Датчики в измерительных системах реферат

Обновлено: 30.06.2024

Целью данного реферата является изложение читателю основных и самых распространённых и испытанных временем и производством видов датчиков, а так же осмысление степени важности этих элементов в современной автоматизации технологических процессов.

Датчик как понятие

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 электрически е: 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).

Электрические измерения

. измеряемая или воспроизводимая физическая величина, в соответствии с этим приборы подразделяются на ряд видов: амперметры — для измерения силы электрического тока; вольтметры — для измерения электрического напряжения; омметры — для измерения электрического сопротивления; мультиметры (иначе тестеры, .

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. Также их можно разделить можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.

Рассмотрим более подробно эти и другие виды датчиков и измерительных устройств в следующем разделе.

Виды датчиков и их назначение

Параметрические датчики активного сопротивления (омические)

К данному типу датчиков относятся: контактные датчики; потенциометрические (реостатные) датчики, однотактные и двухтактные; тензометрические датчики; полупроводниковые датчики (p-n переход, термоэлектронный и др.)

Контактными называются датчики, в которых механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих узлов или несколькими электрическими цепями, при этом сопротивление датчика изменяется от бесконечности до нуля и наоборот. Это датчики, в которых имеется дискретность измерения. Широко применятся в машиностроении при обработке механических деталей, их сортировке и отбраковке. Выявляют дефекты деталей с точностью до 1-2 мкм.

Рис.1.Устройство контактного датчика

Потенциометрическим называется датчик, предназначенный для преобразования линейного перемещения в электрический сигнал.

В зависимости от включения потенциометрический датчик может быть реостатным. Выполнен в виде переменного сопротивления, подвижная часть которого имеет связь с преобразующим элементом.

Состоит из каркаса с намотанной проволокой высокого удельного сопротивления. Производит измерение ошибок и дефектов механических деталей. Работает на постоянном токе и переменном токе. Измеряет дефекты только в одну сторону.

Однотактный (нереверсивный) потенциометрический датчик.

Рис.2. Схема включения и характеристика в режиме Х.Х.

Преобразующий элемент (испытуемая деталь) проходит по конвейеру и воздействует ползунок датчика, при наличии дефекта. При этом по датчику будет протекать ток по цепи: “+” источника, невведенная часть резистора, ползунок, приемник, “-” источника. При этом выходное напряжение равно:

где K – коэффициент пропорциональности

L – длина всего реостата

X – невведенная его часть

Статическая характеристика датчика выражает зависимость выходного напряжения от величины введенной часть ползунка. Чем больше эта величина, тем большее напряжение снимается с датчика.

Двухтактный потенциометрический датчик (реверсивный).

Рис.3. Схема включения и характеристика в режиме Х.Х.

В технике часто применяются датчики, реагирующие на знак допущенной ошибки при изготовлении детали. Для этого применяются потенциометрические датчики со средней точкой (двухтактные).

Применяются для измерения углов поворота, а так же линейных размеров механических изделий.

Специфика формирования технологической части дипломного проекта

. этапов или сокращение цикла и пр.). Какие источники информации кладут в основу технологической части дипломной работы? Технологическая часть ВКР представлена в виде всевозможных расчетов, схем . с ограничением сроков реализации и оформления результатов. Роль технологической части дипломной работы Технологический раздел дипломной работы играет важнейшую роль в подготовке и оценке новоиспеченного .

Статическая характеристика – прямая линия, пересекающая центр координат, т.е. показывает положительное и отрицательное направление напряжений.

Если датчик имеет номинальные размеры, ползунок находиться ровно посередине линейного размера датчика, т.е. напротив средней точки. Ток будет протекать по цепи: от “+” источника через резистор, через среднюю точку, через ползунок, через остальную часть резистора на “-” источника. Токи, протекающие по нижней и по верхней части, противоположно направлены, общий ток равен нулю. Поэтому на статической характеристике выходное напряжение равно нулю.

Если деталь имеет размеры больше номинального, то ток будет протекать по цепи : “+” источника, нижняя часть резистора до ползунка, ползунок, приемник, средняя точка, нижняя часть резистора, “-” источника. Выходное напряжение будет увеличиваться пропорционально перемещению ползунка от средней точки вверх. Если ползунок находиться ниже средней точки, то ток будет протекать по цепи: “+” источника, верхняя часть резистора, средняя точка, приемник, ползунок, нижняя часть резистора, “-” источника.

Тензометрическими называются датчики специальной конструкции, предназначенные для измерения статических или динамических деформаций в механических деталях и преобразующие эти деформации в изменения активного сопротивления.

Тензоэффектом называется свойство материалов высокого сопротивления изменять свое сопротивление под действием приложенной силы.

Тензодатчики бывают проводниковые и фольгов ые. В качестве проводящих материалов используются нихром, константан, манганин.

Конструктивное выполнение: это спираль из материала с высоким удельным сопротивлением, наклеенная на бумажную основу и жестко закрепленную на механическую деталь, после чего деталь подвергается испытаниям на сжатие или растяжение. Эта же сила действует и на датчик. При этом происходит сжатие или растяжение спирали датчика, а следовательно и изменение его электрического сопротивления. Если деталь разрушается при определенном усилии, то ток, протекающий по измерительному прибору, покажет величину этой силы. Т.О. тензометрические датчики применяются для определения механических усилий при испытаниях металлических деталей.

Рис.4. Схема тензометрического датчика: а) общая б) в разрезе

Коэффициент тензочувствительности датчика определяется:

абсолютное изменение длины проволоки,
относительное изменение длины проволоки,
относительное изменение сопротивления тензодатчика.

Сопротивление тензодатчика составляет от 200 до 500 Ом, а коэффициент

Рис.5. Статическая характеристика тензометрического датчика.

Данные приборы представляют собой наклеенную на бумагу или пленку решетку из тонких полосок фольги с высоким удельным сопротивлением.

Электрическая схема потенциометрического датчика

. соответствующую номиналу одного сопротивления. Изменение сопротивлений может происходить в широких пределах. Погрешность измерений определяется размерами контактных площадок. Ламельный потенциометрический датчик Проволочные потенциометрические датчики Диаметр проволоки определяет класс точности потенциометрического датчика (высокий-0,03-0,1 мм .

прямая, розеточная, мембранная.

Рис.6. Конструкции фольговых тензодатчиков: а)прямая б) розеточная

Прямая конструкция применяется для измерения линейных деформаций.

Розеточная – для измерения крутящих моментов.

Мембранная для измерения усилий, воздействующих на мембраны.

Коэффициент тензочувствительности равен 2.5, пропускает ток до 0.2 А, сопротивление датчика от 50 до 200 Ом.

Полупроводниковые датчики активного сопротивления

Данные приборы представляют собой полупроводниковые приборы (транзисторы, фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, терморезисторы).

Фотоэлектронный датчик представляет собой фоторезистор, включенный в электрическую цепь с приемником.

Рис.7. Электрические схемы: фоторезистора, фотодиода, терморезистора

Полупроводниковые датчики активного сопротивления выполняются на полупроводниковых элементах (транзисторах, фототранзисторах, фотодиодах, фоторезисторах, терморезисторах).

Фоторезистор изменяет свое сопротивление в зависимости от величины потока освещенности чувствительного элемента. Сопротивление изменяется по закону: если освещенность равна нулю, сопротивление очень велико и обратно.

Терморезисторы – это приборы, сопротивление которых зависит от температуры:

Датчики реактивного сопротивления.

К ним относятся индуктивные и емкостные датчики.

Индуктивными называются датчики, принцип действия которых основан на изменении индуктивного сопротивления электромагнитного дросселя при перемещении его якоря. Они применяются для измерения угловых и линейных механических перемещений, деформаций и контроля размеров деталей. Представляют собой электромагнитный дроссель с переменным воздушным зазором, обмотка которого включена последовательно с сопротивлением приемника.

Нереверсивный индуктивный датчик.

Рис.10. Рабочая характеристика нереверсивного индуктивного датчика

Где — количество витков — магнитная проницаемость

S–сечение, -величина зазора

С увеличением зазора магнитный поток в катушке возрастает, сердечник насыщается, магнитная проницаемость уменьшается. В результате уменьшается индуктивность обмотки дросселя и уменьшается его индуктивное сопротивление, что вызывает увеличение тока в катушке и в приемнике – вызовет увеличение падения напряжения на нем, которое является выходным напряжением датчика. Поэтому с увеличением зазора выходное напряжение возрастает, как показано на статической характеристике.

Если приемник имеет активную индуктивную составляющую, то

Датчик обладает высокой чувствительностью, надежностью, имеет достаточно большую выходную мощность.

Примеры похожих учебных работ

Величина и её измерение

Величины и их измерения

. измеряемой величины (чем больше величина, тем больше ее численное значение и наоборот); § результат измерения зависит от выбранной мерки (чем больше мерка, тем меньше численное значение и наоборот); § для сравнения величин необходимо их измерять .

Специфика формирования технологической части дипломного проекта

. мероприятий с ограничением сроков реализации и оформления результатов. Роль технологической части дипломной работы Технологический раздел дипломной работы играет важнейшую роль в подготовке и оценке новоиспеченного специалиста. От качества .

Экономическая часть дипломной работы строительство

Датчики перемещения

. последние годы, стали малогабаритные емкостные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика. В качестве основных можно считать следующие области применения инклинометров: использование в системах .

Вторая цифра защита от проникновения жидкостей. 2 — защита от вертикально капающей воды под углом до 15 градусов. Капающая вода не должна нарушать работу устройства. В нормативе IP не учитывается защита от агрессивных сред и другие серьёзные требования к оборудованию. В этих случаях надо пользоваться специальными стандартами. Норматив IP даёт представление о пылевлагозащищённости изделия и его… Читать ещё >

Датчики измерительных систем ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе по курсу ОКП г. Москва, 2012

1. Техническое задание

1.1 Исходные данные

1.2 Пояснение к заданию

2. Описание выбранного датчика

2.1 Назначение датчика

2.2 Технические характеристики

2.3 Конструкция датчика и принцип его работы

3. Выбор и расчет параметров устройства

4. Указания по транспортировке, монтажу и хранению устройства Список литературы

1. Техническое задание

Буквенные обозначения (обозначают климатическую зону):

[УХЛ] - эксплуатация в районах с умеренным и холодным климатом Цифра кода: категория размещения электрооборудования

" 3″ - Для работы в закрытых помещениях с природной вентиляцией, без искусственного регулирования климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха, а также действие песка и пыли значительно меньше, чем снаружи, например: в металлических с теплоизоляцией, каменных, бетонных, деревянных помещениях (значительное уменьшение действия солнечной радиации, ветра, атмосферных осадков, отсутствие росы).

Существует степень защиты корпусов приборов согласно международному нормативу International Protection (IP). Этот норматив несёт информацию о защите обслуживающего персонала от поражения электрическим током при работе с прибором и о степени защиты расположенных внутри прибора электронных компонентов от проникновения пыли и влаги.

Первая цифра — степень защиты от проникновения твердых частиц. 6 — пыленепроницаемая оболочка, полная защита от контакта.

2. Описание выбранного датчика

2.1 Назначение датчика Данный прибор позволяет исследовать и динамически отслеживать величину давления грунта на фундамент различных сооружений, в том числе инженерно-технических (мосты, платины, туннели) мемориальных и архитектурных (аркады, колоннады, обелиски). Является эффективным контролирующим оборудованием для определения величины изменения грунтового давления, выявления неравномерности распределения нагрузки на грунт по периметру строительной конструкции, выявления превышения допустимой нагрузки окружающей породы на стены строительной конструкции, в том числе тоннелей, подпорных стен и т. д.

2.2 Технические характеристики Электрические характеристики:

Схема подключения: двухпроводная, используется разъем с 4-мя выводами типа 2РМ.

Ток питания: постоянный Напряжение питания: 10 В Метрологические характеристики:

Диапазон измерений давления: 0−1.8МПа Точность измерения:? 0,5%

Материал корпуса: нержавеющая сталь 45Х Материал струны: вольфрам Диаметр корпуса: 60 мм Степень защиты: IP62

Класс размещения: УХЛ3

Повышенная влажность, высокая коррозийность (возможно высокое содержание щелочей и кислот в грунте). Корпус датчика подвергается высокому давлению (упругие деформации)

2.3 Конструкция датчика и принцип его работы Датчики, в которых в качестве чувствительного элемента применяется электромеханический струнный преобразователь называются струнными. Принцип действия струнных датчиков основан на изменении частоты автоколебаний ферромагнитной струны, натянутой в поперечном магнитном поле между двумя жестко закрепленными на контролируемом объекте опорными точками, происходящем при изменении расстояния (измерительной базы датчика) между этими опорными точками под воздействием продольных нагрузок сжатия или растяжения. Простейшая конструкция представляет собой струну, одним концом жестко заделанную в основание, а другим концом растягивающуюся измеряемой силой Р. Частота собственных поперечных колебаний струны связана с силой натяжения. зависимостью:, где m и l — масса и длина струны.

Принципиальная схема струнных датчиков давления Вблизи струны размещен электромагнитный приемник, сигнал которого подводится к усилителю обратной связи. Последний формирует выходной сигнал и, кроме того, запитывает возбудитель колебаний струны. Возбудители бывают электромагнитные, магнитоэлектрические, электростатические и применяются для стимулирования колебаний струны. Контур, содержащий электромагнитный приемник и усилитель обратной связи, обеспечивает поддержание колебаний постоянной амплитуды.

Любые изменения нагрузки на струну будут изменять её натяжение и длину, а, следовательно, и собственную частоту колебаний. Поэтому частота сигналов на выходе усилителя однозначно связана с измеряемым усилием.

Рисунок — Виды возбудителей колебаний струны, а — электромагнитный; б — магнитоэлектрический; вэлектростатический.

В зависимости от технического задания необходимо правильно подобрать материал струны: высокая прочность при вибрационных нагрузках, определенный температурный коэффициент, независимость упругих свойств от времени и температуры. Наиболее распространенные стальные струны, ленты, бериллиевая бронза, вольфрамовые сплавы, железокобальтовый сплав и др. При выборе струны существует зависимость — чем меньше длинна, тем меньше габариты, больше чувствительность и виброустойчивость, но тем больше погрешность.

Недостатки: нелинейная статическая характеристика и плохая динамическая характеристика при измерении переменных напряжений.

Преимущества: Конструкция струнных датчиков устойчива к механическим воздействиям, влиянию факторов окружающей среды, проникновению влаги, высокая надежность и длительный срок эксплуатации, низкая стоимость, высокая точность измерений.

3. Выбор и расчёт составных частей датчика Расчёт струнного датчика.

При растяжении струны происходит изменение частоты колебаний [28, "https://referat.bookap.info"].

Частота собственных поперечных колебаний струны связана с силой натяжения следующей зависимостью:

где P-сила натяжения струны, m-масса струны, L-длина струны Эта формула будет использована для нахождения начального натяжения струны (при подстановке рабочей частоты f=1000Гц) Сила натяжения струны и её длина будет значительно изменяться в зависимости от действующего на датчик давления.

Изменение длины струны будет равно изменению длины корпуса датчика под воздействием внешней силы.

Учитывая то, что корпус должен находиться в зоне упругих деформаций, рассчитаем зависимость изменения его длины от внешней силы и найдем максимальное допустимое значение.

Корпус сделан из нержавеющей стали 45Х и имеет следующие характеристики:

Для выбранной формы корпуса датчика:

Зависимость частоты колебаний от изменения длины струны будет иметь следующий вид:

График получен подставлением значений и выражения для в следующую формулу:

Основная формула для расчёта:

Подставляя все значения и учитывая связь между и входным воздействием, после упрощения она примет следующий вид:

Для f, лежащего в интервалах от 1000 до 1400 (см. график выше) эта формула показывает зависимость между входным воздействием и частотой колебания струны.

График будет выглядеть следующим образом:

Где координата Y — значение внешнего воздействия.

В крайней точке Y имеет значение 1.893e+006, что составляет 1 893 000 Па =1,893 МПа Выходные значения напряжения Подставив выражение для f и (закон Био-Савара-Лапласа для магнитного поля прямого тока) получим после упрощения:

Зависимость выходного напряжения от давления при Расчёт струны на разрыв.

Напряжение в струне в соответствии с формулой (1) при подставлении рабочей частоты 1000 Гц составит 2.75МПа Вольфрам обладает и

Т.к. это условие выполняется, разрыва струны не будет.

Расчёт температурного коэффициента для разработанного измерительного модуля.

Корпус выполнен из стали 45Х, и обладает Струна из вольфрама обладает Т. е. изменение длины составляет менее 0.01%, из чего можно сделать вывод о возможности использования данного датчика в указанных диапазонах температуры.

Для большей температурной компенсации необходимо изготовлять все детали электромеханической системы преобразователя (струну, корпус, зажимы и т. д. ) из материалов с равным коэффициентом линейного расширения

4. Указания по транспортировке и монтажу. Требования к классу защиты и климатическому исполнению струнный датчик электрический измерительный Датчик может транспортироваться любым методом транспорта, с соблюдением мер защиты от ударов и механических повреждений. Транспортирование следует производить в транспортной таре.

Изделие соответствует классу защиты IP62 (т.е. выполнена защита оболочкой от каплепадения и пыленепроницаемость) Щуп доступности диаметром 1 мм не проникает внутрь оболочки.

Также в соответствии с ГОСТ 12 254–96 вертикально падающие капли не окажут воздействия на датчик при условии, что он может быть отклонён на любой угол от вертикали до 15 градусов включительно.

Монтаж. Датчик предназначен для измерения давления в толще грунта. При установке фундамента датчик закладывается в его основание. Форма датчика не позволяет вводить его под уже построенный фундамент, а после выполнения измерений извлекать и располагать в новом месте. Он предназначен для разового размещения и постоянного отслеживания давления на грунт. Конструкция датчика позволяет измерять давление грунта в наклонных или вертикально простирающихся разломах.

______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ __________________

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 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.

- 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.

3.Требования, предъявляемые к датчикам

- однозначная зависимость выходной величины от входной;

- стабильность характеристик во времени;

- малые размеры и масса;

- отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

- работа при различных условиях эксплуатации;

- различные варианты монтажа.

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:

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.

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 I_н = f(х), где I_н - ток в нагрузке.

Выходной величиной такого датчика является падение напряжения U_вых между подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходного напряжения от перемещения х контакта U_вых = 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:

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.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Человек глазами воспринимает форму, размеры и цвет окружающих предметов, ушами слышит звуки, носом чувствует запахи. Обычно говорят о пяти видах ощущений, связанных со зрением, слухом, обонянием, вкусом и осязанием. Для формирования ощущений человеку необходимо внешнее раздражение определенных органов - "датчиков чувств". Для различных видов ощущений роль датчиков играют определенные органы чувств:

Однако для получения ощущения одних только органов чувств недостаточно. Например, при зрительном ощущении совсем не значит, что человек видит только благодаря глазам. Общеизвестно, что через глаза раздражения от внешней среды в виде сигналов по нервным волокнам передаются в головной мозг и уже в нем формируется ощущение большого и малого, черного и белого и т.д. Эта общая схема возникновения ощущения относится также к слуху, обонянию и другим видам ощущения, т.е. фактически внешние раздражения как нечто сладкое или горькое, тихое или громкое оцениваются головным мозгом, которому необходимы датчики, реагирующие на эти раздражения.

Аналогичная система формируется и в автоматике. Процесс управления заключается в приеме информации о состоянии объекта управления, ее контроле и обработке центральным устройством и выдачи им управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для приема информации служат датчики неэлектрических величин. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, наличие или отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость вращения и т.п..

Датчики информируют о состоянии внешней среды путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрические сигналы. Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для создания датчиков. При классификации датчиков в качестве основы часто используется принцип их действия, который, в свою очередь, может базироваться на физических или химических явлениях и свойствах.

С температурой мы сталкиваемся ежедневно, и это наиболее знакомая нам физическая величина. Среди прочих датчиков температурные отличаются особенно большим разнообразием типов и являются одним из самых распространенных.

Стеклянный термометр со столбиком ртути известен с давних времен и широко используется в наши дни. Терморезисторы сопротивления, которых изменяется под влиянием температуры, используются довольно часто в разнообразных устройствах благодаря сравнительно малой стоимости датчиков данного типа. Существует три вида терморезисторов: с отрицательной характеристикой (их сопротивление уменьшается с повышением температуры), С положительной характеристикой (с повышением температуры сопротивление увеличивается) и с критичной характеристикой (сопротивление увеличивается при пороговом значении температуры). Обычно сопротивление под влиянием температуры изменяется довольно резко. Для расширения линейного участка этого изменения параллельно и последовательно терморезистору присоединяются резисторы.

Термопары особенно широко применяются в области измерений. В них используется эффект Зеебека: в спае из разнородных металлов возникает ЭДС, приблизительно пропорциональная разности температур между самим спаем и его выводами. Диапазон измеряемых термопарой температур зависит от применяемых металлов. В термочувствительных ферритах и конденсаторах используется влияние температуры соответственно на магнитную и диэлектрическую проницаемость, начиная с некоторого значения, которое называется температурой Кюри и для конкретного датчика зависит от применяемых в нем материалов. Термочувствительные диоды и тиристоры относятся к полупроводниковым датчикам, в которых используется температурная зависимость проводимости p-n-перехода (обычно на кристалле кремния). В последнее время практическое применение нашли так называемые интегральные температурные датчики, представляющие собой термочувствительный диод на одном кристалле с периферийными схемами, например усилителем и др.

Подобно температурным оптические датчики отличаются большим разнообразием и массовостью применения по принципу оптико-электрического преобразования эти датчики можно разделить на четыре типа: на основе эффектов фотоэлектронной эмиссии, фотопроводимости, фотогальванического и пироэлектрических. Фотогальваническая эмиссия, или внешний фотоэффект,0 - это испускание электронов при падении света физическое тело. Для вылета электронов из физического тела им необходимо преодолеть энергетический барьер. Поскольку энергия фотоэлектронов пропорциональна1hc/л0 (где1h0 - постоянная Планка,1с0 - скорость света,1л0 - длина волны света), то, чем короче длина волны облучающего света, тем больше энергия электронов и легче преодоление ими указанного барьера.

Эффект фотопроводимости, или внутренний фотоэффект,0 - это изменение электрического сопротивления физического тела при облучении его светом. Среди материалов, обладающих эффектом фотопроводимости,- ZnS, CdS, GaAs, Ge, PbS и др. Максимум спектральной чувствительности CdS приходится приблизительно на свет с длиной волны 500-550 нм, что соответствует приблизительно середине зоны чувствительности человеческого зрения. Оптические датчики, работающие на эффекте фотопроводимости, рекомендуется использовать в экспонометрах фото и кинокамер, в автоматических выключателях и регуляторах света, обнаружителях пламени и др. Недостаток этих датчиков - замедленная реакция (50 мс и более).

Фотогальванический эффект 0 заключается в возникновении ЭДС на выводах p-n-перехода в облучаемом светом полупроводнике. Под воздействием света внутри p-n-перехода появляются свободные электроны и дырки и генерируется ЭДС. Типичные датчики, работающие по этому принципу, - фотодиоды, фототранзисторы. Такой же принцип действия имеет оптико-электрическая часть двухмерных твердотельных датчиков изображения, например датчиков на приборах с зарядовой связью (ПЗС-датчиков). В качестве материала подложки для фотогальванических датчиков чаще всего используется кремний. Сравнительно высокая скорость отклика и большая чувствительность в диапазоне от ближней инфракрасной (ИК) зоны до видимого света обеспечивает этим датчикам широкую сферу применения. Пироэлектрические эффекты 0 - это явления, при которых на поверхности физического тела вследствие изменений поверхностного температурного "рельефа" возникают электрические заряды, соответствующие этим изменениям. Среди материалов, обладающих подобными свойствами и множество других так называемых пироэлектрических материалов. В корпус датчика встроен полевой транзистор, позволяющий преобразовывать высокое полное сопротивление пиротехнического элемента с его оптимальными электрическими зарядами в более низкое и оптимальное выходное сопротивление датчика. Из датчиков этого типа наиболее часто используются ИК-датчики. Среди оптических датчиков мало найдется таких, которые обладали бы достаточной чувствительностью во всем световом диапазоне.

Большинство датчиков имеет оптимальную чувствительность в довольно узкой зоне ультрафиолетовой, или видимой, или инфракрасной части спектра. Основные преимущества перед датчиками других типов:

2. Возможность (при соответствующей оптике) измерения объектов как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми размерами.

4. Удобство применения интегральной технологии (оптические датчики, как правило, твердотельные и полупроводниковые), обеспечивающей малые размеры и большой срок службы.

5. Обширная сфера использования: измерение различных физических величин, определение формы, распознавания объектов и т.д. Наряду с преимуществами оптические датчики обладают и некоторыми недостатками, а именно чувствительны к загрязнению, подвержены влиянию постороннего света, светового фона, а также температуры(при полупроводниковой основе).

В датчиках давления всегда испытывается большая потребность, и они находят весьма широкое применение.

Принцип регистрации давления служит основой для многих других типов датчиков, например датчиков массы, положения, уровня и расхода жидкости и др. В подавляющем большинстве случаев индикация давления осуществляется благодаря деформации упругих тел, например диафрагмы, трубки Прудона, гофрированной мембраны. Такие датчики имеют достаточную прочность, малую стоимость, но в них затруднено получение электрических сигналов. Потенциалометрические (реостатные), емкостные, индукционные, магнитнострикционные, ультразвуковые датчики давления имеют на выходе электрический сигнал, но сравнительно сложны в изготовлении.

В настоящее время в качестве датчиков давления все шире используются тензометры. Особенно перспективными представляются полкпроводниковые тензометры диффузионного типа. Диффузионные тензометры на кремниевой подложке обладают высокой чувствительностью, малыми размерами и легко интегрируются с периферийными схемами. Путем травления по тонкопленочной технологии на поверхности кристалла кремния с 1 n 0-продимостью формируется круглая диафрагма. На краях диафрагмы методом диффузии наносятся пленочные резисторы, имеющие 1p 0-проводимость. Если к диафрагме прикладывается давление, то сопротивление одних резисторов увеличивается, а других - уменьшается.

Выходной сигнал датчика формируется с помощью мостовой схемы, в которою входят эти резисторы. Полупроводниковые датчики давления диффузионного типа, подобные вышеописанному, широко используются в автомобильной электронике, во всевозможных компрессорах. Основные проблемы - это температурная зависимость, неустойчивость к внешней среде и срок службы.

Влажность - физический параметр, с которым, как и с температурой, человек сталкивается с самых древних времен; однако надежных датчиков не было в течение длительного периода. Чаще всего для подобных датчиков использовались человеческий или конский волос, удлиняющиеся или укорачивающиеся при изменении влажности. В настоящее время для определения влажности используется полимерная пленка, покрытая хлористым литием, набухающим от влаги. Однако датчики на этой основе обладают гистерезисом, нестабильностью характеристик во времени и узким диапазоном измерения. Более современными являются датчики, в которых используются керамика и твердые электролиты. В них устранены вышеперечисленные недостатки. Одна из сфер применения датчиков влажности - разнообразные регуляторы атмосферы. Газовые датчики широко используются на производственных предприятиях для обнаружения разного рода вредных газов, а в домашних помещениях - для обнаружения утечки горючего газа. Во многих случаях требуется обнаруживать определенные виды газа и желательно иметь газовые датчики, обладающие избирательной характеристикой относительно газовой среды. Однако реакция на другие газовые компоненты затрудняет создание избирательных газовых датчиков, обладающих высокой чувствительностью и надежностью. Газовые датчики могут быть выполнены на основе МОП-транзисторов, гальванических элементов, твердых электролитов с использованием явлений катализа, интерференции, поглощения инфракрасных лучей и т.д. Для регистрации утечки бытового газа, например сжиженного природного или горючего газа типа пропан, используется главным образом полупроводниковая керамика, в частности , или устройства, работающие по принципу каталитического горения. При использовании датчиков газа и влажности для регистрации состояния различных сред, в том числе и агрессивных, часто возникает проблема долговечности.

Главной особенностью магнитных датчиков, как и оптических, является быстродействие и возможность обнаружения и измерения бесконтактным способом, но в отличие от оптических этот вид датчиков не чувствителен к загрязнению. Однако в силу характера магнитных явлений эффективная работа этих датчиков в значительной мере зависит от такого параметра, как расстояние, и обычно для магнитных датчиков необходима достаточная близость к воздействующему магнитному полю.

Среди магнитных датчиков хорошо известны датчики Холла. В настоящее время они применяются в качестве дискретных элементов, но быстро расширяется применение элементов Холла в виде ИС, выполненных на кремниевой подложке. Подобные ИС наилучшим образом отвечают современным требованиям к датчикам. Магниторезистивные полупроводниковые элементы имеют давнюю историю развития. Сейчас снова оживились исследования и разработки магниторезистивных датчиков, в которых используется ферромагнетики. Недостатком этих датчиков является узкий динамический диапазон обнаруживаемых изменений магнитного поля. Однако высокая чувствительность, а также возможность создания многоэлементных датчиков в виде ИС путем напыления, т. е. технологичность их производства, составляют несомненные преимущества.

удовлетворяется условие f і gm, где g - ускорение силы тяжести.

К емкостным преобразователям близки по своим характеристикам

полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость так

называемой барьерной емкости от обратного напряжения. Такие

преобразователи применяются в качестве элементов с электрически

Другая группа ЭС преобразователей основана на использовании

сегнетоэлектриков, т. е. кристаллических диэлектриков, которые при

определенных температурных условиях (при температуре ниже точки Кюри)

обладают самопроизвольной поляризацией при отсутствии внешних

Состояние кристаллических диэлектриков характеризуется

электрической индукцией D (или зарядом q), деформацией c и энтропией Э.

Эти величины зависят от напряженности электрического поля Е (или

напряжения U), механического напряжения s (или силы F) и температуры Т.

На рис. 4 схематически показаны связи между указанными величинами.

Жирными стрелками показаны связи Е®D, s®c, T®Э, а тонкими

стрелками изображены физические эффекты, свойственные

1 - прямой пьезоэлектрический эффект s®D (или q), проявляющийся в

изменении поляризации кристалла действием механических напряжений;

характеризующийся деформацией кристалла под действием электрического

3 - пироэлектрический эффект T®D (или q), сводящийся к изменению

заряда на поверхности кристалла при изменении температуры;

4 - пьезокалорический эффект s®Э, проявляющийся в изменении

Помимо указанных эффектов при изменении Е, s, Т в кристаллах

возникают побочные явления, например, изменяются диэлектрическая

проницаемость, проводимость, оптические свойства и т.д.

Из указанных эффектов рассмотрим прямой и обратный пьезоэффекты, а

также эффект изменения емкостной проводимости при изменении

напряжения U. Преобразователи, в которых используются прямой или

обратный пьезоэффекты, называются пьезоэлектрическими

Использование эффекта изменения емкостной проводимости в

кристаллических полупроводниках обусловлено нелинейной зависимостью

заряда q от приложенного напряжения U. Если зависимость q(U) линейна, то

в выражении Dq=(q/U) величина C=q/U постоянна и представляет собой

емкость. В случае нелинейной зависимости q(U) величина C=q/U также

является емкостью, но не постоянной, а зависящей от напряжения U, т. е.

C(U). Преобразователи, основанные на использовании нелинейной

зависимости емкости от напряжения в сегнетоэлектриках, называются

Емкостные датчики можно разделить на две основные группы - датчики

параметрические (недифференциальные) и датчики дифференциальные.

В схемах с параметрическими датчиками происходит преобразование

входной неэлектрической величины (угла поворота оси ротора датчика) в

электрическую выходную величину (частоту, ток, напряжение),

В схемах с дифференциальными датчиками, включенными в следящие

системы, с датчика снимается лишь сигнал рассогласования, который

становится равным нулю в установившемся состоянии следящей системы.

Примером параметрического емкостного датчика может служить

переменная емкость, включенная в контур лампового генератора (рис. 5) .

Здесь при изменении угла поворота оси ротора изменяется емкость датчика и

меняется частота генератора, являющаяся выходной величиной.

Рис. 5 Емкостной датчик, включенный в контур с генератором

Рис. 6 Емкостной датчик, включенный в цепь переменного тока

На рис. 6 приведен другой пример использования параметрического

датчика. В этом случае с изменением значения емкости С меняется ток через

нее, а следовательно, и напряжение на выходе системы, падающее на

сопротивлении нагрузки R , которое и является выходной величиной.

Подобные системы являются разомкнутыми системами регулирования.

Основным недостатком этих схем является зависимость значения выходной

величины от параметров источника питания датчика, усилителя и других

элементов схемы, а также от внешних условий. В самом деле, стоит

измениться напряжению или частоте генератора, питающего датчик (рис. 6),

как напряжение, частота и фаза, являющиеся выходными величинами и

Этих недостатков нет у схем с дифференциальными емкостными

датчиками, включенными в замкнутую систему автоматического

регулирования. В этих схемах выходной величиной является угол поворота

оси отрабатывающего двигателя или другой оси, связанной с нею через

редуктор. Одной из основных характеристик такой системы является

чувствительность, показывающая, при каком минимальном отклонении

чувствительного элемента система отработки приходит в действие. Внешние

факторы - напряжение питания, температура окружающей среды и т. п. -

влияют лишь на чувствительность системы; на точность системы они могут

влиять лишь в той мере, в какой она связана с чувствительностью.

Это значит, что схемы с емкостными дифференциальными датчиками,

так же как и любые мостовые нулевые схемы с линейными относительно

частоты и напряжения сопротивлениями в плечах, предъявляют значительно

меньшие требования к стабильности источника питания.

Рис. 7 Мостовая схема с емкостным дифференциальным датчиком

В простейшем случае дифференциальный емкостный датчик

представляет собой две последовательно включенные емкости, построенные

конструктивно таким образом, что при увеличении одной из них другая

уменьшается. Эти две емкости могут быть включены в мостовую схему

(рис. 7), где два других плеча - реостатные. Если при этом напряжение,

снимаемое с диагонали моста, использовать в качестве сигнала для следящей

системы, перемещающей щетку потенциометра R в сторону уменьшения

рассогласования, то всегда в установившемся состоянии следящей системы

это напряжение u=0 в этом случае справедливо соотношение

Отсюда следует, что в схемах с дифференциальными емкостными

датчиками с воздушным диэлектриком показания отрабатывающего органа

(например, положение стрелки указателя) не зависят ни от состава газа, ни от

наличия в нем влаги (не выпадающей в виде капель), так как для обеих

емкостей, составляющих дифференциальный датчик, меняется одинаково.

Для недифференциальных же схем такое влияние может наблюдаться, хотя и

в небольших пределах, так как для воздуха с влажностью 0% = l.0006, а для

воздуха с влажностью 100% при t=+20°С =l.0008. В этих схемах эта

величина составит соответственно погрешность примерно 0,02%, в то время

как от некоторых систем с емкостными дифференциальными датчиками

В емкостных преобразователях емкость С может меняться или за счет

изменения параметров конденсатора Dd, Ds, De. При этом выполняются

функции преобразования неэлектрических величин в изменение емкости или

производится модуляция емкости, что имеет место в емкостных

При работе преобразователя последовательно с его емкостью С

включается сопротивление R (см. рис. 3), специально предусмотренное или

представляющее собой сопротивление подводящих проводов. В зависимости

от соотношения сопротивлений R и 1/jWC преобразователь будет работать в

разных режимах. Если R >> 1/WC или RWC >> 1, то U Ur и заряд

конденсатора q CU = const, т. е. преобразователь работает в режиме

заданного заряда. В этом случае U =q/C=C U/(C + Csin t) U[l-( C/C )sin t] и

Читайте также: