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

86

Для увеличения чувствительности желательно, чтобы материалы имели высокую проницаемость А и небольшую индукцию насыщения. Поэтому для таких датчиков широко применяется пермалой.

Погрешности датчика вызываются колебаниями питающего напряжения

(изменяются начальные значения А и магнитоупругий эффект), температуры (изменяются сопротивление обмотки и магнитоупругий эффект) и магнитоупругим гистерезисом. Поэтому датчики должны питаться от стабилизированного источника; для компенсации температурной погрешности в плечи измерительного моста включается компенсационный датчик; для компенсации погрешностей от гистерезиса, достигающих 4%, применяются материалы с узкой петлей гистерезиса. Напряженность магнитного поля должна приближаться к напряженности насыщения. Максимальная механическая нагрузка не должна превышать 1/7 предела упругости.

Кроме магнитоупругого эффекта в технике часто применяется обратный - магнитострикционный эффект. Сущность его проявляется в том, что при подключении обмотки на переменное напряжение определенной частоты близкой к частоте механического резонанса магнитной системы), линейные размеры магнитопровода начинают меняться в довольно больших пределах с резонансной частотой. Магнитострикционный эффект используется для создания вибраторов различного типа.

Индукционные датчики - используют явление электромагнитной индукции. Этот принцип реализуется, если проводник или катушка двигается в магнитном поле, при этом изменяется потокосцепление, связанное с проводником или катушкой и в них возникает ЭДС. Индукционные датчики

При подключении на выход дифференцирующих или интегрирующих цепочек выходной сигнал пропорционален ускорению и линейному перемещению. Простейший датчик изображен на (рисунок 17.8). Контроль частоты вращения осуществляется тахогенераторными или импульсными датчиками. Тахогенератор постоянного тока - это генератор малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов. Выходное напряжение определяется, как

Е к n

Чаще применяется асинхронный тахогенератор переменного тока

(рисунок 17.9). Обмотка статора -1 питается от сети переменного тока частотой 4OO Гц. Обмотка 2 неподвижна и повернута относительно обмотки 1 на 90°. Алюминиевый ротор 3 связан с валом, скорость которого контролируется. При неподвижном роторе поток обмотки 1 не наводит в обмотке 2 ЭДС, т.к. оси обмоток сдвинуты на 90°. При вращении ротора в нем индуктируются ЭДС и токи, пропорциональные частоте вращения. Эти токи создают поперечное магнитное поле с частотой питающей обмотки, в обмотке 2 под действием магнитного поля ротора возникает ЭДС, амплитуда которой пропорциональна

87

угловой скорости ротора Е . При питании обмотки 1 постоянным током обмотка 2 выдает ЭДС пропорциональную угловому ускорению контролируемого вала.

На рисунке 17.10 представлен принцип действия импульсного датчика. Стальной зуб, проходя мимо рабочего зазора, резко меняет сопротивление магнитной системы постоянного магнита. При нарастании магнитного потока в обмотке появляется прямой импульс тока, при спадании - обратный. Число импульсов в единицу времени подсчитывается специальным счетчиком. Достоинством датчика является высокая точность.

Тензодатчики

Принцип их работы основан на эффекте изменения активного сопротивления некоторых материалов под действием усилий (динамических и статических). Различают три типа тензодатчиков. Различают три типа тензодатчиков.

1.Проволочные - конструктивно выполняются в виде плоской проволочной катушки, закрепленной на эластичном изоляционном материале. Измерение сопротивления датчика при действии растягивающих усилий производится мостом. Датчики выполняются с малой базой L= 2-7мм, R=5-10 Ом, средней базой L=10-30 мм R=100-400 Ом и большой базой L > 30 мм, R=400-600 Ом. Главный недостаток - большие температурные погрешности (особенно при динамических деформациях).

2.Фольговые датчики конструктивно выполняются также как проволочные, но вместо проволоки на эластичном изоляторе нанесена фольга ( напылением в вакууме, гальванической печатью и др. способами. Такой способ закрепления проводника значительно увеличивает теплоотдачу в изолятор, а, следовательно, уменьшает погрешности измерений. Одновременно улучшается восприимчивость к деформациям, чувствительность и надежность конструкции. Материал обеих типов датчиков - константан; фольговые - толщиной 2-10 мкм, сопротивление 30-250 Ом.

3.Полупроводниковые датчики - используют так же тензоэффект, но при во воздействии на некоторые полупроводники по сравнению с 1, 2 они имеют значительно большую чувствительность (>300), больший уровень выходного сигнала, малые размеры, повышенную точность, больший срок службы.

Раньше были разработаны многокомпонентные датчики (на основе

графита + кварцевый песок + бакелитовая смола). Но они имеют недостаточную механическую прочность, неустойчивость характеристик (до 20%) и гистерезис измерений (до 3%). Поэтому, в последнее время в основном используются кристаллические полупроводниковые датчики на основе германия, кремния или арсенида галлия.

Пьезодатчики - работают на основе пьезоэлектрического эффекта, сущность которого заключается в том, что на гранях некоторых кристаллов кварц, титанат бария, сигнетова соль, турмалин и др) при их сжатии или растяжении появляются заряды - это прямой пьезоэффект. Он используется в основном для исследования динамических процессов (например, выстрел) т.к.

88

собственная частота датчика велика. Обратный пьезоэффект (при внесении в электрическое поле, силовые линии которого совпадают с направлением пьезооси, происходит сжатие или растяжение кристалла) применяется для исследования мощных переменных электрических полей и для создания ультразвуковых облучателей. Наилучшими пьезопараметрами обладает кварц - большая механическая прочность, независимость параметров от температуры, линейность характеристик, малая стоимость.

Датчики Холла

Основаны на возникновении в полупроводнике с током Iп, помещенном в магнитное поле с индукцией В, ЭДС которую принято называть ЭДС Холла ЕX

(рисунок 17.11). Физически ЭДС Холла обусловлена влиянием магнитного поля на траекторию пролета электронов проводимости полупроводника (силы Лоренца).

Датчики Холла широко применяют в области магнитных измерений, изготовляют их из различных материалов (германий, кремний и др.), но конструкции они могут быть пленочными или кристаллическими.

Основной характеристикой датчика является Е=f(B), она должна быть линейной, мало зависимой от температуры.

Термодатчики. В качестве термодатчиков используют термосопротивления или термопары.

Термосопротивления выполняют металлическими или полупроводниковыми ; используют известный эффект зависимости сопротивления материалов от их температуры.

Металлические Термосопротивления конструктивно выполняются в виде катушек или проводников из чистых металлов - платины или меди. Основной характеристикой является зависимость сопротивления от температуры (рисунок 17.12) , крутизна которой определяется температурным

коэффициентом удельного сопротивления - TК .

Датчики из меди имеют большое TК ( 0,004), т.е. имеют большую чувствительность, однако при высоких температурах подвержены сильному окислению. Поэтому на воздухе широко (вследствие дешевизны) применяются при температурах -50-150 С.В вакууме или среде инертного газа возможно использование до температур 700°С ( так же как и железо ,"армко"), например в баретторах . Датчики из платины используются на более высокие температуры (до 1400 0 С). Основные типы -TCI1 (платиновый), ТСМ (медный). Сплавы металлов применяются редко из-за ухудшенной стабильности характеристик и низкого значения ТК . Полупроводниковые термосопротивления изготовляют или из смеси сплавов СuО, СоО, МnО или из чистых полупроводников - Gе, Si. Обладают очень высокой чувствительностью (в 6-10 раз больше металлических), сопротивление их с ростом температуры уменьшается по нелинейному закону (рисунок 17.13 ). Обычно (в зависимости от конструкции) имеют очень малую тепловую инерцию 0,01С (в отличии от

89

металлических), но имеют также значительный разброс параметров что затрудняет их взаимозаменяемость)

Термопарные датчики

Сущность их заключается в том, что если два разнородных металла А и В (или полупроводника) соединить и поместить их срезы в среды разными

температурами t0 и t1, то в контуре этих проводников возникает термоЭДС, которая в определенном интервале температур будет пропорциональна

разности температур t1-t0, рис. Цепь из двух разнородных материалов называется термопарой, спаи - холодным и горячим. С точки зрения электронного строения металлов возникновение термоЭДС объясняется разной работой выхода электронов из разнородных металлов. Термопары нашли широкое применение при измерении температур от 100 до 2000°С. Они хороши тем, что к ним удобно подключать третий проводник (для присоединения миллиамперметра, который не вносит существенных погрешностей в измерения, если температура концов этого проводника одинакова.

Термобатареи применяются для измерения малых перепадов температур (т.к температура одной термопары термоЭДС невелика 0,01 - 0,07 мВ на 100 С. Дифференциальной соединение двух термопар дают возможность измерять

разность температур, t1 - t2, при этом полярность термоЭДС показывает в какой точке температура выше.

Основной характеристикой материалов термопары является их нормированная термоЭДС на (10 C по сравнению с нормальным электродом, которым вследствие устойчивости физических параметров выбрана платина). Различают термопары из благородных металлов платина - платиноиридий), из неблагородных металлов (ХА - хромель - алюминий, ХК - хромель - капель) и из полупроводниковых материалов (ТГК - германий-кремний). Наиболее чувствительными являются полупроводниковые термопары.

Емкостные датчики - параметрические устройства, принцип работы которых основан на воздействии на один из параметров, определяющих емкость конденсатора. Так, например, емкость плоского конденсатора определяется по известной формуле

Из формулы видно, что изменять емкость плоского конденсатора можно путем влияния на диэлектрическую проницаемость , площадь перекрытия пластин S и расстояние между пластинам d.

Т.о. можно сконструировать датчик чувствительный к изменению, например,

влажности (за счет ), угла поворота (за счет изменения площади перекрытия S пластин конденсатора) и т.д. Достоинствами датчиков такого типа являются высокая чувствительность, малые вес и габариты, малое обратное воздействие и высокая приспособляемость к измерению самых разнообразных параметров. Конструкции датчиков очень разнообразны. Эти датчики имеют и

90

существенные недостатки: необходимость специального устройства (моста) для измерения емкости ; необходимость специального питания (частотой 1 КГц

относительные изменения ХС, что сильно снижает чувствительность датчика, необходима экранировка датчика необходимо (как правило) усиление выходного сигнала датчика.