5.5.2 Пассивные датчики

Резистивные датчики обычно используются для контроля линейных и угловых перемещений, дав­ления, температуры и т.д. Принцип их действия основан на изменении активного электри­ческого сопротивления под влиянием измеряемой величины. В зависимости от включения (как ре­остат или потенциометр) их подвижного элемента, меха­нически связанного с рабочим механизмом, будет эквивалентно меняться и выходной сигнал.

Многие резистивные датчики относятся к безы­нерционным звеньям; их чувствительность обычно лежит в пределах от 3 до 5 В/мм. Резистивные дат­чики сопротивления могут быть каркасными и бес­каркасными. Бескаркасные могут быть жидкостны­ми или электролитическими. Для измерения угла поворота резистивные датчики имеют подвижный элемент, отклоняющийся на угол α (см. рис. 5.11 и 5.12).

Рис. 5.11

В каркасных датчиках (рис. 5.11, а — г) в каче­стве сопротивления используются проволока с высокоомным удельным электрическим сопротивле­нием, слой полупроводника или пленка металла. Электролитические датчики (рис. 5.11, д — и) мо­гут использоваться только в цепях переменного тока из-за разложения электролита и поляризации элек­тродов при постоянном токе; их сопротивление сильно зависит от температуры. По указанным при­чинам наиболее предпочтительными являются диф­ференциальные схемы их включения. Выходной сиг­нал датчиков может быть в виде тока I_Х (рис. 5.11, а) или напряжения U_x.

Вид характеристики в значительной степени за­висит от значения сопротивления нагрузки. Напри­мер, для схемы по рис. 5.11, б выходное напряже­ние U_x выражается следующим равенством:

В зависимости от вида характеристики резистив­ные датчики могут быть линейными и нелинейны­ми. Иногда преднамеренно характеристике прида­ют специальный нелинейный вид. Для этого исполь­зуют фигурные каркасы (рис. 5.12, а и б), шунти­руют отдельные участки (рис. 5.12, в — д) или вы­полняют

Рис. 5.12

их из материалов с различным удельным электрическим сопротивлением. На рис. 5.12, а, б представлены принципиальные схемы резистивных датчиков с фигурными каркасами. Каркасы имеют толщину b. Их высота h зависит от координаты х. При перемещении движка на длину dx происходит изменение сопротивления датчика на dR. Общее изменение сопротивления R датчиков от положения х их движка показано под соответствующими эски­зами датчиков. В датчиках (рис. 5.12, в, г) карка­сы не фигурные, но, тем не менее, эти датчики также позволяют получить нелинейную характеристику. Последнее достигается за счет шунтирования отдель­ных участков датчиков вспомогательными резисто­рами (рис. 5.12, в) или за счет закорачивания этих участков перекатывающимся фигурным контактом (рис. 5.12, г). В датчике, показанном на рис. 5.12?, д, за счет конструктивных особенностей при пово­роте движка на угол α выходной сигнал изменяется по закону синуса или косинуса.

В промышленности используются различные ти­пы резистивных датчиков: Ш1, ДУП и др.

Принципиальные схемы датчиков линейных пе­ремещений на магнитных усилителях приведены на рис. 5.13. Первый из них (рис. 5.13, а) представ­ляет собой дроссельный магнитный усилитель, ра­ботающий в режиме вынужденного намагничива­ния. Если х=const, то ток, протекающий по рези­стору R_H, будет постоянным и датчик работает, как стабилизатор среднего значения тока в нагрузке. При х=var происходит изменение тока I и напря­жения U на резисторе R_H. Чем дальше удален маг­нит 2 от магнитопровода 1, тем меньше показания амперметра и вольтметра. Ввиду известной стабиль­ности характеристики управления дроссельного маг­нитного усилителя ток в резисторе будет мало зави­сеть от напряжения е питания, частоты сети I и со­противления R_H. В таких датчиках (при неизмен­ном сопротивлении R_H) удается обеспечить стабиль­ность показаний приборов с точностью ±0,25 % при изменении напряжения питания на ±25 % .

Рис. 5.13

Датчик линейных перемещений (рис. 5.13, б) — это магнитный усилитель с самоподмагничиванием, управляемый полем постоянных магнитов 2 и 3. При перемещении ферромагнитной пластины 4 изменяется магнитное состояние участков магнито­провода 1, на которых размещены рабочие обмот­ки и . За счет этого изменяются угол насыще­ния и как результат среднее напряжение на резисто­ре.

Лекция 23

Индуктивные датчики предназначены для изме­рения перемещений и усилий. Принцип их дейст­вия основан на изменении индуктивности под вли­янием контролируемой величины; выходной сигнал и его фаза зависят от положения подвижного эле­мента. Эти датчики могут работать лишь с источниками переменного тока. По сравнению с резистивными датчиками они менее чувствительны к колебаниям температуры, но весь­ма чувствительны к перепадам частоты f и значения питающего напряжения U, обладают повышенной реакцией. Принципиальная схема нереверсивного индуктивного датчика линейных перемещений с переменным немагнитным зазором 6 показана на рис. 5.14. Конструктивно он подобен П-образному электромагнитному реле с прямоходовым движени­ем якоря. На магнитопроводе 1 расположена обмот­ка 2, к которой подается напряжение U. Выходной сигнал снимается с балластного сопротивления . Для гальванической развязки входной и сиг­нальной цепей может использоваться дополнитель­ная обмотка 2', с которой снимается сигнал .

Рис. 5.14

Оба сигнала и могут сниматься одновре­менно. При неизменном зазоре δ выходные сигналы будут изменяться эквивалентно изменениям коор­динат х, у или z якоря 3 (рис. 5.14).

Ниже рассматриваются некоторые типы индук­тивных датчиков.

1.Индуктивные датчики типа ИД состоят из не­ подвижной обмотки, заключенной в стальной магнитопровод, и перемещающегося внутри обмотки якоря. При перемещении якоря изменяются индук­тивность обмотки и ее полное электрическое сопро­тивление переменному току.

2.Датчики серии ИКВ построены на принципе преобразования линейного перемещения движуще­гося объекта в изменение индуктивного сопротивле­ния обмотки со стальным сердечником. Их принци­пиальная схема включения показана на рис. 5.15. Датчик состоит из корпуса 1, внутри

Рис. 5.15

которого перемещает­ся плунжер (сердечник) 2, связанный посредством штока 3 с рабочим механизмом. При перемещении штока 3 вверх или вниз изменяется индуктивное со­противление обмоток N. Сигнал снимается с не­ большого резистора R. Для уменьшения остаточного выходного сигнала U_x и для определения направления движения х датчики ИКВ-30 включаются по­парно по дифференциальной схеме (рис. 5.15).

Индуктивные датчики используются в дифферен­циальных манометрах типа ДММ для измерения рас­хода жидкостей.

3. Индуктивный датчик перемещений типа Э применяется в дистанционных манометрах.

4. Датчики размеров типа БВ-908 и БВ-844 ра­ботают в комплексе с записывающим устройством типа БВ-662 и предназначены для контроля разме­ров деталей в машиностроении.

5. Датчики углового перемещения типов ОДУ (однокоординатные) и ДДУ (двукоординатные) применяются в гироскопических устройствах для измерения угла прецессии.

6. Датчики магнитного поля на герконах могут использоваться для измерения и анализа внешних созданных не индуктивной обмоткой магнитных по­лей и любых других физических величин, приводя­щих к изменению магнитного поля вокруг геркона.

Трансформаторные датчики являются разновид­ностью индуктивных датчиков. Они содержат магнитопровод 1 и две или более подвижные или не­подвижные обмотки, некоторые из которых могут быть короткозамкнутыми (рис. 5.16). Работа этих датчиков основана на изменении магнитной связи, взаимной индуктивности между первичной (вход­ной возбуждения) обмоткой 2 с числом витков N_B и вторичными (выходными, сигнальными) обмот­ками 3 с числом витков N_С, вызванном воздействием контролируемой величины.

Принципиальная схема датчика линейных пере­мещений с короткозамкнутым витком (экраном) показана на рис. 5.16. При нейтральном располо­жении экрана 4 в силу полной симметрии системы магнитный поток, создаваемый обмоткой 2, поровну распределяется в левую и правую части магнитопровода 1. ЭДС, наведенные этими потоками в сиг­нальных обмотках 3, равны между собой и направ­лены встречно. В итоге результирующий выходной сигнал U_x равен нулю. При смещении экрана 4 с нейтрали на некоторое

Рис. 5.16

расстояние х потоки в левой и правой частях системы будут различными, поя­вится выходной сигнал, эквивалентный смещению на расстояние х экрана. Датчик прост и надежен, но чувствителен к колебаниям частоты и амплитуды питающего напряжения.

Трансформаторные датчики используются для измерения механических сил и перемещений. Они надежны в эксплуатации, имеют значительный вы­ходной сигнал, который без усиления может ис­пользоваться в последующих элементах схемы. К недостаткам можно отнести повышенные габариты, массу, инерционность и реакцию.

Емкостные датчики конструктивно просты, на­дежны, обладают малой массой и габаритами, ма­лой инерционностью и высокой чувствительностью; используются для измерения небольших перемеще­ний, влажности, давления. Емкость датчика при внешнем воздействии может меняться за счет изме­нения зазора между электродами и их площади, ме­ханической деформации диэлектрика и его свойств. Емкость датчиков обычно мала (10-100 пФ), поэ­тому желательно работать на повышенных часто­тах. Чувствительность датчика зависит от конструк­ции, схемы включения и параметров, определяю­щих значение емкости. Конструктивно емкостные датчики подобны электролитическим резистивным датчикам. Рассмотрим некоторые из них.

1. Емкостные датчики серии ДЕ применяются для измерения линейных размеров деталей и контроля движущихся тел с диэлектрической проницаемостью, отличающейся от проницаемости ваку­ума.

2. Для непрерывного измерения уровня жидких легковоспламеняющихся, горючих, взрывоопасных и агрессивных сред используются датчики серии ЭИУ-1В. Их принцип действия основан на измене­нии емкости системы "земля — изолированный электрод" при погружении его в жидкость.

3. Датчики серии ЕДО предназначены для изме­рения пульсирующих и импульсных давлений воз­духа и других газов; работают на принципе преобразования давления, приложенного к мембране, в изменение емкости.

4. Малогабаритные датчики серии ДК-М1 и ДК-М2 используются для измерения частоты и амплитуды пульсации давления на лопатках турбин.

Емкостные датчики магнитного поля на герконах в отличие от индуктивных датчиков на герконах не имеют индуктивной обмотки. Сигнал в них сни­мается с выводных концов геркона. Датчики служат для контроля параметров, приводящих к изменению магнитного поля вокруг геркона

Лекция 24