Зміст
Чутливі елементи або датчики
Датчики опору
Датчики індуктивності
Ємнісні датчики
Датчики напруги
Датчики струму
Властивості фотоелементів визначаються їх характеристиками
Датчики АУС
Струнні датчики
Магнитоупругие датчики
Чутливістю датчика, або його коефіцієнтом підсилення, називається крутизна статичної характеристики.
Датчики можна класифікувати або за тим величинам, які вони повинні вимірювати (датчики тиску, датчики рівня), або за тими параметрами, в які перетворюються вимірювані величини (датчики опору, датчики індуктивності). Більш раціональна класифікація за другою ознакою, тому що два індуктивних датчика, службовці для вимірювання різних величин (наприклад, тиску, рівня), подібні між собою і мають близькі конструктивні та експлуатаційні характеристики. У той же час ємнісний та індуктивний датчики, службовці для вимірювання однієї і тієї ж величини, сильно відрізняються один від одного за конструкцією, схемою і характеристикам.
Так як багато фізичні величини попередньо перетворюються в одну й ту ж механічну величину - переміщення (наприклад, зміна рівня перетворюється на переміщення поплавця), то значна частина датчиків може бути сконструйована в вигляді пристроїв, що перетворюють переміщення в ту чи іншу вихідну величину. За вихідного параметру датчики можуть бути класифіковані наступним чином: датчики опору, датчики індуктивності, датчики ємності, датчики напруги, датчики струму, датчики фази, датчики частоти, датчики числа імпульсів, датчики тривалості імпульсу, датчики тиску (пневматичні або гідравлічні).
У деяких випадках здійснюється кілька стадій перетворення регульованого параметра, наприклад з механічної величини спочатку в яку-небудь іншу (наприклад, теплову, світлову і т.д.), а потім вже в електричну або пневматичну.
Потенціометричні датчики застосовують найчастіше для вимірювання переміщень. Головне їх достоїнство в простоті і відсутності необхідності подальшого посилення. Основними недоліками їх є наявність ковзаючого електричного контакту, необхідність щодо великих переміщень движка і значного зусилля для його переміщення. Простий реостат, змінює струм в електричному ланцюзі при переміщенні його движка, майже не використовують в автоматиці зважаючи на значну нелінійності його характеристики.
Вугільні датчики застосовують в основному для вимірювання великих зусиль і тисків. Зазвичай вугільний датчик має вигляд стовпчика з графітових дисків, на кінцях якого знаходяться контактні диски і наполегливі пристосування, що сприймають вимірювані зусилля. Опір такого стовпчика електричному струму складається з власне опору графітових дисків і перехідного контактного опору поверхонь їх зіткнення. З-за нерівності поверхонь графітових дисків їх зіткнення відбувається не по площині, а по окремих точках. Якщо вугільний датчик піддати стиску, то площа дотику графітових дисків збільшується і перехідний контактний опір зменшується. Це властивість і використовують у вугільному датчику.
Суттєвими недоліками вугільних датчиків є нелінійність характеристики, нестабільність опору і значний (до 5%) гістерезис, тобто відмінність між опором для одних і тих же величин зусиль при стисненні і наступному знятті стискає зусилля.
Область застосування вугільних датчиків обмежена виміром великих зусиль і тисків, що не вимагають великої точності.
Тензометри виготовляють або з тонкого дроту, або з особливою маси - тензоліта. У звичайному виконанні дротяний датчик являє собою тонку (15-60 мк) дріт, складену у вигляді решітки та обклеєну з двох сторін цигарковим папером. Такий елемент приклеюють міцним клеєм до деталі для виміру її деформації. Вимірювання деформації засноване на зміні опору зволікання при її розтягуванні або стисканні, що відбувається при деформації деталі. Тензолітовие датчики, що виконуються у вигляді стерженьков діаметром до 1 мм, також наклеюють на деталь; вони змінюють опір при її деформації.
Тензодатчики широко застосовують для вимірювання деформації деталей в самих різних областях техніки. Вони характеризуються малим відносним зміною опору не більше 1%, що вимагає вимірювальних схем високої чутливості.
Статична характеристика дротяних датчиків має лінійний вигляд, тобто чутливість дротяних датчиків практично постійна. Для вимірювання застосовують дротові датчики з матеріалу типу константана з невеликою чутливістю (порядку 2), але з малим температурним коефіцієнтом опору.
Опір таких датчиків звичайно дорівнює 100 - 200 Ом. З метою підвищення чутливості (до 3-4) застосовують датчики зі сплавів типу елінвара, якi характеризуються відносно високим температурним коефіцієнтом опору. Опір таких датчиків вибирають рівним 500-1000 Ом. Для збільшення чутливості застосовують включення в мостову схему двох або навіть чотирьох однакових дротяних датчиків.
Термометри опору отримали широке поширення для вимірювання температур різних середовищ в межах від - 50 до +800 ° С.
Дія електричних термометрів опору грунтується на властивості деяких матеріалів змінювати своє електричний опір при зміні температури.
Для виготовлення термометрів опору використовують мідь, нікель, сталь, платину та інші метали. Мідь застосовують при вимірюванні температур в межах до 180 ° С, сталь і нікель до 300 ° С в атмосфері, вільної від вологи та корозійних газів, особливо сірчистих; платину від - 200 до +900 ° С в агресивних середовищах. Опір таких датчиків вибирають рівним 40-100 Ом.
Останнім часом в якості термометрів опору використовують термістори, які виготовляють з напівпровідників, що представляють собою оксиди, сульфіди, карбіди металів з великим негативним температурним коефіцієнтом.
Термістори виготовляють пресуванням і випаленням подрібнених і очищених матеріалів, а потім покривають захисним шаром емалі або лаку, що мають однаковий з вихідними матеріалами коефіцієнт розширення.
Основною областю застосування індуктивних датчиків є вимірювання кутових і лінійних механічних переміщень. Зміна вхідного параметра в датчиках індуктивності перетворюється у зміну індуктивності котушки завдяки переміщенню якоря, сердечника або котушки.
Індуктивні датчики застосовують тільки на відносно низьких частотах (до 3000-5000 Гц), тому що на високих частотах різко зростають втрати в сталі на перемагнічування і реактивний опір обмотки.
Для усунення недоліків, властивих розглянутому датчику індуктивності, які полягають у тому, що для вимірювання переміщення якоря в обох напрямках необхідно мати початковий повітряний зазор, тобто і початкову силу струму, через що створюється незручність у вимірі, значні похибки від коливань температури і напруги живлення, а також для усунення електромеханічного зусилля тяжіння якоря, що залежить від величини повітряного зазору, застосовують диференціальний індуктивний датчик.
Датчики індуктивності з рухомим сердечником містять дві однакові котушки, розташовані на одній осі. Усередині котушок переміщається сердечник циліндричної форми, пов'язаний з вимірювачем. Якщо сердечник розташований симетрично щодо котушок, то індуктивні опору котушок однакові. При переміщенні сердечника в ту або іншу сторону змінюється індуктивність котушок. При цьому індуктивність тієї котушки, у бік якої перемістився сердечник, зростає, а інший - зменшується. Відповідно змінюється сила струмів, що проходять крізь котушки.
Робота всіх розглянутих датчиків заснована на зміні індуктивності. Існують датчики, робота яких заснована на зміні коефіцієнта взаємної індукції двох котушок. Такі датчики називаються трансформаторними, або індукційними, і містять дві котушки: одна харчується напругою змінного струму, інша є вихідний, і з неї знімається напруга, пропорційне переміщенню якоря або сердечника.
Трансформаторні датчики виконують зі змінним зазором між якорем і сердечником, для вимірювання малих переміщень; зі змінною площею зазору, використовувані для вимірювання середніх переміщень, і з рухомим сердечником, використовувані для вимірювання переміщень з широким діапазоном. Останні мають перевагу перед іншими трансформаторними датчиками, так як сердечник може бути відділений від котушок герметичній трубкою. Такий датчик називають плунжерним.
У деяких випадках вихідна котушка складається з двох котушок W 2 l і W 2 U, що включаються одна назустріч іншій. У деяких датчиків, навпаки, друга котушка може повертатися або переміщатися щодо сердечника. Такі трансформаторні датчики з рухомою рамкою називають ферродінаміческімі.
Особливостями трансформаторних датчиків є можливість великих переміщень якоря і відсутність електричного зв'язку між вимірювальної ланцюгом і ланцюгом електричного живлення. Між ними існує тільки магнітна зв'язок, що в багатьох випадках є перевагою.
Ємнісний датчик зі змінним відстанню між пластинами має одну нерухому і одну рухому пластини, пов'язані з вимірювачем. Завдяки переміщенню рухомий пластини змінюється зазор між пластинами, що призводить до зміни ємності датчика. Для збільшення чутливості і зменшення впливу сторонніх чинників такої датчик зазвичай виконують диференційним, тобто він містить дві нерухомі і одну рухому пластини. При переміщенні рухомого пластини змінюються ємності і між рухомою і нерухомими пластинами.
Ємнісні датчики включають в сусідні плечі мостової схеми.
Ємнісний датчик зі зміною площі пластин складається з ряду нерухомих і рухомих пластин, які повертаються на певний кут. При повороті рухомих пластин по відношенню до нерухомих змінюється величина активної площі датчика, що призводить до зміни ємності датчика.
Ємнісні датчики з мінливих діелектричної постійної середовища можна застосовувати для вимірювання концентрації електролітів або рівня рідини. Зазвичай такі датчики виконують у вигляді двох коаксіальних циліндрів, між якими знаходиться вимірювана рідина. При зміні концентрації електроліту або рівня рідини лінійно змінюється ємність датчика.
Сельсіни зазвичай виконують за типом асинхронних машин змінного струму, тобто вони мають ротор і статор, на яких покладені відповідні обмотки.
У пазах статора знаходиться трифазна статорна обмотка, причому фазні обмотки в просторі зміщені на 120 °. Ротор сельсина має однофазну, а іноді і трифазну обмотки. Сельсіни деяких типів виконують з трифазною обмоткою на роторі і однофазної - на статорі. Сельсина передача складається з двох сельсинов - датчика СД і приймача СП і може служити як для передачі на відстань кутових переміщень, так і в якості вимірювального пристрою, який виробляє на виході напруга, залежне від кута неузгодженості роторів сельсин-датчика і сельсин-приймача.
Режим роботи сельсинов в схемах передачі на відстань кутових переміщень називається індикаторним.
Основною характеристикою індикаторного режиму роботи сельсином передачі є залежність синхронізуючого моменту від кута неузгодженості між роторами сельсин-датчика (СД) і сельсин-приймача (СП).
Основний статичною характеристикою цього режиму роботи є залежність напруги, індукованого на роторної обмотці СП від кута неузгодженості між роторами СД і СП.
Робота п'єзоелектричних датчиків заснована на п'єзоелектричному ефекті, властивому деяким кристалам. Датчики зазвичай виготовляють з кварцу, так як при сильно вираженому п'єзоелектричному ефект і одночасно високої механічної міцності властивості кварцу мало залежать від температури і відрізняються високими ізоляційними якостями.
Тахогенератори служать для отримання напруги, пропорційного швидкості обертання, і їх використовують як електричні датчики кутовий швидкості. Залежно від виду вихідної напруги їх поділяють на тахогенератори постійного і змінного струму.
Тахогенератори постійного струму конструктивно подібні до
електродвигунів постійного струму і виконані з порушенням як від постійних магнітів, так і від електромагнітів.
Тахогенератори змінного струму поділяють на синхронні та асинхронні.
Тахогенератор синхронного типу являє собою невелику синхронну машину з ротором у вигляді постійного магніту. Вихідна напруга такого тахогенератора має і амплітуду, і частоту, пропорційні швидкості обертання. Зазвичай воно випрямляється напівпровідниковим випрямлячем.
Вихідна напруга цього тахогенератора характеризується змінною частотою, що ускладнює використання його в звичайних схемах змінного струму, і, крім того, тахогенератор нечутливий до зміни напрямку обертання.
Від цих недоліків вільний асинхронний тахогенератор. Конструкція асинхронного тахогенератора подібна до конструкції двофазного двигуна з тонкостінних ротором. Обмотка збудження тахогенератора харчується від мережі змінного струму, а у вихідний обмотці наводиться е.. д. с. змінного струму з частотою мережі і амплітудою, пропорційними величині швидкості. При зміні напрямку обертання фаза вихідної напруги змінюється на зворотну.
Термопари застосовують для точного вимірювання високих температур (100-2000 ° С). Особливо широко їх використовують у металургії для контролю і автоматичного регулювання більшості теплових процесів. Великими перевагами термопар, крім можливості вимірювання високих температур, є їх порівняно мала інерційність, простота і дуже малі габарити одержуваних датчиків.
Принцип дії термопари базується на термоелектричному ефекті, який полягає в тому, що якщо з'єднати кінцями два різнорідних за матеріалом провідника та місця з'єднань помістити в середовища з різними температурами, то в отриманій таким чином електричного кола з'явиться електричний струм через наявність термоелектрорушійної сили (т. е.. д. с). Ця т. е.. д. с. пропорційна по величині різниці температур двох кінців електричного кола і залежить від матеріалів обох провідників
Термопари характеризуються наступними основними властивостями. Абсолютна величина т. е.. д. с. не залежить ні від розподілу температур уздовж однорідних провідників, ні від порядку її відліку. Це означає, що величина т. е.. д. с. не зміниться, якщо, наприклад, нагрівати якусь довільну точку провідника, не змінюючи при цьому температур гарячого і холодного спаїв.
Принцип роботи фотоелементів заснований на зміні провідності або на виникненні е.. д. с. під дією світлового потоку. У першому випадку відбувається зміна струму в ланцюзі фотоелемента, який живиться від стороннього джерела напруги. Отже, фотоелемент здійснює перетворення світлового потоку в електричну величину - струм. Це явище називають фотоелектричним ефектом.
До електродів фотоелемента підводиться анодна напруга від окремого джерела. Завдяки світловому потоку з катода вириваються електрони, які під дією електричного поля рухаються від катода до аноду. У деяких фотоелементів всередині колби створюється вакуум. Їх називають вакуумними. Для посилення фотоструму в колбу фотоелемента іноді вводять невелику кількість інертного газу (аргону). Такі фотоелементи називають газонаповненими. Можливість запалювання самостійного розряду - суттєвий недолік газонаповненого фотоелемента.
Для катодів фотоелементів, призначених для видимої або ближній інфрачервоній області, зазвичай використовують лужні метали, поверхня яких була піддана спеціальній обробці. У цих катодів в певній спектральної області виявляється різкий максимум чутливості.
Для газонаповнених фотоелементів пропорційна залежність фотоструму від світлового потоку справедлива для відносно невеликих значень світлового потоку.
При використанні фотоелементів для вимірювання дуже важливе значення має стабільність їх інтегральної і спектральної чутливості. Як показує досвід, чутливість фотоелементів знижується
Фотоелементи з внутрішнім фотоефектом або фотосопротивлений відносяться до напівпровідникових приладів - їх опір змінюється під дією світла. Вони володіють високою стабільністю величини опору, незначною инерционностью і температурної залежністю, а також майже пропорційною залежністю між фотоструму і світловим потоком.
В даний час поряд з розглянутими фотоелементами в якості датчиків струму починають застосовувати також фотодіоди та фототріоди, в яких використовують чутливість електронно-діркового переходу в напівпровідниках до світлового потоку. Фотодіод включається в ланцюг джерела струму в напрямку зворотної провідності. При відсутності світлового потоку в ланцюзі навантажувального опору, включеного послідовно з фотодіодів, протікає невеликий струм зворотної провідності, так званий темнової струм. Якщо зона електронно-діркового переходу висвітлюється світловим потоком, то струм зростає пропорційно величині світлового потоку. У фототріода за рахунок ефекту посилення чутливість до світлового потоку значно вище, ніж у фотодіода.
В електронній агрегатної уніфікованої системи (ЕАУС) широко застосовують датчики постійного струму з уніфікованим вихідним сигналом 0-5 (або 0,5 - 5) мА, а також датчики змінного струму з неуніфікованих вихідним сигналом. У пневматичної агрегатної уніфікованої системи часто використовують пневматичні датчики, у яких вихідний тиск змінюється від 20 до 100 кн / м 2 (0,2-1 кг / см 2). Для зв'язку електронних і пневматичних пристроїв служать спеціальні електропневматичні і моелектричним перетворювачі.
У більшості пневматичних датчиків вхідний сигнал перетвориться в переміщення заслінки, яка управляє закінченням повітря з сопла, змінюючи тиск у камері, розташованій перед соплом. Принцип роботи таких пристроїв описаний нижче при розгляді пневматичних підсилювачів, які є часто складовими елементами пневматичних датчиків.
Найбільший розвиток для перетворення неелектричних величин у частоту отримали струнні датчики. Принцип дії струнного датчика заснований на залежності власної частоти коливань натягнутої струни довжиною і масою від сили натягу. Струнні датчики використовуються в приладах для вимірювання сили, тиску, витрати, температури та ін При впливі на струну вимірюваної сили струна практично не розтягується, тому первинний перетворювач (наприклад, мембрана в датчику тиску) працює, майже не деформуючись.
Чутливі елементи або датчики
Датчики опору
Датчики індуктивності
Ємнісні датчики
Датчики напруги
Датчики струму
Властивості фотоелементів визначаються їх характеристиками
Датчики АУС
Струнні датчики
Магнитоупругие датчики
Чутливі елементи або датчики
Датчиком називається первинний елемент автоматичної системи, що реагує на зміну фізичної величини, що характеризує процес, і що перетворює цю величину в іншу, зручну для роботи подальших елементів. Статичною характеристикою датчика є залежність зміни вихідної величини від зміни вхідних.Чутливістю датчика, або його коефіцієнтом підсилення, називається крутизна статичної характеристики.
Датчики можна класифікувати або за тим величинам, які вони повинні вимірювати (датчики тиску, датчики рівня), або за тими параметрами, в які перетворюються вимірювані величини (датчики опору, датчики індуктивності). Більш раціональна класифікація за другою ознакою, тому що два індуктивних датчика, службовці для вимірювання різних величин (наприклад, тиску, рівня), подібні між собою і мають близькі конструктивні та експлуатаційні характеристики. У той же час ємнісний та індуктивний датчики, службовці для вимірювання однієї і тієї ж величини, сильно відрізняються один від одного за конструкцією, схемою і характеристикам.
Так як багато фізичні величини попередньо перетворюються в одну й ту ж механічну величину - переміщення (наприклад, зміна рівня перетворюється на переміщення поплавця), то значна частина датчиків може бути сконструйована в вигляді пристроїв, що перетворюють переміщення в ту чи іншу вихідну величину. За вихідного параметру датчики можуть бути класифіковані наступним чином: датчики опору, датчики індуктивності, датчики ємності, датчики напруги, датчики струму, датчики фази, датчики частоти, датчики числа імпульсів, датчики тривалості імпульсу, датчики тиску (пневматичні або гідравлічні).
У деяких випадках здійснюється кілька стадій перетворення регульованого параметра, наприклад з механічної величини спочатку в яку-небудь іншу (наприклад, теплову, світлову і т.д.), а потім вже в електричну або пневматичну.
Датчики опору
Основними типами датчиків опору є потенціометричні датчики, вугільні датчики, тензометри і термометри опору.Потенціометричні датчики застосовують найчастіше для вимірювання переміщень. Головне їх достоїнство в простоті і відсутності необхідності подальшого посилення. Основними недоліками їх є наявність ковзаючого електричного контакту, необхідність щодо великих переміщень движка і значного зусилля для його переміщення. Простий реостат, змінює струм в електричному ланцюзі при переміщенні його движка, майже не використовують в автоматиці зважаючи на значну нелінійності його характеристики.
Вугільні датчики застосовують в основному для вимірювання великих зусиль і тисків. Зазвичай вугільний датчик має вигляд стовпчика з графітових дисків, на кінцях якого знаходяться контактні диски і наполегливі пристосування, що сприймають вимірювані зусилля. Опір такого стовпчика електричному струму складається з власне опору графітових дисків і перехідного контактного опору поверхонь їх зіткнення. З-за нерівності поверхонь графітових дисків їх зіткнення відбувається не по площині, а по окремих точках. Якщо вугільний датчик піддати стиску, то площа дотику графітових дисків збільшується і перехідний контактний опір зменшується. Це властивість і використовують у вугільному датчику.
Суттєвими недоліками вугільних датчиків є нелінійність характеристики, нестабільність опору і значний (до 5%) гістерезис, тобто відмінність між опором для одних і тих же величин зусиль при стисненні і наступному знятті стискає зусилля.
Область застосування вугільних датчиків обмежена виміром великих зусиль і тисків, що не вимагають великої точності.
Тензометри виготовляють або з тонкого дроту, або з особливою маси - тензоліта. У звичайному виконанні дротяний датчик являє собою тонку (15-60 мк) дріт, складену у вигляді решітки та обклеєну з двох сторін цигарковим папером. Такий елемент приклеюють міцним клеєм до деталі для виміру її деформації. Вимірювання деформації засноване на зміні опору зволікання при її розтягуванні або стисканні, що відбувається при деформації деталі. Тензолітовие датчики, що виконуються у вигляді стерженьков діаметром до 1 мм, також наклеюють на деталь; вони змінюють опір при її деформації.
Тензодатчики широко застосовують для вимірювання деформації деталей в самих різних областях техніки. Вони характеризуються малим відносним зміною опору не більше 1%, що вимагає вимірювальних схем високої чутливості.
Статична характеристика дротяних датчиків має лінійний вигляд, тобто чутливість дротяних датчиків практично постійна. Для вимірювання застосовують дротові датчики з матеріалу типу константана з невеликою чутливістю (порядку 2), але з малим температурним коефіцієнтом опору.
Опір таких датчиків звичайно дорівнює 100 - 200 Ом. З метою підвищення чутливості (до 3-4) застосовують датчики зі сплавів типу елінвара, якi характеризуються відносно високим температурним коефіцієнтом опору. Опір таких датчиків вибирають рівним 500-1000 Ом. Для збільшення чутливості застосовують включення в мостову схему двох або навіть чотирьох однакових дротяних датчиків.
Термометри опору отримали широке поширення для вимірювання температур різних середовищ в межах від - 50 до +800 ° С.
Дія електричних термометрів опору грунтується на властивості деяких матеріалів змінювати своє електричний опір при зміні температури.
Для виготовлення термометрів опору використовують мідь, нікель, сталь, платину та інші метали. Мідь застосовують при вимірюванні температур в межах до 180 ° С, сталь і нікель до 300 ° С в атмосфері, вільної від вологи та корозійних газів, особливо сірчистих; платину від - 200 до +900 ° С в агресивних середовищах. Опір таких датчиків вибирають рівним 40-100 Ом.
Останнім часом в якості термометрів опору використовують термістори, які виготовляють з напівпровідників, що представляють собою оксиди, сульфіди, карбіди металів з великим негативним температурним коефіцієнтом.
Термістори виготовляють пресуванням і випаленням подрібнених і очищених матеріалів, а потім покривають захисним шаром емалі або лаку, що мають однаковий з вихідними матеріалами коефіцієнт розширення.
Датчики індуктивності
Принцип роботи датчиків заснований на зміні індуктивного опору котушки зі сталлю. Датчики індуктивності широко застосовують завдяки їх істотним достоїнствам: простоті, надійності і відсутності ковзних контактів; можливості безпосереднього використання приладів, що показують за рахунок відносно великий величини віддається електричної потужності; можливості роботи на змінному струмі промислової частоти.Основною областю застосування індуктивних датчиків є вимірювання кутових і лінійних механічних переміщень. Зміна вхідного параметра в датчиках індуктивності перетворюється у зміну індуктивності котушки завдяки переміщенню якоря, сердечника або котушки.
Індуктивні датчики застосовують тільки на відносно низьких частотах (до 3000-5000 Гц), тому що на високих частотах різко зростають втрати в сталі на перемагнічування і реактивний опір обмотки.
Для усунення недоліків, властивих розглянутому датчику індуктивності, які полягають у тому, що для вимірювання переміщення якоря в обох напрямках необхідно мати початковий повітряний зазор, тобто і початкову силу струму, через що створюється незручність у вимірі, значні похибки від коливань температури і напруги живлення, а також для усунення електромеханічного зусилля тяжіння якоря, що залежить від величини повітряного зазору, застосовують диференціальний індуктивний датчик.
Датчики індуктивності з рухомим сердечником містять дві однакові котушки, розташовані на одній осі. Усередині котушок переміщається сердечник циліндричної форми, пов'язаний з вимірювачем. Якщо сердечник розташований симетрично щодо котушок, то індуктивні опору котушок однакові. При переміщенні сердечника в ту або іншу сторону змінюється індуктивність котушок. При цьому індуктивність тієї котушки, у бік якої перемістився сердечник, зростає, а інший - зменшується. Відповідно змінюється сила струмів, що проходять крізь котушки.
Робота всіх розглянутих датчиків заснована на зміні індуктивності. Існують датчики, робота яких заснована на зміні коефіцієнта взаємної індукції двох котушок. Такі датчики називаються трансформаторними, або індукційними, і містять дві котушки: одна харчується напругою змінного струму, інша є вихідний, і з неї знімається напруга, пропорційне переміщенню якоря або сердечника.
Трансформаторні датчики виконують зі змінним зазором між якорем і сердечником, для вимірювання малих переміщень; зі змінною площею зазору, використовувані для вимірювання середніх переміщень, і з рухомим сердечником, використовувані для вимірювання переміщень з широким діапазоном. Останні мають перевагу перед іншими трансформаторними датчиками, так як сердечник може бути відділений від котушок герметичній трубкою. Такий датчик називають плунжерним.
У деяких випадках вихідна котушка складається з двох котушок W 2 l і W 2 U, що включаються одна назустріч іншій. У деяких датчиків, навпаки, друга котушка може повертатися або переміщатися щодо сердечника. Такі трансформаторні датчики з рухомою рамкою називають ферродінаміческімі.
Особливостями трансформаторних датчиків є можливість великих переміщень якоря і відсутність електричного зв'язку між вимірювальної ланцюгом і ланцюгом електричного живлення. Між ними існує тільки магнітна зв'язок, що в багатьох випадках є перевагою.
Ємнісні датчики
Ємнісний датчик являє собою звичайний плоский або циліндричний конденсатор, зміна ємності якого відбувається або за рахунок переміщення однієї з пластин, або за рахунок зміни діелектричної постійної середовища е, що знаходиться між пластинами. Переміщення пластин викликає зміна ємності завдяки зміні відстані між пластинами б або площі пластин. Всі ємнісні датчики працюють на змінному струмі, як правило, з підвищеною частотою і вимагають звичайно застосування додаткових підсилювачів напруг, тому що сигнал, одержуваний від ємкісних датчиків, має дуже малу величину.Ємнісний датчик зі змінним відстанню між пластинами має одну нерухому і одну рухому пластини, пов'язані з вимірювачем. Завдяки переміщенню рухомий пластини змінюється зазор між пластинами, що призводить до зміни ємності датчика. Для збільшення чутливості і зменшення впливу сторонніх чинників такої датчик зазвичай виконують диференційним, тобто він містить дві нерухомі і одну рухому пластини. При переміщенні рухомого пластини змінюються ємності і між рухомою і нерухомими пластинами.
Ємнісні датчики включають в сусідні плечі мостової схеми.
Ємнісний датчик зі зміною площі пластин складається з ряду нерухомих і рухомих пластин, які повертаються на певний кут. При повороті рухомих пластин по відношенню до нерухомих змінюється величина активної площі датчика, що призводить до зміни ємності датчика.
Ємнісні датчики з мінливих діелектричної постійної середовища можна застосовувати для вимірювання концентрації електролітів або рівня рідини. Зазвичай такі датчики виконують у вигляді двох коаксіальних циліндрів, між якими знаходиться вимірювана рідина. При зміні концентрації електроліту або рівня рідини лінійно змінюється ємність датчика.
Датчики напруги
У датчиків напруги величина вихідної напруги пропорційна значенню регульованого параметра. Зміна значення регульованого параметра призводить до зміни вихідного напруги. До датчиків напруги можуть бути віднесені сельсіни передачі, що працюють у так званому трансформаторному режимі, п'єзоелектричні датчики, термопари, різні тахогенератори та інСельсіни зазвичай виконують за типом асинхронних машин змінного струму, тобто вони мають ротор і статор, на яких покладені відповідні обмотки.
У пазах статора знаходиться трифазна статорна обмотка, причому фазні обмотки в просторі зміщені на 120 °. Ротор сельсина має однофазну, а іноді і трифазну обмотки. Сельсіни деяких типів виконують з трифазною обмоткою на роторі і однофазної - на статорі. Сельсина передача складається з двох сельсинов - датчика СД і приймача СП і може служити як для передачі на відстань кутових переміщень, так і в якості вимірювального пристрою, який виробляє на виході напруга, залежне від кута неузгодженості роторів сельсин-датчика і сельсин-приймача.
Режим роботи сельсинов в схемах передачі на відстань кутових переміщень називається індикаторним.
Основною характеристикою індикаторного режиму роботи сельсином передачі є залежність синхронізуючого моменту від кута неузгодженості між роторами сельсин-датчика (СД) і сельсин-приймача (СП).
Основний статичною характеристикою цього режиму роботи є залежність напруги, індукованого на роторної обмотці СП від кута неузгодженості між роторами СД і СП.
Робота п'єзоелектричних датчиків заснована на п'єзоелектричному ефекті, властивому деяким кристалам. Датчики зазвичай виготовляють з кварцу, так як при сильно вираженому п'єзоелектричному ефект і одночасно високої механічної міцності властивості кварцу мало залежать від температури і відрізняються високими ізоляційними якостями.
Тахогенератори служать для отримання напруги, пропорційного швидкості обертання, і їх використовують як електричні датчики кутовий швидкості. Залежно від виду вихідної напруги їх поділяють на тахогенератори постійного і змінного струму.
Тахогенератори постійного струму конструктивно подібні до
електродвигунів постійного струму і виконані з порушенням як від постійних магнітів, так і від електромагнітів.
Тахогенератори змінного струму поділяють на синхронні та асинхронні.
Тахогенератор синхронного типу являє собою невелику синхронну машину з ротором у вигляді постійного магніту. Вихідна напруга такого тахогенератора має і амплітуду, і частоту, пропорційні швидкості обертання. Зазвичай воно випрямляється напівпровідниковим випрямлячем.
Вихідна напруга цього тахогенератора характеризується змінною частотою, що ускладнює використання його в звичайних схемах змінного струму, і, крім того, тахогенератор нечутливий до зміни напрямку обертання.
Від цих недоліків вільний асинхронний тахогенератор. Конструкція асинхронного тахогенератора подібна до конструкції двофазного двигуна з тонкостінних ротором. Обмотка збудження тахогенератора харчується від мережі змінного струму, а у вихідний обмотці наводиться е.. д. с. змінного струму з частотою мережі і амплітудою, пропорційними величині швидкості. При зміні напрямку обертання фаза вихідної напруги змінюється на зворотну.
Термопари застосовують для точного вимірювання високих температур (100-2000 ° С). Особливо широко їх використовують у металургії для контролю і автоматичного регулювання більшості теплових процесів. Великими перевагами термопар, крім можливості вимірювання високих температур, є їх порівняно мала інерційність, простота і дуже малі габарити одержуваних датчиків.
Принцип дії термопари базується на термоелектричному ефекті, який полягає в тому, що якщо з'єднати кінцями два різнорідних за матеріалом провідника та місця з'єднань помістити в середовища з різними температурами, то в отриманій таким чином електричного кола з'явиться електричний струм через наявність термоелектрорушійної сили (т. е.. д. с). Ця т. е.. д. с. пропорційна по величині різниці температур двох кінців електричного кола і залежить від матеріалів обох провідників
Термопари характеризуються наступними основними властивостями. Абсолютна величина т. е.. д. с. не залежить ні від розподілу температур уздовж однорідних провідників, ні від порядку її відліку. Це означає, що величина т. е.. д. с. не зміниться, якщо, наприклад, нагрівати якусь довільну точку провідника, не змінюючи при цьому температур гарячого і холодного спаїв.
Датчики струму
У датчиків струму зміна регульованого параметра призводить до зміни струму через датчик. Основним типом таких датчиків є фотоелементи, хоча деякі з них служать також датчиками напруги.Принцип роботи фотоелементів заснований на зміні провідності або на виникненні е.. д. с. під дією світлового потоку. У першому випадку відбувається зміна струму в ланцюзі фотоелемента, який живиться від стороннього джерела напруги. Отже, фотоелемент здійснює перетворення світлового потоку в електричну величину - струм. Це явище називають фотоелектричним ефектом.
До електродів фотоелемента підводиться анодна напруга від окремого джерела. Завдяки світловому потоку з катода вириваються електрони, які під дією електричного поля рухаються від катода до аноду. У деяких фотоелементів всередині колби створюється вакуум. Їх називають вакуумними. Для посилення фотоструму в колбу фотоелемента іноді вводять невелику кількість інертного газу (аргону). Такі фотоелементи називають газонаповненими. Можливість запалювання самостійного розряду - суттєвий недолік газонаповненого фотоелемента.
Властивості фотоелементів визначаються їх характеристиками
Спектральною характеристикою фотоелемента називається крива залежності фотоструму від частоти (або довжини хвилі) світла при постійній інтенсивності світлового потоку. Ця крива характеризує розподіл чутливості по спектру випромінювання.Для катодів фотоелементів, призначених для видимої або ближній інфрачервоній області, зазвичай використовують лужні метали, поверхня яких була піддана спеціальній обробці. У цих катодів в певній спектральної області виявляється різкий максимум чутливості.
Для газонаповнених фотоелементів пропорційна залежність фотоструму від світлового потоку справедлива для відносно невеликих значень світлового потоку.
При використанні фотоелементів для вимірювання дуже важливе значення має стабільність їх інтегральної і спектральної чутливості. Як показує досвід, чутливість фотоелементів знижується
Фотоелементи з внутрішнім фотоефектом або фотосопротивлений відносяться до напівпровідникових приладів - їх опір змінюється під дією світла. Вони володіють високою стабільністю величини опору, незначною инерционностью і температурної залежністю, а також майже пропорційною залежністю між фотоструму і світловим потоком.
В даний час поряд з розглянутими фотоелементами в якості датчиків струму починають застосовувати також фотодіоди та фототріоди, в яких використовують чутливість електронно-діркового переходу в напівпровідниках до світлового потоку. Фотодіод включається в ланцюг джерела струму в напрямку зворотної провідності. При відсутності світлового потоку в ланцюзі навантажувального опору, включеного послідовно з фотодіодів, протікає невеликий струм зворотної провідності, так званий темнової струм. Якщо зона електронно-діркового переходу висвітлюється світловим потоком, то струм зростає пропорційно величині світлового потоку. У фототріода за рахунок ефекту посилення чутливість до світлового потоку значно вище, ніж у фотодіода.
Датчики АУС
В даний час промисловість випускає комплекс елементів і пристроїв електронної та пневматичної агрегатних уніфікованих систем автоматичного регулювання та контролю (АУС). Агрегатний принцип побудови систем і уніфікація вхідних і вихідних параметрів дозволяють з порівняно невеликого числа стандартних блоків компонувати різні схеми автоматичного контролю і регулювання.В електронній агрегатної уніфікованої системи (ЕАУС) широко застосовують датчики постійного струму з уніфікованим вихідним сигналом 0-5 (або 0,5 - 5) мА, а також датчики змінного струму з неуніфікованих вихідним сигналом. У пневматичної агрегатної уніфікованої системи часто використовують пневматичні датчики, у яких вихідний тиск змінюється від 20 до 100 кн / м 2 (0,2-1 кг / см 2). Для зв'язку електронних і пневматичних пристроїв служать спеціальні електропневматичні і моелектричним перетворювачі.
У більшості пневматичних датчиків вхідний сигнал перетвориться в переміщення заслінки, яка управляє закінченням повітря з сопла, змінюючи тиск у камері, розташованій перед соплом. Принцип роботи таких пристроїв описаний нижче при розгляді пневматичних підсилювачів, які є часто складовими елементами пневматичних датчиків.
Струнні датчики
Для вимірювання неелектричних величин застосовується і частотний метод, при якому вимірювана величина перетворюється в змінну напругу, частота якого залежить від цієї величини. Перевагою частотного методу вимірювання є те, що в процесі передачі і подальшої обробки частотного вихідного сигналу не виникає додаткової похибки.Найбільший розвиток для перетворення неелектричних величин у частоту отримали струнні датчики. Принцип дії струнного датчика заснований на залежності власної частоти коливань натягнутої струни довжиною і масою від сили натягу. Струнні датчики використовуються в приладах для вимірювання сили, тиску, витрати, температури та ін При впливі на струну вимірюваної сили струна практично не розтягується, тому первинний перетворювач (наприклад, мембрана в датчику тиску) працює, майже не деформуючись.