Лекция 4–6

Любой измерительный прибор можно рассматривать как преобразователь измеряемой величины G, который представляет эту величину в виде численных значений {G} и выдает результат в удобной для его восприятия и дальнейшего использования форме. На рисунке 2 изображена обобщенная модель измерительного прибора, где измеряемая величина G представлена входной величиной x e , а отображением измеренного значения {G}[G] является выходная величина x a . Это преобразование реализуется функциональным элементом, который носит название чувствительного элемента, или первичного измерительного преобразователя (ПИП).

Рис. 2. Обобщенная модель измерительного прибора

Микроэлектронные ПИП с выходными электрическими или оптическими сигналами называют сенсорами. Нередко ПИП именуются также датчиками (несмотря на популярность термина «датчик» он не рекомендован государственным стандартом в нашей стране в качестве предпочтительно используемого. Смысл этого понятия – «давать» информацию, т.е. самостоятельно генерировать сигнал, что не соответствует свойственной ПИП функции преобразования измеряемой величины в сигнал, пригодный для дальнейшего использования).

В сравнительно простых средствах измеряемая величина отображается непосредственно в виде выходной величины. Часто, однако, выходные сигналы ПИП подвергаются вторичному преобразованию, что связано с требованиями дальнейшей обработки сигналов. При этом должна существовать однозначная функциональная зависимость между измеряемой величиной, т.е. оригиналом, и ее отображением. Обычно стремятся к тому, чтобы эта зависимость при измерительном преобразовании была линейной и функция x a =f (x e) – уравнение преобразования ПИП – графически отображалась прямой линией.

Чувствительные элементы и датчики являются одним из основных элементов автоматических систем. Они предназначены для изменения и контроля различных физических величин (параметров производственных процессов): температуры, давления, влажности, концентрации растворов, частоты вращения и т.д. Как правило, чувствительный элемент реагирует на изменение параметра и преобразует это изменение в вид, удобный для дальнейшего использования в автоматической системе. В большинстве случаев требуется изменение неэлектрической величины преобразовать в изменение электрической величины. Конструктивно оформленная часть автоматической системы, в которой изменяемая величина одновременно преобразуется в другую физическую величину, более удобную для ее дальнейшего использования в автоматической системе, называется датчиком. Датчик включает в себя чувствительный элемент. Однако на практике и в технической литературе часто не делают различия между понятиями «чувствительный элемент» и «датчик».

Датчики представляют собой весьма разнообразные устройства. Это объясняется физической природой измеряемых величин (параметров процесса) и различием принципов, положенных в основу их измерения. Обычно датчики классифицируются по измеряемой величине (температуре, расходу жидкости, влажности материала и т.п.) и параметру, в который преобразуется сигнал чувствительного элемента (омическое сопротивление, индуктивность, емкость и т.п.).

Чувствительные элементы (датчики) могут быть контактными и бесконтактными. В первом случае в момент измерения чувствительный элемент соприкасается с контролируемым веществом, во втором измерение происходит без соприкосновения.

Датчики, используемые в автоматических устройствах, могут быть параметрическими и генераторными. Параметрические датчики преобразуют изменение контролируемой величины, обычно неэлектрической, в изменение параметров электрической цепи. Генераторные датчики преобразуют изменение контролируемой величины в ЭДС.

Основными требованиями, предъявляемыми к датчикам, являются: высокая чувствительность, линейность зависимости выходной величины от входной и малая инерционность. Датчик как элемент автоматической системы осуществляет преобразование контролируемой величины, ее называют входной величиной x 1, в другую - выходную величину х 2 . Под чувствительностью S понимают отношение приращения Δx 1 к приращению Δx 2:

Переходя к пределу при Δx 1 -> 0, получим выражение для дифференциальной чувствительности S Д:

Чувствительность может иметь размерность (например, мВ/град, Ом/мм и др.) и быть безразмерной величиной.

Иногда пользуются показателем относительной чувствительности η:

,

где х 10 и х 20 - заранее выбранные базисные значения входной и выходной величин датчика. В этом случае чувствительность всегда будет безразмерной величиной.

Ниже мы рассмотрим некоторые важнейшие типы датчиков.

В автоматических системах широко используется механические чувствительные элементы, входной величиной которых является перемещение. Это объясняется тем, что различные физические величины, например сила, момент силы, давление, температура, скорость, ускорение, геометрические размеры тел, сравнительно просто преобразуются в пространственные перемещения, функционально связанные с количественным значением этих величин. Эти перемещения затем преобразуются в функционально связанные с ними электрические параметры - силу тока, напряжение, индуктивность, емкость.

Наиболее распространенными датчиками с преобразованием перемещений в электрические величины являются реостатные (потенциометрические), электротензометрические, индуктивные и емкостные.

Реостатные датчики преобразуют перемещение чувствительного элемента в изменение тока или напряжения. На рисунке 3 представлены (реостатные датчики, включаемые по схеме потенциометра.

Выходной ток I н и напряжение U H однозначно связаны с положением движка (при постоянном значении напряжения питания U ), а при достаточно большом сопротивлении нагрузки (R н >> R ) и равномерной намотке проводника практически обеспечивается линейная зависимость или , т.е. реостатный датчик представляет собой делитель напряжения с линейным или угловым перемещением движка. Чувствительность таких датчиков определяется выражением для линейного перемещения s движка (рис. 3а) и для углового перемещения α движка (рис. 3б).

Рис. 3. Реостатные датчики

У такого рода датчиков имеются существенные недостатки, обусловленные наличием скользящего контакта. Например, перемещение движка в пределах одного витка обмотки не вызывает изменения выходной величины, поэтому возникает погрешность, связанная со ступенчатым изменением выходной величины U н при плавном изменении входной s или α.

Обычно обмотку датчика изготовляют из манганиновой или константановой проволоки. В наиболее ответственных случаях обмотку датчика изготовляют из тонкой (d = 0,03 мм) платиновой иридиевой проволоки, обеспечивающей хороший контакт при очень малом давлении движка на обмотку.

К группе реостатных относятся угольные датчики, которые преобразуют передаваемое на них усилие в электрическое сопротивление или напряжение. Схема одного из угольных датчиков показана на рисунке 4а. Он состоит из графитовых дисков, собранных в виде столбика 1. Столбик состоит из 10-15 дисков диаметром 5–10 мм и толщиной 1­2 мм. На концах столбика имеются контактные диски 2 и упорные конструкции 3 , через которые передается давление. Электрическое сопротивление такого датчика складывается из собственного сопротивления графитовых дисков и переходного сопротивления на контактных поверхностях между этими дисками. С увеличением давления переходное контактное сопротивление датчика уменьшается.

На рисунке 4б представлена кривая зависимости сопротивления датчика от приложенного усилия Р, которая приближенно выражается зависимостью

,

где R г - суммарное собственное сопротивление графитовых дисков; μл – постоянный коэффициент; Р – приложенное к датчику усилие.

Дифференциальную чувствительность угольного датчика можно найти, продифференцировав предыдущее выражение по Р:

.

На практике чаще пользуются относительной чувствительностью

где ΔR - изменение сопротивления датчика при изменении его длины на Δl .

Рис. 4. Угольный датчик

Недостатком угольных датчиков является нелинейность характеристики, нестабильность ее во времени, значительная зависимость сопротивления от температуры окружающей среды и существенный гистерезис (до 8 %).

Для измерения малых перемещений (доли миллиметра), упругих деформаций, вибраций чаще всего используются электротензометрические элементы , представляющие собой проволочные датчики, деформация которых преобразуется в изменение электрического сопротивления. Такой проволочный датчик (тензометр) представляет собой тонкую (d= 0,02 ... 0,05 мм) проволоку 1 (рис. 5), зигзагообразно наклеенную на изоляционное основание 2 - обычно тонкую бумагу. Наиболее часто употребляется константановая или нихромовая проволока, к концам которой прикрепляются медные выводы 3. Датчик клеем (БФ-2, БФ-4, силиконовым или другим) укрепляется на детали и деформируется вместе с ней. При проведении измерений тензометр обычно включают в плечо мостовой измерительной схемы.

Рис. 5. Тензометр

Индуктивные датчики применяют для измерения и контроля механических перемещений в пределах 0,01-50 мм. Однако некоторые из них, т.н. плунжерные индуктивные датчики, могут применяться для измерения перемещений, достигающих десятков сантиметров.

Схема простейшего якорного индуктивного датчика показана на рисунке 6а. Входной величиной в данном случае является воздушный зазор δ, изменяющийся при перемещении ферромагнитного якоря 1, а выходной - ток i при постоянном напряжении U: ,

где – сопротивление катушки 2 датчика; R - активное сопротивление катушки; ω - частота тока; L - индуктивность катушки датчика.

Рис. 6. Якорный датчик

Индуктивность L , Гн, катушки можно вычислить по приближенной формуле:

,

где - число витков катушки; F - площадь сечения магнитопровода.

Так как активное сопротивление катушек значительно меньше индуктивного, т.е. R <<L , приближенно можно принять

Примерная зависимость i = f (δ) приведена на рисунке 6б. Эта зависимость линейна в достаточно широком диапазоне изменения зазора 6. Когда активное сопротивление становится coизмеримым с индуктивным, линейность нарушается.

Чувствительность индуктивного датчика можно определить из выражения (1):

На рисунке 7 показана принципиальная схема плунжерного индуктивного датчика. В этих датчиках используется свойство катушки индуктивности изменять свое сопротивление при введении в нее ферромагнитного сердечника. Для питания индуктивных датчиков используется переменный ток промышленной (50 Гц), а иногда и более высокой частоты (до нескольких килогерц).

Рис. 7. Плунжерный индуктивный датчик

Емкостные датчики представляют собой конденсатор, емкость которого изменяется при изменении измеряемой неэлектрической величины, в частности величины перемещения. Таким образом, у емкостных датчиков входной величиной является линейное или угловое перекрещение, а выходной - электрическая емкость. Примеры емкостных датчиков приведены на рисунке 8.

Рис. 8. Емкостные датчики

Емкость С плоского конденсаторного датчика с изменяющимся расстоянием между пластинами (рис. 8 а ) определяется по формуле:

где - диэлектрическая постоянная; F - активная площадь конденсатора; δ - расстояние между пластинами.

Tаким образом, при изменении расстояния δ между пластинами будет изменяться емкость датчика. Дифференциальная чувствительность S Д датчика в этом случае определится по формуле:

.

Емкостные датчики с изменяющимся расстоянием между пластинами используют для измерения очень малых перемещений – до 10 -6 м. Такая высокая точность достигается включением датчика в плечо мостовой схемы, питаемой напряжением высокой частоты.

Емкостной датчик с угловым перемещением а показан на рисунке 8б. Емкость такого конденсатора можно определить по формуле:

где F - активная площадь конденсатора при α=0; δ - расстояние между пластинами.

У этого датчика входной величиной является α, а выходной С.

Дифференциальная чувствительность:

.

Схема цилиндрического емкостного датчика показана на рисунке 8в. Здесь емкость изменяется при относительном осевом перемещении цилиндров, образующих конденсатор:

,

где δ – величина перекрытия внутреннего цилиндра наружным; r 1 и r 2 – радиусы соответственно внутреннего и внешнего цилиндров.

Дифференциальная чувствительность определяется по формуле:

Магнитоупругие датчики основаны на явлении магнитоупругого эффекта – изменении магнитной проницаемости у феррометаллов при упругой деформации. Упрощенная схема магнитоупругого датчика приведена на рисунке 9а. Он состоит из магнитопровода с катушкой индуктивности. При упругой деформации магнитопровода его магнитная проницаемость μ изменяется, в результате чего изменяется полное электрическое сопротивление катушки , т.к. .

В качестве материала магнитоупругих датчиков обычно применяют никелево-железные сплавы. Зависимость относительного изменения магнитной проницаемости от механического напряжения:

в области упругих деформаций приведена на рисунке 9б.

Для магнитоупругих датчиков различают два вида чувствительности: электрическую

и магнитную

.

Общая чувствительность датчика

.

Рис. 9. Магнитоупругий датчик

Рис. 10. Пьезометрический датчик

Датчик этого типа обладает высоким быстродействием и небольшими размерами. Существенным его недостатком является большая температурная погрешность, которая доходит до 1 % на 1 °С. Это заставляет применять специальные схемы для компенсации температурных погрешностей. Питание схемы с подобными датчиками осуществляется от источника переменного тока повышенной частоты (5-10 3 ... 5-10 4 Гц).

Пьезоэлектрические датчики , используемые чаще всего для измерения и контроля быстроизменяющихся давлений, деформаций и т. п., основаны на пьезоэлектрическом эффекте. Сущность этого эффекта состоит в появлении зарядов на гранях кристалла при его механических деформациях. В таких датчиках обычно используются пластина (или несколько пластин), особым образом вырезанная из кристалла турмалина, кварца или сегнетовой соли. В качестве материала для пластин широко используется титанат бария.

При действии силы Р вдоль так называемый электрической оси кристалла на границах пластины возникают электрические заряды q различных знаков, величина которых определяется зависимостью:

где k 0 - пьезоэлектрическая постоянная, или модуль.

Эти датчики, являющиеся генераторными, представляют собой пластину, помещенную между обкладками. Возникающее между обкладками напряжение U равно:

где С - емкость датчика; С 0 - емкость присоединяемой к датчику измерительной схемы (емкость проводов, емкость измерительного устройства).

Дифференциальная чувствительность датчика:

Из вышеприведенного выражения следует, что на чувствительность датчика существенно влияет С 0 , увеличение которой приводит к уменьшению чувствительности.

Для увеличения чувствительности датчик составляют из нескольких пластин, расположенных столбиком (рис. 10) и соединенных параллельно. В этом случае:

где п – число пластин датчика. Из выражения (4) найдем

Сравнивая выражения (4) и (5), можно сделать вывод, что использование в пьезоэлектрических датчиках нескольких пластин приводит к повышению чувствительности благодаря уменьшению влияния емкости С 0 .

Среди электромашинных датчиков наиболее распространенными являются тахогенераторы постоянного и переменного тока. Они служат для получения напряжения, пропорционального частоте вращения, и используются как электрические датчики угловой скорости.

Тахогенераторы постоянного тока (рис. 11) выполняются с возбуждением от постоянного магнита (рис. 11а) или от внешнего источника постоянного тока (рис. 11б). ЭДС тахогенератора определяется выражением:

где k е - коэффициент, зависящий от конструкции и схемы якоря; Ф -поток возбуждения; - угловая скорость.

Рис. 11. Тахогенераторы

При постоянном потоке возбуждения (Ф = const) ЭДС Е зависит только от частоты вращения якоря. Чувствительность тахогенераторов:

составляет ~ 10 мВ/мин -1 . Характеристика тахогенератора Е = f(n ) приведена на рисунке 11в. Видно, что с увеличением нагрузки R н характеристика становится нелинейной и чувствительность уменьшается.

Фотоэлектрические датчики , реагирующие на изменение светового потока, в качестве чувствительного элемента содержат фотоэлементы различных типов. Фотоэлементами называют устройства, служащие для превращения энергии света в энергию электрического тока.

Фотоэлектрические датчики широко используются для измерения и контроля различных параметров производственных процессов - температуры, уровня жидкости, концентрации растворов прозрачности газовой среды, для учета, сортировки и отбраковки штучных изделий (деталей, коробок и т.п.), для контроля состояния поверхности тел в автоматических системах, для слежения за срезом детали при ее обработке по контуру и т.д.

Фотоэлементы по принципу их действия можно разделить на две группы. К первой группе относятся фотоэлементы, использующие явление внешнего фотоэффекта, когда под действием светового потока освободившиеся электроны покидают вещество, т.е. возникает электронная эмиссия. Такие приборы называются фотоэлементами с внешним фотоэффектом. Ко второй группе относятся фотоэлементы с внутренним фотоэффектом. Это могут быть фотосопротивления, у которых под действием светового потока изменяется электрическая проводимость вещества, и фотоэлементы с запирающим слоем (вентильные фотоэлементы), у которых под действием светового потока возбуждается собственная ЭДС.

На рисунке 12а показано устройство фотоэлемента с внешним фотоэффектом (электровакуумный фотоэлемент). В стеклянном баллоне, из которого выкачан воздух, в среде вакуума или инертного газа (чаще аргона) помещены два электрода - анод 1 и катод 2. Анод фотоэлемента представляет собой круглую пластину или кольцо, а катод наносится на внутреннюю поверхность стеклянного баллона фотоэлемента в виде тонкого светочувствительного слоя (обычно сурьмяно-цезиевого). Схема включения фотоэлемента с внешним фотоэффектом показана на рисунке 12б. В цепь анода включается источник постоянного напряжения (150-200 В) и сопротивление нагрузки R н . При освещении фотоэлемента в анодной цепи возникает ток, создающий на сопротивлении нагрузки некоторое падение напряжения.

Рис. 12. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом

Количество электронов, испускаемых источником при фотоэффекте, прямо пропорционально световому потоку, падающему на поверхность металла. Следовательно, сила тока фотоэлектрической эмиссии

где Ф – световой поток, лм; k ф - коэффициент пропорциональности.

Чувствительность фотоэлемента

измеряется в микроамперах на люмен. В газонаполненных сурьмяно-цезиевых фотоэлементах чувствительность может достигать 150–200 мкА/лм, тогда как в вакуумных приборах она составляет 20–30 мкА/лм.

На pисунке 12б приведены световые характеристики фотоэлемента с внешним фотоэффектом, показывающие зависимость сил тока фотоэлемента от сотового потока.

Фотосопротивления подставляют собой полупроводниковые фотоэлектрические приборы, в которых используется свойство полупроводников увеличивать свою электропроводность под действием света. Получая энергию от светового потока, электрон переходит в зону проводимости пропорционально энергии светового потока, не выходя за пределы полупроводника. Если к концам такого полупроводника приложить разность потенциалов, то сила протекающего в этой цепи тока будет зависеть от освещенности полупроводника. При этом в отличие от фотоэлементов с внешним фотоэффектом фотосопротивление не обладает односторонней проводимостью, а одинаково проводит электричество в обоих направлениях.

Схема устройства фотосопротивления показана на рисунке 13а. На решетку из проводников 1 испарением в вакууме нанесен тонкий слой полупроводника 2. Наиболее светочувствительными полупроводниками являются селен, сернистый таллий, сернистый свинец, сернистый висмут и сернистый кадмий. Фотосопротивления монтируются в пластмассовом корпусе, снабженном штырьками для включения в схему. Для доступа света к светочувствительной поверхности в корпусе сделано окно.

Рис. 13. Фотосопротивление

При изменении освещенности решетки меняются электрическое сопротивление фотоэлемента и сила тока I ф в цепи. У всех фотосопротивлений зависимость силы фототока I ф от величины светового потока Ф при постоянном напряжении питания U имеет нелинейный характер и может быть представлена выражением

где 0 <п < 1.

Как видно из рисунка 13б, с увеличением освещенности чувствительность

падает, а наибольшую чувствительность такие фотоэлементы имеют при малых освещенностях. Однако чувствительность фотосопротивлений значительно больше, чем фотоэлементов с внешним фотоэффектом.

Недостатками фотосопротивлений являются нелинейность характеристики, инерционность, значительная температурная погрешность.

Фотоэлементы с запирающим слоем (вентильные фотоэлементы: принципиально отличаются от фотосопротивлений тем, что являясь генераторными датчиками, не требуют для своей работы внешнего источника питания. Благодаря энергии светового потока, в них создается ЭДС, которая используется для получения электрического тока в цепи нагрузки. Таким образом, в вентильных фотоэлементах происходит преобразование световой энергии в электрическую.

Схема устройства фотоэлемента с запирающим слоем показана на рисунке 14а. Элемент состоит из тонкой полупрозрачной пленки золота 1 , запирающего слоя 2 , слоя полупроводника 3 и металлического электрода 4.

Рис. 14. Фотоэлемент с запирающим слоем

В качестве полупроводника используют закись меди, селен, сернистый таллий, кремний. Запирающий слой при соответствующей термической обработке образуется на границе полупроводника с золотом. Обладая односторонней проводимостью (детектирующим свойством), он не позволяет электронам, освободившим под действием светового потока, возвращаться обратно. Вследствие этого на контактных электродах (между пленкой золота 1 и электродом 4 появляется ЭДС. При замыкании фотоэлемента на сопротивление нагрузки в образующейся цепи пройдет ток, сила которого I ф зависит от освещенности фотоэлемента.

Световые характеристики фотоэлемента с запирающим слоем при различных значениях сопротивления нагрузки R н приведены на рисунке 14б. С увеличением R н нарушается линейность зависимости I ф = f (Ф) и уменьшается чувствительность фотоэлемента.

Автоматизация производственных процессов может успешно осуществляться только при наличии современных технических средств, создание которых должно базироваться на новейших достижениях науки и техники. К этим средствам автоматики можно отнести датчики, преобразователи, усилители, задающие устройства, исполнительные органы и т. д. Все эти устройства в системах автоматики выполняют ту или иную функцию, связанную с управлением объектом. В зависимости от характера управления, способа решения задач, связанных с управлением, требований, предъявляемых к устройствам, и других характеристик они могут различаться по исполнению и принципу действия.

Рассмотрим некоторые разновидности наиболее распространенных устройств.

Метрологические характеристики датчиков определяют приведенные ниже основные параметры.

Статическая характеристика датчика представляет собой зависимость изменения выходной величины от входной величины, т. е. у = ƒ(х), где х - входная величина; у - выходная величина.

Чувствительность датчика - отношение приращения выходной величины к приращению входной величины, т. е. S = ∆у/∆х. Следовательно, чувствительность датчика есть не что иное, как коэффициент передачи датчика.

Порог чувствительности датчика - наименьшее значение входной величины, которое вызывает появление сигнала на выходе. Этот параметр связан с зоной нечувствительности, т. е. зоной, в пределах которой при наличии входного сигнала на выходе датчика сигнал отсутствует.

Инерционность датчика - время, в течение которого выходная величина принимает значение, соответствующее входной величине.

По характеру получения сигнала от измеряемой величины датчики разделяют на параметрические, в которых изменение измеряемой величины вызывает изменение какого-либо параметра (например, изменение сопротивления, давления, индуктивности и т. д.), и генераторные, у которых изменение измеряемой величины вызывает генерацию сигнала (появление термо-ЭДС, фототока и т. д.). Генераторные датчики не требуют постороннего источника энергии.

По характеру зависимости выходного сигнала от входного различают датчики : пропорциональные, у которых сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине; нелинейные, у которых сигнал на выходе нелинейно зависит от сигнала на входе; релейные, в которых сигнал на выходе изменяется скачкообразно; циклические, у которых сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине или нелинейно зависит и повторяется циклически; импульсные, у которых изменение входной величины вызывает появление сигналов (импульсов), число которых пропорционально измеряемой величине. Схемы включения измерительных и преобразовательных элементов датчика могут быть дифференциальные, компенсационные, мостовые и т. д.

По виду преобразования сигналов датчики могут быть : электроконтактные, где механическая сила преобразуется в электрический сигнал; индуктивные, у которых изменение магнитной проницаемости вызывает изменение индуктивности; фотоэлектрические, в которых световой сигнал преобразуется в электрический; тензометрические, в которых механическая сила вызывает изменение сопротивления; гидравлические, в которых механические силы преобразуются в гидравлический сигнал, и т. д.

По назначению в системах автоматического управления датчики можно разделить на датчики пути и положения, скорости, силовые, углового положения или угла рассогласования и т. д. Так как датчики можно рассматривать как составные элементы систем управления, удобнее их классифицировать по назначению.

Датчики пути и положения рабочих органов обеспечивают создание управляющих сигналов в зависимости от пройденного пути или положения рабочих органов управляемого объекта.

Электроконтактные датчики представляют собой конечные, путевые выключатели, микропереключатели (рис. 2). У датчиков имеются штоки или рычаги 2, которые воздействуют через механизм передачи на контакты 1. Принцип действия датчиков основан на том, что их устанавливают на неподвижных частях рабочих органов в определенном положении, а движущиеся рабочие органы, на которых укреплены кулачки, достигнув заданного положения, воздействуют на датчики, вызывая их срабатывание.

Имеются также электроконтактные размерные датчики (предельные или амплитудные), которые, как и путевые, являются датчиками перемещений. Применяют одно- и многопредельные датчики. Двухпредельный датчик рычажного типа (рис. 2, г) состоит из корпуса 2, в котором расположен измерительный шток 1 в цилиндрических втулках. На штоке установлен наконечник 13 для контактирования с измеряемой деталью. Сверху в корпусе имеется отверстие, в которое устанавливают отсчета у ю головку 9. Положение стрелки отсчетной головки регулируют регулировочной гайкой 12 с микропередачей. На штоке установлен хомутик 10 с пружиной 11, создающей силу измерения. На колодке 5 с помощью крестообразной пружины 4 укреплен рычаг 6 с подвижными контактами 8. Настроечные контакты, запрессованные в концы микрометрических винтов 3, регулируют с помощью барабанов 7 с нанесенными на них делениями. Предел измерения датчиков составляет 1 мм, предельная погрешность ± 1 мкм.

Известны электроконтактные размерные датчики для измерения больших перемещений с высокой точностью. Электроконтактный размерный датчик - кодовый преобразователь (рис. 3) - состоит из шести контактных пластин, по которым перемещаются контактные щетки, выполненные в виде стальных шариков, свободно вращающихся в стальных втулках с прижимными пружинами. Щетки смонтированы на валах, соединенных между собой зубчатой передачей с передаточным отношением 1:10. Для предотвращения изнашивания щеток и контактных пластин служит электромагнит, который отводит щетки при большой частоте вращения входного вала (во время перемещения на большие расстояния).

Для младшего разряда применено десять щеток, соединенных друг с другом и расположенных на нониусной шкале, что позволяет делить окружность при наличии 10 щеток и контактных пластин на 100 делений (разрешающая способность младшего разряда). Подвод тока к щеткам младшего разряда производится через сегмент ТН длиной, которая достаточна для обеспечения постоянного контакта щетки с сегментом. Следовательно, щетки первого и второго разрядов поворачиваются на доли оборота, третьего - на целые обороты, а четвертого - шестого - соответственно на десятки, сотни и тысячи оборотов. Погрешность датчика составляет 0,05 мм.

Индуктивные датчики. Принцип их действия основан на изменении индуктивности катушки с подвижным якорем вследствие изменения магнитной проницаемости. Индуктивные датчики, как и электроконтактные, можно использовать как датчики пути или положения и как размерные (рис. 4). Если перемещать якорь 1 (рис. 4, а) датчика, воздушный зазор б будет изменяться, что вызовет изменение индуктивности обмотки ω Д. Сила тока в цепи обмотки датчика:

где Z - полное сопротивление цепи; U П - напряжение питания датчика; R - активное сопротивление цепи; Х L = 2πƒL. - индуктивное сопротивление обмотки.

Если U П, R, ƒ постоянны, то сила тока I в катушке, а, следовательно, и напряжение U будут пропорциональны воздушному зазору б, т. е. U ≡ I ≡ kδ. Датчики работают при частоте питающей сети 50-5000 Гц.

Индуктивный дифференциальный размерный датчик (рис. 4, 6) состоит из двух катушек 2, 4, на которых расположены обмотки, подключаемые по дифференциальной схеме или в плечи измерительного моста. В катушках расположен сердечник 3, соединенный с измерительным штоком 1, который контактирует с измеряемой поверхностью. При среднем положении сердечника, т. е. при δ 1 = δ 2 , параметры катушек одинаковы, тогда I 1 - I 2 . Так как обмотки соединены по дифференциальной схеме, сигнал на выходе датчика равен нулю, г. е. U = U 1 - U 2 = 0. При изменении положения сердечника, когда δ 1 = δ 2 , происходит изменение индуктивности обмотки, тогда I 1 = I 2 , I 1 > I 2 или I 2 > I 1 . Сигнал будет пропорционален перемещению сердечника, а его знак будет определять направление перемещения.

В индуктивных дифференциальных датчиках трансформаторного типа при изменении положения сердечника (плунжера) меняется взаимоиндукция между первичной и вторичной обмотками, что вызывает во вторичных обмотках изменение индуцируемой ЭДС.

Бесконтактный щелевой индуктивный датчик БВК (рис. 4, в) имеет два ферритовых сердечника с расположенными на них обмотками. Сердечники и все элементы датчика, кроме реле К1, размещены в капроновом корпусе. На одном сердечнике расположены контурная обмотка W К и обмотка положительной обратной связи W П.С, на другом сердечнике - обмотка отрицательной обратной связи W О.С.

Такой магнитопровод исключает влияние посторонних магнитных полей. Обмотки обратной связи включены последовательно и навстречу друг другу. Значение коэффициента связи таково, что колебания в контуре W К - СЗ не возникают.

При введении в зазор алюминиевого экрана, который несет на себе движущийся рабочий орган, связь между обмотками W К и W О.С ослабевает, и возникает генерация. В контуре W К - СЗ появляется переменный ток, который индуцирует ЭДС в катушке W П.С. В цепи базы транзистора VТ1 происходит детектирование переменной составляющей тока базы. Транзистор открывается, вызывая срабатывание реле K1. Для стабилизации работы транзистора при колебаниях температуры и напряжения служит нелинейный делитель напряжения, состоящий из линейного элемента - резистора R1, полупроводникового терморезистора R2 и диода VD2. Погрешность срабатывания составляет 1-1,3 мм. В промышленности применяют также другие бесконтактные переключатели, которые различаются конструктивным решением или схемой преобразования сигнала.

Индуктивные импульсные размерные датчики получили довольно широкое распространение для измерения линейных перемещений. Датчик (рис. 5) состоит из стальной зубчатой шкалы 1 с шагом зубцов t 1 и двух съемников A и В, каждый из которых включает в себя два П-образных сердечника 2 с зубцами на торцах (шаг t 2). Зубцы одного сердечника каждого съемника смещены по отношению к зубцам другого сердечника на половину шага t 1 . В каждом съемнике имеется общая первичная обмотка 3 и две разделенные вторичные обмотки 4, которые включены так, что постоянные составляющие токов вычитаются друг из друга.

Для того чтобы получить, электрический сигнал, меньший, чем шаг t 1 и краткий ему, зубцы на съемниках нанесены с шагом t 2 , который меньше шага t 1 и кратен ему. Для определения направления движения зубцы съемника В смещены по отношению к зубцам съемника А на четверть исходного шага t 1 . Благодаря такому смещению удается также получить цену импульса, равную четверти шага t 1 . Датчик питается током частотой 20-25 кГц, что обеспечивает нормальную работу на любых скоростях. Датчики изготовляют с ценой импульса 0,05 и 0,02 мм. Имеются также индуктивные датчики такого типа, где вместо зубчатой шкалы применен стальной винт, а сердечники съемников выполнены в виде полугаек. При поступательном движении полугаек относительно винта или при вращении винта периодически меняется магнитное сопротивление зазора, что приводит к изменению ЭДС в обмотках датчика.

Фазоимпульсный индуктивный размерный датчик ДЛМ (рис. 6) состоит из основного 1, опорного 3 и тактирующего 4 датчиков. Основной сигнал Е ОС датчика вырабатывается за счет периодической модуляции магнитного потока Ф, создаваемого намагничивающими катушками 2 в магнитной системе, образованной винтами 5 с шагом 5 и зубчатой рейкой 7. Периодическая модуляция потока Ф происходит благодаря периодическому изменению конфигурации зазора между боковой поверхностью винтов и зубчатой рейкой при непрерывном вращении винта, который приводится в движение синхронным двигателем 6. При этом на вторичных обмотках датчика наводится ЭДС Е О.С. При смещении зубчатой рейки, которая закреплена на движухцемся рабочем органе, на расстояние АЬ основной сигнал смещается во времени, что будет соответствовать сигналу Е` ОС (рис. 7). Для определения начальной фазы основного сигнала служит круговой магнитный зубчатый преобразователь 3 (см. рис. 6), который вырабатывает сигнал Е 0 , не зависящий от положения зубчатой рейки.

Для измерения фазового сдвига основного сигнала Е ОС относительно опорного Е О определенным числом импульсов служит круговой магнитный зубчатый преобразователь 4 (тактирующий датчик). Ротор его укреплен на общей оси; сигнал этого преобразователя (тактирующий) Е T имеет период, в 50 раз меньший периода основного и опорного сигналов, и жестко привязан по времени к опорному сигналу. Поэтому фазовый сдвиг между основным и опорным сигналом ∆ϕ = (360°/100) n, где 100 - число периодов тактового датчика при одном периоде опорного сигнала; n - число полупериодов тактового сигнала.

Учитывая, что полный период изменения фазы соответствует перемещению на один шаг зубчатой меры, равному 1 мм, перемещение ∆L может быть определено числом полупериодов тактового сигнала, т. е. ∆L = (1 мм/100) n, где n - 1, 2, 3, …,100. Минимальное значение перемещения, которое может быть зарегистрировано (дискрета), соответствует n = 1, поэтому i = 1 мм/100 = 0,01 мм.

Вращающиеся (поворотные) трансформаторы . На статоре и роторе вращающегося трансформатора размещены по две распределенные обмотки, магнитные оси которых взаимно перпендикулярны (рис. 8, й). Ротор вращающегося трансформатора может поворачиваться на некоторый угол, произвольный по отношению к статору.

Принцип действия вращающегося трансформатора основан на изменении коэффициентов взаимоиндукции между обмотками статора и ротора при повороте ротора. В качестве датчиков угла используют синуснокосинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ), у которых зависимость коэффициентов взаимоиндукции от угла поворота ротора носит характер синусоиды и косинусоиды, и линейные вращающиеся трансформаторы (ЛВТ), у которых указанная зависимость линейная.

В зависимости от схемы включения выходным сигналом вращающегося трансформатора может быть амплитуда переменного напряжения или угол сдвига фаз между напряжениями. Соответственно этому режим работы вращающегося трансформатора называется амплитудным, или режимом фазовращателя.

В амплитудном режиме вращающегося трансформатора на одну из роторных (или статорных) обмоток подается постоянное по амплитуде напряжение - напряжение возбуждения. При этом возникает пульсирующий магнитный поток, ось которого совпадает с осью обмотки, находящейся под напряжением возбуждения. Этот поток индуцирует во вторичных обмотках статора (или ротора) ЭДС, пропорциональную синусу или косинусу угла поворота (для СКВТ): E 1 = Е 1MAX sinα, E 2 = Е 2MAX cosα, где E 1 , E 2 действующие значения ЭДС, индуцируемой во вторичных обмотках; Е 1MAX , Е 2MAX - максимальное значение ЭДС во вторичных обмотках (при совпадении оси обмотки возбуждения с осью вторичной обмотки).

Линейные вращающиеся трансформаторы представляют собой синусные вращающиеся трансформаторы, обмотки которых включают по специальной схеме.

В режиме фазовращателя (рис. 8, б) используют СКВТ. Статорные обмотки включаются в систему двух питающих напряжений со сдвигом фаз 90°: U 1 = U MAX sinωt, U 2 = U MAX cosωt. Благодаря этому возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое перемещается в пространстве с угловой частотой ω. При этом в роторных обмотках СКВТ индуцируется ЭДС, имеющая такую же частоту, но сдвинутая по фазе относительно питающего напряжения на угол, который зависит от угла ф поворота ротора СКВТ:

Таким образом, в режиме фазовращателя СКВТ является датчиком, преобразующим угол поворота в фазовый угол синусоидального напряжения.

Для повышения точности преобразования применяют вращающиеся трансформаторы с электрической редукцией. Принцип электрической редукции заключается в том, что за малый угол поворота ротора амплитуда или фаза выходного напряжения изменяется на один период, а при повороте ротора на 360° число периодов равно коэффициенту электрической редукции. Наибольшее распространение из вращающихся трансформаторов с электрической редукцией получили индукционные редуктосины и индуктосины.

Линейный индуктосин (рис. 9) состоит из набора измерительных шкал 1 и ползуна 2, монтируемых на рабочих органах.

Измерительная шкала индуктосина укреплена на неподвижной части и представляет собой стальную линейку, на которой на соответствующую изолирующую подложку печатным способом нанесена зигзагообразная обмотка с шагом 2 мм. Ползун 2, укрепленный на подвижной части, является якорем и состоит из двух таких же, но более коротких обмоток, сдвинутых на 1/4 шага относительно друг друга. На выходе обмоток якоря индуцируется циклический сигнал. Число циклов определяется числом пройденных шагов. В промышленности применяют также круговые индуктосины.

Фотоэлектрические датчики (рис. 10, а) представляют собой обычное фотореле, установленное на рабочих органах в определенном положении. Движущийся рабочий орган (ДРО), переместившись в установленное положение, экраном прерывает поток света Ф, вызывая срабатывание фотореле (ФР). В промышленности применяют также размерные фотоэлектрические датчики. Размерный датчик (рис. 10, б) состоит из диска, который соединен с ДРО. На диске нанесены штрихи или прорези с определенным шагом t. При движении рабочего органа штрихи на диске прерывают световой поток Ф, вызывая срабатывание фотореле. Измеренное перемещение ∆L = nt, где n - число срабатывания фотореле; t - цена деления шага. Имеются датчики, у которых в качестве измерительных шкал применяют линейки с нанесенными штрихами.

Гидравлические датчики представляют собой обычный управляющий гидрораспределитель поршневого или кранового типа (рис. 11, а). Принцип их действия основан ка том, что движущиеся рабочие органы, на которых размещены кулачки или упоры 1, достигнув положения, где установлен датчик, воздействуют на него, вызывая сбрасывание. Управляющий гидрораспределитель обеспечивает сигнал исполнительному органу (гидродвигателю),

Пневматические датчики аналогично гидравлическим выполнены в виде пневмораспределителей кранового типа (рис. 11, б), дросселей или клапанов. Широкое распространение получили размерные пневматические дифференциальные датчики мембранного и сильфонного типа с электроконтактным выходом.

Датчики углового положения создают управляющий сигнал в зависимости от углового положения или угла рассогласования между рабочими органами.

Потенциометрический датчик (рис. 12) состоит из потенциометров П1 и П2, которые подключены параллельно к общему источнику питания U П. Подвижные контакты потенциометров К1, К2 соответственно соединены механически с задающим (ЗРО) и исполнительным (ПРО) рабочими органами. Напряжение, снимаемое с подвижных контактов потенциометров, является напряжением сигнала U C . При согласованном положении рабочих органов (подвижные контакты находятся в одинаковом положении), когда α - β, напряжение сигнала равно нулю. При рассогласованном положении, когда α ≠ β, сигнал на выходе датчика не равен нулю, т. е. U C ≠ 0. Причем сигнал будет пропорционален углу рассогласования, т. е. U C = α - β, а знак сигнала определяет направление рассогласования (U C ≠ 0 означает, что U C > 0 или U C < 0, т. е. сигнал соответственно положительный или отрицательный).

Сельсины. Сельсины представляют собой трансформаторы с воздушным зазором, у которых при вращении ротора происходит плавное изменение величины ЭДС, наведенной в обмотке ротора. Обычно сельсины работают в паре: сельсин, связанный с ведомым валом, называют сельсином-приемником, а сельсин, связанный с ведущим валом, - сельсином-датчиком (рис. 13).

Однофазная обмотка сельсина расположена на статоре, а трехфазная - на роторе. Трехфазная обмотка состоит из трех катушек, сдвинутых относительно друг друга на 120°. Они уложены в пазы ротора и соединены в звезду. Концы фазовых (1ф, 2ф, Зф) обмоток выведены на три контактных кольца, расположенных на валу ротора.

Различают два режима работы сельсинов. В том случае, когда пару сельсинов применяют для дистанционной передачи угловых перемещений, режим называют индикаторным (указывающим) (рис. 13, а). Первичные однофазные обмотки сельсинов подключают к сети однофазного переменного тока, а вторичные трехфазные обмотки соединяют друг с другом. При одинаковом положении роторов сельсинов относительно статоров в обмотках роторов ток не протекает. Если сельсин-датчик (СД) повернуть на некоторый угол, то все ЭДС роторов сельсинов сдвинутся по фазе. В результате сдвига фаз возникает разность ЭДС, которая вызывает протекание уравнительных токов по обмоткам роторов. При взаимодействии тока ротора с полем статора в сельсине-приемнике (СП) создается вращающийся момент, под действием которого ротор сельсина-приемника поворачивается до тех пор, пока вновь не восстанавливается равновесие ЭДС. В результате ротор сельсина-приемника поворачивается на тот же угол, на который был повернут ротор сельсина-датчика.

Вторым возможным режимом работы сельсинов является трансформаторный (рис. 13, б). В отличие от индикаторного режима в трансформаторном режиме к сети переменного тока подключается только однофазная обмотка сельсина-датчика, а однофазная обмотка сельсина-приемника является выходной: с нее снимается сигнал, пропорциональный углу рассогласования роторов сельсинной пары, и поступает на вход системы следящего привода или исполнительного механизма.

Датчики скорости создают управляющие сигналы в зависимости от скорости. Более широкое распространение в машиностроении получили описанные ниже датчики.

Тахогенераторы служат для измерения частоты вращения. В зависимости от рода тока различают тахогенераторы постоянного и переменного тока. Тахогенераторы постоянного тока разделяют по способу возбуждения на тахогенераторы с возбуждением от постоянных магнитов (рис. 14, а) и с электромагнитным возбуждением . Те и другие представляют собой малогабаритную машину постоянного тока. Напряжение на зажимах якоря пропорционально частоте вращения вала якоря, т. е. Е = U Я = k e Фω, где Е - ЭДС, индуцируемая в обмотке якоря; Ф - поток возбуждения; k e - конструктивный коэффициент машины. Учитывая, что поток возбуждения постоянный, можно записать: U Я = k ТГ ω, где k ТГ = k e Ф.

По принципу действия тахогенератори переменного тока делят на синхронные и асинхронные. Более широкое распространение получили асинхронные тахогенератори. Конструкция асинхронного тахогенератора подобна конструкции двухфазного асинхронного двигателя (рис. 14, б). Тахогенератор имеет две обмотки: обмотку возбуждения ОБ и выходную обмотку. При вращении ротора в выходной обмотке наводится ЭДС, пропорциональная частоте вращения, т. е. Е = k ТГ U B ω, где k ТГ - конструктивный коэффициент тахогенератора; U B - напряжение обмотки возбуждения; ω - частота вращения ротора.

Реле контроля скорости (РКС) (рис. 14, в) состоит из постоянного магнита 3, который находится на валу (сигнал на входе), а также кольца 4, в котором расположена обмотка типа «беличье колесо». На другом валу, соединенном с кольцом, расположен толкатель 1, воздействующий на группу контактов К.1, К2, которые возвращаются в исходное положение под действием пружин 2 и 5. При вращении вала РКС вращающийся магнит наводит в обмотке, расположенной в кольце, ЭДС. Ток, протекая по обмотке, взаимодействует с магнитным потоком вращающегося магнита, в результате создается вращающий момент, который, поворачивая кольцо с толкателем, воздействует на контакты и вызывает их срабатывание.

Силовые датчики обеспечивают создание управляющих сигналов в зависимости от сил, создаваемых в рабочих органах.

Электромеханические датчики. Один из видов электромеханического силового датчика (рис. 15, а) представляет собой кулачковую муфту 2 со скошенными зубьями, замыкающуюся под действием пружины 3. Одна из полумуфт сидит на валу со скользящей шпонкой. Полумуфта через рычаг 4 воздействует на микропереключатель 1. При возникновении на валу заданных сил сдвинутая полумуфта, воздействуя через рычаг на микровыключатель, вызывает его срабатывание.

Токовое реле (рис. 15, б) состоит из токовой катушки 1, рычага 2 и контактов К1, К2. Токовая катушка включена в цепь электродвигателя, приводящего в движение рабочий орган, сила которого контролируется. При увеличении силы в рабочем органе увеличивается сила тока двигателя, который приводит в движение рабочий орган, это, в свою очередь, вызывает увеличение силы тока в токовой катушке реле, и электромагнитная сила F ЭМ токовой катушки становится больше, чем сила пружины 3 F ПР (силу пружины устанавливают с помощью регулировочного винта). Произойдет опрокидывание рычага, который, воздействуя на контакты, вызовет их срабатывание.

Тензометрические датчики сопротивления предназначены для определения упругих деформаций (растяжения, сжатия, изгибающих и крутящих моментов) деталей машин и конструкций в линейном и плосконапряженном состоянии при воздействии на них статических и динамических нагрузок.

Основой конструкции датчиков (рис. 15, в) служит константановая проволока диаметром 0,01-0,05 мм, сложенная зигзагообразной решеткой между склеенными полосками бумаги или пленки.

Для измерения деформаций датчик приклеивается к поверхности измеряемой детали.

При воздействии на испытуемую деталь или конструкцию каких-либо деформаций, например, растяжения, будет растягиваться проволока датчика. При этом за счет увеличения длины l проволоки тензодатчика и уменьшения ее сечения S сопротивление проволоки R = рl/S увеличивается. Это сопротивление является выходной величиной датчика. Такая деформация показана на рисунке сплошной стрелкой. Если деформацию направить так, как показано на рисунке пунктирной стрелкой, проволока тензодатчика в местах ее изгиба еще более изогнется. Длина и толщина проволоки при этом практически не меняются, не меняется и сопротивление датчика. Отсюда видно, что деформацию такого направления датчик не измеряет. Кроме проволочных существуют еще тензодатчики, у которых проводящий элемент делается из фольги толщиной 4-12 мм. По сравнению с проволочными у этих датчиков сила рабочего тока значительно выше, следовательно, повышена чувствительность датчика.

Пьезоэлектрические датчики для измерения сил представляют собой кварцевую пластину 1 (рис. 15, г). С двух сторон ее напылены или приклеены токопроводящим клеем электроды 2, с которых снимается выходное напряжение.

Два электрода и кварцевый диэлектрик образуют конденсатор, на электродах которого присутствуют электрические заряды, возникающие вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта при сжатии кварцевой пластины силой Р .

Электрический заряд пропорционален сжимающей силе Р: Q = αР, где α - коэффициент пропорциональности, называемый пьезомодулем. Под действием изменяющейся силы Р на электродах датчика появляется выходное напряжение U ВЫХ = Q/(С Д + С М) = α/(С Д + С М) Р, где С Д - емкость датчика; С М - монтажная емкость. Выходное напряжение датчиков изменяется от единиц милливольт до единиц вольт.

Реле давления (рис. 16). Изменение нагрузки в рабочих органах вызывает изменение давления в гидросистеме (ГС), а, следовательно, изменение давления в плоскости А датчика, которая подсоединена к гидросистеме. Происходит прогибание мембраны 1; при это рычаг 2, сжимая пружину 3, проворачивается и воздействует на микропереключатель 5, вызывая его срабатывание. Сила срабатывания реле регулируется с помощью регулировочного винта 4. Применяются также защитные реле давления в виде сливного клапана.

Для достижения высокой чувствительности датчика давления обычно используется большой кристалл со сложной структурой. Но такая структура приводит к тому, что на датчик заметное влияние оказывает гравитация и вибрация. Как можно избежать этих противоречий?

Кристаллы датчиков давления AllSensors используют проприетарную технологию Collinear Beam2, зарегистрированную как COBEAM²™. Эта технология совершила прорыв в искусстве создания пьезорезистивных датчиков по сравнению с обычной технологией деформации кремния. Технология COBEAM² ™ позволяет получить высокий уровень чувствительности датчика давления, который раньше требовал сложной структуры и огромной топологии кристалла. За счет устранения сложной структуры значительно сокращаются влияния гравитации и вибраций.

AllSensors производит четыре разновидности датчиков давления:

• с базовым выходом (некомпенсированный датчик),
• с мВ выходом (компенсированный датчик),
• с усилителем,
• с цифровым выходом.

Базовые датчики обеспечивают некомпенсированный и некалиброванный мВ выходной сигнал. Эти датчики имеют необработанный выходной сигнал без компенсации ошибок, например, таких, как влияние температуры. При использовании базовых датчиков, OEM производители обычно добавляют свою схему компенсации. Базовые датчики являются низкобюджетными решениями, что чаще всего соответствует требованиям OEM производителей.

Так же AllSensors предлагает датчики с компенсацией и калиброванным мВ выходом. Эти датчики имеют термокомпенсацию и калибровку смещения и шкалы, что позволяет получить более точные данные. Кроме того производитель выпускает датчики с усиленным выходным сигналом. Этот тип датчика подойдет для решений, не имеющих собственного усилителя и который по каким-либо причинам, например, уменьшение габаритных размеров или энергопотребления, не может быть установлен на плату.

И, наконец, производитель производит датчики с цифровым выходом. Датчики с термокомпенсацией доступны в трех температурных диапазонах:

• коммерческий (5 ⁰C…50 ⁰C),
• промышленный (-25 ⁰C…85 ⁰C),
• военный (-40 ⁰C…125 ⁰C).

О компании: AllSensors специализируется на производстве датчиков давления с акцентом на датчики низкого давления для медицинского и промышленного применения. Диапазон измерения давления выпускаемой продукции от 0.01 до 150 psi.

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться .

• Очень полезная новинка в плане наличия модификаций датчиков с компенсацией, начальной калибровкой и цифровым сопряжением. Только вот не согласен, что заявленную технологию можно считать прорывом. Первопричиной наличия «большого кристалла со сложной структурой» в полупроводниковых тензодатчиках является необходимость компенсировать на этапе производства нелинейность температурных характеристик и упругих свойств тензорезисторов. Кроме того, в рабочем диапазоне деформаций и температур эти характеристики сильно плывут от образца к образцу ещё на этапе формирования p-n переходов. Отсюда и замысловатые узоры, сформированные в плоской структуре датчика. У меня есть несколько отечественных корпусных тензодатчиков С50 со штоком и без (датчики перемещения и датчики давления). Насколько я знаю, их используют на АЭС и прочих ответственных объетках АСУ, возможно в военке. Вместо классических диффузионных тензорезисторов на полупроводнике там использована технология «кремний на сапфире» (могу ошибаться, возможно использован другой диэлектрик). Внутри – произведение искусства (кто понимает)! Характерные размеры «кристалла» пластины датчика где-то 5*5 мм при толщине такой подложки 0,05-0,1мм. «Внутри» полупрозрачной пластины – целый «город» из микрометровой плёнки кремния, выращенной на поверхности. Это, в общем-то, ювелирное изделие тонкой работы, можно долго рассматривать через лупу. Четыре вывода подпаяны к корпусу золотой проволокой. Запитываются током. Метрологические характеристик очень высоки. Во всяком случае, наиболее интересные для нас соотношение сигнал/шум на микрометровых перемещения штока в 10 раз лучше показателей, полученных на стенде с обыкновенными тензорезисторами и альтернативными датчиками на магниточувствительных микросхемах. К сожалению, под рукой нет камеры с высоким разрешением, чтобы сфотографировать сам монокристалл. Внешне выглядят вот так http://icm-tec.com/index3_14.htm (вторая строка таблицы снизу). Аналогичные по начинке датчики «Сапфир» широко используются в теплоэнергетике. Но это разработки чуть ли не 30-летней давности, наверняка с бесконечными переспективами минюатиризации (не знаю состояния вопроса). Я убеждён, что всегда есть возможность найти OEM-компоненты с достаточно высоким классом точности для конкретной задачи. Ведь вопрос «революционности» технологии как таковой – это всегда вопрос стоимости. В этом смысле полезным было бы сравнение решений тех или иных производителей тензопреобразователей в рамках заданного класса точности. Но подобных "срезов" рынка не встречал.

Новости

Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.
Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики - 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 проще, 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.
В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура – 50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%.

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

Различают три класса 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); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

Требования, предъявляемые к датчикам:

Однозначная зависимость выходной величины от входной;

Стабильность характеристик во времени;

Высокая чувствительность;

Малые размеры и масса;

Отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

Работа при различных условиях эксплуатации;

Различные варианты монтажа.

Параметрические датчики.

Параметрические датчики (датчики-модуляторы) входную величину X преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика. Передать на расстояние изменение перечисленных параметров датчика без энергонесущего сигнала (напряжения или тока) невозможно. Выявить изменение соответствующего параметра датчика только и можно по реакции датчика на ток или напряжение, поскольку перечисленные параметры и характеризуют эту реакцию. Поэтому параметрические датчики требуют применения специальных измерительных цепей с питанием постоянным или переменным током.

Омические (резистивные) датчики – принцип действия основан на изменении их активного сопротивления при изменении длины l, площади сечения S или удельного сопротивления p:

R= pl/S

Кроме того, используется зависимость величины активного сопротивления от контактного давления и освещённости фотоэлементов. В соответствии с этим омические датчики делят на: контактные, потенциометрические (реостатные), тензорезисторные, терморезисторные, фоторезисторные.

Контактные датчики - это простейший вид резисторных датчиков, которые преобразуют перемещение первичного элемента в скачкообразное изменение сопротивления электрической цепи. С помощью контактных датчиков измеряют и контролируют усилия, перемещения, температуру, размеры объектов, контролируют их форму и т. д. К контактным датчикам относятся путевые и концевые выключатели, контактные термометры и так называемые электродные датчики, используемые в основном для измерения предельных уровней электропроводных жидкостей.

Контактные датчики могут работать как на постоянном, так и на переменном токе. В зависимости от пределов измерения контактные датчики могут быть одно предельными и многопредельными. Последние используют для измерения величин, изменяющихся в значительных пределах, при этом части резистора R, включенного в электрическую цепь, последовательно закорачиваются.

Недостаток контактных датчиков - сложность осуществления непрерывного контроля и ограниченный срок службы контактной системы. Но благодаря предельной простоте этих датчиков их широко применяют в системах автоматики.

Реостатные датчики представляют собой резистор с изменяющимся активным сопротивлением. Входной величиной датчика является перемещение контакта, а выходной – изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать.

Наибольшее распространение получила потенциометрическая схема включения реостатного датчика, в которой реостат включают по схеме делителя напряжения. Напомним, что делителем напряжения называют электротехническое устройство для деления постоянного или переменного напряжения на части; делитель напряжения позволяет снимать (использовать) только часть имеющегося напряжения посредством элементов электрической цепи, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Переменный резистор, включаемый по схеме делителя напряжения, называют потенциометром.

Обычно реостатные датчики применяют в механических измерительных приборах для преобразования их показаний в электрические величины (ток или напряжение), например, в поплавковых измерителях уровня жидкостей, различных манометрах и т. п.

Датчик в виде простого реостата почти не используется вследствие значительной нелинейности его статической характеристики Iн = f(х), где Iн - ток в нагрузке.

Выходной величиной такого датчика является падение напряжения Uвых между подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходного напряжения от перемещения х контакта Uвых = f(х) соответствует закону изменения сопротивления вдоль потенциометра. Закон распределения сопротивления по длине потенциометра, определяемый его конструкцией, может быть линейным или нелинейным. Потенциометрические датчики, конструктивно представляющие собой переменные резисторы, выполняют из различных материлов - обмоточного провода, металлических пленок, полупроводников и т. д.

Тензорезисторы (тензометрические датчики) служат для измерения механических напряжений, небольших деформаций, вибрации. Действие тензорезисторов основано на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним усилий.

Термометрические датчики (терморезисторы) - сопротивление зависит от температуры. Терморезисторы в качестве датчиков используют двумя способами:

1) Температура терморезистора определяется окружающей средой; ток, проходящий через терморезистор, настолько мал, что не вызывает нагрева терморезистора. При этом условии терморезистор используется как датчик температуры и часто называется «термометром сопротивления».

2) Температура терморезистора определяется степенью нагрева постоянным по величине током и условиями охлаждения. В этом случае установившаяся температура определяется условиями теплоотдачи поверхности терморезистора (скоростью движения окружающей среды – газа или жидкости – относительно терморезистора, ее плотностью, вязкостью и температурой), поэтому терморезистор может быть использован как датчик скорости потока, теплопроводности окружающей среды, плотности газов и т. п. В датчиках такого рода происходит как бы двухступенчатое преобразование: измеряемая величина сначала преобразуется в изменение температуры терморезистора, которое затем преобразуется в изменение сопротивления.

Терморезисторы изготовляют как из чистых металлов, так и из полупроводников. Материал, из которого изготавливается такие датчики, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей – медь и никель.

По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы).

Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.

Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении индуктивности обмотки на магнитопроводе в зависимости от положения отдельных элементов магнитопровода (якоря, сердечника и др.). В таких датчиках линейное или угловое перемещение X (входная величина) преобразуется в изменение индуктивности (L) датчика. Применяются для измерения угловых и линейных перемещений, деформаций, контроля размеров и т.д.

В простейшем случае индуктивный датчик представляет собой катушку индуктивности с магнитопроводом, подвижный элемент которого (якорь) перемещается под действием измеряемой величины.

Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все токопроводящие предметы. Индуктивный датчик является бесконтактным, не требует механичесого воздействия, работает бесконтактно за счет изменения электромагнитного поля.

Преимущества:

Нет механического износа, отсутствуют отказы, связанные с состоянием контактов

Отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания

Высокая частота переключений до 3000 Hz

Устойчив к механическим воздействиям

Недостатки - сравнительно малая чувствительность, зависимость индуктивного сопротивления от частоты питающего напряжения, значительное обратное воздействие датчика на измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику).

Емкостные датчики - принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:

где Eо - диэлектрическая постоянная; Еs - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; H - расстояние между обкладками конденсатора.

Зависимости C(S) и C(h) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости.

Емкостные датчики, также как и индуктивные, питаются переменным напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем обычно применяют мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. В последнем случае, как правило, используют зависимость частоты колебаний генератора от емкости резонансного контура, т.е. датчик имеет частотный выход.

Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки - влияние внешних электрических полей, относительная сложность измерительных устройств.

Емкостные датчики применяют для измерения угловых перемещений, очень малых линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д., а также для воспроизведения заданных функций (гармонических, пилообразных, прямоугольных и т. п.).

Емкостные преобразователи, диэлектрическая проницаемость e которых изменяется за счет перемещения, деформации или изменения состава диэлектрика, применяют в качестве датчиков уровня непроводящих жидкостей, сыпучих и порошкообразных материалов, толщины слоя непроводящих материалов (толщиномеры), а также контроля влажности и состава вещества.

Датчики – генераторы.

Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины X в электрический сигнал. Такие датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются как бы генераторами электроэнергии (откуда и название таких датчиков - они генерируют электрический сигнал).

Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей). Генераторными являются термоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.

Индукционные датчики преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС индукции. Принцип действия датчиков основан на законе электромагнитной индукции. К этим датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного тока, представляющие собой небольшие электромашинные генераторы, у которых выходное напряжение пропорционально угловой скорости вращения вала генератора. Тахогенераторы используются как датчики угловой скорости.

Тахогенератор представляет собой электрическую машину, работающую в генераторном режиме. При этом вырабатываемая ЭДС пропорциональна скорости вращения и величине магнитного потока. Кроме того, с изменением скорости вращения изменяется частота ЭДС. Применяются как датчики скорости (частоты вращения).

Температурные датчики .

В современном промышленном производстве наиболее распространенными являются измерения температуры (так, на атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится такое измерение, а на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.). Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют многообразие применяемых средств измерения температуры.

Если рассматривать датчики температуры для промышленного применения, то можно выделить их основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики.

Кремниевые датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур -50…+150 0C. Применяются в основном для измерения температуры внутри электронных приборов.

Биметаллический датчик сделан из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собой. Разные металлы имеют различный температурный коэффициент расширения. Если соединенные в пластину металлы нагреть или охладить, то она изогнется, при этом замкнет (разомкнет) электрические контакты или переведет стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков -40…+550 0C. Используются для измерения поверхности твердых тел и температуры жидкостей. Основные области применения – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.

Термоиндикаторы – это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Изменение цвета может быть обратимым и необратимым. Производятся в виде пленок.

Термопреобразователи сопротивления.

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры (рассмотрен ранее).

Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от –260 до 1100 0С. Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры.

Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 0C. По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым. Никель используется в недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных температур.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют отрицательный или положительный температурный коэффициент сопротивления, значение которого при 20 0C составляет (2…8)*10–2 (0C)–1, т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). В качестве полупров. материала используются оксиды металлов: полупроводниковые терморезисторы типов КМТ - смесь окислов кобальта и марганца и ММТ - меди и марганца.

Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазоне от –100 до 200 0С.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) - принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, который состоит в том, что при наличии разности температур мест соединений (спаев) двух разнородных металлов или полупроводников в контуре возникает электродвижущая сила, называемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). В определенном интервале температур можно считать, что термо-ЭДС прямо пропорциональна разности температур ΔT = Т1 – Т0 между спаем и концами термопары.

Соединенные между собой концы термопары, погружаемые в среду, температура которой измеряется, называют рабочим концом термопары. Концы, которые находятся в окружающей среде, и которые обычно присоединяют проводами к измерительной схеме, называют свободными концами. Температуру этих концов необходимо поддерживать постоянной. При этом условии термо-ЭДС Ет будет зависеть только от температуры T1 рабочего конца.

Uвых = Eт = С(Т1 – Т0),

где С – коэффициент, зависящий от материала проводников термопары.

Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 0С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 2200 0С.

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.

Термопары имеют следующие преимущества: простота изготовления и надёжность в эксплуатации, дешевизна, отсутствие источников питания и возможность измерений в большом диапазоне температур.

Наряду с этим термопарам свойственны и некоторые недостатки - меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения, наличие значительной тепловой инерционности, необходимость введения поправки на температуру свободных концов и необходимость в применении специальных соединительных проводов.

Инфракрасные датчики (пирометры) - используют энергию излучения нагретых тел, что позволяет измерять температуру поверхности на расстоянии. Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые.

Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 0С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта.

Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 0С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (фотометрической лампы).

Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части спектра; они используются для измерения температуры в диапазоне от 800 0С.

Пирометры позволяют измерять температуру в труднодоступных местах и температуру движущихся объектов, высокие температуры, где другие датчики уже не работают.

Кварцевые термопреобразователи.

Для измерения температур от – 80 до 250 0С часто используются так называемые кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, что зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования изменяются в зависимости от ориентации среза относительно осей кристалла кварца. Данные датчики широко используются в цифровых термометрах.

Пьезоэлектрические датчики.

Действие пьезоэлектрических датчиков основано на использовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), заключающегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристаллов на их гранях появляется электрический заряд, величина которого пропорциональна действующей силе.

Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое напряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца - сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом, используется для возбуждения и приема акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты.

Используются для измерения сил, давления, вибрации и т.д.

Оптические (фотоэлектрические) датчики.

Различают аналоговые и дискретные оптические датчики. У аналоговых датчиков выходной сигнал изменяется пропорционально внешней освещенности. Основная область применения – автоматизированные системы управления освещением.

Датчики дискретного типа изменяют выходное состояние на противоположное при достижении заданного значения освещенности.

Фотоэлектрические датчики могут быть применены практически во всех отраслях промышленности. Датчики дискретного действия используются как своеобразные бесконтактные выключатели для подсчета, обнаружения, позиционирования и других задач на любой технологической линии.

Оптический бесконтактный датчик, регистрирует изменение светового потока в контролируемой области, связанное с изменением положения в пространстве каких-либо движущихся частей механизмов и машин, отсутствия или присутствия объектов. Благодаря большим расстояниям срабатывания оптические бесконтактные датчики нашли широкое применение в промышленности и не только.

Оптический бесконтактный датчик состоит из двух функциональных узлов, приемника и излучателя. Данные узлы могут быть выполнены как в одном корпусе, так и в различных корпусах.

По методу обнаружения объекта фотоэлектрические датчики подразделяются на 4 группы:

1) пересечение луча - в этом методе передатчик и приемник разделены по разным корпусам, что позволяет устанавливать их напротив друг друга на рабочем расстоянии. Принцип работы основан на том, что передатчик постоянно посылает световой луч, который принимает приемник. Если световой сигнал датчика прекращается, в следствии перекрытия сторонним объектом, приемник немедленно реагирует меняя состояние выхода.

2) отражение от рефлектора - в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в одном корпусе. Напротив датчика устанавливается рефлектор (отражатель). Датчики с рефлектором устроены так, что благодаря поляризационному фильтру они воспринимают отражение только от рефлектора. Это рефлекторы, которые работают по принципу двойного отражения. Выбор подходящего рефлектора определяется требуемым расстоянием и монтажными возможностями. Посылаемый передатчиком световой сигнал отражаясь от рефлектора попадает в приемник датчика. Если световой сигнал прекращается, приемник немедленно реагирует, меняя состояние выхода.

3) отражение от объекта - в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в одном корпусе. Во время рабочего состояния датчика все объекты, попадающие в его рабочую зону, становятся своеобразными рефлекторами. Как только световой луч отразившись от объекта попадает на приемник датчика, тот немедленно реагирует, меняя состояние выхода.

4) фиксированное отражение от объекта -принцип действия датчика такой же как и у "отражение от объекта" но более чутко реагирующий на отклонение от настройки на объект. Например, возможно детектирование вздутой пробки на бутылке с кефиром, неполное наполнение вакуумной упаковки с продуктами и т.д.

По своему назначению фотодатчики делятся на две основные группы: датчики общего применения и специальные датчики. К специальным, относятся типы датчиков, предназначенные для решения более узкого круга задач. К примеру, обнаружение цветной метки на объекте, обнаружение контрастной границы, наличие этикетки на прозрачной упаковке и т.д.

Задача датчика обнаружить объект на расстоянии. Это расстояние варьируется в пределах 0,3мм-50м, в зависимости от выбранного типа датчика и метода обнаружения.

Микроволновые датчики.

На смену кнопочно - релейным пультам приходят микропроцессорные автоматические системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) высочайшей производительности и надежности, датчики оснащаются цифровыми интерфейсами связи, однако это не всегда приводит к повышению общей надежности системы и достоверности ее работы. Причина заключается в том, что сами принципы действия большинства известных типов датчиков накладывают жесткие ограничения на условия, в которых они могут использоваться.

Например, для слежения за скоростью движения промышленных механизмов широко применяются бесконтактные (емкостные и индуктивные), а также тахогенераторные устройства контроля скорости (УКС). Тахогенераторные УКС имеют механическую связь с движущимся объектом, а зона чувствительности бесконтактных приборов не превышает нескольких сантиметров.

Все это не только создает неудобства при монтаже датчиков, но и существенно затрудняет использование этих приборов в условиях пыли, которая налипает на рабочие поверхности, вызывая ложные срабатывания. Перечисленные типы датчиков не способны напрямую контролировать объект (например, ленту конвейера) - они настраиваются на движение роликов, крыльчаток, натяжных барабанов и т. д. Выходные сигналы некоторых приборов настолько слабы, что лежат ниже уровня промышленных помех от работы мощных электрических машин.

Аналогичные трудности возникают при использовании традиционных сигнализаторов уровня - датчиков наличия сыпучего продукта. Такие устройства необходимы для своевременного отключения подачи сырья в производственные емкости. К ложным срабатываниям приводит не только налипание и пыль, но и прикосновение потока продукта при его поступлении в бункер. В неотапливаемых помещениях на работу датчиков влияет окружающая температура. Ложные срабатывания сигнализаторов вызывают частые остановки и запуски нагруженного технологического оборудования - основную причину его аварий, приводят к завалам, обрыву конвейеров, возникновению пожаро- и взрывоопасных ситуаций.

Указанные проблемы несколько лет назад привели к разработке принципиально новых типов приборов - радиолокационных датчиков контроля скорости, датчиков движения и подпора, работа которых основана на взаимодействии контролируемого объекта с радиосигналом частотой около 10 в 10 степени Гц.

Использование микроволновых методов контроля за состоянием технологического оборудования позволяет полностью избавиться от недостатков датчиков традиционных типов.

Отличительными особенностями этих устройств являются:

Отсутствие механического и электрического контакта с объектом (средой), расстояние от датчика до объекта может составлять несколько метров;

Непосредственный контроль объекта (транспортерной ленты, цепи) а не их приводов, натяжных барабанов и т. д.;

Малое энергопотребление;

Нечувствительность к налипанию продукта за счет больших рабочих расстояний;

Высокая помехоустойчивость и направленность действия;

Разовая настройка на весь срок службы;

Высокая надежность, безопасность, отсутствие ионизирующих излучений.

Принцип действия датчика основан на изменении частоты радиосигнала, отраженного от движущегося объекта. Это явление ("эффект Допплера") широко используется в радиолокационных системах для дистанционного измерения скорости. Движущийся объект вызывает появление электрического сигнала на выходе микроволнового приемо-передающего модуля.

Так как уровень сигнала зависит от свойств отражающего объекта, датчики движения могут использоваться для того, чтобы сигнализировать об обрыве цепи (ленты), наличии на конвейерной ленте каких-либо предметов или материалов. Лента имеет гладкую поверхность и низкий коэффициент отражения. Когда мимо датчика, установленного над рабочей веткой транспортера, начинает двигаться продукт, увеличивая коэффициент отражения, прибор сигнализирует о движении, то есть, фактически о том, что лента не пуста. По длительности выходного импульса можно на значительном расстоянии судить о размере перемещаемых предметов, производить селекцию и т.д.

При необходимости заполнить какую-либо емкость (от бункера до шахты) можно точно определить момент окончания засыпки - опущенный на определенную глубину датчик будет показывать движение наполнителя до тех пор, пока не будет засыпан.

Конкретные примеры использования микроволновых датчиков движения в различных отраслях промышленности определяются ее спецификой, но в целом они способны решать самые разнообразные задачи безаварийной эксплуатации оборудования и повысить информативность автоматизированных систем управления.

Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ДАТЧИКОВ

Приборы и принадлежности :

четыре транзистора, металлическая балка, набор грузов для нагружения балки, микроамперметр, потенциометр, источник питания, термопара, милливольтметр.

Цель работы :

1.Изучение тензорезистивного проволочного датчика и получение его характеристик.

Изучение датчика температуры - термопары.

ТЕОРИЯ

1. УСТРОЙСТВО И КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ

Датчик - устройство, преобразующее внешнее воздействие в электрический сигнал. В медицине и биологии датчики используются в качестве устройств съема информации о медико-биологической системе, если исследуемый параметр имеет неэлектрическую природу. Простейшая схема датчика дана на рис.1

Исследуемый параметр медико-биологической системы X воздействует на преобразователь 1, превращающий Х в электрический сигнал Y.(Рис.1а) Величину X называют естественной входной величиной, величину Y - выходной величиной. При использовании нескольких преобразователей применяют каскадное включение (Рис.1б): входная величина X поочередно превращается в величины X 1 , X 2 , X 3 , ..., Y.

Преобразующие свойства датчиков определяются их характеристикой, чувствительностью, порогом чувствительности, пределом преобразования, номинальной погрешностью.

Характеристикой датчика называют функциональную зависимость выходной величины y от входной величины x , то есть выражение . Обычно стремятся использовать линейную зависимость между выходным сигналом и выходной величиной. Если это не удается, то используют другие виды зависимости - квадратичную, логарифмическую, экспоненциальную и т.д. На рис.2 дана линейная характеристика датчика. x -изменение входной величины,  y - изменение выходной величины.

Чувствительностью датчика называют отношение Чувствительность показывает, какое изменение выходной величины соответствует изменению входной величины

Порогом чувствительности датчика называют минимальное значение изменения входной величины ( x min ), которое может зарегистрировать данный датчик.

Предел преобразования датчика - это максимальное значение входной величины (x max ), которое датчик может преобразовать без искажений.

Информация о входной величине может быть искажена вследствие погрешностей, возникающих при работе датчика. Из-за погрешностей характеристика датчика из линии размывается в полосу определенной ширины.

Среднюю линию полосы называют номинальной характеристикой. Величину b/2, равную половине ширины полосы, называют номинальной погрешностью датчика. Номинальную характеристику и номинальную погрешность указывают в паспорте датчика.

Погрешности датчиков обусловлены следующими причинами:

непостоянством функции преобразователя во времени из-за старения и коррозии материалов, из-за износа подвижных частей датчика;

несовершенством технологии изготовления датчиков (не строго выдержанные геометрические размеры, разброс параметров исходных материалов, неточность настройки и регулировки и т.п.);

инерционными свойствами датчика (изменения выходных величин запаздывают по отношению к соответствующим изменениям входной величины);

обратным воздействием датчика на медико-биологическую систему, что приводит к искажению информации об исследуемом параметре x .

В зависимости от носителя информации о входной величине , датчики подразделяются на электромеханические, электростатические, электромагнитные, электронные, термоэлектрические и т.д.

Различают два типа датчиков: генераторные и параметрические .

Генераторными называют датчики, в которых под воздействием входной величины генерируется разность потенциалов, ЭДС, ток.

К параметрическим относятся датчики , в которых под воздействием входной величины изменяется какой-либо параметр (сопротивление, индуктивность, емкость и т.д.).

Генераторные датчики .

В качестве генераторных датчиков рассмотрим термопару, пьезоэлектрический датчик и индукционный датчик.

Термопары относятся к термоэлектрическим преобразователям.

Термопара представляет замкнутую цепь из двух разнородных металлических проводников (Рис.3).

Контакты металлов A и К (спаи) поддерживают при разных температурах. Один спай называют контрольным (К). Его температура Т К поддерживается постоянной при помощи термостата. Второй спай (А) - рабочий. Он помещается в среду, температуру которой Т А надо измерить. В цепь термопары включается измерительный прибор. Если температура рабочего спая Т А отличается от температуры контрольного спая Т К, то в цепи термопары возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), величина которой прямо пропорциональна разности температур рабочего и контрольного спаев и определяется соотношением

ТЭДС =  (Т А - Т К ),

где  - удельная ТЭДС, показывающая, какая ТЭДС возникает в данной цепи при разности температур контактов в один градус.

Измеряя ТЭДС, можно определить разность температур, а, следовательно, и температуру рабочего контакта. Таким образом, термопара является датчиком температуры. Входной величиной такого датчика является разность температур, выходной - возникающая в термопаре электродвижущая сила.

Пьезоэлектрические датчики . Их работа основана на явлении прямого пьезоэффекта, который заключается в том, что на противоположных концах кристаллической пластинки возникают заряды различных знаков, если пластинку деформировать. Механическое напряжение преобразуется в разность потенциалов между ее концами. Пьезодатчик используют для измерения различных физических величин: механических напряжений, переменных сил, скоростей, ускорений, давления и т.д.

Индукционные датчики . Принцип их действия основан на явлении электромагнитной индукции. Примером такого датчика может быть система из постоянного магнита (или электромагнита) и подвижного замкнутого проводящего контура (подвижной катушки). При поступательном или вращательном движении катушки в магнитном поле в ней наводится ЭДС индукции, возникает индукционный ток, величина которого зависит от скорости движения катушки. Входной величиной такого датчика является скорость или ускорение поступательного или вращательного движения рамки, выходной - возникающая в рамке ЭДС индукции

Параметрические датчики .

Примерами могут служить емкостные, индуктивные, резистивные датчики.

Емкостной датчик . В качестве примера может быть использован, например, плоский конденсатор. Емкость C плоского конденсатора определяется соотношением гдеS - площадь обкладки конденсатора, d - расстояние между обкладками,  - диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками. Если сместить относительно друг друга обкладки заряженного конденсатора, то изменится его электроемкость и соответственно изменится разность потенциалов между его обкладками. С помощью таких датчиков можно измерять механические перемещения, толщину и однородность диэлектрика и т.п.

Индуктивный датчик в простейшем варианте представлен на рис.4 . Катушка 1 намотана на замкнутый сердечник 2. Якорь 3 может перемещаться относительно сердечника и замыкать последний. При перемещении якоря изменяется индуктивность катушки. А это приводит к изменению индуктивного сопротивления цепи и, в конечном итоге, к изменению тока в цепи катушки. Входной величиной такого датчика является механическое перемещение якоря, выходной - ток в цепи катушки.

Разновидностью индуктивных датчиков являются магнитоупругие датчики. Их работа основана на изменении магнитной проницаемости сердечника катушки, если сердечник деформировать - сжать, растянуть и т.п. Изменение магнитной проницаемости сердечника приводит к изменению индуктивности катушки. Входной величиной такого датчика является механическая деформация, механическое напряжение, выходной - сила тока в цепи катушки.

Резистивные датчики . В качестве таковых рассмотрим тензорезисторы (тензосопротивления). Тензорезисторы иначе называют тензодатчиками.

Принцип действия тензодатчиков основан на тензоэффекте. Тензоэффект проявляется в том, что активное сопротивление проводника зависит от механической деформации: от сжатия, растяжения, изгиба, кручения.

Различают тензодатчики с линейным и объемным тензоэффектом.

Датчики с линейным тензоэффектом изготовляют из тонкой проволоки (см. практическую часть). Сопротивление проволоки рассчитывают по формуле где - удельное сопротивление проволоки, l - ее длина, S - площадь поперечного сечения. При деформации датчика одновременно изменяются длина l и поперечное сечение S , что приводит к изменению сопротивления и силы тока в цепи датчика. Датчики с линейным тензоэффектом используют для измерения механических перемещений, деформаций, механических напряжений и давления.

Датчики с объемным тензоэффектом представляют собой столбики из вещества, сопротивление которого сильно изменяется в зависимости от давления окружающей среды. Применяют такие датчики в качестве манометров для измерения высоких и сверхвысоких давлений.

В завершение этого раздела необходимо несколько слов сказать об электронных датчиках , которые в настоящее время получили широкое распространение. В них преобразование неэлектрической величины в электрическую основано на электронных процессах. К электронным датчикам относятся вакуумные фотоэлементы, в основе работы которых лежит внешний фотоэффект и полупроводниковые фотоэлементы, работающие на внутреннем фотоэффекте. Фотоэлектронные датчики используют для измерения светового потока, силы света, освещенности, для исследования прозрачности и мутности растворов в колориметрах и нефелометрах. С помощью фотоэлементов можно вести счет предметов, измерять механические перемещения, скорости, ускорения и т.д.

2.ДАТЧИКИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Датчики медико-биологической информации преобразуют биофизические и биохимические величины в электрические сигналы, «переводят» информацию с «физиологического языка» организма на язык, понятный электронным устройствам.

Датчики медико-биологической информации подразделяются на две группы: биоуправляемые и энергетические.

Биоуправляемые датчики реагируют непосредственно на медико-биологическую информацию, поступающую от объекта исследования. Они могут быть как генераторными (активными), так и параметрическими (пассивными).

Энергетические датчики создают в исследуемом объекте энергетический поток со строго определенными, постоянными во времени параметрами. Исследуемая величина воздействует на этот поток, модулирует его изменения, пропорциональные изменениям самой величины. К датчикам такого типа относятся фотоэлектрические и ультразвуковые.

Медико-биологические датчики подразделяются на датчики температуры, датчики системы дыхания, датчики сердечно-сосудистой системы, датчики опорно-двигательной системы и т.д.

Датчики температуры . В качестве таких датчиков используются металлические и полупроводниковые термопары, а также металлические и полупроводниковые терморезисторы.

Датчики системы дыхания используют для определения частоты дыхания, объема вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, эффективности дыхания. С этой целью используют терморезисторные и тензорезисторные датчики. (Терморезисторный датчик иначе называют термистором .)

Например, датчик контроля частоты дыхания представляет собой термистор, вмонтированный в специальную клипсу. Клипса прикрепляется на крыло носа и обдувается потоком воздуха. При этом сопротивление термистора изменяется с частотой дыхания вследствие изменения температуры вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. На выходе датчика снимается последовательность импульсов тока с частотой, соответствующей частоте дыхания.

Контроль эффективности дыхания можно осуществить путем фотометрического измерения процентного содержания гемоглобина в периферической артериальной крови. Содержание гемоглобина определяется оксигемометром - фотоэлектрическим датчиком, который в виде клипсы надевается на мочку уха. Чувствительным элементом такого датчика является фотосопротивление, располагаемое по одну сторону мочки и освещаемое лампочкой осветителя, находящегося по другую сторону мочки. Плотность светового потока через мочку зависит от количества гемоглобина в крови.

Датчики сердечно-сосудистой системы позволяют определять пульс, систолическое и диастолическое давление, тоны и шумы сердца, циркуляцию крови, импеданс тканей и органов и т.д.

Для записи пульса используют пьезоэлектрические датчики . Основной частью такого датчика является кристаллическая пластинка из сегнетоэлектрика, укрепленная одним концом в держателе. Держатель находится на манжете, надеваемой на запястье. Свободный конец пластинки посредством пуговки соприкасается со стенкой лучевой артерии. Колебания стенки артерии передаются кристаллической пластинке, вызывают в ней деформацию изгиба, что приводит к возникновению на противоположных поверхностях пластинки переменной разности потенциалов, повторяющей по форме колебания стенки артерии. Эта разность потенциалов подается на усилитель, а затем на регистрирующее устройство. Кривая, записанная при этом, называется сфигмограммой.

При исследовании тонов и шумов сердца и записи фонокардиограмм применяются пьезоэлектродинамические микрофоны, реагирующие на акустические сигналы.

Для измерения артериального давления используются индуктивные и емкостные датчики.

Для измерения давления крови непосредственно внутри сосуда используются тензорезистивные датчики. Широкому применению тензорезисторов в медицине способствуют их очень малые размеры и масса, благодаря чему возможно создание миниатюрных датчиков. Которые располагают на конце тонкого гибкого катетера, с помощью которого датчики вводятся в сосуды, а по сосудам - в полости сердца.

Различают проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Проволочный тензодатчик для измерения внутрисосудистого давления представляет собой тонкую кремнийорганическую диафрагму, закрепленную в металлическом кольце на конце катетера. На поверхности диафрагмы расположены тензосопротивления, соединенные по мостиковой схеме, подводящие провода которой проходят внутри катетера. В цепь датчика включен измерительный прибор, проградуированный в единицах давления, и источник постоянного тока. Кровь давит на диафрагму, деформирует тензорезисторы. Что приводит к соответствующим изменениям сопротивления цепи и силы тока в ней.

Изучение кровотока осуществляется с помощью электромагнитных и ультразвуковых датчиков. Электромагнитные датчики измерения скорости кровотока основаны на эффекте Холла. Ультразвуковые датчики скорости кровотока работают на эффекте Доплера. Конструктивно такой датчик состоит из двух пьезоэлектрических пластинок. Одна из пластин служит приемником, а другая - источником ультразвуковой волны.

Ультразвуковая волна с частотой  0 , испущенная источником, отражается движущимся объектом (эритроцитом) в сторону приемника. Приемник воспринимает волну с частотой . Расчеты показывают, что разность частот  0 , называемая доплеровским сдвигом частоты, определяет соотношением

где v- скорость движущегося объекта (скорость кровотока),

U - скорость ультразвуковой волны. Так как скорость распространения ультразвука в крови значительно больше скорости движущегося объектов (U»v), то последнюю формулу можно записать в виде откуда для скорости кровотока получаем выражениеДоплеровские датчики используют также для определения скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Изучение тензорезистора .

Проволочный тензорезистор (Рис 5.) изготавливается из тонкой константановой проволоки (1) диаметром 20-30 мкм, сложенной в виде плоской спирали и наклеенной на тонкую пленочную основу (2).

Сверху спираль закрыта такой же пленкой. С помощью электродов (3) датчик включается в электрическую цепь, содержащую источник питания и измерительный прибор. Деформация основы датчика ведет к изменению длины и поперечного сечения проволоки, что вызывает соответствующие изменения сопротивления тензорезистора и силы тока в цепи. Установка для изучения тензодатчика представлена на Рис.6.

Металлическая балка Б, закрепленная с одного конца, нагружена грузом Р. Тензорезисторы R 1 , R 2 , R 3 и R 4 наклеены в месте наибольшего изгиба балки вблизи ее заделки в опору. Датчики R 1 и R 2 , расположенные на верхней плоскости балки, работают в режиме растяжения. Датчики R 3 и R 4 , наклеенные снизу балки, испытывают деформацию растяжения. Тензосопротивления соединены по схеме моста Уитстона (Рис.7). Мост считают сбалансированным, если ток через микроамперметр не протекает, то есть потенциалы в точках В и Д равны. Это условие выполняется, если имеет место соотношение

R 1  R 2 = R 3  R 4

При нагружении балки это равенство переходит в неравенство

R 1  R 2  R 3  R 4 ,

которое выражено тем сильнее, чем больше нагрузка на балку.

Таким образом, чем сильнее нагружена балка, тем больше ток через микроамперметр.

Входной величиной такой системы (преобразователя механической деформации в изменение электрического тока) является груз Р, изгибающий балку, выходной величиной является ток через микроамперметр. Схема преобразования входной величины в выходную может быть представлена следующим образом:  P   l   R   , где  P - изменение нагрузки на балку,  l - изменение длины датчиков вследствие деформации,  R - изменение сопротивления датчиков,  - изменение тока через микроамперметр.

Порядок выполнения работы

Собрать электрическую цепь по схеме рис. 7

При ненагруженной балке с помощью потенциометра Д сбалансировать мостиковую схему (добиться отсутствия тока в микроамперметре).

Постепенно нагружать балку гирями 1, 2, 3, 4, 5 кг и через каждый килограмм нагрузки снимать показания микроамперметра. Данные занести в таблицу.

		n- число делений микроамперметра
		при нагружении	при разгружении

Последовательно снимать гири по килограмму, записывая показания микроамперметра при разгружении балки.

Вычислить средние значения показаний микроамперметра при данной нагрузке. По полученным данным построить характеристику датчика n=f(P), где n - число делений микроамперметра при данной нагрузке P.

Определить цену деления прибора

k =  P /  n (кГ/дел)

Изучение датчиков температуры

В данной работе в качестве датчика температуры используется термопара, изготовленная из меди и константана. Термопара проградуирована. Градуировочный график прилагается. Определение температурной зависимости сопротивления полупроводника проводится для термистора - одного из самых простых полупроводниковых приборов.

В полупроводниках электрическое сопротивление в значительной степени зависит от температуры. Зависимость сопротивления полупроводника от температуры в определенных температурных интервалах может быть описана выражением R=R 0 ·exp(-W/2kT), где Т - абсолютная температура, k - постоянная Больцмана,  W - энергия активации полупроводника (термистора), exp - то же самое, что e - основание натурального логарифма. Таким образом, сопротивление полупроводника уменьшается по экспоненциальному закону. Зависимость сопротивления полупроводника (термистора) от температуры используется для измерения температуры по силе тока в цепи с полупроводником.

Существуют термисторы для измерения как очень высоких (Т  1300 0 К), так и очень низких (Т  4-80 0 К) температур.

В медицине широко применяются электротермометры, датчиком температуры в которых является термистор. К достоинствам электротермометров следует отнести их малую инерционность, высокую чувствительность, возможность изготовления малогабаритных датчиков, возможность измерения температур на расстоянии. К недостаткам относятся нелинейная шкала и старение. Термопары обладают меньшей чувствительностью, однако лишены указанных недостатков.

Для определения температурной зависимости сопротивления термистора последний вместе с активным термоспаем А термопары фиксируют в дюралевом бруске. Для чего в бруске проделывается отверстие, заполняемое непроводящей жидкостью (масло, глицерин и т.д.). Термо-эдс термопары измеряют милливольтметром. Сопротивление исследуемого термистора определяют мультиметром. Контрольный термоспай К термопары опускают в сосуд Дьюара.

Порядок выполнения работы.

Термопару подключить к клеммам милливольтметра.

Включить милливольтметр в сеть.

С помощью переключателя, расположенного на правой боковой панели, установить нуль милливольтметра в режиме «арретир».

Перевести переключатель пределов измерений в положение «5 mV». Рассчитать цену деления милливольтметра.

Опустить контрольный и рабочий спаи термопары в стакан с водой и установить нуль шкалы милливольтметра.

Записать в тетрадь температуру контрольного спая t 0 k .

Измерить температуру ладони в нескольких точках. Для этого приложить активный термоспай к ладони и определить соответствующую ТЭДС по милливольтметру. Используя градуировочный график и соотношение t 0 л = t 0 k +  t 0 , определить температуру ладони.

Аналогично измерить температуру шеи, мочки уха, щеки, подбородка и т.д.

Выключить милливольтметр. Установить милливольтметр в положение «Арретир».

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Какие устройства называются датчиками. Роль датчиков в медико-биологических измерениях.

Что называют характеристикой датчика, чувствительностью, порогом чувствительности, номинальной погрешностью датчика?

Дать понятие о генераторных и параметрических датчиках. Примести примеры тех и других датчиков.

Дать понятие о биоуправляемых и энергетических датчиках. Привести примеры.

Объяснить устройство и принцип действия тензодатчиков, их применение в медицине.

Объяснить устройство и принцип действия датчиков температуру (термопары и термистора) .