Материал: Конспект лекций по курсу Электрические и электронные аппараты. Гуляев А.А., Королев Н.И

81

17 ДАТЧИКИ

Датчиком называется электрический аппарат, который производит непрерывное ( пропорциональное) преобразование величины контролируемого параметра в другую электрическую или неэлектрическую величину удобную для фиксации.

По характеру величин, получаемых на выходе электрические датчики делятся на параметрические пассивные и генераторные (активные). К первым относятся те датчики, у которых измерение контролируемой величины приводит к изменению одного или нескольких параметров электрической цепи (например: R, L, С). К генераторным датчикам относятся те, которые сами являются источниками электрической энергии, (например датчики Холла, Термопары....)

Основные требования, предъявляемые к датчикам сводятся к следующему:

1 высокая надежность;

2.чувствительность (без предварительного усиления);

3.непрерывность характеристики; "вход-выход";

4.минимальные весогабаритные показатели;

5.широкий диапазон измерений;

6.отсутствие обратного воздействия;

7.малая инерционность датчика.

Номинальной характеристикой датчика называется зависимость выходной величины от входной (рисунок 17.1), которая приписывается паспортом и используется как расчетная при проведении измерений. Основной характеристикой датчик является его чувствительность

где Y - полное изменение выходной величины; Х - полное изменение входной величины.

Датчики могут быть линейными (S=const) и нелинейными (S=var ). Важным параметром датчика является порог чувствительности - это

минимальное изменение входной величины, вызывающее наименьшее, но обнаружимое без дополнительных устройств изменение выходной величины. Важнейшим параметром датчика является его погрешность. Экспериментальная характеристика "вход-выход" отличается от номинальной на величину погрешности.

82

Различают абсолютную и относительную погрешность датчика по

относительная погрешность равна

где Xвхн- значение входной величины датчика, определяемое по физическому значению входной величины и номинальной характеристике ;

Хд - истинное значение входной величины.

Аналогично могут быть рассмотрены погрешности датчика по выходу. На погрешность оказывают влияние внешние условия: температура, поля, напряжение и частота источника питания и т.д. Погрешности датчика при нормальных значениях, влияющих внешних факторов называются основными.

Контактные датчики (или релейные) - широко используются для выполнения счетных операций и контроля линейных размеров деталей (рисунок 17.2). Различают однопредельные (а) и многопредельные (б) контактные датчики. Простота конструкции обеспечивает высокую надежность и чувствительность (1 мк) датчиков такого типа, которые в основном зависят от работы контактной системы. Напряжения на контактах и ток в них не должны превышать значений необходимых для поддержания дугового разряда (см.раздел "Электрические контакты"). Дугообразование должно быть исключено. Для уменьшения износа контактов желательно применение схемных методов увеличения износоустойчивости. Большое значение для работы датчика имеет выбор материалов контактов. Хорошие результаты получены с контактами из сплава паладий-иридий и сплава вольфрамарения.

Резистивные датчики.

В таких датчиках ползунок переменного сопротивления связан с элементом, перемещение которого контролируется. Применяется как датчик линейных и

угловых перемещений. Зависимость R=f( , x) может быть линейной или нелинейной (например, если каркас имеет переменное сечение) Возможные схемы включения датчиков приведены на рисунке 17.3. Наиболее простой является реостатная схема (рисунок 17.3а).

Широкое применение находит потенциометрическая схема (рисунок 17.3б). Если входное сопротивление измерительной схемы велико, то выходное

напряжение определится в зависимости от расстояния перемещения - x , как

Чувствительность датчика будет

83

Для повышения чувствительности необходимо увеличивать U0 .Однако том растѐт мощность рассеиваемая датчиком. Максимальная чувствительность определяется; как:

где Рmax- наибольшая допустимая мощность резистора R0.

При больших R0 предел увеличения чувствительности ограничен возможностью перекрытия изоляции датчика.

В схеме (рисунок 17.3в) при перемещении ползунка вниз от среднего

положения Uвых имеет одну полярность, а вверх другую.

Чувствительность резистивных датчиков 3-5 В/мм, точность работы датчиков зависит от стабильности U0 и R0. Поэтому для датчиков применяют

материалы с малым ТК . Преимуществом резистивных датчиков является простота кон струкции, высокая точность (до 0,5%), малые весо-габаритные показатели, высокая стабильность.

Главный недостаток - наличие подвижного контакта, ухудшающего надежность и уменьшающего срок службы.

Индуктивные датчики

Рассмотрим простейший датчик (рисунок 17.4а). Пренебрегая магнитным сопротивлением стали, потоками рассеяния и выпучивания в зазорах, индуктивной обмотки L будет равна:

Ток, протекающий в цепи определится:

индуктивных датчиках. На рисунке 17.4б показана зависимость индуктивности L и тока I от зазора . АБрабочий участок. В большинстве конструкций при

ненасыщенном магнитопроводе величина зазора такова, что магнитное сопротивление воздушного зазора намного больше магнитного сопротивления стали, а активное сопротивление нагрузки и катушки на много меньше индуктивного сопротивления катушки. Тогда, пренебрегая Rм.ст и R+Rн

где 4107 Гн/м

характеристика имеет два нелинейных участка: в начале координат - он объясняется неправомерностью пренебрежения Rн.ст на малых зазорах ; при I УСТ. - неравномерностью пренебрежения R+Rн при малых XL.

Величину первоначального зазора необходимо выбирать на середине линейного участка нагрузочной характеристики. Упрощенная формула (17.11) может быть использована на линейном участке АБ. Чувствительность датчика равна

т.е. с увеличением 0 чувствительность датчиков такого типа резко падает. Датчик имеет следующие недостатки:

1. Фаза выходного сигнала не меняется при изменении направления движения якоря ; при необходимости измерять в двух направлениях: необходимо установить 0 и I0 которое зависит от величины питающего напряжения и температуры окружающей среды.

2.Мал линейный участок характеристики "вход-выход ; ток в нагрузке зависит от амплитуды и частоты питающего напряжения.

3.В процессе работы датчика на якорь действует сила притяжения к якорю, которая ничем не уравновешивается и вносит погрешности в работу датчика. Ее величина равна:

зазора, Fэ - постоянна, но для датчиков с большим КI, эти силы могут быть значительны и вызвать изменение положения детали или даже сброс ее.

Указанные недостатки ограничивают область применения одинарных индуктивных датчиков (ОИД) до уровня ступенчатого релейного управления (бесконтактные датчики положения лифтов, транспортеров и т.д.)

Большое применение находят дифференциальные индуктивные датчики (ДИД), представляющие собой два индуктивных датчика с общим якорем

(рисунок 17.5а). При среднем положении якоря одинаковы 1= 2, XЛ1=XЛ2, I1=I2. Но направление токов противоположно и результирующий ток в нагрузочном сопротивлении Rн равен нулю. При отклонении якоря в ту или иную сторону на нагрузке фиксируется разностный ток от изменения индуктивных сопротивлений каждой из катушек.

85

Зависимости токов в каждой из катушек и в нагрузке показаны на рисунке 17.5б. По сравнению с ОИД возрастает крутизна характеристики IН=f( ).Характеристика становится более линейной. На якорь действуют равные ( = 0) и противоположно направленные силы, уменьшающие эффект обратного воздействия на изменяемый объект. ДИД обеспечивают больший

предел измеряемой величины (до 5 10 3 м), большую чувствительность я меньшую погрешность от влияния температур.

Другие конструкции, в частности для фиксации больших перемещений якоря до 1ОО мм - соленоидные, рассмотрены в (1,с. 416).

Для развязки цепей питания и измерения широко применяются трансформаторные датчики (ТД). Принципиальные схемы таких датчиков представлены на рисунке 17.6.

Происходит перераспределение U1 и U2.

Зависимость Uвых.=f( ) представлена на рисунке 17.6б. Контролируемое перемещение в пределах 2мм.

Более совершенной является дифференциальный датчик рисунок 17.6в. Для измерения угла поворота используются датчики с поворотной рамкой рисунок 17.6г. Выходное напряжение в этом датчике пропорционально синусу угла поворота

где Р - число витков рамки; В- максимальное значение индукции в рабочем зазоре; SР - площадь рамки;

- угол поворота.

Имеется большое разнообразие конструкций ТД, относительно большая мощность датчиков (до 10 Вт) позволяет применять их без усилителей.

Динамические свойства датчиков определяются инерционными свойствами подвижной системы.

Магнитоупругие датчики

Основаны на изменении магнитной проницаемости ферромагнитных материалов в зависимости от механических усилий, действующих на них. Эти датчики используются для измерения статических и динамических нагрузок. В

датчиках (рисунок 17.7) при изменении F меняется магнитная проницаемость

, следовательно, индуктивное сопротивление обмотки. Относительная чувствительность датчика