Аналоговые датчики

Министерство  образования и науки Украины 

Национальный  аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ» 
 

 
Кафедра 301 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат на тему 

«Аналоговые датчики» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил

студент 330 гр.

Вербицкий Р.Ю.

Проверил

к.т.н. Зимовин А.Я. 
 
 
 
 
 
 
 
 

2010

Классификация датчиков, основные требования к ним   

     Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами  требуют многочисленных измерений  разнообразных физических величин.    

     Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующего 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.  

     По  виду выходной величины, в которую  преобразуется входная величина, различаютнеэлектрические 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. 

     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.   

     По  принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.  

Различают три  класса датчиков:

- аналоговые  датчики, т. е. датчики, вырабатывающие  аналоговый сигнал, пропорционально  изменению входной величины;

- цифровые датчики,  генерирующие последовательность  импульсов или двоичное слово;

- бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают  сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1).  

Требования, предъявляемые  к датчикам:

- однозначная зависимость выходной величины от входной;

- стабильность  характеристик во времени;

- высокая чувствительность;

- малые размеры  и масса;

- отсутствие  обратного воздействия на контролируемый  процесс и на контролируемый  параметр;

- работа при  различных условиях эксплуатации;

- различные варианты монтажа.  

     Параметрические датчики (датчики-модуляторы) входную величину X преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика. Передать на расстояние изменение перечисленных параметров датчика без энергонесущего сигнала (напряжения или тока) невозможно. Выявить изменение соответствующего параметра датчика только и можно по реакции датчика на ток или напряжение, поскольку перечисленные параметры и характеризуют эту реакцию. Поэтому параметрические датчики требуют применения специальных измерительных цепей с питанием постоянным или переменным током.  

     Омические (резистивные) датчики – принцип действия основан на изменении их активного сопротивления при изменении длины l, площади сечения S или удельного сопротивления p: R= pl/S. Кроме того, используется зависимость величины активного сопротивления от контактного давления и освещённости фотоэлементов. В соответствии с этим омические датчики делят на: контактные, потенциометрические (реостатные), тензорезисторные, терморезисторные, фоторезисторные.  

     Контактные  датчики — это простейший вид резисторных датчиков, которые преобразуют перемещение первичного элемента в скачкообразное изменение сопротивления электрической цепи. С помощью контактных датчиков измеряют и контролируют усилия, перемещения, температуру, размеры объектов, контролируют их форму и т. д. К контактным датчикам относятся путевые и концевые выключатели,контактные термометры и так называемые электродные датчики, используемые в основном для измерения предельных уровней электропроводных жидкостей.  

     Контактные  датчики могут работать как на постоянном, так и на переменном токе. В зависимости от пределов измерения контактные датчики могут  быть одно предельными и многопредельными. Последние используют для измерения величин, изменяющихся в значительных пределах, при этом части резистора R, включенного в электрическую цепь, последовательно закорачиваются.                                          

     Недостаток  контактных датчиков — сложность осуществления непрерывного контроля и ограниченный срок службы контактной системы. Но благодаря предельной простоте этих датчиков их широко применяют в системах автоматики.   

     Реостатные  датчики представляют собой резистор с изменяющимся активным сопротивлением. Входной величиной датчика является перемещение контакта, а выходной – изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать.   

     Наибольшее  распространение получила потенциометрическая схема включения реостатного датчика, в которой реостат включают по схеме делителя напряжения. Напомним, что делителем напряжения называют электротехническое устройство для деления постоянного или переменного напряжения на части; делитель напряжения позволяет снимать (использовать) только часть имеющегося напряжения посредством элементов электрической цепи, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Переменный резистор, включаемый по схеме делителя напряжения, называют потенциометром.  

     Обычно  реостатные датчики применяют в  механических измерительных приборах для преобразования их показаний  в электрические величины (ток  или напряжение), например, в поплавковых  измерителях уровня жидкостей, различных  манометрах и т. п.  

     Датчик  в виде простого реостата почти не используется вследствие значительной нелинейности его статической характеристики I_н = f(х), где I_н - ток в нагрузке.  

     Выходной  величиной такого датчика является падение напряжения U_вых между подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходного напряжения от перемещения х контакта U_вых = f(х) соответствует закону изменения сопротивления вдоль потенциометра. Закон распределения сопротивления по длине потенциометра, определяемый его конструкцией, может быть линейным или нелинейным.  

     Потенциометрические датчики, конструктивно представляющие собой переменные резисторы, выполняют  из различных материлов — обмоточного  провода, металлических пленок, полупроводников  и т. д.  

     Тензорезисторы (тензометрические датчики) служат для измерения механических напряжений, небольших деформаций, вибрации. Действие тензорезисторов основано на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним усилий.  

     Термометрические  датчики (терморезисторы) - сопротивление зависит от температуры. Терморезисторы в качестве датчиков используют двумя способами: 

1) Температура  терморезистора определяется окружающей  средой; ток, проходящий через терморезистор, настолько мал, что не вызывает нагрева терморезистора. При этом условии терморезистор используется как датчик температуры и часто называется «термометром сопротивления».   

2) Температура  терморезистора определяется степенью  нагрева постоянным по величине током и условиями охлаждения. В этом случае установившаяся температура определяется условиями теплоотдачи поверхности терморезистора (скоростью движения окружающей среды – газа или жидкости – относительно терморезистора, ее плотностью, вязкостью и температурой), поэтому терморезистор может быть использован как датчик скорости потока, теплопроводности окружающей среды, плотности газов и т. п. В датчиках такого рода происходит как бы двухступенчатое преобразование: измеряемая величина сначала преобразуется в изменение температуры терморезистора, которое затем преобразуется в изменение сопротивления.   

     Терморезисторы  изготовляют как из чистых металлов, так и из полупроводников. Материал, из которого изготавливается такие датчики, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей – медь и никель.   

     По  сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью  обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы).  

     Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.

     Принцип действия индуктивного датчика основан  на изменении индуктивности обмотки  на магнитопроводе в зависимости  от положения отдельных элементов магнитопровода (якоря, сердечника и др.). В таких датчиках линейное или угловое перемещение X (входная величина) преобразуется в изменение индуктивности (L) датчика. Применяются для измерения угловых и линейных перемещений, деформаций, контроля размеров и т.д.  

     В простейшем случае индуктивный датчик представляет собой катушку индуктивности  с магнитопроводом, подвижный элемент  которого (якорь) перемещается под действием  измеряемой величины.  

     Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все токопроводящие предметы. Индуктивный датчик является бесконтактным, не требует механичесого воздействия, работает бесконтактно за счет изменения электромагнитного поля.  

Преимущества

-   нет механического износа, отсутствуют отказы, связанные с состоянием контактов

-   отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания

-   высокая частота переключений до 3000 Hz

-   устойчив к механическим воздействиям  

Недостатки - сравнительно малая чувствительность, зависимость индуктивного сопротивления от частоты питающего напряжения, значительное обратное воздействие датчика на измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику).   

     Емкостные датчики - принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.  

     Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением: С = e₀eS/h, где e₀ - диэлектрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; h - расстояние между обкладками конденсатора. Зависимости C(S) и C(h) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости.  

     Емкостные датчики, также как и индуктивные, питаются переменным напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем обычно применяют мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. В последнем случае, как правило, используют зависимость частоты колебаний генератора от емкости резонансного контура, т.е. датчик имеет частотный выход.   

     Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая  чувствительность и малая инерционность. Недостатки - влияние внешних электрических  полей, относительная сложность измерительных устройств.  

     Емкостные датчики применяют для измерения  угловых перемещений, очень малых  линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д., а также для  воспроизведения заданных функций (гармонических, пилообразных, прямоугольных и т. п.).  

     Емкостные преобразователи, диэлектрическая  проницаемость e которых изменяется за счет перемещения, деформации или изменения состава диэлектрика, применяют в качестве датчиков уровня непроводящих жидкостей, сыпучих и порошкообразных материалов, толщины слоя непроводящих материалов (толщиномеры), а также контроля влажности и состава вещества.  

Датчики – генераторы   

     Генераторные  датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины X в электрический сигнал. Такие датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются как бы генераторами электроэнергии (откуда и название таких датчиков - они генерируют электрический сигнал).  

     Дополнительные  источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей). Генераторными являются термоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.  

     Индукционные  датчики преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС индукции. Принцип действия датчиков основан на законе электромагнитной индукции. К этим датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного тока, представляющие собой небольшие электромашинные генераторы, у которых выходное напряжение пропорционально угловой скорости вращения вала генератора. Тахогенераторы используются как датчики угловой скорости.  

     Тахогенератор представляет собой электрическую  машину, работающую в генераторном режиме. При этом вырабатываемая ЭДС  пропорциональна скорости вращения и величине магнитного потока. Кроме  того, с изменением скорости вращения изменяется частота ЭДС. Применяются как датчики скорости (частоты вращения).   

     Температурные датчики. В современном промышленном производстве наиболее распространенными являются измерения температуры (так, на атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится такое измерение, а на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.). Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют многообразие применяемых средств измерения температуры.   

     Если  рассматривать датчики температуры  для промышленного применения, то можно выделить их основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические  датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики.  

     Кремниевые  датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур -50…+150 ⁰C. Применяются в основном для измерения температуры внутри электронных приборов.  

     Биметаллический датчик сделан из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собой. Разные металлы имеют различный температурный коэффициент расширения. Если соединенные в пластину металлы нагреть или охладить, то она изогнется, при этом замкнет (разомкнет) электрические контакты или переведет стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков -40…+550 ⁰C. Используются для измерения поверхности твердых тел и температуры жидкостей. Основные области применения – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.  

     Термоиндикаторы – это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Изменение цвета может быть обратимым и необратимым. Производятся в виде пленок.  

Термопреобразователи  сопротивления 

     Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении  электрического сопротивления проводников  и полупроводников в зависимости  от температуры (рассмотрен ранее).  

     Платиновые  терморезисторы предназначены для  измерения температур в пределах от –260 до 1100 ⁰С. Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры.  

     Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего  конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 ⁰C. По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым. Никель используется в недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных температур.   

     Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют  отрицательный или положительный  температурный коэффициент сопротивления, значение которого при 20 ⁰C  составляет (2…8)*10^–2 (⁰C)^–1, т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). В качестве полупров. материала используются  оксиды металлов: полупроводниковые терморезисторы типов КМТ - смесь окислов кобальта и марганца и ММТ - меди и марганца.   

     Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой  стабильностью характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазоне от –100 до 200 ⁰С.   

     Термоэлектрические  преобразователи (термопары) - принцип  действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, который состоит в том, что при наличии разности температур мест соединений (спаев) двух разнородных металлов или полупроводников в контуре возникает электродвижущая сила, называемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). В определенном интервале температур можно считать, что термо-ЭДС прямо пропорциональна разности температур ΔT = Т₁ – Т₀ между спаем и концами термопары.  

     Соединенные между собой концы термопары, погружаемые в среду, температура  которой измеряется, называют рабочим  концом термопары. Концы, которые находятся  в окружающей среде, и которые  обычно присоединяют проводами к измерительной схеме, называют свободными концами. Температуру этих концов необходимо поддерживать постоянной. При этом условии термо-ЭДС Е_т будет зависеть только от температуры T₁ рабочего конца.                                   

U_вых = E_т = С(Т₁ – Т₀),         

где С – коэффициент, зависящий от материала проводников  термопары.  

     Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 ⁰С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 2200 ⁰С.  

     Наибольшее  распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.  

     Термопары имеют следующие преимущества: простота изготовления и надёжность в эксплуатации, дешевизна, отсутствие источников питания и возможность измерений в большом диапазоне температур.  

     Наряду  с этим термопарам свойственны и  некоторые недостатки - меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения, наличие значительной тепловой инерционности, необходимость введения поправки на температуру свободных концов и необходимость в применении специальных соединительных проводов.   

     Инфракрасные датчики (пирометры) - используют энергию излучения нагретых тел, что позволяет измерять температуру поверхности на расстоянии. Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые.  

     Радиационные  пирометры используются для измерения  температуры от 20 до 2500 ⁰С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта.  

     Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 ⁰С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (фотометрической лампы).  

     Цветовые  пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части спектра; они используются для измерения температуры в диапазоне от 800 ⁰С.  

     Пирометры позволяют измерять температуру  в труднодоступных местах и температуру движущихся объектов, высокие температуры, где другие датчики уже не работают.  

Кварцевые термопреобразователи 

     Для измерения температур от – 80 до 250 ⁰С часто используются так называемые кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, что зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования изменяются в зависимости от ориентации среза относительно осей кристалла кварца. Данные датчики широко используются в цифровых термометрах.   

Пьезоэлектрические  датчики 

     Действие  пьезоэлектрических датчиков основано на использовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), заключающегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристаллов на их гранях появляется электрический заряд, величина которого пропорциональна действующей силе. 

     Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое  напряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца - сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом, используется для возбуждения и приема акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты. Используются для измерения сил, давления, вибрации и т.д.  

Оптические (фотоэлектрические) датчики 

     Различают аналоговые и дискретные оптические датчики. У аналоговых датчиков выходной сигнал изменяется пропорционально внешней освещенности. Основная область применения – автоматизированные системы управления освещением.  

     Датчики дискретного типа изменяют выходное состояние на противоположное при  достижении заданного значения освещенности.   

     Фотоэлектрические датчики могут быть применены  практически во всех отраслях промышленности. Датчики дискретного действия используются как своеобразные бесконтактные выключатели для подсчета, обнаружения, позиционирования и других задач на любой технологической линии.  

     Оптический  бесконтактный датчик, регистрирует изменение светового потока в контролируемой области, связанное с изменением положения в пространстве каких-либо движущихся частей механизмов и машин, отсутствия или присутствия объектов. Благодаря большим расстояниям срабатывания оптические бесконтактные датчики нашли широкое применение в промышленности и не только.  

     Оптический бесконтактный датчик состоит из двух функциональных узлов, приемника и излучателя. Данные узлы могут быть выполнены как в одном корпусе, так и в различных корпусах.   

По методу обнаружения  объекта фотоэлектрические датчики  подразделяются на 4 группы:  

1) пересечение  луча - в этом методе передатчик и приемник разделены по разным корпусам, что позволяет устанавливать их напротив друг друга на рабочем расстоянии. Принцип работы основан на том, что передатчик постоянно посылает световой луч, который принимает приемник. Если световой сигнал датчика прекращается, в следствии перекрытия сторонним объектом, приемник немедленно реагирует меняя состояние выхода.