Основные преимущества перед датчиками других типов

1.Возможность бесконтактного обнаружения. 2. Возможность (при соответствующей оптике) измерения объектов как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми раз мерами. 3.Высокая скорость отклика. 4. Удобство применения интегральной технологии (оптические датчики, как правило, твердотельные и полупроводниковые), обеспечивающей малые размеры и большой срок службы. 5. Обширная сфера использования: измерение различных физических величин, определение формы, распознавания объектов и т.д.

Наряду с преимуществами оптические датчики обладают и некоторыми недостатками, а именно чувствительны к загрязнению, подвержены влиянию постороннего света, светового фона, а также температуры (при полупроводниковой основе).

Датчики давления. В датчиках давления всегда испытывается большая потребность, и они находят весьма широкое применение. Принцип регистрации давления служит основой для многих других типов датчиков, например датчиков массы, положения, уровня и расхода жидкости и др. В подавляющем большинстве случаев индикация давления осуществляется благодаря деформации упругих тел, например диафрагмы, трубки Прудона, гофрированной мембраны. Такие датчики имеют достаточную прочность, малую стоимость, но в них затруднено получение электрических сигналов.

Потенциалометрические (реостатные), емкостные, индукционные, магнитострикционные, ультразвуковые датчики давления имеют на выходе электрический сигнал, но сравнительно сложны в изготовлении.

В настоящее время в качестве датчиков давления все шире используются тензометры. Особенно перспективными представляются полупроводниковые тензометры диффузионного типа. Диффузионные тензометры на кремниевой подложке обладают высокой чувствительностью, малыми размерами и легко интегрируются с периферийными схемами. Путем травления по тонкопленочной технологии на поверхности кристалла кремния с n-продимостью формируется круглая диафрагма. На краях диафрагмы методом диффузии наносятся пленочные резисторы, имеющие p-проводимость. Если к диафрагме прикладывается давление, то сопротивление одних резисторов увеличивается, а других - уменьшается. Выходной сигнал датчика формируется с помощью мостовой схемы, в которую входят эти резисторы.

Полупроводниковые датчики давления диффузионного типа, подобные вышеописанному, широко используются в автомобильной электронике, во всевозможных компрессорах. Основные проблемы - это температурная зависимость, неустойчивость к внешней среде и срок службы. Датчики влажности и газовые анализаторы Влажность - физический параметр, с которым, как и с температурой, человек сталкивается с самых древних времен; однако надежных датчиков не было в течение длительного периода. Чаще всего для подобных датчиков использовались человеческий или конский волос, удлиняющиеся или укорачивающиеся при изменении влажности. В настоящее время для определения влажности используется полимерная пленка, покрытая хлористым литием, набухающим от влаги. Однако датчики на этой основе обладают гистерезисом, нестабильностью характеристик во времени и узким диапазоном измерения. Более современными являются датчики, в которых используются керамика и твердые электролиты. В них устранены вышеперечисленные недостатки. Одна из сфер применения датчиков влажности - разнообразные регуляторы атмосферы.

Газовые датчики широко используются на производственных предприятиях для обнаружения разного рода вредных газов, а в домашних помещениях - для обнаружения утечки горючего газа. Во многих случаях требуется обнаруживать определенные виды газа и желательно иметь газовые датчики, обладающие избирательной характеристикой относительно газовой среды. Однако реакция на другие газовые компоненты затрудняет создание избирательных газовых датчиков, обладающих высокой чувствительностью и надежностью. Газовые датчики могут быть выполнены на основе МОП-транзисторов, гальванических элементов, твердых электролитов с использованием явлений катализа, интерференции, поглощения инфракрасных лучей и т.д. Для регистрации утечки бытового газа, например сжиженного природного или горючего газа типа пропан, используется главным образом полупроводниковая керамика, в частности, или устройства, работающие по принципу каталитического горения.

При использовании датчиков газа и влажности для регистрации состояния различных сред, в том числе и агрессивных, часто возникает проблема долговечности.

Магнитные датчики. Главной особенностью магнитных датчиков, как и оптических, является быстродействие и возможность обнаружения и измерения бесконтактным способом, но в отличие от оптических этот вид датчиков не чувствителен к загрязнению. Однако в силу характера магнитных явлений эффективная работа этих датчиков в значительной мере зависит от такого параметра, как расстояние, и обычно для магнитных датчиков необходима достаточная близость к воздействующему магнитному полю.

Среди магнитных датчиков хорошо известны датчики Холла. В настоящее время они применяются в качестве дискретных элементов, но быстро расширяется применение элементов Холла в виде ИС, выполненных на кремниевой подложке. Подобные ИС наилучшим образом отвечают современным требованиям к датчикам.

Магниторезистивные полупроводниковые элементы имеют давнюю историю развития. Сейчас снова оживились исследования и разработки магниторезистивных датчиков, в которых используется ферромагнетики. Недостатком этих датчиков является узкий динамический диапазон обнаруживаемых изменений магнитного поля. Однако высокая чувствительность, а также возможность создания многоэлементных датчиков в виде ИС путем напыления, т. е. технологичность их производства, составляют несомненные преимущества.

В современном производстве все большую роль играют технические измерения, поскольку они являются единственным способом получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические явления или процессы. Развитие науки и техники всегда было связано с прогрессом в области измерений. Ведь именно измерения позволили точно устанавливать в физике, механике других науках зависимости, выражающие объективные законы природы. Особенностью электрических приборов для измерения неэлектрических величин является обязательное наличие измерительного преобразователя (ИП) неэлектрической величины в электрическую.

Многообразие измеряемых физических величин влечет за собой разработку и создание ИП различных типов, основанных на самых различных методах измерения. Наибольшую сложность при разработке измерительного преобразователя представляет оптимизация его конструкции. Зачастую применяемые для расчета теоретические выводы не учитывают метрологическую сущность ИП и не устанавливают в очевидной форме связь его конструктивных и метрологических характеристик. В связи с этим в разработке многих устройств превалирует экспериментальный подход при выборе конструктивных и схемных решений, который базируется на опыте разработчика и данных экспериментальных исследований. Таким образом, задачей разработчика является такой выбор конструктивных и основных параметров измерительного преобразователя, который бы обеспечил наилучшие метрологические характеристики разрабатываемого устройства.

Следует отметить, что в настоящее время широкое распространение получили индуктивные преобразователи различных неэлектрических величин, в частности, перемещения. Во многих практически важных случаях необходимо осуществлять допусковый контроль размеров изделий, т.е. не самих размеров, а их отклонений от номинальных параметров. Определенный интерес представляет рассмотрение возможности допускового контроля поперечных размеров диэлектрических и проводящих изделий разных форм при использовании линейного участка характеристики индуктивного ИП.

Применение неразрушающих методов контроля продукции, особенно автоматизированных систем контроля, совместно с передовой технологией производства приводят к колоссальной экономии средств и повышению технического потенциала народного хозяйства.

Под датчиком подразумевается устройство, обеспечивающее функциональное преобразование изменения некоторой величины (любого вида) в изменение другой величины, удобное для усиления и передачи на расстояние. В частности, измерительный преобразователь неэлектрической величины устанавливает функциональную однозначную зависимость выходной электрической величины (ЭДС, сопротивления и т.д.) от входной измеряемой неэлектрической величины (перемещения, температуры и т.д.). Зависимость выходной величины измерительного преобразователя y от входной х выражается уравнением преобразования - y = f(x), которое обычно приходится находить экспериментально, т.е. прибегая к градуировке преобразователей

Значительное место среди датчиков занимают первичные преобразователи перемещений, т.е. устройства, выходной величиной которых являются: перемещения, усиления, давление и другие физические величины, которые могут быть преобразованы в перемещения, а выходной величиной является электрический сигнал.

Для удобства рассмотрения измерительные преобразователи классифицируются по принципу их действия, т.е. по тому явлению, которое используется для преобразования неэлектрической величины в электрическую.

Рассмотрим только наиболее часто применяемые преобразователи перемещения, которые относятся к классу параметрических преобразователей. В параметрических измерительных преобразователях выходной величиной является параметр электрической цепи (R, L, C). При использовании таких преобразователей, в отличии от генераторных, где выходной величиной является ЭДС, необходим дополнительный источник питания. Параметрические преобразователи очень разнообразны по своему устройству, назначению и области применения. Рассмотрим устройство и основы теории параметрических преобразователей, получивших наибольшее практическое применение.

Методы и устройства для определения перемещения.

Одним из важнейших элементов всякой системы автоматического регулирования и контроля является датчик, назначение которого состоит в восприятии и преобразовании параметра, характеризующего процесс, а огромное разнообразие технологических процессов приводит к необходимости иметь в наличии весьма широкий выбор датчиков, реализованных на самые различные величины.

Так как датчик - это устройство, обеспечивающее функциональное преобразование изменения некоторой величины (любого вида) в изменение другой величины, удобное для усиления и передачи на расстояние. (см. выше)

В частности, измерительный преобразователь неэлектрической величины устанавливает функциональную однозначную зависимость выходной электрической величины (ЭДС, сопротивления и т.д.) от входной измеряемой неэлектрической величины (перемещения, температуры и т.д.). Зависимость выходной величины измерительного преобразователя y от входной х выражается уравнением преобразования - y = f(x), которое обычно приходится находить экспериментально, т.е. прибегая к градуировке преобразователей.

Значительное место среди датчиков занимают первичные преобразователи перемещений, т.е. устройства, выходной величиной которых являются: перемещения, усиления, давление и другие физические величины, которые могут быть преобразованы в перемещения, а выходной величиной является электрический сигнал.

Подлежащие измерению перемещения находятся в значительном диапазоне – от долей микрометра, например, при измерении микрогеометрии шероховатостей в процессе производственного контроля чистоты отделки поверхностей в точном машиностроении до многих сотен и тысяч километров при измерении расстояний в геодезии, навигации или астрономии. В зависимости от решаемой задачи используются различные типы преобразователей, области, применения которых представлены в таблице.

При оценке измерительных преобразователей необходимо учитывать следующие их основные свойства:

1. Воспроизводимость функции преобразования.

2. Постоянство во времени функции преобразования.

3. Вид функции преобразования.

4. Важными характеристиками преобразователя являются его погрешности и чувствительность.

5. Обратное воздействие преобразователя на измеряемую величину.

6. Динамические свойства преобразователя.

Для удобства рассмотрения измерительные преобразователи классифицируются по принципу их действия, т.е. по тому явлению, которое используется для преобразования неэлектрической величины в электрическую. Рассмотрим только наиболее часто применяемые преобразователи перемещения, которые относятся к классу параметрических преобразователей .

В параметрических измерительных преобразователях выходной величиной является параметр электрической цепи (R, L, C). При использовании таких преобразователей, в отличии от генераторных, где выходной величиной является ЭДС, необходим дополнительный источник питания. Параметрические преобразователи очень разнообразны по своему устройству, назначению и области применения. Рассмотрим устройство и основы теории параметрических преобразователей, получивших наибольшее практическое применение.

Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины – перемещения. Они представляют собой реостат, движок которого перемещается под воздействием линейного или углового перемещения. Уравнение преобразования таких преобразователей в самом общем виде: R = f(Xвх), где R – выходное сопротивление преобразователя, Xвх – угловое или линейное перемещение движка.

Состоят реостатные преобразователи из обмотки, нанесенной на каркас и щетки. Форма каркаса зависит от характера измеряемого перемещения (линейное, угловое), от вида функции преобразования (линейная, нелинейная) и других факторов и может иметь вид цилиндра, тора, призмы и др. Габариты преобразователей определяются значением измеряемого перемещения, сопротивлением обмотки и мощность, выделяемой в обмотке.

Для получения нелинейной функции преобразования применяются функциональные реостатные преобразователи.

Выходной величиной реостатных преобразователей является активное сопротивление, распределенное линейно или по некоторому закону по пути движка и измеряемое обычно с помощью мостовых схем с логометром в измерительной диагонале. Применение автоматических самоуравновешиваю-щихся мостов позволяет избежать влияния сопротивления переходного контакта в движках преобразователя и колебания напряжения источника питания.

При использовании реостатных преобразователей для измерения неэлектрических величин часто ставится задача получения линейной зависимости угла отклонения  измерителя от измеряемой неэлектрической величины, несмотря на то, что ряд звеньев прибора между преобразователем и измерителем характеризуется нелинейной функцией преобразования.

К основным достоинствам реостатных преобразователей можно отнести: возможность получения высокой точности и значительных по уровню выходных сигналов, простоту конструкции, малые габариты и массу, возможность питания постоянным и переменным током, высокую стабильность параметров.

Недостатки реостатных преобразователей: наличие скользящего контакта, ограниченный срок службы, ограниченный диапазон, нелинейность выходной характеристики, что обеспечивает большую погрешность линейности.

Погрешность от нелинейности реостатных преобразователей может быть получена равной 0,10,03%. Температурная погрешность определяется, прежде всего, ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) провода и составляет, как правило, меньше 0,1% на 10оС.

Наиболее широко реостатные преобразователи применяются для преобразования линейных (более 23 мм) или угловых перемещений объекта, способного развивать усилия от 10-2 Н и более.