Параметрические датчики.

Параметрические датчики по их устройству и принципу преобразования делятся на:

а) контактные;

б) реостатные;

в) тензочувствительные;

г) электролитические;

д) термосопротивления;

е) емкостные;

ж) индуктивные;

и) магнитоупругие и магнитострикционные;

к) ионизационные.

Принцип работы контактных датчиков основан на преобразовании механических перемещений (линейных или угловых) в электрический сигнал путём подключения или отключения источников питания к вторичной цепи (рис. 2.1). Причем входным параметром изображенных датчиков является в одном случае механическая нагрузка, а в другом – температура.

Наибольшее применение контактные датчики нашли в качестве конечных выключателей, и они являются типичными представителями релейных элементов, т.к. их выходное сопротивление может принимать только два значения: 0 или ¥.

Рис. 2.1. Контактные датчики:
1 – пружина, 2 – контактная группа, 3 – биметаллическая пластина

Основным недостатком контактных датчиков является их низкая надежность, т.к. при замыкании или размыкании контактов появляется электрическая дуга (искра), из-за которой сокращается срок службы контактов за счёт их окисления и разрушения, и при этом создаётся высокий уровень электромагнитных помех. Для исключения такого явления применяют различные методы гашения электрической дуги, используя специальные схемы и соответствующие конструкции самих контактов.

Реостатные (потенциометрические) датчики (рис. 2.2), конструктивно выполненные подобно реостатам, преобразуют линейные или угловые перемещения движка реостата в электрическое напряжение путём изменения его выходного сопротивления.

Рис. 2.2. Реостатные датчики: а – линейный; б – торроидальный

В конструкции реостатов используются либо линейные формы каркасов (рис. 2.2, а), для которых входная величина х_вх – линейное перемещение, либо – торроидальные (рис. 2.2, б), у которых входная величина х_вх – угловое перемещение движка реостата. Обмотки проволочных реостатов выполняются из нихрома или специальных сплавов с высоким внутренним сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления. В некоторых случаях вместо обмотки используется графитовое покрытие.

Обязательным условием использования этих датчиков является выполнение соотношения R_н> > R, т.е. входное сопротивление элементов, которые подключаются к датчику, должно быть значительно больше сопротивления реостата, в противном случае линейность статической характеристики датчика нарушается (рис. 2.3).

На рис. 2.4 представлена схема дифференциального реостатного датчика, который, кроме этого, реагирует на полярность входного воздействия, т.е. направление перемещения движка реостата (вверх или вниз относительно средней точки обмотки реостата).

Питание реостатных датчиков может осуществляться от источников как постоянного, так и переменного тока. Реостатные датчики нашли довольно широкое применение, несмотря на наличие в их конструкции механического и электрического контакта между движком реостата и его обмоткой, несколько снижающего надежность работы такого датчика.

Тензочувствительные датчики – это элементы, основанные на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводниковых материалов при наличии в них деформации в пределах упругости.

Принцип действия проволочных датчиков понятен из рисунка 2.5, а.

В качестве таких датчиков наибольшее применение нашли:

– проволочные, чувствительный элемент которых изготовлен из сплавов с высоким удельным электрическим сопротивлением, таких как манганин, нихром, константан;

– угольные или графитовые (тензолит, прессугольный порошок)

– полупроводниковые (PbS).

Для практических целей используют специальную конструкцию проволочных датчиков (рис. 2.5, б), где тонкая манганиновая проволока 3 (Æ 0, 005 мм) укладывается специальным образом на тонкий изоляционный материал 2 (бумага, плёнка), с помощью которого датчик крепится (приклеивается) на исследуемую конструкцию или деталь 1, чтобы деформация детали полностью воспринималась чувствительным элементом датчика. Концы манганиновой проволоки приваривают к медным выводам 4 для дальнейшего подключения датчика к измерительным устройствам.

При приложении механической нагрузки происходит деформация чувствительного элемента датчика – проволоки и при этом изменяется её электрическое сопротивление за счет изменения длины и сечения. Статическая характеристика датчика (зависимость относительного изменения сопротивления чувствительного элемента от его относительной деформации в пределах упругости) является линейной (рис. 2.5, в).

Рис. 2.5. Тензометрические датчики: а – принцип действия; б – устройство;
в – зависимость относительного изменения сопротивления чувствительного
элемента от его относительной деформации

Чувствительность проволочного датчика, определяемая наклоном статической характеристики, невысока и составляет .

На рис. 2.6 представлена конструкция угольного столбика (преобразователя давления) и его статическая характеристика.

Рис. 2.6. Угольный датчик давления: а – устройство; б – статическая характеристика

Работа этого датчика основана на том, что при действии механической нагрузки – Р (сжатии) контактное сопротивление между частицами графитовых таблеток 2 и между самими таблетками в столбике уменьшается. Чувствительность подобных датчиков в десятки раз выше, чем у проволочных, а в случае применения полупроводниковых материалов (PbS) – даже в сотни раз.

Основным недостатком всех рассмотренных тензодатчиков является наличие температурной погрешности, для компенсации которой применяются специальные методы, рассмотренные во второй части учебного пособия в разделе «Системы автоматического контроля».

Тензочувствительные датчики широко применяются для измерения сил, ускорений, деформаций и вызванных ими механических напряжений в строительных конструкциях, а также для других целей, связанных с деформацией (в частности, при исследовании взаимодействия железнодорожного пути и подвижного состава, особенно при больших осевых нагрузках).

В электролитических датчиках используется зависимость электропроводности электролитов от его состава (концентрации) и геометрических параметров датчика.

Электропроводность простой электролитической ячейки (рис. 2.7) определяется выражением , т.е. зависит от удельной электропроводности раствора c, площади электродов S, находящихся в растворе, и расстояния а между ними, при этом входной величиной такого датчика может быть любой из перечисленных параметров.

Для исключения явления электролиза питание электролитических датчиков предпочтительно осуществлять переменным током низкой частоты (f = 50…300 Гц)

Электролитические датчики применяются в качестве соленомеров для определения количества солей в водонагревательных установках, в измерителях кислотности (рН-метрах), в устройствах очистки воды для систем водоснабжения, в уровнемерах приемных резервуаров систем водоотведения, для измерения влажности воздуха, а также влажности неоднородных сред (сыпучих строительных материалов). Кроме этого, используя электропроводность воды, они в качестве контактных датчиков применяются для контроля уровня грунтовых вод в строительных котлованах для своевременной откачки из них грунтовых вод.

На рис. 2.8 представлено устройство хлористо-литиевого датчика для измерения влажности воздуха, в котором за счёт насыщения влагой соли LiCl (за счет высокой гигроскопичности) меняется её проводимость. Соль наносится на изоляционную пластинку между электродами датчика, а по величине протекающего по ней тока можно определять измеряемый пар аметр – влажность окружающей среды.

Рис. 2.8. Хлористо-литиевый датчик

Работа термосопротивлений основана на зависимости внутреннего сопротивления проводников (металлов) и полупроводниковых материалов от температуры, причем для металлов статическая характеристика датчика (рис. 2.9) в широком диапазоне температур – линейна (рис. 2.9, прямая 1) и описывается выражением , где a_t – температурный коэффициент изменения сопротивления металла.

В качестве материала проводников в термосопротивлениях используют чистые металлы, для которых величина a_t больше, чем для различных сплавов. Значение температурного коэффициента для таких металлов составляет a_t = (3, 7…6, 5)× 10^-3 (град^-1). Так для меди, ассортимент выпускаемых проводников которой наиболее широк, a_t=4, 3× 10^-3 (град^-1), т.е. изменение температуры на 10° вызывает изменение сопротивления медной проволоки на 4, 3%.

Чувствительность термосопротивлений на основе полупроводниковых материалов значительно выше, чем для металлов, но статическая характеристика их нелинейная (рис. 2.9, кривая 2), поэтому они применяются только в небольшом диапазоне изменения температуры, где нелинейностью характеристики можно пренебречь. Кроме этого, термисторы, как их часто называют, работоспособны только в диапазоне температур от –20 до +120°С, поэтому их практическое применение допустимо лишь в условиях окружающей человека среды. Например, они широко используются в цифровых полупроводниковых медицинских термометрах и во многих приборах, в которых необходимо поддерживать требуемую температуру.

Металлические термосопротивления вследствие их конструктивного исполнения (рис. 2.10) имеют достаточно высокую инерционность, что является их существенным недостатком.

Рис. 2.10. Металлическое термосопротивление

В качестве датчиков металлические термосопротивления нашли практическое применение в двух режимах их работы. Первый – это режим, при котором температура датчика определяется окружающими условиями и применяется в термометрах и психрометрах (измерителях влажности воздуха).

Второй режим – режим нагрева датчика схемным током, при котором его температура определяется условиями теплоотдачи. В этом режиме через чувствительный элемент датчика – проволоку пропускается ток, который нагревает её до температуры t = 150…200°C. При этом отвод выделенного тепла зависит от среды, в которой находится проволока. Подобный режим работы термосопротивлений нашел применение в таких приборах как анемометры (измерители скорости воздушных потоков), вакуумметры и газоанализаторы, но конструктивные особенности исполнения этих датчиков отличаются от рассмотренных выше.

Емкостные датчики конструктивно представляют собой электрический конденсатор (рис. 2.11, а).

Рис. 2.11. Емкостные датчики: а – устройство; б – принцип действия

Ёмкость конденсатора определяется тремя параметрами: площадью перекрытия пластин S, расстоянием между ними, а и величиной диэлектрической проницаемости используемого диэлектрика e, находящегося между пластинами. Входной величиной такого датчика может быть любой из перечисленных параметров, а выходной величиной – его реактивное (емкостное) сопротивление , для определения которого необходим источник питания переменного тока высокой частоты.

Это объясняется тем, что величина x _c при питании датчика от сети (f = 50 Гц) соизмерима с сопротивлением изоляции и составляет при емкости датчика 100…150 пФ более 100 мОм. Поэтому, несмотря на максимальную простоту конструкции и безынерционность датчика, применение его связано с использованием сложной аппаратуры, работающей в области радиочастот (f = 1…10 МГц), а это высокочастотные мостовые схемы и резонансные усилители. Но все же, несмотря на это, емкостные датчики нашли практическое применение во влагомерах (e = var), уровнемерах и в угломерах (S = var) (рис. 2.11, б), а также в емкостных манометрах и микрофонах (a = var).

Индуктивные датчики являются другой разновидностью реактивных элементов. Выходной величиной их является индуктивность и индуктивное сопротивление , значение которого определяется измеряемой неэлектрической величиной. Конструктивно индуктивные датчики представляют собой катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником (магнитопроводом) и подвижным якорем, являющимся частью этого магнитопровода (рис. 2.12).

Величина индуктивности датчика определяется выражением , где w – количество витков катушки, а R_м – магнитное сопротивление магнитопровода (сердечника и воздушного зазора), определяемое согласно выражению .

Здесь m – магнитная проницаемость материала сердечника; m₀ – магнитная проницаемость воздушного зазора; l_c – средняя длина магнитной цепи ферромагнитного сердечника; d – величина воздушного зазора; S – площадь поперечного сечения сердечника.

Индуктивность представленного на рисунке датчика будет изменяться за счет перемещения х якоря (S = var). В зависимости от конструкции сердечника это могут быть не только линейные, но и угловые перемещения.

Магнитоупругие датчики конструктивно являются тоже индуктивными элементами (рис.2.14), но в них изменение индуктивности обусловлено определённым свойством ферромагнитных материалов при воздействии на них механических усилий. Деформация сердечника из такого материала в результате действия этих усилий приводит к изменению его магнитной проницаемости m, а, следовательно, и величины магнитного сопротивления.

Рис. 2.14. Магнитоупругие датчики: а – для измерения усилий;
б – для измерения деформаций и механических напряжений

Магнитоупругие датчики по своему применению аналогичны тензочувствительным датчикам, т.е. они также могут использоваться для измерения усилий (рис. 2.14, а), деформаций и вызванных ими механических напряжений (рис. 2.14, б). В качестве материала сердечников в них используется пермаллой, обладающий высоким значением магнитной проницаемости m.

В магнитострикционных преобразователях используется обратное свойство ферромагнитных материалов – изменять свои геометрические размеры под воздействием внешних магнитных полей. Практическое применение обе разновидности этих датчиков получили в качестве ультразвуковых акустических излучателей и приемников при контроле механических свойств различных строительных материалов и конструкций.

Принцип работы ионизационных датчиков основан на изменении электропроводности газов и жидкостей при воздействии на них облучения (ультрафиолетового, рентгеновского или гамма-излучения). Такие датчики используются для определения параметров этих излучений и конкретным примером применения подобных датчиков могут служить радиометры – приборы для измерения уровня радиации (счетчики Гейгера). Кроме этого, для измерения очень низких значений давления воздуха (до 1 пПа) эти датчики применяются в ионизационных вакуумметрах, в которых интенсивность ионизации газа пропорциональна измеряемому давлению.