Датчики. Общие сведения, назначение. Классификация. Основные характеристики


Генераторные датчики преобразуют входные (измеряемые) величины в ЭДС



страница7/8
Дата13.02.2020
Размер1.07 Mb.
ТипЛитература
1   2   3   4   5   6   7   8

Генераторные датчики преобразуют входные (измеряемые) величины в ЭДС.

В этих датчиках используется энергия входного сигнала, поэтому для их работы не требуются дополнительные источники питания.



Существует большое разнообразие генератор­ных датчиков.

20

Наибольшее распространение в устройствах авто­матики получили индук­ционные, пьезоэлектрические, термоэлектрические датчики.



3.1. ИНДУКЦИОННЫЕ ДАТЧИКИ

Индукционные датчики преобразуют измеряемую неэлектри­ческую величину в ЭДС индукции.

В этих датчиках используется явление электромагнитной индукции, заключающееся в том, что во всяком контуре, внутри которого с течением времени меняется магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом или электромагнитом, наводится (индуктируется) ЭДС.

Как известно, по закону электромагнитной индукции величина наводимой ЭДС определяется скоростью изменения магнитного потока

е = - w (dФ/dt)

где е — мгновенное значение ЭДС; w – число витков контура;

Ф — магнитный поток.

Чувствительность индук­ционных датчиков зависит от числа витков катушки.



В связи с тем, что наводимая ЭДС зависит от скорости изменения магнитного потока (dФ/dt), индукционные датчики применяют для измерения скорости линейных и угловых перемещений, ускорений, параметров колебаний (амплитуды и частоты).

Из индукционных датчиков наибольшее применение нашли тахогенераторы постоянного и пере­менного тока (асинхронные и синхронные),

представляющие собой небольшие электро­машинные генераторы, у которых выходное напряжение пропорцио­нально угловой скорости вращения вала генератора. Тахогенерато­ры используются как датчики угловой скорости.

Для измерения скорости вращения также при­меняются

импульсные индукционные датчики (рис.3.1), у которых выходной величиной явля­ется частота следования импульсов выходного напряжения.



Рис.3.1. Индукционный датчик: 1- диск, 2 – ось, 3 – отверстие.

Такой датчик содержит постоянный магнит NS, катушку и прерыватель магнитного потока, в качестве которого используется сталь­ной диск с отверстиями или крыльчатка. Диск укрепляется на валу, скорость вращения которо­го нужно измерить.

21

При вращении диска, когда отверстие окажет­ся против катушки, воздушный зазор в магнит­ной цепи увеличивается, магнитный поток уменьшается.



За счет изменения магнитного потока в катушке наводится импульс на­пряжения. Таким образом, за один оборот диска в катушке возни­кает один импульс напряжения. Чтобы за один оборот диска по­лучалось больше импульсов, увеличивают число отверстий.

При этом частота следования импульсов будет пропорциональна ско­рости вращения диска.

Индукционные датчики также применяются для измерения вибраций, скоростей движения и расхода жидких и газообразных потоков и т. д.

3.2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ (ТЕРМОПАРЫ)

Принцип действия термоэлектрического датчика, называемого термопарой, 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).

Термоэлектрические датчики применяются для точного измерения высоких температур (100— 2100° С).

Термопара состоит из двух разнородных проводников {термоэлектродов), одни концы которых сварены (спаяны), а с двух других снимается выходное напряжение (рис.3.2).

Точка спая термоэлектродов, помещаемая в область контролируемой темпера­туры, называется горячим спаем (или рабочим концом термопары). Концы, которые находятся в окружающей среде (атмосфере), и которые обычно присоединяют проводами к измерительной схеме, называют свободными или холодными концами.

Темпе­ратуру этих концов необходимо поддерживать постоянной.



При этом условии термо-ЭДС будет зависеть только от температуры рабочего конца.

Если температура свободных «хо­лодных» концов термопары t1° отличается от температуры горячего спая t2°, то в силу термоэлектрического эффекта в термоэлектро­дах возникает термо-э.д.c. Еt°, пропорциональная разности темпе­ратур. За счет этой э.д.с. появляется выходное напряжение

UВЫХ = Еt° = с(t2° - t1°)

где с — коэффициент пропорциональности, зависящий от материала проводников термопары.

Измерив термо-э.д.с. Еt° при температурах: t2°, равной контро­лируемой, и t1°, равной градуировочной (обычно 0°С), определяют контролируемую температуру t2° по градуировочной таблице (или по статической характеристике). Величину термо-ЭДС Еt° можно измерить прямым методом с помощью магнитоэлектрического милливольтметра.

22



Рис.3.2. Термопара

Термо-ЭДС, развиваемая термопарой, зависит от материала термоэлектродов, из которых она составлена. В качестве материалов термоэлек­тродов преимущественно применяют металл и сплавы, которые, отвечая одновременно и ряду других требований (устойчивость против дей­ствия высоких температур, хорошая электро­проводность, небольшой температурный коэф­фициент

электросопротивления и др.), разви­вают сравнительно большие термо-ЭДС.

Чаще всего используются следующие термопары: хромель-копель (до 600°С — длительный нагрев); хромель-алюмель (до 1000° С); платина-платинородий (до 1300° С); вольфрам-молибден (до 2100°С).

Термо - э. д. с. при макси­мальной рабочей температуре не превышает 10—50 мВ.

Термопары имеют следующие преимущества: простота изго­товления и надежность 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.

3.3. 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.



Датчики, в основе действия которых лежит прямой пьезоэффект, используют для измерения переменных механических усилий.

Заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента под дей­ствием внешних сил, очень мал и сохраняется лишь при отсутствии утечки, т. е. при бесконечно большом входном сопротивлении измерительной цепи.

Поскольку это практически невыполнимо, то необходимо заряд постоянно восполнять, что возможно при воздействии переменных сил.

23

Поэтому пьезоэлектрические пре­образователи применяют только для измерения быстроменяющихся величин: давлений во взрывных процессах, в двигателях внутрен­него - сгорания, звуковых колебаний» вибрационных ускорений.



Пьезоэффектом обладают диэлектрические кристаллы — кварц, турмалин, сегнетовая соль, титанат бария и др.

Наибольшее распространение получил кварц, так как он при наличии сильно
выраженного пьезоэффекта одновременно имеет высокую механическую прочность, отличается высокими изоляционными свойствами, кроме того, его свойства мало зависят от темпера­туры.

Пьезодатчик в простейшем исполнении (рис.3.3) состоит из двух пьезопластии 1, между которыми расположен металлический электрод 2, имеющий изолированный вывод 3. Внешние стороны пьезопластин электрически соединены с корпусом 4. Толщина применяемых кварцевых пластин около 4 мм.



Рис.3.3. Конструкция пьезоэлектрического датчика

Измеряемое усилие

Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница