Конструирование и применение датчиков

Датчик (первичный преобразователь информации) – это устройство, преобразующее контролируемую и регулируемую величину в такой вид сигнала, который более удобен для воздействия на последующие элементы автоматики. В более общей формулировке прибор осуществляет операцию отображения множества сигналов на входе x О X в множество сигналов на выходе y О Y, при этом указанное отображение должно быть однозначным.В общем виде датчик можно представить в виде чувствительного элемента и преобразователя. Чувствительный элемент в автоматике выполняет функции “органов чувств”. Он нужен для преобразования контролируемой величины в такой вид сигнала, который будет удобным для измерения.

В преобразователе происходит преобразование не электрического сигнала в электрический, например, давление в электроконтактном манометре сначала преобразуется с помощью чувствительного элемента в механике перемещение стрелки, а затем в преобразователе преобразуется в изменение сопротивления. На входе датчика могут регистрироваться как электрические сигналы, так и не электрические сигналы.

С выхода обычно получают электрические сигналы. Это вызвано тем, что электрические сигналы проще усилить и передавать на различные расстояния. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ. В настоящее время наибольшее распространение в автоматике получили электрические датчики, которые можно разделить на две группы: • параметрические ; • генераторные. Параметрические датчики.Служат для преобразования не электрического регулируемого или контролируемого сигнала в параметры электрических цепей (сопротивление, индуктивность, емкость). Эти датчики делятся на датчики активного сопротивления (контактные, реостатные, потенциометрические, тензодатчики, терморезисторы) и датчики реактивного сопротивления.

Генераторные датчики.Служат для преобразования не электрических регулируемых или контролируемых сигналов в параметры ЭДС. Эти датчики не требуют посторонних источников энергии, так как сами являются источниками ЭДС. К параметрическим и генераторным датчикам предъявляются следующие требования: • непрерывная и линейная зависимость выходной величины от входной; • высокая динамическая чувствительность; • наименьшее влияние на регулируемую или измеряемую величину; • надежность в работе; • применимость к используемой измерительной аппаратуре и источникам питания; • наименьшая себестоимость; • минимальная масса и габариты. Контактные датчики. • это датчики, а которых механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих одной или несколькими электрическими цепями.

При замыкании контактов сопротивление между ними изменяется от бесконечности до небольших значений, а при размыкании контактов оно изменяется в обратном направлении, то есть от небольшого значения до бесконечности.

Тахометрические датчики.К ним относят тахогенератор, который представляет собой маломощную электрическую машину преобразующую механическое вращение в электрический сигнал.

Тахогенераторы нужны для получения напряжений пропорциональных частоте вращения и применяются в качестве электрических датчиков угловой скорости. В зависимости от вида выходного напряжения и конструкции они делятся на тахогенераторы постоянного и переменного тока. Тахогенераторы постоянного тока конструктивно представляют собой электрические генераторы постоянного тока и выполняются с возбуждением от постоянных магнитов.Тахогенераторы переменного тока можно разделить на два вида: • синхронные; • асинхронные.

Основными преимуществами тахогенераторов переменного тока, по сравнению с тахогенераторами постоянного тока, являются: • отсутствие коллектора и щеток; • синусоидальная форма выходной ЭДС; • большая надежность; • стабильность характеристик. Описание работы датчика.На вход датчика поступает первичный сигнал х(t), который является параметром первичной информации (этим сигналом могут быть давление, температура, количество и расход жидкостей, линейные н угловые размеры, расстояния, скорости, ускорения, деформации, напряжения, вибрации, внутренние трещины, несплошности в материалах и др.). На выходе датчика мы получаем сигнал, на основе которого мы можем сравнить или измерить исходную величину.

Как и все приборы датчики тоже подвергаются вредным воздействиям.Не желательными для датчика являются такие воздействия как перегрузки, вибрации, электрические и магнитные поля, неконтролируемые вариации температуры, давления, влажности окружающей среды и т. д. Если датчик подвергается подобным воздействия, то в его показаниях появляется погрешность.

Рис 1. Функциональная схема прибора. где x ,q, h , J , n - векторы. На рис 1 приведена функциональная схема, отображающая зависимость (2). Прибор должен воспроизводить измеряемые величины с допускаемыми погрешностями.При этом слово "воспроизведение", эквивалентное в данной трактовке слову "отображение", понимается в самом широком смысле: получение на выходе прибора величин, пропорциональных входным величинам; формирование заданных функций от входных величин (квадратичная и логарифмическая шкалы и др.); получение производных и интегралов от входных величин; формирование на выходе слуховых или зрительных образов, отображающих свойства входной информации; формирование управляющих сигналов, используемых для управления контроля; запоминание и регистрация выходных сигналов.

Измерительный сигнал, получаемый от контролируемого объекта, передается в измерительный прибор в виде импульса какого- либо вида энергии.

Можно говорить о сигналах: первичных - непосредственно характеризующих контролируемый процесс; воспринимаемых чувствительным элементом прибора; подаваемых в мерительную схему, и т.д. При передаче информации от контролируемого объекта к указателю прибора сигналы претерпевают ряд изменений по уровню и спектру и преобразуются из одного вида энергии в другой.Необходимость такого преобразования вызывается тем, что первичные сигналы не всегда удобны для передачи, переработки, дальнейшего преобразования и воспроизведения.

Например, при измерении температуры прибором, чувствительный элемент которого помещается в контролируемую среду, воспринимаемый поток тепла трудно передать, а тем более воспроизвести на указателе прибора. Этой особенностью обладают почти все сигналы первичной информации.Поэтому воспринимаемые чувствительными элементами сигналы почти всегда преобразуются в электрические сигналы, являющиеся универсальными.

Та часть прибора, в которой первичный сигнал преобразуется, например, в электрический, называется первичным преобразователем. Часто этот преобразователь совмещается с чувствительным элементом. Сигналы с выхода первичного преобразователя поступают на следующие преобразователи измерительного прибора.Рис. 2 Функциональная схема прибора На рис. 2 дана функциональная схема прибора, на которой указаны: исследуемый объект ИО; первичный преобразователь П1; устройство сравнения УС; устройство обработки сигналов Об. 1, в котором производится селекция, усиление, коррекция погрешностей, фильтрация и др.; кодирующее устройство Код; модулятор М; канал передачи КП; устройство детектирования Д; устройство декодирования ДК; устройство обработки информации Oбр. 2, обеспечивающее функциональное преобразование, коррекции погрешностей, формирование функции преобразования (1) и др.; преобразователь Пр, выдающий информацию на систему отображения СОИ и на обратный преобразователь 0П, с которого поступают сигналы на устройство сравнения.

Эта схема является обобщенной и включает ряд элементов, которые в более простых приборах могут отсутствовать. ЁМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Устройства, содержащие не менее двух поверхностей, между которыми действует электрическое поле, называются электростатическими (ЭС) преобразователями.

Электрическое поле создается извне приложенным напряжением или возникает при действии на вход преобразователя измерительного сигнала. Преобразователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением, составляют группу емкостных преобразователей.

Основным элементом в этих преобразователях является конденсатор переменной емкости, изменяемой входным измерительным сигналом.Рис. 3 Электростатический преобразователь В дальнейшем под емкостным будем понимать преобразователь, в котором используется конденсатор с двумя или несколькими электродами (рис. 3). Для случая конденсатора с плоскими электродами площадью s, размещенными друг от друга на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью e , ёмкость будет C = e s/ d (3) Рассматриваемый преобразователь на электрической стороне характеризуется приложенным напряжением и, зарядом q=CU, током I=dq/dt и энергией WЭЛ=CU2/2. На неэлектрической стороне преобразователь характеризуется изменением параметров, входящих в выражение для емкости, т. е. Dd , D s, De , и силой fЭЛ=dWЭЛ/dx, где под х следует понимать любую из величин Dd , D s, De . Емкостный преобразователь обратим: при приложении на электрической стороне напряжения U, на неэлектрической стороне возникает сила fЭЛ, которая используется в приборах уравновешивающего преобразования как результат действия обратного преобразования, в ЭС вольтметрах и в приборах с бесконтактным подвесом. В этом последнем случае элемент массы m может быть подвешен в электростатическом поле, если удовлетворяется условие fЭЛ 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 управляемой емкостью и называются варикапами.

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 электрических полей.

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.Рис. 4 Схема связей между параметрами диэлектрика Жирными стрелками показаны связи Е ® D, s®c , T ® Э, а тонкими стрелками изображены физические эффекты, свойственные сегнетоэлектрикам: прямой пьезоэлектрический эффект s® D (или q), проявляющийся в изменении поляризации кристалла действием механических напряжений; обратный пьезоэлектрический эффект Е (или U) ®c , характеризующийся деформацией кристалла под днем электрического поля; пироэлектрический эффект T ® D (или q), сводящийся к изменению заряда на поверхности кристалла при изменении температуры; пьезокалорический эффект s® Э, проявляющийся в изменении энтропии при изменении механических напряжений.

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 преобразователями.