вопрос 4-5
.pdf23. Технические средства систем управления — датчики. Классификация датчиков.
Датчики, или измерительные преобразователи, представляют собой элементы САУ, служащие для измерения действительного значения управляемой или контролируемой величины и преобразования этого значения в сигнал для дальнейшей передачи, и они классифицируются по нескольким признакам: по природе выходной величины они делятся на электрические, гидравлические и пневматические; по природе измеряемой величины — на датчики перемещения, температуры, уровня, расхода, положения, скорости, ускорения, давления, деформации и другие; по виду выходной величины для электрических датчиков они делятся на параметрические, или пассивные, которые изменяют свои параметры, такие как сопротивление, индуктивность или емкость, под действием входной величины, и генераторные, или активные, которые генерируют электрический сигнал, например ЭДС, ток или заряд, под действием входной величины; и по принципу действия выделяют потенциометрические, тензорезисторные, терморезисторные, индуктивные, трансформаторные, пьезоэлектрические, оптические и многие другие.
24. Основные характеристики датчиков и требования к ним.
К основным характеристикам датчиков относятся статическая характеристика, представляющая собой зависимость выходного сигнала от входной величины в установившемся режиме, причем предпочтительна линейная характеристика; чувствительность, представляющая собой отношение изменения выходной величины к вызвавшему его изменению входной величины; порог чувствительности, представляющий собой минимальное изменение входной величины, вызывающее изменение выходного сигнала; гистерезис, представляющий собой неоднозначность статической характеристики при увеличении и уменьшении входной величины; основная и дополнительная погрешности; динамические характеристики, такие как передаточная функция, переходная и частотные характеристики; и метрологические характеристики, включая класс точности, а к основным требованиям, предъявляемым к датчикам, относятся высокая динамическая и статическая точность, высокая надежность, достаточная чувствительность, большая крутизна преобразования, минимальное влияние на состояние контролируемого объекта, а также простота конструкции и низкая стоимость.
25. Датчики перемещений. Реостатные датчики.
Реостатные датчики предназначены для преобразования линейного или углового перемещения в электрический сигнал, то есть в изменение сопротивления или напряжения, и их принцип действия основан на том, что
изменение положения токосъемного контакта, или ползунка, на резистивном элементе приводит к изменению выходного напряжения в делителе напряжения или сопротивления в мостовой схеме, при этом статическая характеристика в идеале является линейной, то есть выходное напряжение пропорционально входному перемещению, и к достоинствам таких датчиков относятся простота конструкции, возможность получения высокой точности линейной характеристики и работа как на постоянном, так и на переменном токе, однако недостатками являются наличие скользящего контакта, что приводит к износу и окислению, низкая износостойкость, ограниченное быстродействие, шумы, дискретность, то есть ошибка ступенчатости, и ограничение по скорости перемещения, и они могут включаться по однотактным, то есть нереверсивным, или двухтактным, то есть реверсивным, часто мостовым, схемам, позволяющим определять направление перемещения.
26. Датчики перемещений. Индуктивные датчики перемещений.
Индуктивные датчики предназначены для преобразования сравнительно малых перемещений, от долей микрометра до примерно пяти миллиметров, в изменение индуктивности, и их принцип действия заключается в том, что изменение величины воздушного зазора в магнитопроводе приводит к изменению магнитного сопротивления, а значит, и индуктивности катушки, и изменение индуктивности в цепи переменного тока вызывает изменение тока и напряжения на нагрузке, при этом статическая характеристика для однотактного датчика является нелинейной, а для двухтактных, то есть дифференциальных и мостовых, — линейной и реверсивной, то есть при изменении направления перемещения меняется фаза выходного сигнала, и к достоинствам таких датчиков относятся отсутствие скользящего контакта, высокая чувствительность, надежность и малые габариты, а к недостаткам — сложность получения нулевого сигнала и влияние температуры.
27. Датчики перемещений. Трансформаторные датчики.
Трансформаторные датчики основаны на изменении индуктивной, или трансформаторной, связи между обмотками при перемещении якоря, и их принцип действия состоит в том, что первичная обмотка питается переменным током, а перемещение якоря, то есть сердечника, изменяет магнитный поток, сцепленный с вторичной обмоткой, и наводит в ней ЭДС, при этом в дифференциальных трансформаторных датчиках две вторичные обмотки включены встречно, и при нулевом положении якоря их ЭДС компенсируются, и выходное напряжение равно нулю, а перемещение якоря нарушает баланс, и на выходе появляется сигнал, пропорциональный перемещению, и существуют разновидности для измерения линейных и угловых перемещений, а также к ним относят ферродинамические датчики с подвижной рамкой в поле постоянного магнита и микросины, являющиеся
бесконтактными и имеющими большой диапазон измеряемых углов, а к достоинствам относятся бесконтактность и высокая надежность.
28. Датчики перемещений. Емкостные датчики перемещений.
Емкостные датчики представляют собой конденсаторы, емкость которых изменяется под действием перемещения, и их принцип действия основан на том, что емкость плоского конденсатора зависит от площади перекрытия пластин, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды между ними, поэтому изменение емкости может быть вызвано изменением площади перекрытия пластин для измерения больших линейных и угловых перемещений, изменением расстояния между пластинами для измерения малых перемещений до одного миллиметра с высокой чувствительностью, или изменением диэлектрической проницаемости для измерения уровня и состава вещества, при этом часто используется мостовая схема включения для получения реверсивной характеристики, и к достоинствам таких датчиков относятся высокая чувствительность, простота конструкции, малые габариты, высокое быстродействие и отсутствие контактов, однако недостатками являются малая выходная мощность, нестабильность при изменении внешних условий, таких как влажность и температура, и влияние паразитных емкостей.
29. Датчики температуры. Термометры расширения.
Термометры расширения основаны на изменении объема жидкости или размеров твердого тела при изменении температуры, и к ним относятся жидкостные термометры, основанные на тепловом расширении жидкости, такой как ртуть или спирт, в стеклянном баллоне, при этом изменение объема преобразуется в изменение высоты столба жидкости в капилляре; деформационные термометры, среди которых выделяют дилатометрические, основанные на разности коэффициентов линейного расширения двух материалов, например трубки и стержня, и биметаллические, состоящие из двух спаянных металлических полос с разными коэффициентами расширения, при нагревании которых пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом расширения; и манометрические термометры, основанные на изменении давления жидкости, газа или пара в замкнутом объеме, то есть термобаллоне, при изменении температуры, при этом изменение давления передается по капилляру на манометрическую пружину или мембрану, перемещение которой является выходным сигналом.
30. Датчики температуры. Термопары.
Термопары представляют собой термоэлектрические преобразователи, действие которых основано на возникновении термо-ЭДС в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии разности температур между
их спаями, то есть горячим и холодным, и их принцип действия объясняется перемещением электронов из одного проводника в другой и выравниванием их внутренних потенциалов, при этом статическая характеристика, представляющая собой зависимость выходной ЭДС от разности температур горячего и холодного спаев, для большинства термопар в рабочем диапазоне близка к линейной, и в качестве материалов используются как неблагородные металлы, такие как хромель-алюмель, хромель-копель и железо-константан, для средних температур, так и благородные, например платина-платинородий, для высоких температур, а основными погрешностями являются погрешности из-за непостоянства температуры свободных концов, неоднородности термоэлектродов и условий теплообмена.
31. Датчики температуры. Терморезисторы.
Термопреобразователи сопротивления, или терморезисторы, основаны на изменении электрического сопротивления материалов при изменении температуры, и они делятся на металлические и полупроводниковые, при этом металлические терморезисторы, обозначаемые ТПС, используют чистые металлы, такие как платина для диапазона от минус 60 до плюс 1100 градусов Цельсия с нелинейной характеристикой, медь для диапазона от минус 200 до плюс 200 градусов Цельсия с линейной характеристикой, и никель до 300 градусов Цельсия с нелинейной характеристикой, и их достоинствами являются стабильность и линейность для меди, а недостатками — относительно невысокий температурный коэффициент сопротивления и небольшая чувствительность, тогда как полупроводниковые терморезисторы, или термисторы, используют смеси оксидов металлов и имеют очень высокий температурный коэффициент сопротивления, примерно в 10 раз выше, чем у металлов, и их статическая характеристика является сильно нелинейной и описывается экспоненциальной зависимостью, а достоинствами являются высокая чувствительность, малая инерционность и малые размеры, но недостатками служат нелинейность характеристики, необходимость индивидуальной градуировки и отсутствие взаимозаменяемости.
32. Датчики угла поворота (сельсины) — классификация, режимы, принцип действия.
Сельсин представляет собой индукционную электрическую микромашину, обладающую способностью к синхронизации, и используется в паре: сельсин-датчик и сельсин-приемник, при этом принцип действия основан на изменении взаимной индуктивности между обмотками ротора и статора при их повороте, то есть поворот ротора сельсина-датчика приводит к изменению ЭДС в его фазных обмотках, и эти сигналы поступают в обмотки сельсинаприемника, создавая вращающий момент, который заставляет ротор
приемника поворачиваться до тех пор, пока его угол не станет равным углу датчика, при этом ЭДС в обмотках меняется по косинусоидальному закону в зависимости от угла поворота, и существуют три режима работы: индикаторный, когда вал датчика связан с механизмом, а на валу приемника установлена индикаторная стрелка, которая показывает положение вала датчика; трансформаторный, используемый для измерения разности углов поворота двух не связанных валов, при этом выходным сигналом является ЭДС в обмотке приемника, пропорциональная синусу разности углов; и режим алгебраического суммирования углов с использованием дифференциального сельсина для сложения или вычитания угловых перемещений двух валов, а классификация сельсинов проводится по числу фаз, по конструкции и по наличию контактов.
33. Датчики угловой скорости (тахогенераторы) — классификация, принцип действия.
Тахогенератор представляет собой электромеханический элемент, преобразующий частоту вращения вала в электрический сигнал, то есть в ЭДС, и классифицируется по роду тока на тахогенераторы постоянного и переменного тока, причем для постоянного тока по способу возбуждения выделяют магнитоэлектрические с постоянными магнитами и с электрическим возбуждением с независимой обмоткой, а тахогенераторы переменного тока делятся на синхронные, практически не применяющиеся, и асинхронные, и принцип действия асинхронного тахогенератора заключается в том, что на статоре расположены две обмотки, сдвинутые на 90 градусов: обмотка возбуждения и генераторная, или квадратурная, обмотка, при этом обмотка возбуждения питается переменным напряжением, и при вращении ротора в нем наводится ЭДС вращения, которая создает МДС по поперечной оси, и эта МДС индуктирует в генераторной обмотке ЭДС, амплитуда которой пропорциональна частоте вращения, причем частота выходного напряжения равна частоте сети питания.
34. Датчики угловой скорости (тахогенераторы) — импульсные и оптические тахометры.
Импульсный тахометр, или датчик с изменяемым магнитным сопротивлением, работает таким образом, что вращающийся диск или шестерня с зубьями изменяет воздушный зазор в магнитопроводе катушки с постоянным магнитом, что вызывает изменение магнитного потока, и в катушке индуктируется ЭДС, при этом частота следования импульсов ЭДС пропорциональна скорости вращения, тогда как оптический тахометр устроен так, что вращающийся диск имеет метки, отражающие или прозрачные, равномерно расположенные по окружности, и световой поток от источника модулируется диском и попадает на оптический приемник, например фотодиод, который преобразует модулированный световой поток в
электрические импульсы, частота которых пропорциональна скорости вращения, при этом амплитуда сигнала не зависит от скорости.
35. Датчики угловой скорости. Индукционные датчики.
Индукционные датчики относятся к генераторному типу, и их принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции, при котором ЭДС наводится в катушке при изменении магнитного потока, пронизывающего ее витки, и это изменение может происходить либо при перемещении катушки в постоянном магнитном поле, и тогда датчик измеряет линейную скорость, причем ЭДС пропорциональна скорости движения катушки, либо при вращении ферромагнитного индуктора относительно неподвижной катушки, и тогда датчик измеряет угловую скорость, при этом в отличие от тахогенераторов индукционные датчики не требуют источника питания для создания магнитного поля, так как используют постоянные магниты.
36. Датчики ускорений и вибраций — классификация, принцип действия.
Основными конструктивными элементами этих датчиков являются масса, упругий элемент, демпфер и выходной преобразователь для преобразования перемещения массы в электрический сигнал, и по типу выходного преобразователя акселерометры, измеряющие ускорения, делятся на пружинные реостатные, в которых перемещение массы под действием силы инерции преобразуется в изменение сопротивления реостата; индуктивные, в которых перемещение массы изменяет воздушные зазоры двух индуктивных катушек, включенных дифференциально; и пьезоэлектрические, в которых сила инерции массы давит на пьезоэлемент, генерируя заряд, пропорциональный ускорению, а виброизмерительные устройства, или виброметры, содержат сейсмический датчик, индукционный или пьезоэлектрический, и с помощью интегрирующих и дифференцирующих цепей можно измерять виброперемещение, виброскорость и виброускорение, а для измерения инфранизкочастотных колебаний большой амплитуды используют маятниковые виброметры.
37. Датчики напряжений и деформаций — классификация, принцип действия.
Эти датчики основаны на законе Гука, согласно которому механическое напряжение прямо пропорционально относительной деформации, и измерив деформацию, можно определить вызвавшее ее напряжение, и по конструкции тензодатчики делятся на проволочные, у которых чувствительный элемент представляет собой тонкую проволоку, наклеенную на бумажную подложку, и при деформации объекта изменяется длина и сечение проволоки, а следовательно, и ее сопротивление, причем относительное изменение сопротивления пропорционально деформации; фольговые, которые
изготавливаются травлением из тонкой фольги и имеют большую площадь контакта с объектом, что улучшает теплоотвод и позволяет работать при больших токах; полупроводниковые, которые имеют очень высокую чувствительность, примерно в 50 раз выше проволочных, но их характеристика нелинейна и сильно зависит от температуры; магнитоупругие, основанные на изменении магнитной проницаемости ферромагнитного материала при его деформации и используемые для измерения больших усилий, например давления прокатных валков; и угольные, основанные на изменении сопротивления контакта между угольными дисками при изменении приложенной силы.
38. Оптические датчики — классификация, принцип действия.
Оптические датчики, или фотоэлементы, преобразуют энергию светового излучения в электрическую энергию, и по типу фотоэффекта они делятся на датчики с внешним фотоэффектом, то есть фотоэлементы с фотокатодом, представляющие собой вакуумные или газонаполненные приборы, в которых свет выбивает электроны из катода, изменяя ток в цепи, и они являются безынерционными; датчики с внутренним фотоэффектом, то есть фоторезисторы, представляющие собой полупроводники, у которых под действием света уменьшается сопротивление, и они обладают высокой чувствительностью, но большой инерционностью; и вентильные фотоэлементы с p-n переходом, которые являются генераторными устройствами и сами генерируют фото-ЭДС под действием света, и к ним относятся фотодиоды и фототранзисторы, которые пропускают ток только в одном направлении.
39. Технические средства систем управления. Усилительнопреобразовательные устройства.
Усилители представляют собой устройства, повышающие энергетический уровень, то есть мощность, напряжение или ток, информационного сигнала за счет энергии постороннего источника, и их применение необходимо, так как сигналы с датчиков имеют малую мощность, а для управления объектом нужна большая, и по виду они классифицируются на электрические усилители на полупроводниковых элементах и операционных усилителях, которые обладают высоким коэффициентом усиления, малой инерционностью и возможностью выполнения математических операций; неэлектрические усилители, такие как гидравлические и пневматические, которые позволяют плавно и в широком диапазоне изменять выходную величину, например скорость перемещения; магнитные усилители, основанные на использовании нелинейности кривой намагничивания, которые надежны, но инерционны; и тиристорные преобразователи, используемые для управления мощными электрическими приводами
постоянного и переменного тока за счет управления моментом открытия тиристора.
40. Технические средства систем управления. Исполнительные устройства.
Исполнительное устройство представляет собой последний каскад в САУ, воздействующий на объект управления или его регулирующий орган, и оно непосредственно преобразует сигнал управления в физическое действие, при этом наиболее распространенным типом исполнительных устройств в системах с механическим воздействием являются серводвигатели, или сервоприводы, представляющие собой двигатели небольшой мощности, как правило реверсивные, то есть способные вращаться в обе стороны, и принцип управления ими заключается в том, что реверсирование двигателя постоянного тока осуществляется изменением направления тока в обмотке якоря или изменением направления потока возбуждения, например в серводвигателях сервисного типа для этого предусмотрены две обмотки возбуждения, и подавая питание на одну или другую, можно менять направление вращения вала.