• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Датчики – модулятори.

Рис.8.4

В даній схемі добавлено датчик Д та перетворювач 4.

Розглянемо основний перлік датчиків та їх основні характеристики.

8.2.Датчики в ситемах САУ на базі МП.

Електричні датчики найбільш розповсюджені як в автоматиці,так і в телеметрії.Більшість із них володіє універсальністю і іх можна використовувати для вирішення різних технічних задач.

Омічні датчики.Серед таких датчиків слід назвати тензометричні – датчики,що викориситовуються для вимірювання пружних деформацій.Найпростішими є провідникові тензодатчики,які виготовляються із константанового провідника у вигляді спіралі.При дії деформації,наприклад при розтягуванні,разом із об¢єктом буде розтягуватися і провід.При цьому його довжина збільшуватиметься,а діаметр – зменшуватиметься і,відповідно, опір проводу збільшуватиметься.Цей опір і є вихідним сигналом датчика.

Відносна зміна опору тензодатчика

DR/R = KDl/l, (8.1)

де К- коефіцієнт відносної чутливості;l – початкова довжина ділянки проводу,що деформується.Для тензодатчиків,що серійно випускаються, використовується константановий або фехралевий провід.Тензочутливість таких датчиків лежить в межах від 1,7 до 2,9 , опір складає 50 – 2000 Ом,база – 5 – 30 мм, номінальний робочий струм – 30 мА, допустимі відносні деформації – не більше 0,3 %,максимальна робоча температурв – 500 ⁰С.Перевагою провідникових тензодатчиків є простота конструкції,практична безінерційність,недолік – мала чутливість.

Розроблені також напівпровідникові тензометричні датчики,у яких чутливість в 50-60 раз вища.Їх недоліки – мала механічна міцність,вплив освітленості, великий розкид параметрів у різних зразків.

Потенціометричні датчики використовуються для перетворення лінійних та кутових переміщень у зміну опору.Конструктивно такі датчики складаються із каркасу на який намотано провід у один ряд,або напилено омічний шар речовини, по якому рухається щітка яка механічно з¢єднана із об¢єктом.Від кінців та від щітки виготовлені електричні виводи з допомогою яких даний датчик підключають до схеми.

Використовуються два типи потенціометричних датчиків : однотактні (рис 8.5 а) та двотактні (рис.8.5. б).Різниця полягає в тому,що у двотактного ще є один вивід,приєднаний до середини.

Для лінійного потенціометра вихідна напруга

U_вих =(E/R)R_вих (8.2)

Для зручності використання формули (8.2) приймемо (E/R) = К – коефіцієнт датчика,тоді

U_вих =КR_вих (8.2)

При підключенні до датчика навантаження R_н із-за його шунтуючої дії лінійна залежність вихідної напруги від переміщення об¢єкту порушується.Щоб дане порушення було незначним,повинна виконуватися умова R_н >> R (в 20 разів і більше).

+

R_н

R

E R_вих

U_вих

-

а)

+

R

- U_вих

б)

Рис.8.5.Схеми вмикання потенціометричних датчиків

Використовуються також потенціометри із виводом із середньої точки (рис.8.5, б).Такий датчик дає змогу відстежувати не тільки величину,але і напрям переміщення,який визначається по полярності вихідної напруги.

Перевагами потенціометричних датчиків є: висока точність перетворення,простота конструкції,можливість роботи із постійним та змінним струмом,безінерційність.

Термоелектричні датчики (термістори),або терморезистори призначені для вимірювання температури шляхом перетворення вимірюваного сигналу в зміну активного опору.Термістори бувають металічні та напівпровідникові.

Металічні виготовляються із чистих металів із великим температурним коефіцієнтом опору (мідь,платина).Діапазон вимірюваних температур платинових термісторів від – 200 до +600 ⁰С (точність ±0,1⁰С), мідних – від – 50 до +150 ⁰С (точність ±1⁰С).При більш високих температурах термістори не застосовуються,так як при високих температурах вони володіють невисокою точністю та окислюються.

Залежність опору металевих термісторів майже лінійна:

R_t = R₀ ( 1 + a (t – t₀)) , (8.3)

де a - температурний коефіцієнт опору; R₀ - опір при t₀,Ом; t₀ – початкова температура, ⁰С; t – вимірювана температура, ⁰С.

Термістори володіють суттєвим недоліком : вони володіють великою інерційністю.Постійна часу термісторів змінюється від одиниць до десятків секунд і залежить від діаметра провідника.

Напівпровідникові термістори виготовлюються із окислів різних металів (марганцю,міді,нікеля,титану та ін.).Вони володіють від¢ємним температурним коефіцієнтом опору,що означає,що із збільшенням температури опір буде зменшуватися.Найбільш широко напівпровідникові термістори використовуються в діапазоні температур від - 100 до +120⁰С.На відміну від металевих напівпровідникові термістори володіють набагато більшою чутливістю та меншою інерційністю, у них високий внутрішній опір.До недоліів напівпровідникових слід віднести вузький діапазон температур, нелінійність статичної характеристики та розкид параметрів між окремими екземплярами.

Фоторезисторні датчики (фотоопори) – напівпровідики у яких число вільних електронів та електропровідність збільшуються із освітленістю.Застосовуються в основному напівпровідникові сполуки : PbS, Bi₂S₂, CdS та ін.Конструкція фотоопорів є надзвичайно простою.

Іонні датчики – датчики у яких вхідна величина функціонально зв¢язана із струмом іонної провідності, і відповідно, і з омічним опором,що зумовлений наявністю іонів.Такі датчики застосовуються в основному в рідинних та газових середовищах.Прикладом такого датчика може бути концентратомір, оснований на залежності опору r між двома електродами від концентрації розчину х (із збільшенням концентрації число іонів збільшується,що викликає збільшення провідності.

На принципі дії іонних датчиків розроблені та використовуються пристрої із ядерними випромінюваннями для вимірювання товщини,густини та маси матеріалів,товщини покрить,рівнів саміх різних матеріалів аж до розплавлених металів,розходу рідин та газів,газового аналізу тощо.

Індуктивні датчики використовуються для вимірювання кутового та лінійного переміщення.Принцип їх роботи засновний на зміні індуктивності катушки із магнітопроводом при переміщенні якоря.Існують різні конструктивні рішення,які дозволяють вимірювати значні переміщення (до 50 мм) із достатньо великою точністю.

Часто в автоматичних системах застосовують трансформаторні датчики (індукційні перетворювачі).Принцип дії оснований на застосуванні на виході явища електроагнітної індукції.

Ємнісні (конденсаторні) датчики являють собою плоский конденсатор із змінюваною ємністю.Виходячи із формули ємності плоского конденсатора

C = ε S / d , (8.4)

де ε – абсолютна діелектрична провідність середовища між пластинами; S – площа пластин; d – відстань між пластинами.Змінюючи ε,S та d можна отримати три типи кондесаторних датчиків.

Ємнісний датчик із рухомими пластинами являє собою систему із двох нерухомих пластин між якими розміщена рухома,механічно зв¢язана із об¢єктом.Використовуючи такий датчик слід враховувати не ємність,а реактивний опір,бо його залежність від відстані між пластинами прямолінійна.

Ємнісний датчик із поворотними пластинами використовується для вимірювання кутових переміщень (кут повороту від 0⁰ до 180⁰).

Ємнісний датчик із змінною ε представляє собою конденсатор із змінним діелектриком.Такі датчики використовуються для вимірювання рівня рідини,вологості матеріалів.

Переваги ємнісних датчиків: висока чутливість,простота,мала інерційність. Недоліки: сильний вплив можливих побічних ємностей та сторонніх електричних полів,значний вплив температури та вологості.

Генераторні датчики.

До групи генераторних датчиків можна віднести перетворювачі різних видів енергії в електричну.

Індукційні датчики дають можливість безпосереднього перетворення вхідної величини в ЕРС дез джерела додаткової енергії.До таких датчиків відносяться тахогенератори постійного та змінного струму (невеликі електромашинні генератори, у яких вихідна напруга пропорційна кутовій швидкості обертання вала генератора).

Тахогенератори постійного струму бувають двох типів: із збудженням від постійних магнітів та із електромагнітним збудженням від незалежного джерела постійного струму.Тахогенератори змінного струму також бувають двох типів: синхронні та асинхронні.Найбільш широкого застосування знайшли асинхронні тахогенератори тому,що їх частота не залежить від швидкості обертання ротора,що створює лінійність статичної характеристики.

Термоелектричні датчики (термопари) складаються із двох термоелектродів,які виготовлені із різнорідних провідників.Одні кінці цих проводів є з¢єднаними (зпаяними),а інші є виходами датчика.Місце з¢єднання і є активною зоною.Якщо температура вільих “холодних” кінців термопари відрізняється від гарячого з¢єднання,то під дією термоелектронного ефекта виникає термо-ЕРС,пропорційна різниці температур:

Uвих = E_t = C ( t₂ – t₁ ), (8.5)

де С – коефіцієнт пропорційності,який залежить від матеріалу провідників.

Статичні характеристики більшості термопар нелінійні.Частіше всіх використовують такі термопари : хромель-копель (до 600⁰С); хромель-алюмель (до1000⁰С); платина-платинородій (до1300⁰С); вольфрам-молібден (до 2100⁰С).Термо-ЕРС при максимальній робочій температурі не перевищує 10-50мВ.

Всі термопари володіють високою інерційністю.Постійні часу термопар в залежності від конструкції можуть бути від десятих долей секунди до декількох сотень секунд.

П¢єзоелектричні датчики використовуються для отримання електричних зарядів,що утворюються на поверхні деяких кристалів при їх стисненні.

P

+ + + + + + + + + + +

U_вих

- - - - - - - - - - - - - - -

Рис.8.6.Будова п¢єзоелектричного датчика

Такий датчик вигитовлюється із кварцевої пластини, до дво сторін якої приклеєні струмопровідним клеєм електроди до яких припаяні виводи.При зтисненні пластини силою Р на її протилежних поверхнях,а відповідни і на електродах, під дією прямого п¢єзоелектричного ефекту виникають електричні заряди.Величина заряду пропорційна силі Р,тобто Q =d P,де d – коефіцієнт пропорційності (п¢єзомодуль).

При змінній силі Р отримується вихідна напруга

U_вих =Q / (C_д + С_м ) = d P/ (C_д + С_м ) , (8.6)

де C_д – ємність датчика;С_м – ємність монтажу.

П¢єзоелектричні датчики безінерційні,їх вихідна напруга складає від одиниць мілівольт до одиниць вольт.Для підсилення вихідної напруги таких датчиків слід використовувати підсилювачі із великим вхідним опором.

Фотоелектричні датчики (фотоелектричні реле). До них відносяться фотоелементи із зовнішнім фотоефектом,які на відміну від елементів із внутрішнім фотоефектом (фоторезисторів) під дією світла виділяють вільні електрони,чим створюється різниця потенціалів,виникає струм,тобто проходить безпосереднє перетворення світлової енергії в електричну величину без модуляції енергії від стороннього джерела.Конструктивно фотоелементи генераторного типу бувають вакуумні та напівпровідникові.

Вакуумні виробляють сигнал невеликої величини,тому виникає необхідність у використанні разом із ними електронних підсилювачів.

Напівпровідникові фотоелементи (фотодіод,фототранзистор) виробляють сигнал,величина якого в більшості випадків достатня для безпосередньої дії на вимірювальний пристрій.До переваг напівпровідникових фотоелементів ще відносять: малі габаритні розміри,великий строк служби,вібро- та механічна стійкість.Недоліками напівпровідникових елементів є залежність їх характеристик від температури навколишнього середовища.

Фотоелектричні датчики генераторного типу знайшли широке застосування в системах автоматичного контролю: для вимірювання сили світла різних джерел,освітленості,фотометрування ультрафіолетової радіації і т.д.Шляхом фотометричного вимірювання радіації,яркості або кльору розжареного тіла можна визначати його температуру.В даному випадку є послідовне перетворення температури у хвилеву енергію, а її – в електричну.Такі фотоелектричні датчики називають ще оптичними пірометрами.Фактично тут зконцентровані два датчики:оптичний та електричний.Оптичний датчик відноситься до датчиків генераторного типу,так як перетворення теплоти у випромінювання проходить безпосередньо,без допоміжного джерела енергії.

Датчики з проміжним перетворенням. Це особлива,але часто застосовувана група датчиків,що використовується у тих випадках,коли вхідну величину не вдається безпосередньо перетворити в електричну.В цьому випадку здійснюється послідовне пертворення.Елемент,що здійснює перше перетворення,називається чутливим елементом.Найбільшого застосування в цій групи знайшли датчики тиску та датчики лінійних прискорень.

У багатьох датчиків тиску чутливий елемент перетворює тиск у переміщення.Датчики лінійних прискорень (акселерометри) перетворюють лінійне прискорення в електричну величину (використовується дія інерційної сили на чутливий елемент).

Даний перелік датчиків не є кінцевим.В сучасних системах автоматики використовується і ряд інших датчиків (сельсини ,обертаючіся трансформатори та і т.д.).

Читайте також:

1. Датчики магнітного поля
2. Датчики скорости
3. Каротажні лебідки, підйомники, їх конструкції. Каротажні: кабелі, датчики магнітних міток, натягу, блок-баланси, сельсини
4. Магнітопружні датчики
5. Напівпровідникові тензодатчики

Переглядів: 2891