П’єзоелектричні датчики

П'єзоелектричні датчики для вимірювання зусиль є кварцовою пластиною. З двох сторін її напилені або приклеєні струмопровідним клеєм елек троди, з яких знімається вихідна напруга (рис. 5.2).

-

Рисунок 5.2 П’єзоелектричний датчика

Два електроди і кварцовий діелектрик утворюють конденсатор, на електродах якого присутні електричні заряди Q, що виникають унаслідок прямого п'єзоелектричного ефекту при стисненні кварцової пластини силою Р.

Електричний заряд пропорційний стискаючій силі Р:

Q = αP,

де α — коефіцієнт пропорційності, який називається п’єзомодулем .

Під дією сили Р, що змінюється, на електродах датчика з'являється вихідна напруга

де С_д — ємність датчика; С_м — ємність монтажу.

Вихідна напруга датчиків змінюється від одиниць мілівольт до одиниць вольт. Підсилювач, що підключається до вихідних затискачів п’єзодатчика, повинен мати великий вхідний опір.

Великою перевагою п'єзоелектричних датчиків є їх безінерційність , а також висока чутливість. Їх основний недолік – низька механічна міцність. Застосовуються п’єзодатчики для вимірювання сил, тиску, вібрацій і т.д.

Фотоелектричні датчики

У фоторезисторах використовується явище внутрішнього фото­ефекту, вперше відкритого в 1873 p., потім детально дослідженого російським фізиком В. О. Ульяніним у 1888 р. При освітленні х = Ф опір у=Rф напівпровідникового шару між двома гребінчастими електродами (рис. 5.3, а) зменшується. Варіант конструкції пока­заний на рис. 5.3, б (1 — віконце в корпусі, 2 — світлочутлива на­півпровідникова пластина, 3—контактні виводи).

Рисунок 5.3

Фотодіоди — це високочутливі елементи для перетворення світ­лових сигналів на електричні. Будова одного з видів фотодіодів показано на рис. 5,4, а (1 — скляна лінза, 2 — пластинка гер­манію ,3— контактні виводи).

Можливі два режими роботи фотодіодів. У першому з них (рис. 5.4, б) зовнішнього джерела живлення немає, фотодіод працює як вентильний фотоелемент. Під впливом світла в пластинці напів­провідника вивільняються фотоелектрони; р— n- перехід дає їм змогу проходити лише в напрямі від р до n. Внаслідок цього звільнені світлом фотоелектрони можуть переміщуватися лише в одно­му напрямі, створюючи в електричному колі струм, значення якого залежить від освітленості. Найбільші прирости фотоструму дося­гаються при невеликих освітленостях.

Другий режим (рис. 5.4, в) характеризується наявністю зов­нішнього джерела напруги. У темряві через фотодіод протікає зво­ротний струм, який залежить від напруги джерела живлення. При освітленні фотодіода до цього зворотного струму додається фото­струм, що зростає приблизно пропорційно освітленості.

Рисунок 5.4

Тахогенератори

Для вимірювання швидкості обертів двигуна. найчастіше використовується асинхронний тахогенератор змінного струму.

Тахогенератор змінного стру­му зображено на рис. 5.5 (1 — феромагніт­ний магнітопровід ста­тора, 2 — нерухомий магнітопровід ротора, 3 — порожнистий алюмінієвий ротор, w₁ обмотка живлення, w₂ — вихідна обмотка). Обмотка w_l підключе­на до джерела живлення U_живл, створює пульсуючий магнітний по­тік Ф₁. Якщо ротор нерухомий, то пульсуючий магнітний потік Ф₁ індукує у ньому тільки вихрові струми, магнітне поле яких, згідно із законом Ленца, спрямоване проти Ф₁ і на вихідну обмотку w₂ не впливає. Але при обертанні ротора в ньому, крім того, виникає до­даткова електрорушійна сила, напрям якої збігається з твірною ци­ліндричного ротора; вона створює струм І₂, магнітне поле Ф₂ якого пронизує вихідну котушку w₂ й індукує в ній напругу y=U_вих— тим більшу, чим швидше обертається ротор х=п.

Рисунок 5.5 Тахогенератор змінного струму

Лекція 6

Призначення і характеристики підсилювачів.

Призначення, класифікація і основні характеристики підсилювачів

У автоматиці вихідний сигнал датчика використовується для приведення в дію виконавчого пристрою автоматичної системи. Проте дуже часто потужності вихідного сигналу датчика недостатньо , і її тому необхідно підсилювати. Ефект підсилення по потужності здійснюється в підсилювачах за рахунок енергії допоміжного джерела.

Залежно від виду допоміжного джерела енергії підсилювачі можна розбити на наступні групи: електричні, гідравлічні, пневматичні, і комбіновані.

Підсилювачі діляться на однокаскадні і багатокаскадні, а також на підсилювачі із зворотними зв'язками і без зворотних зв'язків. Застосовуються найчастіше електричні підсилювачі, які, можна розділити на дві великі підгрупи: підсилювачі, що не містять рухомих частин (електронні, напівпровідникові, тиратронні, магнітні), і підсилювачі, що містять рухомі частини (електромашинні)

До основних характеристик підсилювачів відносяться:

коефіцієнт підсилення;

потужність, яка споживається від допоміжного джерела енергії;

вихідна потужність;

коефіцієнт корисної дії (ККД);

швидкодія (значення постійної часу);

вхідний і вихідний опори підсилювача

власні шуми підсилювача (поява вихідної величини при вхідній величині, рівній нулю).

Коефіцієнт підсилення наприклад, для електричних підсилювачів показує, в скільки разів потужність, струм або напруга на виході підсилювача більше потужності ,струму або напруги на його вході.

Потужність, яка споживається від допоміжного джерела енергії, вихідна потужність і ККД визначають енергетичні властивості підсилювача.

Швидкодія підсилювачів оцінюється по їх динамічним характеристикам (часовим або частотним) . Підсилювачі магнітні, електромашинні, гідравлічні і пневматичні мають меншу швидкодію , ніж електронні і напівпровідникові підсилювачі. Наприклад, значення постійної часу електронного підсилювача рівне 10^-6 —10^-10 с, а пневматичного підсилювача - 1 — 10^-1 с.

Вхідний і вихідний опори мають місце тільки для електричних підсилювачів. Ці опори необхідно враховувати при узгодженні підсилювачів) з попередніми і подальшими елементами автоматичної або телемеханічної системи.

Напівпровідникові, магнітні і електромашинні підсилювачі мають менше значення вхідного опір ніж електронні підсилювачі.

Вхідний опір електронного підсилювача рівний 10⁶—10¹² Ом, а вхідний опір напівпровідникового підсилювача— 10²—10⁵ Ом.

Підсилювачі з низьким вхідним опором не можна використовувати, наприклад, для посилення сигналів ємнісних датчиків, фотоелементів, що мають великий вихідний опір.

Область застосування різних підсилювачів

У автоматиці застосовуються електронні підсилювачі двох видів: підсилювачі з безпосереднім зв'язком між каскадами (або підсилювачі постійного струму) і підсилювачі змінного струму. Підсилювачі постійного струму застосовуються наприклад, в слідкуючих системах, коли сигнал помилки є напругою, що поволі змінюється.

При використовуванні підсилювачів постійного струму (УПС) слід пам'ятати, що вони мають великий дрейф нуля (явище повільної зміни вихідної напруги підсилювача з часом). Основними причинами дрейфу нуля є: зміна напруги живлення підсилювача і розжару ламп; зміна емісії катодів ламп і зміна характеристик ламп з часом. Для зменшення дрейфу нуля застосовують модулятори ( і демодулятори). Сигнал помилки постійного струму за допомогою модулятора перетворюють на змінну напругу, яка потім посилюється і демодулюється , тобто посилена змінна напруга перетвориться в постійну.

Підсилювачі змінного струму в порівнянні з УПС мають наступні переваги: відсутність дрейфу нуля, простота схеми, мала маса і можливість використовування виконавчих пристроїв змінного струму.

Електронні підсилювачі частіше застосовуються в слідкуючих системах, оскільки перед іншими видами підсилювачів вони мають ряд переваг: можливість отримання великих коефіцієнтів підсилення, велика швидкодія ,підсилення дуже малих сигналів, відсутність рухомих частин, висока стабільність характеристик, можливість безпосереднього узгодження з іншими видами підсилювачів, широкий діапазон підсилюваних частот.

До недоліків електронних підсилювачів можна віднести невелику механічну міцність, малу надійність, малий час служби, низький ККД.

Як правило, потужність електронних підсилювачів складає від десятих часток вата до декількох десятків ватів.

У автоматиці, наприклад в слідкуючих системах, все частіше стали застосовуватися напівпровідникові підсилювачі які мають наступні переваги: високу надійність і довговічність, вібро- і ударостійкість , малі розміри і масу , миттєву готовність до роботи ,економічність

До недоліків напівпровідникових підсилювачів відносяться: велика розбіжність параметрів і характеристик від температури навколишнього середовища, малий вхідний і великий вихідний опори. Для побудови напівпровідникових підсилювачів

використовуються напівпровідникові тріоди і тиристори.

Звично напівпровідникові тріоди і тиристори виготовляються з германію або кремнію з відповідними домішками. Напівпровідникові підсилювачі виконуються потужністю від десятих часток вата до декількох десятків ватів.

Тиратронні підсилювачі застосовуються в автоматичних системах регулювання. Технічні характеристики цих підсилювачів багато в чому співпадають з технічними характеристиками електронних підсилювачів. Основною перевагою тиратронних підсилювачів в порівнянні з електронними підсилювачами є велика вихідна потужність, яка виходить за рахунок великого анодного струму. Анодний струм для сучасних тиратронів коливається від декількох сотень міліампер до декількох сотень ампер. Збільшення анодного струму тиратрона можливе через наявність іонізованого газу в просторі між анодом і катодом.

До недоліків тиратронних підсилювачів відносяться: велика розбіжність параметрів і невелика чутливість, необхідність попереднього прогрівання катода тиратрона до подачі живлення на анод (час прогрівання катода може складати від 10 з до 40 мін). Для побудови тиратронних підсилювачів застосовуються паро або газонаповнені три- або чотириелектродні лампи.

В даний час широко застосовуються в автоматиці комбіновані підсилювачі, які можуть складатися з двох-трьох або трьох-чотирьох типів підсилювачів. Такі комбінації дають можливість використовувати переваги кожного типу підсилювача. При виборі комбінованого підсилювача необхідно враховувати наступні основні показники: термін служби, надійність в роботі, миттєву готовність до роботи, масу і габарити , вихідну потужність для управління виконавчим двигуном чутливість і коефіцієнт підсилення підсилювача, вартість, потужність ,яка споживається споживачем.