Сенсоры физических величин
Специальность 11.03.04 Электроника и наноэлектроника
Раздел 3. Виды датчиков
Томск 2026
Генераторные (активные) датчики
2
Генераторные датчики
•Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины X в электрический сигнал. Такие датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются генераторами электроэнергии.
•Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей).
•Генераторными датчиками являются:
Термоэлектрические
Пьезоэлектрические
Индукционные
Фотоэлектрические (фото-ЭДС)
Датчики Холла
и т.д.
3
Генераторные датчики
Индукционные (генераторные) датчики преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС индукции.
Принцип действия датчиков основан на законе электромагнитной индукции. К этим датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного тока, представляющие собой небольшие электромашинные генераторы, у которых вырабатываемая ЭДС
пропорциональна скорости вращения и величине магнитного потока. Также, с изменением скорости вращения изменяется и частота ЭДС.
Применяются как датчики скорости (частоты вращения).
Тахометрические генераторы постоянного то-ка): а) с возбуждением от |
|
постоянных магнитов, б) с электромагнитным возбуждением, в) статическая |
|
характеристика: 1 - Идеальная характеристика. 2 - Реальная характеристика с |
|
учетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря и |
|
сопротивлении щеточного контакта. 3 - Характеристика при значительной |
|
нагрузке, где проявляется влияние реакции якоря (размагничивание). Зона |
|
нечувствительности: Участок, где напряжение не появляется из-за |
|
На холостом ходу (I=0) напряжение Uвых = Е = Сеω, где Се - |
|
переходного сопротивления щеток и трения. |
4 |
конструктивный коэффициент тахогенератора. |
Генераторные датчики
Индукционный (генераторный) датчик в простейшем 
случае состоит из катушки с обмоткой, сердечника из 
магнитомягкого железа и магнита. Эти три компонента
составляют статор датчика.
При вращении ротора его зубцы поочередно приближаются к сердечнику катушки и удаляются от него. Это меняет величину магнитного зазора и, следовательно, магнитное сопротивление
цепи.
Изменение магнитного потока через катушку наводит в ней ЭДС согласно закону Фарадея.
Когда зубец приближается, напряжение растет в одну сторону. В момент совпадения центра зубца с осью сердечника скорость изменения потока равна нулю, и происходит резкая смена
полярности. При удалении зубца формируется импульс
Генераторные датчики
Пьезоэлектрические датчики
Действие пьезоэлектрических датчиков основано на использовании
пьезоэлектрического эффекта – свойство определенных диэлектрических кристаллов (пьезоэлектриков) генерировать электрический заряд при механической деформации (прямой эффект) или деформироваться под воздействием электрического поля (обратный эффект)
Обратный пьезоэффект – приложенное электрическое напряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца - сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление используется для возбуждения и приема акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты.
Используются для измерения сил, давления, вибрации и т.д.
Пьезокерамика – искусственный поликристаллический материал, обладающий способностью преобразовывать энергию в электрическую
6
Генераторные датчики
Работа пьезоэлектрических датчиков основана на 
использовании пьезоэлектрического эффекта, наблюдаемого у некоторых минералов горных пород, при котором осуществляется преобразование
динамического усилия (механических напряжений) в электрический заряд.
Вибрация воздействует на кристалл, кристалл создает заряд, усилитель преобразует заряд в напряжение, и сигнал передается по линии на измерительный прибор.
Генераторные датчики
Пьезорезонансные датчики силы
В датчиках силы этого типа используются прямой и обратный пьезоэффекты.
Чувствительным элементом датчика является механический резонатор. Колебания резонатора, возбуждаемые напряжением питающего генератора (обратный пьезоэффект), обуславливают его напряженное состояние. В свою очередь такое состояние вызывает возникновение соответствующих зарядов на электродах пьезоэлемента (прямой пьезоэффект).
Результатом одновременного электрического возбуждения колебаний резонатора и снятия электрического сигнала является
возникновение резонансных колебаний.
8
Генераторные датчики
Ультразвуковые датчики перемещения
В ультразвуковых датчиках перемещения реализован принцип радара – фиксируются отражённые от объекта ультразвуковые волны, поэтому структурная схема обычно представлена источником ультразвуковых волн и регистратором.
9
Генераторные датчики
Измерение уровня с помощью акустических волн
Уф1 |
Тр |
У1 |
Изм. врем. инт. |
|
|
|
Г |
|
Uг |
|
|
Апр |
Уф2 |
|
|
|
|
|
|
Uотр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H h |
|
|
Uтр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
t |
t |
10