Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКТИВНОГО ДАТЧИКА ПРИБЛИЖЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В СИСТЕМАХ ОХРАНЫ СУДНА

Цель работы: ознакомиться с основными параметрами, принципом работы и применением индуктивного датчика приближения, используемого в системах ох­раны судна. Литература: [1, с Л 5-24].

Лабораторные схемы

Индуктивный датчик приближения содержит чувствительный элемент в виде катушки индуктивности с открытым магнитопроводом в сторону активной по­верхности (рис. 1.1). Данная катушка индуктивности является частотозадающим

индикатор элементов LC - генератора синусоидальных колебаний. При внесении в электро­магнитное поле катушки металлического предмета изменяется индуктивность катушки, что приводит к затуханию электромагнит­ных колебаний генератора.

При этом уменьшается амплитуда демодулированного напряжения на выходе демодулятора, что приводит к срабатыванию порогового устрой­ства (триггера) и переключению коммутационного элемента. Инди­катор показывает состояние датчи­ка.

Рис. 1.2 Схема генератора синусоидального сигна­ла, построенная по схеме с емкостной трехтонки

Основным элементом индуктивного датчика приближения является LC -генератор. В лабораторной работе рассматривается LC-генератор си­нусоидального напряжения, постро­енный по схеме емкостной трех точки (рис. 1.2). Такой генератор по­строен на основе резонансного уси­лителя, выполненного на р-п-р

транзисторе VT1, включенного по схеме с общей базой (схема Колпитца). Его входом является промежуток база-эмиттер транзистора, выходом - коллектор -эмиттер, а нагрузкой резонансный контур LI, CI, C2 и резистор R4. Делитель R1,R2 задает начальное смещение на транзисторе, переводя генератор в мягкий режим самовозбуждения. Конденсатор СЗ - разделительный. Он предназначен для передачи с точки соединения обоих элементов нагрузки транзистора на его базу только переменного напряжения, не пропуская постоянное напряжение. Емкость конденсатора выбирается из условия малости его сопротивления на частоте гене­рации по сравнению с входным сопротивлением транзистора. Следовательно, для переменного напряжения СЗ может быть представлен в виде короткого замыка­ния. Глубина обратной связи определяется величинами емкостей конденсаторов С1 и С2. Частота колебаний такого генератора слабо зависит от температуры ок­ружающей среды и напряжения питания. Частоту синусоидальных колебаний та­кого генератора можно рассчитать из выражения:

Катушка индуктивности L1 имеет незамкнутый магнитный сердечник, маг­нитные линии которого замыкаются через воздушный промежуток. При прибли­жении к такой катушке пластины, изготовленной из ферромагнитного материала (например, сталь) индуктивность катушки увеличивается за счет уплотнения ли­ний магнитного поля, а, следовательно, согласно выражению (1.1) уменьшается частота генерации. При внесении в магнитное поле катушки парамагнитного (на­пример, алюминий) или диамагнитного (например, медь) материала, магнитное поле катушки уменьшается, что снижает ее индуктивность, а значить повышает частоту генерации.

Уменьшение амплитуды колебаний генератора при внесении металлической пластины в магнитное поле катушки индуктивности обычно более значительно для меди и алюминия, чем для ферромагнитного материала, что связано с измене­нием добротности катушки.

Задание на самоподготовку

1. Изучить работу LC- генератора и основных узлов индуктивного датчика при­ближения согласно рис. 1.1 и 1.2.

2. Подготовить протокол к лабораторной работе. В нем начертить структурную схему индуктивного датчика приближения и принципиальную схему LC- гене­ратора, подготовить табл. 1.1.

3. Исходя из известных номиналов элементов LC- генератора (см. рис. 1.2) и ис­пользуя выражение (1.1) рассчитать частоту генерации синусоидального сигна­ла при отсутствии внешних металлических предметов в магнитном поле ка­тушки.

4

Задание к лабораторной работе

Исследование работы LC - генератора синусоидального напряжения, постро­енного по схеме емкостной трехточки (см. рис.1.2.).

1. Подключите щуп осциллографа к точке и_Вых, а его земляной конец к точке +U_n.,

2. Подключите питание 12 В постоянного напряжения к точкам +Un и -Un.

3. С помощью осциллографа измерьте период То и амплитуду Uo синусои­дальных колебаний генератора. Рассчитайте частоту генерации:

f₀=1/T₀

4. Наложите на катушку генератора стальную пластину.

5. С помощью осциллографа измерьте период Т_ct и амплитуду Uct синусои­дальных колебаний генератора. Рассчитайте частоту генерации fct, соглас­но (1.2). Поясните полученный результат.

6. Наложите на катушку генератора алюминиевую пластину.

7. С помощью осциллографа измерьте период T_al и амплитуду U_al синусои­дальных колебаний генератора. Рассчитайте частоту генерации f_al согласно (1.2). Поясните полученный результат.

8. Наложите на катушку генератора медную пластину.

9. С помощью осциллографа измерьте период Т_cu и амплитуду U_cu синусои­дальных колебаний генератора. Рассчитайте частоту генерации fcu соглас­но (1.2). Поясните полученный результат.

6

1.10 Убедитесь, что пластина из диэлектрического материала не влияет на ам­ плитуду и частоту генерации.

Определение зоны чувствительности промышленного индуктивного датчика приближения типа IA18DSN14PO.

1. Подключите к источнику постоянного напряжения +12 В стенд с индуктив­ным датчиком приближения.

2. Наложите на линию №1 стальную пластину, расположив ее строго верти­кально и так, чтобы край пластины выходил за пределы зоны чувствитель­ности датчика (рис. 1.3).

3. Медленно смещайте пластину в сторону рабочего тела датчика до его сра­батывания. В этот момент загорится индикатор. В этом положении отсчи­тайте расстояние Xот осевой линии датчика до края пластины в делениях.

4. Последовательно переставляйте пластину на линию №2, 3 и т.д (увеличи­вая расстояние от плоскости датчика по оси У каждый раз на 2,5 мм), и по­вторите измерения согласно п.2.3, до тех пор пока датчик не перестанет срабатывать. Полученные результаты занесите в табл.1.1.

Таблица 1.1 Измерение зоны		чувствительности индуктивного датчика				приближения
Номер линии	Расстояние от плоскости датчика по оси У, в мм	Расстояние, при котором срабатывает датчик, отсчи­тываемое от осевой линии датчика по оси X, в дел			Расстояние, при котором срабатывает датчик, отсчи­тываемое от осевой линии датчика по оси Ху в мм
		Сталь	Алю­миний	Медь	Сталь	Алю­миний	Медь
1	-2,5
2	0
3	2,5
4	5,0
5	7,5
6	10,0
7	12,5

Определение номинального расстояния срабатывания Sn индуктивного датчика приближения типа IA18DSN14PO.

S„ = (35„)х(ЗЛ> вочный коэффициент к I.

3.1 Поскольку площадь металлических

пластин (объекта воздействия), равная £w=18x(3-I4) = 756mm²

3.2 Определить номинальное расстояние срабатывания S„

Sn=Ym/K

и сравнить его с паспортным значением номинального расстояния срабатывания исследуемого датчика типа IA18DSN14PO (паспортное значение .S'„=14 мм). 4. Сделать выводы, в которых необходимо пояснить полученные результаты и описать возможные пути применения индуктивных датчиков приближения в системах охраны судна.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 1 Классификация датчиков, основные требования к ним

Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами, мониторинг ох­раняемой зоны требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.

Такую информацию получают с помощью датчиков необходимых физиче­ских величин. Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики и охранных устройств - с их помощью получают информа­цию о параметрах контролируемой системы или устройства.

Датчик - это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (темпе­ратуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а

иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проше, датчик -это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической вели­чины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифициро­ваны по различным признакам:

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: дат­чики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, элек­трические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.

По виду выходной величины, в которую преобразуется входная вели­чина, различают неэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напря­жения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики со­противления (активного, индуктивного или емкостного) и др. Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующи­ми достоинствами электрических измерений:

• электрические величины удобно передавать на расстояние, причем пере­дача осуществляется с высокой скоростью;

• электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

• они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высо­кой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

По принципу действия электрические датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал. Параметрические датчики входную величину преобразу­ют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или С) датчика.

По принципу действия электрические датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктив­ные, емкостные и д.р.

Различают три класса электрических датчиков:

• аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

• цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;

• бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1). Часто такие дат­чики называют бесконтактными выключателями. В системах охраны суд­на широкое применение находят бесконтактные датчики приближения.

8

9