Емкостные датчики
Емкостный датчик представляет собой обычный плоский или цилиндрический конденсатор, изменение емкости которого происходит либо за счет перемещения одной из пластин, либо за счет изменения диэлектрической постоянной среды е, находящейся между пластинами. Перемещение пластин вызывает изменение емкости благодаря изменению расстояния между пластинами б или площади пластин. Все емкостные датчики работают на переменном токе, как правило, с повышенной частотой и требуют обычно применения дополнительных усилителей напряжений, так как сигнал, получаемый от емкостных датчиков, имеет очень малую величину.
Емкостный датчик с переменным расстоянием между пластинами имеет одну неподвижную и одну подвижную пластины, связанные с измерителем. Благодаря перемещению подвижной пластины изменяется зазор между пластинами, что приводит к изменению емкости датчика. Для увеличения чувствительности и уменьшения влияния посторонних факторов такой датчик обычно выполняют дифференциальным, т.е. он содержит две неподвижные и одну подвижную пластины. При перемещении подвижной пластины изменяются емкости и между подвижной и неподвижными пластинами.
Емкостные датчики включают в соседние плечи мостовой схемы.
Емкостный датчик с изменением площади пластин состоит из ряда неподвижных и подвижных пластин, которые поворачиваются на определенный угол. При повороте подвижных пластин по отношению к неподвижным изменяется величина активной площади датчика, что приводит к изменению емкости датчика.
Емкостные датчики с изменяющейся диэлектрической постоянной среды можно применять для измерения концентрации электролитов или уровня жидкости. Обычно такие датчики выполняют в виде двух коаксиальных цилиндров, между которыми находится измеряемая жидкость. При изменении концентрации электролита или уровня жидкости линейно изменяется емкость датчика.
Датчики напряжения
У датчиков напряжения величина выходного напряжения пропорциональна значению регулируемого параметра. Изменение значения регулируемого параметра приводит к изменению выходного напряжения. К датчикам напряжения могут быть отнесены сельсинные передачи, работающие в так называемом трансформаторном режиме, пьезоэлектрические датчики, термопары, различные тахогенераторы и др.
Сельсины обычно выполняют по типу асинхронных машин переменного тока, т.е. они имеют ротор и статор, на которых уложены соответствующие обмотки.
В пазах статора находится трехфазная статорная обмотка, причем фазные обмотки в пространстве смещены на 120°. Ротор сельсина имеет однофазную, а иногда и трехфазную обмотки. Сельсины некоторых типов выполняют с трехфазной обмоткой на роторе и однофазной - на статоре. Сельсинная передача состоит из двух сельсинов - датчика СД и приемника СП и может служить как для передачи на расстояние угловых перемещений, так и в качестве измерительного устройства, вырабатывающего на выходе напряжение, зависящее от угла рассогласования роторов сельсин-датчика и сельсин-приемника.
Режим работы сельсинов в схемах передачи на расстояние угловых перемещений называется индикаторным.
Основной характеристикой индикаторного режима работы сельсинной передачи является зависимость синхронизирующего момента от угла рассогласования между роторами сельсин-датчика (СД) и сельсин-приемника (СП).
Основной статической характеристикой этого режима работы является зависимость напряжения, индуктируемого на роторной обмотке СП от угла рассогласования между роторами СД и СП.
Работа пьезоэлектрических датчиков основана на пьезоэлектрическом эффекте, свойственном некоторым кристаллам. Датчики обычно изготовляют из кварца, так как при сильно выраженном пьезоэлектрическом эффекте и одновременно высокой механической прочности свойства кварца мало зависят от температуры и отличаются высокими изоляционными качествами.
Тахогенераторы служат для получения напряжения, пропорционального скорости вращения, и их используют как электрические датчики угловой скорости. В зависимости от вида выходного напряжения их разделяют на тахогенераторы постоянного и переменного тока.
Тахогенераторы постоянного тока конструктивно подобны
электродвигателям постоянного тока и выполнены с возбуждением как от постоянных магнитов, так и от электромагнитов.
Тахогенераторы переменного тока разделяют на синхронные и асинхронные.
Тахогенератор синхронного типа представляет собой небольшую синхронную машину с ротором в виде постоянного магнита. Выходное напряжение такого тахогенератора имеет и амплитуду, и частоту, пропорциональные скорости вращения. Обычно оно выпрямляется полупроводниковым выпрямителем.
Выходное напряжение этого тахогенератора характеризуется переменной частотой, что затрудняет использование его в обычных схемах переменного тока, и, кроме того, тахогенератор нечувствителен к изменению направления вращения.
От этих недостатков свободен асинхронный тахогенератор. Конструкция асинхронного тахогенератора подобна конструкции двухфазного двигателя с тонкостенным ротором. Обмотка возбуждения тахогенератора питается от сети переменного тока, а в выходной обмотке наводится э. д. с. переменного тока с частотой сети и амплитудой, пропорциональными величине скорости. При изменении направления вращения фаза выходного напряжения меняется на обратную.
Термопары применяют для точного измерения высоких температур (100-2000° С). Особенно широко их используют в металлургии для контроля и автоматического регулирования большинства тепловых процессов. Крупными преимуществами термопар, помимо возможности измерения высоких температур, являются их сравнительно малая инерционность, простота и очень малые габариты получаемых датчиков.
Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте, который заключается в том, что если соединить концами два разнородных по материалу проводника и места соединений поместить в среды с разными температурами, то в полученной таким образом электрической цепи появится электрический ток ввиду наличия термоэлектродвижущей силы (т. э. д. с). Эта т. э. д. с. пропорциональна по величине разности температур двух концов электрической цепи и зависит от материалов обоих проводников
Термопары характеризуются следующими основными свойствами. Абсолютная величина т. э. д. с. не зависит ни от распределения температур вдоль однородных проводников, ни от порядка ее отсчета. Это означает, что величина т. э. д. с. не изменится, если, например, нагревать какую-то произвольную точку проводника, не меняя при этом температур горячего и холодного спаев.
Датчики тока
У датчиков тока изменение регулируемого параметра приводит к изменению тока через датчик. Основным типом таких датчиков являются фотоэлементы, хотя некоторые из них служат также датчиками напряжения.
Принцип работы фотоэлементов основан на изменении проводимости или на возникновении э. д. с. под действием светового потока. В первом случае происходит изменение тока в цепи фотоэлемента, который питается от постороннего источника напряжения. Следовательно, фотоэлемент осуществляет преобразование светового потока в электрическую величину - ток. Это явление называют фотоэлектрическим эффектом.
К электродам фотоэлемента подводится анодное напряжение от отдельного источника. Благодаря световому потоку из катода вырываются электроны, которые под действием электрического поля движутся от катода к аноду. У некоторых фотоэлементов внутри колбы создается вакуум. Их называют вакуумными. Для усиления фототока в колбу фотоэлемента иногда вводят небольшое количество инертного газа (аргона). Такие фотоэлементы называют газонаполненными. Возможность зажигания самостоятельного разряда - существенный недостаток газонаполненного фотоэлемента.
Свойства фотоэлементов определяются их характеристиками
Спектральной характеристикой фотоэлемента называется кривая зависимости фототока от частоты (или длины волны) света при постоянной интенсивности светового потока. Эта кривая характеризует распределение чувствительности по спектру излучения.
Для катодов фотоэлементов, предназначенных для видимой или ближней инфракрасной области, обычно используют щелочные металлы, поверхность которых была подвергнута специальной обработке. У этих катодов в определенной спектральной области обнаруживается резкий максимум чувствительности.
Для газонаполненных фотоэлементов пропорциональная зависимость фототока от светового потока справедлива для относительно небольших значений светового потока.
При использовании фотоэлементов для измерения весьма важное значение имеет стабильность их интегральной и спектральной чувствительности. Как показывает опыт, чувствительность фотоэлементов понижается
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом или фотосопротивления относятся к полупроводниковым приборам - их сопротивление меняется под действием света. Они обладают высокой стабильностью величины сопротивления, незначительной инерционностью и температурной зависимостью, а также почти пропорциональной зависимостью между фототоком и световым потоком.
В настоящее время наряду с рассмотренными фотоэлементами в качестве датчиков тока начинают применять также фотодиоды и фототриоды, в которых используют чувствительность электронно-дырочного перехода в полупроводниках к световому потоку. Фотодиод включается в цепь источника тока в направлении обратной проводимости. При отсутствии светового потока в цепи нагрузочного сопротивления, включенного последовательно с фотодиодом, протекает небольшой ток обратной проводимости, так называемый темновой ток. Если зона электронно-дырочного перехода освещается световым потоком, то ток возрастает пропорционально величине светового потока. У фототриода за счет эффекта усиления чувствительность к световому потоку значительно выше, чем у фотодиода.
Датчики АУС
В настоящее время промышленность выпускает комплекс элементов и устройств электронной и пневматической агрегатных унифицированных систем автоматического регулирования и контроля (АУС). Агрегатный принцип построения систем и унификация входных и выходных параметров позволяют из сравнительно небольшого числа стандартных блоков компоновать различные схемы автоматического контроля и регулирования.
В электронной агрегатной унифицированной системе (ЭАУС) широко применяют датчики постоянного тока с унифицированным выходным сигналом 0-5 (или 0,5 - 5) мА, а также датчики переменного тока с неунифицированным выходным сигналом. В пневматической агрегатной унифицированной системе часто используют пневматические датчики, у которых выходное давление изменяется от 20 до 100 кн/м2 (0,2-1 кГ/см2). Для связи электронных и пневматических устройств служат специальные электропневматические и пневмоэлектрические преобразователи.
В большинстве пневматических датчиков входной сигнал преобразуется в перемещение заслонки, которая управляет истечением воздуха из сопла, изменяя давление в камере, расположенной перед соплом. Принцип работы таких устройств описан ниже при рассмотрении пневматических усилителей, являющихся часто составными элементами пневматических датчиков.
Струнные датчики
Для измерения неэлектрических величин применяется и частотный метод, при котором измеряемая величина преобразуется в переменное напряжение, частота которого зависит от этой величины. Достоинством частотного метода измерения является то, что в процессе передачи и дальнейшей обработки частотного выходного сигнала не возникает дополнительной погрешности.
Наибольшее развитие для преобразования неэлектрических величин в частоту получили струнные датчики. Принцип действия струнного датчика основан на зависимости собственной частоты колебаний натянутой струны длиной и массой от силы натяжения. Струнные датчики используются в приборах для измерения силы, давления, расхода, температуры и др. При воздействии на струну измеряемой силы струна практически не растягивается, поэтому первичный преобразователь (например, мембрана в датчике давления) работает, почти не деформируясь.
Магнитоупругие датчики
Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на магнитоупругом эффекте - физическом явлении, проявляющемся в виде изменения магнитной проницаемости ферромагнитного материала в зависимости от механических напряжений в нем. Магнитоупругие датчики используются для измерения силовых параметров: усилий, давлений, крутящих и изгибающих моментов, механических напряжений и т.п.
Страницы: 1, 2
