Датчики-модуляторы

Омические датчики. К датчикам с изменяющимся омическим сопротивлением относятся тензометрические датчики, которые применяются для измерения упругих деформаций (измерения растяжения или сжатия тел), а также для измерения крутящих и изгибающих моментов, возникающих на поверхности различных механических деталей при их механической нагрузке. Значение измеренной деформации позволяет с помощью известных формул теории упругости и упругих констант (постоянных значений) материала деталей вычислять механические напряжения в них и судить о целесообразности их конструкции. Тензодатчйки, используемые в автоматическом контроле, дают возможность следить за деформаци­ями и напряжениями при статических и динамических нагрузках.

Основным элементом проволочного тензодатчика является константановая проволока диаметром 0,015—0,05 мм, сложенная в вие петлеобразной решетки (спирали) между двумя склеенными полосками тон­кой бумаги или пленки (рис. 7.1). Дат­чик через специальную бумагу 2 при­клеивается к детали 3, деформацию ко­торой нужно измерить. При действии деформации, например при растяжении, как показано на рис. 7.1 сплошной стрелкой, вместе с деталью будет растягиваться и проволока. При этом ее длина l увеличит­ся, а сечение 5 уменьшится. За счет это­го сопротивление проволоки R=ρl/S уве­личивается. Это сопротивление является выходной величиной датчика.

Если деформация будет действовать, как показано на рис. 7.1 пунктирной стрелкой, то проволока на изгибах еще больше будет изгибаться. При этом ни длина, ни толщина проволоки практически не изменяются. Следовательно, не будет изменяться сопротивление датчика. Деформацию такого направления датчик не измеряет.

Относительное изменение сопротивления тензодатчика

,

где К — коэффициент относительной чувствительности (в пределах упругой деформаций проволоки величина постоянная); l — начальная длина деформируемого участка проволоки.

Для тензодатчиков, выпускаемых промышленностью, используется константановая или фехралевая проволока. Тёнзочувствительность таких датчиков может иметь значения от 1,7 до 2,9, conpoтивление составляет 50—2000 Ом, база — 5—30 мм, номинальный рабочий ток при наклейке на металлические детали — 30 мА, допустимые относительные деформации — не более 0,3% (при большей деформации проволока оборвется), максимальная рабочая температура составляет 500°С (для датчиков с пленочной осно­вой). Достоинство проволочных тензодатчиков — простота конст­рукции, практически безынерционность, недостаток — малая чувст­вительность (при работе сопротивление тензодатчика изменяется не более чем на 0,3%). С целью исключения зависимости тензодат­чика от температуры применяют мостовые схемы с двумя тензодатчиками в смежных плечах моста, из которых один не подвергается дефор­мации, но находится в тех же температурных условиях. Это достигается пер­пендикулярным расположением обоих датчиков. Тогда температурные изменения сопротивления уравновешивают­ся и баланс схемы сохраняется (рис. 7.2).

Измерительный или регистрацион­ный прибор обычно включается через усилитель. Погрешность измерений с применением проволочных тензодатчи­ков находится в пределах 1+0,5%.

Разработаны также полупроводни­ковые тензодатчики, у которых чувст­вительность в 50—60 раз выше, чем у проволочных. Их недостатки — малая механическая прочность, вли­яние освещенности, разброс параметров у различных образцов.

 

Потенциометрические датчики применяются для измерения угловых или линейных перемещений и преобразования этой величины в изменение сопротивления. Конструктивно датчики такого типа представляют собой каркас 1 прямоугольной или кольцевой формы, на который намотана в один ряд тонкая проволока (рис. 7.3, а). По виткам проволоки 4 скользит щетка 5, называемая движком потенциометра, которая механически связана с объектом, перемещение которого нужно измерить.

От концов намотки и от движка сделаны электрические выводы 1, 2, 3, с помощью которых датчик включают в схему. При переме­щении движка потенциометра от вывода 1 к выводу 2 щетка пере­ходит от одного витка намотки на другой. При этом длина прово­локи между движком и выводом 1 увеличивается, а между движ­ком и выводом 2 уменьшается. За счет этого сопротивление между выводами 3 и 1 увеличивается от 0 до R, а между выводами 2 и 3 — уменьшается от R до 0, где R — сопротивление проволоки, на­мотанной на каркас. По изменению этих сопротивлений можно определить перемещение 1. Аналогично выполнены потенциометры (рис. 7.3, б, в).

Сопротивление между движком и одним из выводов (например, 5) намотки называют выходным сопротивлением датчика R_вых. При перемещении щетки в пределах одного витка R_вых не изменяется, что обусловливает зоны нечувствительности, а при переходе щет­ки с одного витка на другой R_выхизменяется скачком. Для умень­шения скачков и зон нечувствительности при намотке используют тонкий провод (диаметром 0,03—0,05 мм).

С целью снижения влияния температуры на R_вых применяют провод с малым температурным коэффициентом сопротивления (нихром, константен, манганин). Наиболее часто применяют ли­нейные потенциометры, у которых сечение каркаса по всей длине одинаково, а намотка равномерная. За счет этого выходное сопротивление датчика R_вых

 

линейно зависит от перемещения l, т. е. R_вых =Сl, где С — коэффициент пропорциональности (рис. 7.4).

Существует несколько вариантов включения потенциометрических датчиков (рис. 1.9, а, б).Питающее напряжение E (рис.7.5,а) подводится к выводам намотки (М—Н). Для линейного потенцио­метра выходное напряжение

.

Для удобства использования дайной формулы примем Е/R = K — коэффициент датчика.

При подключении к датчику нагрузки R_низ-за ее шунтирующе­го действия линейная зависимость выходного напряжения от пе­ремещения движка потенциометра нарушается. Чтобы нарушение линейности было незначительным, должно быть >> R (в 20 раз и более).

Применяются также потенциометрические датчики с выводом от средней точки (рис. 7.5, б). При перемещении движка в одну сто­рону от средней точки на выходе датчика появляется напряжение положительной полярности, а при перемещении в другую сторону от средней точки — отрицательной полярности. По полярности вы­ходного сигнала можно судить о направлении перемещения.

Достоинство потенциометрического датчика: высокая точность преобразования, простота конструкции, возможность питания по­стоянным и переменным током, безынерционность.

Термометрические датчики (термисторы), или термо­резисторы, предназначены для измерения температуры путем пре­образования измеряемого сигнала в изменение активного сопротив­ления. Термисторы бывают металлические и полупроводниковые.

Металлические термисторы изготовляются из чистых металлов с большим температурным коэффициентом сопротивления (медь, платина). Диапазон измеряемых температур платиновых термисторов —от —200 до 600° С, медных —от —50 до 150° С. Точность из­мерения платиновых термисторов ±0,1ºС, медных—до ±1ºС. При более высоких температурах термисторы не применяются, так как в диапазоне высоких температур они имеют недостаточную точ­ность и сильно окисляются.

return false">ссылка скрыта

Зависимость сопротивления металлических термисторов почти линейная:

где α — температурный коэффициент сопротивления; R₀ — сопро­тивление при t₀, Ом; t₀ — начальная температура, °С; t - измеряе­мая температура, °С.

Линейность статической характеристики в других диапазонах температур нарушается.

В зависимости от назначения термисторы имеют различную конструкцию. Они изготовляются в виде нити, спирали, катушки и т: д. В последнее время термисторы нашли широкое применение для температурного контроля обмоток различных исполнительных механизмов (электродвигателей, катушек и т. д.).

Термисторы имеют один существенный недостаток: они облада­ют большой инерционностью. Постоянная времени термисторов из­меняется от единиц до десятков секунд и зависит от диаметра про­вода.

Полупроводниковые термисторы изготовляются из окиси раз­личных металлов (марганца, меди, никеля, титана и др.). Они име­ют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, что означает, что с увеличением температуры сопротивление полупро­водника уменьшается. Наиболее широко полупроводниковые термисторы применяют в диапазоне температур от — 100 до 120 ºС. В сравнении с металлическими полупроводниковые термисторы o6ладают большей чувствительностью и меньшей инерционностью. У них высокое внутреннее сопротивление, что позволяет не учиты­вать сопротивление соединительных проводов. Недостатками полупроводниковых термисторов являются узкий диапазон температур, нелинейность статической характеристики и разброс параметров между отдельными экземплярами. Термисторы нашли широкое применение в измерительной технике.

Термоанемометр — прибор для измерения скорости газа — пред­ставляет собой термосопротивление, изготовленное из платиновой нити, укрепленной между двумя токопроводящими электродами (рис. 7.6), к которым подводится постоянный ток. Нагрев нити током будет зависеть от условий ее охлаждения, а охлаждение, в свою очередь, будет

зависеть от скорости движения окружающего нить газа. Статическая характеристика R = f(v) криволинейна и снима­ется экспериментально.

Фоторезисторные датчики, или фотосопротивления, нашли широкое применение в системах автоматики для контроля с любым видом передаваемой информации: сигнализации, измере­ния и регистрации.

Фотосопротивления — это полупроводники, у которых число свободных электронов и электропроводность увеличиваются при освещении. В настоящее время для фотосопротивлений приме­няется сернистый свинец (PbS), сернистый висмут (Bi₂S₂) и сер­нистый кадмий (CdS). Конструкция фотосопротивлений весьма проста. Тонкий слой полупроводникового _v материала наносится на прозрачную пластинку, к которой прикрепляются электроды, осу­ществляющие контакт с полупроводниковым слоем. При подаче к электродам электрического напряжения через полупроводник пой­дет ток, сила которого зависит от освещенности светочувствитель­ной поверхности. Зависимость тока от освещенности называется световой характеристикой фотосопротивления.

Ионные датчики представляют разнообразную подгруппу датчиков, у которых входная величина функционально связана с током ионной проводимости, а следовательно, и с омическим сопротивлением, которое обусловлено наличием ионов. С током ионной проводимости приходится преимущественно встречаться в жидких и газообразных средах.

Примером электролитического датчика является концентратомер, основанный на зависимости сопротивления г между двумя электродами от концентрации раствора к (рис. 7.7). С увеличени­ем концентрации число ионов увеличивается, что и. вызывает уве­личение проводимости.

На принципе действия ионных датчиков разработаны и приме­няются устройства с ядерными излучениями для измерения толщи­ны, плотности и массы материалов, толщины покрытий, уровней самых различных материалов вплоть до расплавленных металлов, расхода жидкостей и газов, газового анализа и др.

Индуктивные датчики. Индуктивные датчики нашли ши­рокое применение в системах автоматики для измерения линейно­го или углового перемещения. Принцип действия их основан на из­менении индуктивности катушки с магнитопроводом при перемеще­нии якоря. Простой принцип действия позволил создать целый ряд конструкций датчика (рис. 7.8). Индуктивный датчик с подвижным якорем (рис. 7.8, а) представляет собой катушку 2 с ферромагнит­ным сердечником и с подвижным якорем 1. При перемещении яко­ря 1 датчика воздушный зазор изменяется, а следовательно, изме­няется и индуктивность катушки 2. Ток в катушке датчика

(7.1)

где U —напряжение питания; Z — полное сопротивление катушки; R — активное сопротивление катушки; x_L = 2π/L — индуктивное со­противление катушки; / — частота напряжения питания; L — ин­дуктивность катушки, зависящая от воздушного зазора.

Как видно из (7.1), при постоянных U, R и f ток катушки за­висит только от ее индуктивности, а следовательно, от воздушного зазора. Таким образом, ток в катушке датчика пропорционален воздушному зазору, т. е.

I = KS,

где К — коэффициент пропорциональности или чувствительности датчика.

Реальная характеристика индуктивного датчика отличается от идеальной (показана пунктиром на рис. 7.8, в) наличием некото­рой нелинейности.

Индуктивный датчик с подвижным сердечником (рис. 7.8, б)представляет собой катушку с подвижным ферромагнитным сер­дечником 1. От средней точки обмотки сделан вывод, который поз­воляет создать измерительную схему. Когда сердечник находится в центре катушки, то в силу симметрии L₁ = L₂. При перемещении сердечника, например вправо, индуктивность правой половины ка­тушки L₂ увеличивается, а левой L₁уменьшается. По изменению этих индуктивностей можно измерить значение перемещения сер­дечника. Эти датчики применяют для измерения значительных пе­ремещений — до 50 мм. Статическая характеристика линейная.

Магнитоупругие датчики относятся к подгруппе индук­тивных датчиков, так как принцип действия их основан на свой­стве ферромагнитных материалов изменять магнитную проницае­мость при упругих деформациях, вызываемых механической нагруз­кой. Индуктивность же катушки прямо пропорциональна магнитной проницаемости магнитопровода катушки. Таким образом, по­лучается цепь последовательных преобразований: механическая си­ла — механическая напряженность — магнитная проницаемость — индуктивность. Магнитоупругие датчики применяются для измерения больших усилий.

Трансформаторные датчики имеют на своем выходе взаимоиндуктивность, и поэтому их также можно отнести к под­группе индуктивных датчиков. Они отличаются от индуктивных датчиков тем, что используют на выходе явление электромагнит­ной индукции, однако это явле­ние носит вспомогательный ха­рактер и используется для моду­лирования изменений напряже­ний на выходе. Наиболее распро­страненным типом трансформа­торного датчика, получившим широкое применение в телемеха­нике для передачи на расстояние показаний различных приборов, является датчик с поворотной катушкой, называемой также ин­дукционным преобразователем (рис. 7.9). Катушка датчика изготовлена в виде рамки, пронизы­ваемой переменным магнитным потоком, который создается об­моткой возбуждения, подключенной к источнику стабилизирован­ного напряжения стандартной частоты. При повороте катушки меняется значение пронизывающего ее магнитного потока, а, сле­довательно, и индуктированной ЭДС. С помощью полюсных на­конечников можно получить прямолинейную статическую харак­теристику при повороте рамки на ±70° от нейтрального положения. Соединяя механической связью ось рамки с осью стрелки показывающего прибора, можно преобразовать показания прибо­ра в электрическое напряжение.

Достоинством всей подгруппы индуктивных датчиков являются: отсутствие скользящих контактов, высокая чувствительность и сравнительная простота конструкции, а недостатки — возможность работы только на переменном токе, трудность получения нулевого значения напряжения на выходе датчика, необходимость предохра­нения от помех. Динамические свойства датчиков зависят от инер­ционности подвижных частей.

Емкостные датчики. Емкостные датчики предназначены для пре­образования измеряемой, неэлектрической величины в изменение емкости. Датчик представляет собой плоский конденсатор с изме­няемой емкостью.

Емкость плоского конденсатора

C = εS/d,

где ε — абсолютная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами; S — площадь пластин; d — расстояние между пласти­нами.

Изменяя ε, S и d, можно получить три типа емкостных датчи­ков.

Емкостный датчик с переменным расстоянием между пластина­ми содержит две неподвижные пластины 1 и 2 и подвижную плас­тину 3, которая механически связана с измеряемым объектом (рис. 7.10, а). Когда d₁ = d₂, то C₁ = C₂. При перемещении подвижной пластины 3 влево, d₁уменьшается, a d₂ — увеличивается. Из-за это­го емкость

между пластинами 1 и 3 увеличивается, а емкость меж­ду пластинами 2 и 3 уменьшается. По изменению этих емкостей можно измерить линейное перемещение объекта (практически до 0,1 мм). Статической характеристикой такого датчика является ги­пербола, что не очень удобно для измерения перемещения. Приме­няя такой тип датчика, следует учитывать не емкость, а реактив­ное емкостное сопротивление

X_c=1/(ωC)=d/(ωεS),

которое прямо пропорционально расстоянию между пластинами, т. е. перемещению, и для него статическая характеристика будет прямолинейна (рис. 7.11).

Емкостный датчик с поворотными пластинами (рис. 7.10, б) представляет собой воздушный конденсатор, у которого одна груп­па пластин 1 неподвижна (обычно через одну пластину), а другая — может поворачиваться на некото­рый угол α. При α = 0 площадь перекры­тия пластин S (заштрихована) наиболь­шая, поэтому емкость С между подвиж­ными и неподвижными пластинами наи­большая. При повороте подвижных пла­стин на угол α площадь перекрытия и емкость датчика уменьшаются. Такие датчики применяются для измерения уг­лов поворота от 0 до 180°.

Емкостный датчик с переменной диэлектрической проницаемостью (рис. 7.10, в) представляет собой конденсатор с переменным диэлектриком. При разных величинах диэлектрической проницаемости воздуха ε₁ и пе­ремещаемого диэлектрика ε₂ образуются два параллельно соеди­ненных конденсатора, общая емкость которых

где b - ширина пластин.

Отсюда видно, что при перемещении диэлектрика, т. е. при из­менении уровня жидкости, изменяются перемещение h и емкость датчика С. По изменению емкости С определяют перемещение h. Такие датчики применяются для измерения уровня жидкости.

На принципе изменения диэлектрической проницаемости строят­ся также датчики для измерения влажности материалов, что позво­ляет автоматизировать это измерение, занимающее много времени при лабораторном его выполнении с помощью сушильных шкафов. Принцип действия датчика основан на влажности измеряемого ма­териала, влияющей на диэлектрическую проницаемость.

Достоинства емкостных датчиков: высокая чувствительность, простота, малая инерционность. Недостатки: сильное влияние воз­можных побочных емкостей и посторонних электрических полей (необходима экранировка), значительное влияние температуры (из­меняются размеры пластин) и влажности (изменяется е воздуха) окружающей среды.