Датчики автоматики

                                               Оглавление

1. Аннотация………………………………………….…..……..…..3
2. Виды датчиков и их назначение………………..……………….5
3. Заключение……………………………….……………………..26
4. Список источников……………………………………………..27

 

 

                                          Аннотация

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 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.

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). 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.)

                                             Контактные датчики.

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

 

                                Потенциометрические датчики.

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.

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

Работа датчика: 
      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.

                                         Тензометрические датчики. 
 

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 фольговые. 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: 
 
                                                             ,

Где: 
 
 - абсолютное изменение длины проволоки, 
 
 - относительное изменение длины проволоки, 
 
- относительное изменение сопротивления тензодатчика. 
 
Сопротивление тензодатчика составляет от 200 до 500 Ом, а коэффициент 
 
К_т =от1,8до2,5. 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

  Рис.5. Статическая характеристика тензометрического датчика. 

                                    

                                     Фольговые тензодатчики.

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

прямая, розеточная, мембранная.

 
 
 
 
 
 
 

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

в) мембранная

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). 
Работа датчиков:

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. 
 

Фотодиод аналогично:

 
 
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

Величина индуктивности:

                                                                
 
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 
 
                                                 Zпр=  
 
                                                      Z=Zдр+Zпр 
 
                                                               
 
откуда

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