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.

                        Реверсивный (дифференциальный) индуктивный датчик.

Он обладает в 2 раза большей  чувствительностью, чем реверсивный. Включается по дифференционной или мостовой схеме. Измеряет величину дефектов в сторону уменьшения и в сторону увеличения. В среднем положении якоря выходное напряжение датчика равно нулю.

При отсутствии входного сигнала зазоры δ₁ и δ₂ между якорем и ярмом одинаковы: δ₁ = δ₂ = δ₀. Равны и индуктивности L₁ и L₂ обеих половин датчика, определяемые размерами зазоров. Следовательно, выходное напряжение преобразователя U_вых равно нулю (рис. 5.9, а).

При перемещении якоря  на расстояние X зазоры δ₁ и δ₂ становятся неравными:

  Изменение зазоров приводит к изменению индуктивностей: увеличение δ₁ ведет к уменьшению L₁ а уменьшение δ₁ - к увеличению L₂. Изменение индуктивностей плечей датчика приводит к дисбалансу токов I₁ и I₂, в результате чего через сопротивление нагрузки потечет ток I_н = I_вых, и появится выходное напряжение 

   Принцип действия основан на вычитании токов, протекающих по полуобмоткам датчика, на сопротивление приемника, и выделение результирующего тока, создающего результирующие выходное напряжение датчика. Если контролируемая деталь соответствует номинальному размеру, то якорь датчика находится в среднем положении (когда зазоры   и   одинаковы). В этом случае по полуобмоткам будут протекать токи по цепи: по левой – вывод «1» трансформатора, полуобмотка, сопротивление приемника, средняя точка трансформатора; по правой – средняя точка трансформатора, сопротивление приемника, правая полуобмотка точка «2» трансформатора. Каждый из этих токов, равных друг другу, создают равные, но противоположно направленные выходные напряжения, которые вычитают друг друга, и результирующее напряжение равно нулю. 
    Допустим, контролирующая деталь имеет размеры больше номинального. При этом зазор   увеличивается, а   соответственно уменьшается. При увеличении зазора в первом сердечнике увеличивается линейный поток, происходит насыщение сердечника, и уменьшается магнитная проницаемость. Индуктивность левой катушки уменьшится, индуктивные сопротивления также уменьшатся, и увеличится ток левой полуобмотки, которая создаст более высокое выходное напряжение на сопротивлении приемника. В правом сердечнике, наоборот, зазор уменьшится, магнитное поле уменьшится. При этом индуктивность правой полуобмотки увеличится, её индуктивное сопротивление также увеличится, ток в правой полуобмотке уменьшится и создаст меньшее выходное напряжение, обратное по знаку. 
   Результирующее напряжение датчика возрастет в положительном направлении в соответствии со статической характеристикой. 
   При поступления детали с размерами меньше номинальных процесс повторится, только выходное напряжение возрастет обратного направления.

                                             Емкостные датчики.

 Емкостные датчики являются датчиками реактивного сопротивления и представляют собой конденсатор переменной емкости, подвижная часть которого связана с контролируемыми деталями с каким-то уровнем

Рис.13. Зависимость ёмкости датчика от полезной площади обкладок

Принцип действия основан на изменении тока в эл.цепи в зависимости от емкостного сопротивления   , которое зависит от  Если контролируемая деталь приводит в движение подвижные пластины конденсатора, изменяя таким образом площадь перекрытия, то это ведет к изменению емкости, емкостного сопротивления и тока, протекающего в цепи, что будет сигнализировать о дефектах детали.  
Для измерения уровней жидкостей в качестве параметра, изменяющего емкость, может быть использована диэлектрическая проницаемость диэлектрика между пластинами, может быть использован конденсатор с различными диэлектриками между пластинами

 
Рис.14. Схема  ёмкостного датчика                                 

                               Генераторные датчики. 
 

К ним относятся термоэлектрические, пьезоэлектрические и тахогенераторные датчики.

Термоэлектрическим называется датчик, в котором изменение температуры преобразуется в термо э.д.с.  
 

Рис.15. Термопары

Принцип действия заключатся в том, что если 2 разнородных сплава или металла (медь и золото), соединить вместе общим спаем, и этот спай поместить в пространство с более высокой температурой, то между свободными концами этих проводников возникает термо э.д.с., величина, которой будет пропорциональна разности температур между нагретым объемом и объемом, где находятся выводы. В качестве проводников используются пары: платина и платинородий, хромель и алюмель, нихром и константан, а также платина, золото и другие чистые металлы. 
 
Термопары применяются для контроля за рабочей температурой в электро и других печах, применяющихся для плавки металлов и их закалки а так же в металлообрабатывающих станках и ещё много где.

                                      Пьезоэлектрические датчики

    Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрических эффектов. Прямой пьезоэффект заключается в способности некоторых материалов образовывать электрические заряды на поверхности при приложении механической нагрузки, обратный - в изменении механического напряжения или геометрических размеров образца материала под воздействием электрического поля. В качестве пьезоэлектрических используют обычно естественные материалы - кварц и турмалин, а также искусственно поляризованную керамику на основе титаната бария (BaTiO₃), титаната свинца (PbTiO₃) и цирконата свинца (PbZrO₃). Можно использовать и другие материалы. Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем K_d, устанавливающим зависимость между возникающим зарядом Q и приложенной силой F:

 Из пьезоматериалов наиболее распространен кварц, что объясняется его удовлетворительными пьезоэлектрическими свойствами, очень высоким сопротивлением, стойкостью к воздействиям температуры и влажности, высокой механической прочностью. Кварц имеет незначительный коэффициент линейного расширения, его пьезомодуль, равный 2,3 • 10^-12 Кл/Н, практически не зависит от температуры до 200 °С, в диапазоне 200...500 °С изменяется незначительно, а при 573 °С становится равным нулю; удельное электрическое сопротивление кварца порядка 10¹⁶ Ом/м; модуль упругости кварца Е= 7,7 • 10¹⁰ Па. Пьезокерамика представляет собой продукт отжига спрессованной смеси, содержащей мелко раздробленные сегнетоэлектрические кристаллы. Характерным отличием сегнетоэлектриков является их доменная структура с хаотически ориентированными полярными направлениями доменов. Пьезоэлектрические свойства сегнетоэлектрическая пьезокерамика приобретает после поляризации в электрическом поле.

Механическая прочность  пьезокерамики очень высока, но зависит от технологии и качества обработки соприкасающихся плоскостей. Пьезомодуль, диэлектрическая проницаемость и их стабильность зависят от выбора направления поляризации, направления действия силы F и съема заряда Q. Пьезокерамика на основе ниобата свинца (НБС) и цирконататитаната свинца (ЦТС) более стабильна, чем на основе титаната бария, однако уступает в чувствительности. Так, пьезокерамика на основе титаната бария имеет точку Кюри 120 °С при пьезомодуле порядка 100 • 10¹² Кл/Н, а пьезокерамика ЦТС-19 - точку Кюри 290 °С и в два раза более высокое значение пьезомодуля. Все природные пьезоматериалы имеют кристаллическую структуру, которая определяет свойства пьезопреобразователей. Так, кварц имеет кристаллическую структуру, в которой можно выделить шестигранную призму. По отношению к ней в кристалле выделяют три типа осей: продольную, или оптическую ось Z, электрические оси X, проходящие через ребра призмы кристалла нормально к оптической оси (три) и механические, или нейтральные, оси Y, нормальные к граням кристалла (их также три). Пьезочувствительный элемент обычно вырезают из кристалла кварца в виде пластины (параллелепипеда), стороны которой параллельны осям кристалла .

В ненапряженном состоянии  в пластине все заряды скомпенсированы, и она является электрически нейтральной. Если к пластине кварца вдоль оси X приложена сила F, то на ее гранях, перпендикулярных к оси X, возникают разнополярные электрические заряды Q. Значения этих зарядов в пределах упругих деформаций находятся в линейной зависимости от приложенной силы в соответствии с выражением (5.14). Такой пьезоэффект называется продольным. Значения зарядов не зависят от геометрических размеров пластины, а определяются лишь силой F.          Если пластину подвергнуть сжатию по оси Y, то на тех же гранях вновь появятся заряды, но теперь уже противоположного знака (поперечный пьезоэффект). Значение заряда при поперечном пьзоэффекте

где a, b - размеры пьезоэлемента соответственно в направлении осей X и Y.

В зависимости от направления  действия силы F (сжатие или растяжение) знаки зарядов на гранях пластины будут меняться. При приложении силы F вдоль оси Z пьезоэффект не наблюдается. Пластина кварца остается также электрически нейтральной при равномерном воздействии на нее со всех сторон (например, при гидростатическом сжатии). Турмалин (в отличие от кварца) имеет не две, а одну пьезочувствительную плоскость, перпендикулярную к оптической оси Z. Благодаря этой особенности турмалин можно применять для измерения всестороннего давления, что делает его незаменимым при измерении давления жидкостей. Пьезоэлектрический преобразователь давления представляет собой пластину из пьезоматериала. На две ее грани нанесены электроды, с которых снимается заряд или напряжение. Напряжение на обкладках при отсутствии нагрузки

где C_п - емкость пьезоэлектрического элемента преобразователя, C_п = εS_x/a; ε - диэлектрическая постоянная материала пластины; S_x = hb - площадь грани, перпендикулярной к оси X; а - толщина пластины.

Для увеличения сигнала, поступающего с преобразователя, часто пластины-шайбы  из пьезокерамики компонуют в столбик. Наряду с преобразователями, в которых пьезоэлемент работает на сжатие-растяжение, применяются конструкции, в которых элемент работает на изгиб и сдвиг (рис. 5.16). Преобразователь, работающий на изгиб, представляет собой две одинаковые пластины, склеенные между собой. Между ними располагается металлическая фольга. При изгибе такого элемента одна пластина удлиняется, а другая укорачивается. В зависимости от схемы подключения обкладок можно получить либо сумму напряжений, либо сумму зарядов. Преобразователи, работающие на изгиб, более чувствительны по сравнению с преобразователями, работающими на сжатие. В то же время они уступают последним по прочности и диапазону частот.

Преобразователь, работающий на сдвиг, представляет собой кольцо из керамики 1 (см. рис. 5.16, в), в которое вклеен внутренний электрод 3 и которое само вклеено во внешний электрод 2. Под действием силы F происходит деформация сдвига плоскостей, параллельных направлению поляризации. Достоинством такого преобразователя является отсутствие зарядов на электродах при боковых воздействиях на датчик.

Нагрузка, подключаемая к  выходу преобразователя, характеризуется  сопротивлением R_H и емкостью С_н, зависящей от емкости соединительных проводов, входной емкости усилителя и т. д.

  В случае использования кварцевых преобразователей C_п << C_н, а при использовании пьезокерамики емкость пьезоэлемента часто сравнима с емкостью нагрузки и даже превышает ее. Эквивалентная схема преобразователя с нагрузкой представлена на рис. 5.17.

  Чувствительность пьезоэлектрического преобразователя: 

                                       K_s = dU_вых/dF=K_d/(C_П+C_H).

Для повышения чувствительности преобразователь выполняют из n пластин, располагая их столбиком и соединяя параллельно (см. рис. 5.15, б). В этом случае

или

где K_s’ = K_d/(C_П + C_H/n) > K_s.

   Напряжение на выходе преобразователя сравнительно мало, поэтому обычно требуется его усилить.

   Погрешность пьезоэлектрических преобразователей складывается прежде всего из погрешностей от изменения параметров измерительной цепи (емкости C_н), температурной погрешности, вызываемой изменением пьезоэлектрического модуля, погрешности вследствие неправильной установки пластин, погрешности из-за чувствительности к силам, действующим перпендикулярно к измерительной оси преобразователя, и частотной погрешности. Верхняя граница допустимого частотного диапазона определяется в основном механическими параметрами преобразователя. Пьезоэлектрические преобразователи могут быть выполнены с частотой собственных колебаний f₀ = 100 кГц, что позволяет измерять механические величины, изменяющиеся с частотой до 7... 10 кГц, причем они являются безынерционным звеном.

    К достоинствам пьезоэлектрических преобразователей необходимо отнести простоту конструкции, малые размеры и стоимость, высокую надежность, возможность измерения быстропеременных величин, к недостаткам - невысокую чувствительность, непригодность к измерению статических величин, высокое входное сопротивление измерительной цепи, относительно невысокий уровень выходного сигнала, т.е. необходимость промежуточных усилителей.

                       Вращающиеся трансформаторы.

   Вращающимся трансформатором (ВТ) называется индукционная электрическая машина переменного тока, предназначенная для выработки напряжений, пропорциональных синусу и косинусу угла поворота или напряжений, пропорциональных углу поворота ротора машины (в зависимости от схемы включения обмоток статора и ротора).