ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Общие сведения об измерительных преобразователях. параметрические омические преобразователи
1. Общие сведения о датчиках и их общие характеристики.
2. Классификация датчиков.
3. Устройство принцип действия омических датчиков.
А) Потенциометрические датчики.
Б) Тензодатчики.
В)Терморезисторы.
Г) Фоторезисторы
1. Измерительным преобразователем (датчиком) называется чувствительный элемент автоматической системы, предназначенный для преобразования измеряемой или регулируемой величины (параметра) в форму удобную для дальнейшей обработки, передачи и хранения.
В общем виде датчик Д (рис.2.2.1) можно представить в виде чувствительного элемента ЧЭ и преобразователя Пр. Чувствительный элемент в системах автоматики и телемеханики выполняет функции "органов чувств" Он предназначен для преобразования контролируемой величины Х в токай вид сигнала Х1, который удобен для измерения. В преобразователе, как правило, происходит преобразование неэлектрического сигнала Х1 в электрический сигнал У.
Х Х1 У
ЧЭ Пр
Рисунок 2.2.1
На вход датчика могут поступать как электрические, так и неэлектрические сигналы. С выхода датчика обычно получают электрические сигналы. Это вызвано тем, что электрические сигналы проще усиливать и передавать на различные расстояния.
|
|
|
Общими характеристиками датчиков являются:
- статическая характеристика;
- инерционность;
- динамическая (дифференциальная) чувствительность;
- порог чувствительности, погрешность,
- мощность, момент или усилие, требуемые от источника входного сигнала;
- выходная мощность и выходное сопротивление датчика.
Рассмотрим некоторые из общих характеристик датчиков.
Статическая характеристика показывает зависимость выходной величины У от входной величины Х, т.е. У = f (Х) (Х – контролируемый или регулируемый параметр, действующий на датчик; У – параметр, полученный после преобразования).
Инерционность характеризуется отставанием изменений выходной величины У от изменений входной величины Х. Она приводит к погрешностям при изменении входной величины Х и поэтому является нежелательной.
Динамическая (дифференциальная) чувствительность датчика S или динамический коэффициент преобразования датчика Кдин показывает, во сколько раз приращение выходной величины (DУ, dУ) больше приращения входной величины (DХ, dХ):
S = 
»dY/ dX
Желательно, чтобы динамическая чувствительность датчика была как можно более высокой.
|
|
|
Перечисленные характеристики датчиков могут определяться как расчетным, так и экспериментальным путем.
2. В простейшем случае датчик осуществляет одно преобразование У = f(Х), например, силы в перемещение или температуры в электродвижущую силу и т.п. Такие датчики называют датчиками с непосредственным (прямым) преобразованием. Однако в ряде случаев прямая связь неудобна или не дает желаемого результата. В этом случае осуществляют последовательные преобразования: входная величина Х воздействует на промежуточную Z, а величина Z – на необходимую выходную величину У:
Z = f1(Х); У = f2(Z); У = f2 [f1(Х)] = F(Х)
В настоящее время наибольшее распространение в автоматике и телемеханике получили электрические датчики, которые в зависимости от принципа действия можно разделить на две большие группы: параметрические и генераторные (рис. 2.2.2).
Параметрические датчики служат для преобразования неэлектрического контролируемого или регулируемого параметра в один из параметров электрической цепи (R, C, L). Эти датчики получают электрическую энергию от вспомогательного источника энергии. Параметрические датчики делятся на датчик активного сопротивления (омические) и реактивного сопротивления (индуктивные и емкостные).
|
|
|
Генераторные датчики предназначены для преобразования неэлектрической энергии входного сигнала в электрическую энергию выходного сигнала. Эти датчики не требуют постороннего источника энергии. Генераторные датчики бывают термоэлектрическими, пьезоэлектрическими, фотоэлектрические и индукционные.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
 |  | ||
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРНЫЕ
Омические Термоэлектрические
Потенциометрические Пьезоэлектрические
Тензодатчики Фотоэлектрические
Термосопротивления Индукционные
Индуктивные Тахогенераторы
Индуктивные Сельсины
Магнитоупругие Вращающиеся
трансформаторы
Трансформаторные
Емкостные
Рисунок 2.2.2
|
|
|
3. А. Потенциометрические датчики применяются для преобразования угловых и линейных перемещений в изменение электрического сопротивления. Конструктивно потенциометрические датчики представляют собой каркас из диэлектрического материала прямоугольной или кольцевой формы, на который намотана в один ряд тонкая проволока (рис. 2.2.3).
|
|
|
|
|
 |
На рисунке 2.2.3,а на прямоугольный каркас 1 намотана проволока 2, по виткам которой скользит щетка 3, которую называют подвижным контактом или движком. Движок механически связан с объектом, перемещение l которого нужно измерить. От концов намотки и от движка сделаны электрические выводы 4,5,6, с помощью которых датчик включают в схему. При перемещении щетки от контакта 5 к контакту 4 сопротивление между контактами 5 и 6 изменяется от 0 до R, а между контактами 6 и 4 от R до 0. По изменению этих сопротивлений можно определить перемещение l .
На рисунке 2.2.3,б показан потенциометр для преобразования угловых перемещений j.
На рисунке 2.2.3,в показана схема потенциометра, а на рисунке 1.2.3,г показана статическая характеристика потенциометра.
Для линейного потенциометра
Uвых = (Uпит/R) × Rвых.
При подключении к датчику нагрузки Rн из-за ее шунтирующего действия линейная зависимость выходного напряжения от перемещения движка нарушается. Чтобы нелинейность была незначительной, должно выполнятся условие Rн >> R (в 20 раз и более). При перемещении щетки в пределах одного витка Rвых не изменяется, что обусловливает зону нечувствительности, а при переходе с одного витка на другой Rвых изменяется скачком. Для уменьшения скачков и зоне нечувствительности используют тонкий провод (диаметром 0,03 – 0,05 мм).
С целью уменьшения влияния температуры на Rвых применяется провод с малым температурным коэффициентом сопротивления (нихром, константан, манганин).
3.Б. Тензорезисторы или тензометрические датчики – это чувствительный элемент, у которых электрическое сопротивление зависит от механической деформации. Они используются для измерения упругих деформаций (растяжения или сжатия), а также для измерения крутящих и изгибающих моментов, возникающих на поверхности различных механических деталей при механической нагрузке, как статической, так и динамической.
Тензодатчики изготавливают двух основных типов – проволочные и полупроводниковые.
|
|
Датчик 1 в бумаге 2 приклеивается к детали 3, деформацию которую нужно измерить. При растяжении, как показано сплошной стрелкой, вместе с деталью будет растягиваться и проволока. При этом ее длина увеличится, а сечение S уменьшится. За счет этого ее электрическое сопротивление R = r l / S увеличивается. Если деформация действует, как показано пунктирной стрелкой, то она не измеряется, так как проволока на сгибах еще больше сгибается или разгибается, а ее толщина и длина не меняется.
Относительные изменения сопротивления тензодатчика
DR /R = К Dl / l
К – коэффициент относительной чувствительности - постоянная величина в пределах упругой деформации. Для промышленных проволочных тензодатчиков тензочувствительность составляет 1,7 – 2,9. R = 50 –2000 Ом, рабочий ток до 30 мА, допустимая деформация – не более 0,3 %.
Разработаны также полупроводниковые тензодатчики, у которых чувствительность в 50-60 раз выше, чем у проволочных.
3.В. Термосопротивления (термисторы) – это чувствительные элементы, у которых электрическое сопротивление зависит от температуры. Их изготавливают из металла и полупроводников.
Металлические термосопротивления изготавливают из чистых металлов (меди и платины) с большим температурным коэффициентом сопротивления. Диапазон измерения температуры составляет:
- для ТСП (платиновых) – от –200о до +600оС,
- для ТСМ (медных) – от –50о до + 150оС.
Зависимость сопротивления от температуры металлических термосопротивлений от температуры линейна
Rt = Rо (1 + a (t – tо))
где a - температурный коэффициент сопротивления,
Rо – сопротивление при температуре tо, Ом;
Rt – сопротивление при температуре t, Ом
tо - начальная температура.
Конструкции их различны – нити, спирали, катушки. Металлические термосопротивления имеют один существенный недостаток – большую инерционность – от единиц до десятков секунд.
Полупроводниковые термисторы изготавливаются из окиси различных металлов (марганца, меди, никеля и др.) Они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.
RТ = Rо е В/Т
где В – температурный коэффициент материала, константа для данного термистора, а Т – температура Кельвина.
Полупроводниковые термосопротивления по сравнению с металлическими обладают большим температурным коэффициентом сопротивления и меньшей инерционностью, а также высоким внутренним сопротивлением, что позволяет при измерении не учитывать сопротивление измерительных проводов. Недостатки – узкий диапазон измерения температур – (-50о -+120оС), нелинейность характеристики, большой разброс параметров.
3.Г. Фоторезисторные датчики (фоторезисторы) – это чувствительные элементы из полупроводников, у которых число свободных электронов и электропроводность увеличиваются при увеличении освещенности. Они изготавливаются из сернистого свинца, сернистого висмута и сернистого кадмия и имеют простую конструкцию. Тонкий слой полупроводникового материала наносится на прозрачную пластину, к которой прикрепляются электроды. При подключении постоянного напряжения питания ток между электродами будет зависеть от освещенности светочувствительной поверхности. Зависимость тока от освещенности называется световой характеристикой фоторезистора.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 549; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!