьезопараметрами обладает кварц - большая механическая прочность, независимость параметров от температуры, линейность характеристик, малая стоимость.

Датчики Холла

Основаны на возникновении в полупроводнике с током Iп, помещенном в магнитное поле с индукцией В, ЭДС которую принято называть ЭДС Холла ЕX

(рисунок 17.11). Физически ЭДС Холла обусловлена влиянием магнитного поля на траекторию пролета электронов проводимости полупроводника (силы Лоренца).

Датчики Холла широко применяют в области магнитных измерений, изготовляют их из различных материалов (германий, кремний и др.), но конструкции они могут быть пленочными или кристаллическими.

Основной характеристикой датчика является Е=f(B), она должна быть линейной, мало зависимой от температуры.

Термодатчики. В качестве термодатчиков используют термосопротивления или термопары.

Термосопротивления выполняют металлическими или полупроводниковыми ; используют известный эффект зависимости сопротивления материалов от их температуры.

Металлические Термосопротивления конструктивно выполняются в виде катушек или проводников из чистых металлов - платины или меди. Основной характеристикой является зависимость сопротивления от температуры (рисунок 17.12) , крутизна которой определяется температурным

коэффициентом удельного сопротивления - TК .

Датчики из меди имеют большое TК ( 0,004), т.е. имеют большую чувствительность, однако при высоких температурах подвержены сильному окислению. Поэтому на воздухе широко (вследствие дешевизны) применяются при температурах -50-150 С.В вакууме или среде инертного газа возможно использование до температур 700°С ( так же как и железо ,"армко"), например в баретторах . Датчики из платины используются на более высокие температуры (до 1400 0 С). Основные типы -TCI1 (платиновый), ТСМ (медный). Сплавы металлов применяются редко из-за ухудшенной стабильности характеристик и низкого значения ТК . Полупроводниковые термосопротивления изготовляют или из смеси сплавов СuО, СоО, МnО или из чистых полупроводников - Gе, Si. Обладают очень высокой чувствительностью (в 6-10 раз больше металлических), сопротивление их с ростом температуры уменьшается по нелинейному закону (рисунок 17.13 ). Обычно (в зависимости от конструкции) имеют очень малую тепловую инерцию 0,01С (в отличии от

89

металлических), но имеют также значительный разброс параметров что затрудняет их взаимозаменяемость)

Термопарные датчики

Сущность их заключается в том, что если два разнородных металла А и В (или полупроводника) соединить и поместить их срезы в среды разными

температурами t0 и t1, то в контуре этих проводников возникает термоЭДС, которая в определенном интервале температур будет пропорциональна

разности температур t1-t0, рис. Цепь из двух разнородных материалов называется термопарой, спаи - холодным и горячим. С точки зрения электронного строения металлов возникновение термоЭДС объясняется разной работой выхода электронов из разнородных металлов. Термопары нашли широкое применение при измерении температур от 100 до 2000°С. Они хороши тем, что к ним удобно подключать третий проводник (для присоединения миллиамперметра, который не вносит существенных погрешностей в измерения, если температура концов этого проводника одинакова.

Термобатареи применяются для измерения малых перепадов температур (т.к температура одной термопары термоЭДС невелика 0,01 - 0,07 мВ на 100 С. Дифференциальной соединение двух термопар дают возможность измерять

разность температур, t1 - t2, при этом полярность термоЭДС показывает в какой точке температура выше.

Основной характеристикой материалов термопары является их нормированная термоЭДС на (10 C по сравнению с нормальным электродом, которым вследствие устойчивости физических параметров выбрана платина). Различают термопары из благородных металлов платина - платиноиридий), из неблагородных металлов (ХА - хромель - алюминий, ХК - хромель - капель) и из полупроводниковых материалов (ТГК - германий-кремний). Наиболее чувствительными являются полупроводниковые термопары.

Емкостные датчики - параметрические устройства, принцип работы которых основан на воздействии на один из параметров, определяющих емкость конденсатора. Так, например, емкость плоского конденсатора определяется по известной формуле

Из формулы видно, что изменять емкость плоского конденсатора можно путем влияния на диэлектрическую проницаемость , площадь перекрытия пластин S и расстояние между пластинам d.

Т.о. можно сконструировать датчик чувствительный к изменению, например,

влажности (за счет ), угла поворота (за счет изменения площади перекрытия S пластин конденсатора) и т.д. Достоинствами датчиков такого типа являются высокая чувствительность, малые вес и габариты, малое обратное воздействие и высокая приспособляемость к измерению самых разнообразных параметров. Конструкции датчиков очень разнообразны. Эти датчики имеют и

90

существенные недостатки: необходимость специального устройства (моста) для измерения емкости ; необходимость специального питания (частотой 1 КГц

относительные изменения ХС, что сильно снижает чувствительность датчика, необходима экранировка датчика необходимо (как правило) усиление выходного сигнала датчика.