Датчики линейных и угловых перемещений

Реостатные датчики. Основу этих датчиков составляет реос­тат — плоская или свернутая в кольцо пластина из изоляцион­ного материала, на которую намотана с равномерным шагом изо­лированная проволока (рис. 4.5). Материалом проволоки может быть

84

манганин, константан, нихром или другой сплав с высоким удель­ным электрическим сопротивлением. На грани пластины изоля­ция проволоки зачищается, и по металлу скользит щетка в виде нескольких упругих проволочек или пластины с наваренным кон­тактом. Для повышения износоустойчивости щетки изготавлива­ются из серебра, платины и их сплавов, а давление щетки на провод не превышает 0,1 Н.

Входной параметр плоского реостата — линейное перемеще­ние щетки, а кольцевого — ее угловое перемещение. Выходная величина реостатного датчика — активное сопротивление участка проволоки между щеткой и одним из концов реостата. Хотя изме­нение сопротивления при движении щетки от витка к витку про­исходит ступенчато, выходную величину рассматривают как ана­логовую, так как величина «ступенек» мала. Для уменьшения «сту­пенек» и более плавного изменения сопротивления реостат нама­тывают тонким проводом.

Реостатные датчики используются совместно с поплавком для измерения уровня и объема жидкости (рис. 4.6, а), совместно с механическими упругими преобразователями для измерения силы, давления или момента силы (рис. 4.6, б), их часто используют совместно с исполнительными механизмами для получения ин­формации о перемещении рабочего органа.

Емкостные датчики. В основе работы емкостных датчиков ле­жит зависимость емкости конденсатора С от его геометрических размеров: площади обкладок S и расстояния между ними d:

C = ^ S / d,

где е_а — абсолютная диэлектрическая проницаемость материала, находящегося между обкладками.

Входной величиной емкостного датчика является линейное или угловое (в зависимости от конструкции) перемещение одной об­кладки относительно другой или изменение диэлектрической про­ницаемости вещества, а выходной — изменение электроемкости.

Для измерения малых перемещений (до 1 мм) используют дат­чики с изменением зазора d между обкладками (рис. 4.7, а). Со­вместно с мембранным первичным преобразователем давления

 

 

(рис. 4.7, б) такой датчик может использоваться для преобразова­ния давления в электрический сигнал.

Для измерения больших угловых перемещений используется емкостной датчик с изменяющейся площадью перекрытия обкла­док S, поскольку его емкость линейно зависит от площади, а сле­довательно, и от угла поворота подвижной пластины (рис. 4.8, а). Такие датчики могут применяться, например, для определения угла поворота заслонки на трубопроводе или руля самолета.

Относительно большие линейные перемещения можно изме­рять с помощью цилиндрического емкостного датчика (рис. 4.8, б), у которого площадь перекрытия цилиндрических обкладок, разделенных диэлектриком, прямо пропорциональна продольно­му перемещению одной из обкладок относительно другой.

Аналогичный датчик, выполненный в виде цилиндра с цент­ральным стержнем, может использоваться для измерения влаж­ности материала (например, волокна или зерна), если испытуе­мый материал поместить внутрь цилиндра и использовать его в качестве диэлектрика. Наличие влаги в материале существенно из­меняет его диэлектрическую проницаемость и соответственно ем­кость такого конденсатора.

 

 

   

 

 

К достоинствам емкостных датчиков относятся простота, малые габаритные размеры и высокая чувствительность (до 500 В/мм, если в качестве выходного сигнала рассматривать напряжение на кон­денсаторе). Их недостатками являются большое внутреннее сопро­тивление (а следовательно, малая мощность выходного сигнала), зависимость от температуры и необходимость питания от источ­ника переменного напряжения высокой частоты.

Емкостные датчики применяются для измерения линейных и угловых перемещений, толщины лент и покрытий, влажности материалов.

Электромагнитные датчики. В основу работы электромагнитных датчиков положена зависимость характеристик магнитной цепи от механического воздействия на элементы, образующие эту цепь.

Электромагнитные датчики перемещения состоят из сердеч­ника — магнитопровода, выполненного из стальных или пермаллоевых пластин, феррита или другого ферромагнитного материа­ла, и одной или нескольких обмоток. Магнитопровод имеет под­вижный элемент, перемещение которого является входной величиной преобразователя. Различают два типа таких датчиков: ин­дуктивные и трансформаторные.

Принцип работы индуктивных датчиков поясняет рис. 4.9. Пе­ремещение подвижного элемента — якоря — относительно не­подвижной части сердечника приводит к изменению ширины воз­душного зазора в магнитопроводе. Это, в свою очередь, вызывает изменение индуктивности обмотки датчика, которое и является выходной величиной (поэтому такое название — «индуктивный датчик перемещения»). Штриховыми линиями на рис. 4.9 показан изменяющийся при перемещении якоря магнитный поток.

Функция преобразования — линейная в области малых зазо­ров, поэтому такие датчики применяются для измерения переме­щений от 0,01 мм до нескольких миллиметров.

 

87

 

 

Для измерения перемещений до 15...20 мм используют индук­тивные датчики с изменяющейся площадью зазора (рис. 4.10). Вход­ным параметром также является перемещение подвижного эле­мента, вводимого в зазор магнитопровода.

Для измерения перемещений до 100 мм применяют индуктив­ные датчики соленоидного типа (рис. 4.11). В них индуктивность обмотки прямо пропорциональна длине х введенной в соленоид части подвижного сердечника.

Индуктивные датчики питаются от источника переменного напряжения. Поскольку их индуктивность отлична от нуля при любом, в том числе начальном, положении якоря, они создают большой выходной сигнал даже при нулевом значении входного параметра.

Этот недостаток можно существенно уменьшить применением дифференциальных датчиков (рис. 4.12), в которых используются два неподвижных сердечника с обмотками, включенными встречно. Якорь расположен между сердечниками на одинаковом расстоя­нии от них, поэтому в исходном состоянии магнитные потоки в сердечниках одинаковы, следовательно, одинаковы индуктивно­сти обмоток и напряжения на них, а разность этих напряжений равна нулю.

Когда якорь смещается в сторону одного из сердечников, маг­нитный поток в этом сердечнике увеличивается, а в другом —

 

 

 

уменьшается. Индуктивности обмоток и напряжения на них ста­новятся разными, что приводит к появлению выходного сигнала.

Очень большие перемещения (например, перемещение суппорта металлорежущего станка) можно измерить с помощью индуктивного датчика с зубчатым сердечником (рис. 4.13). При движении датчика вдоль зубчатой линейки, закрепленной на станине стан­ка, индуктивность его обмотки периодически изменяется. Когда торцы сердечника датчика находятся над зубцами линейки, ин­дуктивность обмотки максимальна, а при смещении сердечника в область между зубцами индуктивность уменьшается. Соответственно ток в цепи меняется от минимального до максимального, образуя перепад (импульс). Один импульс соответствует перемещению дат­чика на один шаг зубьев.

Выходная величина такого датчика — количество перепадов тока (импульсов) в цепи обмотки; точность измерения зависит от шага зубьев.

Все индуктивные датчики — параметрические, питаются от источников переменного напряжения, как правило, промышлен-

Рис. 4.14. Схема работы трансфор­маторного датчика

ной частоты 50 Гц. Достоинства­ми индуктивных датчиков явля­ются большое значение выход­ного сигнала, высокая чувстви­тельность, надежность и просто­та; их погрешность — около 1 %. В трансформаторных датчи­ках используется явление изме­ нения взаимной индуктивности обмоток при перемещении подвижного элемента магнитопровода (рис. 4.14) относительно его неподвижной части. Одна из обмоток (первичная) питается от источника переменного напряжения, со вторичной обмотки снимается выходной сигнал.

По внешнему виду датчик похож на обычный трансформатор, используемый для получения переменного напряжения нужной величины. Однако наличие воздушного зазора в магнитопроводе приводит к тому, что магнитный поток в нем, как и в индуктив­ном датчике, зависит от величины зазора. Чем меньше зазор, тем больше магнитный поток и тем большая электродвижущая сила возникает во вторичной обмотке, и наоборот. Таким образом, вход­ной величиной трансформаторного датчика является перемеще­ние подвижного элемента магнитопровода, а выходной — напря­жение на выходе вторичной обмотки. Область измеряемых пере­мещений — от сотых долей миллиметра до нескольких миллимет­ров.

Для измерения перемещений до 100 мм и более используются трансформаторные датчики с распределенными магнитными па­раметрами (рис. 4.15). Вторичная обмотка у них подвижная и мо-

жет скользить по магнитопроводу, магнитный поток в котором показан штриховыми линиями. В пространстве вокруг магнито­провода, как обычно, существует магнитное поле, которое про­низывает подвижную обмотку. В левом положении обмотки маг­нитный поток, проходящий через нее, максимален, как и возни­кающая в ней ЭДС (выходной сигнал датчика). По мере смещения вправо магнитный поток, проходящий сквозь обмотку, уменьша­ется и в крайнем правом положении он минимален, соответственно минимален и выходной сигнал.

Трансформаторные датчики по конструкции и характеристи­кам очень похожи на индуктивные. Они тоже могут быть диффе­ренциальными (рис. 4.16), что также улучшает их характеристики. Но в отличие от индуктивных датчиков трансформаторные датчи­ки можно отнести к датчикам генераторного типа. Хотя они и требуют для своей работы наличия источника напряжения, но сигнал непосредственно на выходе датчика активный — электро­движущая сила, которая может быть легко измерена. Это привело к широкому распространению трансформаторных датчиков пере­мещения, особенно дифференциальных, в автоматических систе­мах контроля и управления.

Трансформаторные датчики, как и индуктивные, надежны, просты, имеют высокую чувствительность и большой выходной сигнал.

Оптические датчики. Основными элементами оптических дат­чиков являются (рис. 4.17) источник излучения, оптический ка­нал и приемник излучения.

Входным параметром оптического датчика, как правило, яв­ляется перемещение объекта, воздействующее на оптический ка­нал (перекрывающее поток света от источника к приемнику);

91

выходным параметром — электрический сигнал (электродвижу­щая сила или ток), формируемый приемником излучения.

В качестве источников излучения используют как лампы нака­ливания, так и светодиоды — полупроводниковые приборы, из­лучающие свет при прохождении электрического тока, а также полупроводниковые лазеры. Светодиоды могут создавать и неви­димое инфракрасное излучение, что позволяет избегать засветки приемника излучения, чувствительного только к инфракрасному излучению, от посторонних источников, в том числе от дневного света.

Оптическим каналом, как правило, является обычная воздуш­ная среда, хотя для передачи оптических сигналов на большие расстояния используют оптоволоконные линии связи.

Приемниками излучения служат вакуумные фотоэлементы или полупроводниковые приборы: фоторезисторы, фотодиоды и фо­тотранзисторы.

В фотоэлементе свет выбивает электроны из металлического внутреннего покрытия колбы и под действием электрического поля электроны движутся в вакууме к аноду, создавая электрический ток.

Фоторезистор — полупроводниковый элемент, в котором дей­ствие света вызывает падение сопротивления полупроводника, в результате чего ток, проходящий через него, растет.

В фотодиоде энергия света преобразуется в электрическую энер­гию благодаря ионизации полупроводника фотонами и возник­новению пар электрон—дырка, накопление которых в зоне р —п-перехода приводит к появлению фотоЭДС. В результате в цепи освещенного фотодиода появляется ток, что используется, в част­ности, для создания солнечных батарей.

В фототранзисторе благодаря наличию второго р —п -перехода происходит значительное увеличение тока в выходной цепи по сравнению с фотодиодом, т.е. чувствительность фототранзистора к свету существенно выше.

Оптические датчики могут преобразовывать перемещение в электрический сигнал как в аналоговом, так и в дискретном ре-

жиме. В первом случае оптический канал имеет ширину до не­скольких миллиметров и перемещение непрозрачного объекта в зоне канала приводит к его частичному, большему или меньше­му, перекрытию. Соответственно изменению освещенности при­емника излучения меняется и выходной сигнал. Метод перекры­тия светового потока используется, например, при воспроизведе­нии звукового сопровождения фильма, записанного на кинопленку. Изменение освещенности фотоприемника применяется также для контроля прозрачности газа или жидкости, помещенных на пути светового потока.

Дискретный режим используется, например, в оптическом датчике компьютерной мыши, принцип работы которого пояс­няет рис. 4.18. Угловое перемещение зубчатого колеса приводит к периодическому перекрытию оптического канала каждый раз, когда колесо поворачивается на угол, соответствующий шагу зубьев. В результате изменения освещенности приемника излу­чения изменяется и значение тока или напряжения на его вы­ходе. Выходная величина датчика — количество импульсов в цепи приемника излучения, причем чем больше перемещение, тем больше количество импульсов и меньше погрешность пре­образования.

Этот же принцип может использоваться и для измерения ли­нейных перемещений; достаточно обеспечить движение датчика вдоль зубчатой линейки подобно тому, как это делается в индук­тивном датчике с зубчатым сердечником (см. рис. 4.13).

Оптические датчики просты, надежны, долговечны, имеют малые массу и размеры, малую инерционность. Их недостатком при работе в аналоговом режиме является влияние на результат преобразования температуры и состояния окружающей среды (за­пыленности, внешней засветки и т.д.).

Датчики скорости

Для работы всех рассмотренных ранее электромагнитных дат­чиков требуется источник питания. В отличие от них индукцион­ные датчики сами способны генерировать электрическую энер­гию, т.е. они относятся к активным (генераторным) датчикам,

93

 

преобразующим механическую энергию внешнего воздействия на них в электрическую энергию. Входной параметр индукционных датчиков — скорость линейного или углового перемещения под­вижной катушки (ротора), в которой и появляется выходной сиг­нал в виде ЭДС.

В индукционных датчиках используется явление электромагнит­ной индукции, т.е. возникновение ЭДС в электрической цепи при изменении магнитного потока, пронизывающего эту цепь. Вели­чина возникающей ЭДС зависит от скорости изменения магнит­ного потока, проходящего сквозь обмотку датчика, поэтому ин­дукционные датчики применяются для измерения скорости ли­нейного или углового перемещения (например, в тахометрах или спидометрах автомобилей). Другим примером индукционного дат­чика является магнитоэлектрический микрофон, преобразующий звуковые колебания мембраны, связанной с перемещающейся в магнитном поле катушкой, в электрические сигналы.

Принцип работы датчика скорости перемещения подвижной катушки, позволяющего изучать характеристики вибрационных процессов, поясняет рис. 4.19.

Датчики деформации

В подразд. 4.2.2 были рассмотрены преобразователи силы и дав­ления в деформацию. Измерив деформацию, можно определить величину вызвавшего ее исходного параметра. Деформация всегда связана с изменением размеров тела, поэтому ее измерение сво­дится к измерению перемещения одних участков поверхности тела относительно других. Если деформация значительна, то можно применить один из рассмотренных ранее датчиков перемещения, например реостатный, емкостной, индуктивный или оптический. Проблемы возникают, когда деформация настолько мала, что определить ее датчиками перемещения невозможно. В то же время эта деформация может быть вызвана приложением достаточно большой силы, которую другим способами измерить невозможно. В таком случае используют тензометрические датчики на основе тензорезисторов.

94

I

Работа этих датчиков основана на тен-

зоэффекте, т.е. изменении активного элек­трического сопротивления проводника при его механической деформации. Как извест­но, сопротивление металлического провод­ника пропорционально его длине и обрат­но пропорционально площади поперечно­го сечения. При растяжении проводника его  длина увеличивается, а площадь сечения уменьшается, и такое двойное воздействие приводит к заметному изменению его со­противления.

Обычно тензорезисторы изготавливаются в виде зигзагообраз­но уложенной и наклеенной на тонкую бумагу проволоки (рис. 4.20) диаметром 0,02...0,05 мм или фольги, покрытой сверху за­щитным лаком. Для удобства дальнейшей обработки сигнала ис­пользуют проволоку из сплавов с высоким удельным сопротивле­нием — манганина, константана или нихрома. Проводящий слой может быть также изготовлен напылением на подложку в вакууме (напыляются не только металлы, но и полупроводники).

Тензорезистор наклеивается на деформирующийся элемент. Выходная величина тензорезистора — изменение сопротивления — пропорциональна деформации элемента. Сопротивление преоб­разуется в напряжение соответствующим устройством нормализа­ции сигналов.

Тензометрические датчики просты, не дороги, имеют линей­ную функцию преобразования, малые габаритные размеры и мас­су. Их погрешность составляет от 0,1 до 5 %.

Недостатками тензодатчиков являются малая чувствительность и небольшой диапазон измеряемых деформаций, слабый выход­ной сигнал, а также зависимость выходной величины от темпе­ратуры. Температура не только влияет на сопротивление тензо­резистора, но и вызывает дополнительную деформацию иссле­дуемого элемента, поэтому приходится проводить предваритель­ную калибровку уже наклеенного тензорезистора (тензорезистор переклеиванию не подлежит, т.е. это изделие разового примене­ния).

Чувствительность полупроводниковых тензометрических датчи­ков примерно в 100 раз выше, чем проволочных, но и влияние, температуры на них гораздо сильнее.

Датчики силы

Для измерения силы можно использовать преобразователи, описанные в подразд. 4.2.2, совместно с датчиками перемещения или деформации. Но существуют датчики, непосредственно пре-

95

образующие силу в электрический сигнал. Рассмотрим два вида таких датчиков: магнитоупругие и пьезоэлектрические.

В основе работы магнитоупругих датчиков лежит изменение магнитной проницаемости ферромагнитных тел под действием приложенной силы. Увеличение силы, приложенной к магнито-проводу (рис. 4.21), ведет к уменьшению магнитной проницаемо­сти материала сердечника и соответственно к уменьшению ин­дуктивности обмотки. В результате изменяется ток в обмотке, ко­торый и является выходной величиной датчика. К сожалению, эти изменения линейны лишь в небольшом диапазоне изменения силы.

В отличие от индуктивных и трансформаторных преобразовате­лей, магнитоупругие датчики имеют сплошной сердечник и мо­гут быть как дроссельного (с одной обмоткой), так и трансформа­торного типов. В датчике трансформаторного типа изменяется ко­эффициент трансформации, за счет чего изменяется выходное напряжение на вторичной обмотке.

Чувствительность магнитоупругих датчиков составляет около 1 мВ/Н. Они могут применяться для измерения как постоянных, так и изменяющихся сил.

В пьезоэлектрических датчиках используется пьезоэффект, ко­торый заключается в возникновении разноименных электрических зарядов на противоположных гранях некоторых кристаллов (кварц) или керамики (титанат бария) под действием силы (рис. 4.22). Раз­ность потенциалов между гранями является выходной величиной такого датчика.

К сожалению, при неизменной приложенной силе разность потенциалов быстро убывает, так как заряды «стекают» с крис­талла через окружающую среду. Поэтому пьезодатчики использу­ют только для измерения изменяющихся сил или ускорений, на­пример при исследовании вибраций. Широко известный пример применения этих датчиков — звукосниматели проигрывателей грампластинок и пьезоэлектрические микрофоны.

Простота и надежность пьезодатчиков обеспечили удобство их применения в автоматических системах.

Датчики температуры

В автоматических системах нашли широкое применение датчи­ки двух видов: на основе термоэлектрических преобразователей (термопар) и терморезисторов.

Термопара — это электрическая цепь, составленная из двух раз­нородных проводников. Место их соединения называют горячим спаем. Если температура спая отличается от температуры свобод­ных выводов проводников, то между выводами возникает элект­родвижущая сила, пропорциональная разности температур между ними и спаем. Таким образом, термопара — это активный (гене­раторный) датчик, способный преобразовывать тепловую энер­гию непосредственно в электрическую — термоЭДС. Выводы тер­мопары помещают в среду с постоянной, в частности комнат­ной, температурой и соединяют с измерительным устройством соединительной линией (рис. 4.23), к материалу которой при точ­ных измерениях предъявляются особые требования.

Величина термоЭДС зависит от материала проводников, обра­зующих термопару, который, в свою очередь, определяется диа­пазоном измеряемых температур. Например:

•       медь—константан — до 300 °С; «медь—никель — до 600 °С;

•      хромель—копель — до 800 °С;

•      хромель—алюмель — до 1 300 °С;

•       платина—платинородий — до 1 600 °С.

В зависимости от материалов термопары величина термоЭДС (выходная величина датчика) составляет от десятков микровольт до десятков милливольт.

Поскольку горячие среды обычно агрессивны, термопару по­мещают в герметичный стальной или фарфоровый корпус, от которого ее электрически изолируют, например асбестом или фарфором (рис. 4.24). Провода термопары должны быть длинны­ми, чтобы их свободные концы можно было поместить в среду с температурой, при которой велась градуировка термопары. Не­смотря на малые габаритные размеры самого спая в целом термо­пара имеет диаметр рабочей части в пределах нескольких милли­метров (от 1 до 10) и длину от 10 до 100 см. Бескорпусные термо­пары могут использоваться для точечного определения темпера­туры, так как размер самого спая менее 1 мм.

Термопары — единственное средство для измерения очень вы­соких температур в диапазоне 1 500... 2 500°С.

Терморезистор — это спираль из проволоки или стержень из полупроводника, помещенные в защитный корпус, подобный корпусу термопары. Высокая теплопроводность корпуса обеспе­чивает передачу теплоты к терморезистору. Как известно, при из­менении температуры сопротивление и проводников, и полупро­водников меняется, но по-разному: с ростом температуры сопро­тивление проводников практически линейно увеличивается, а по­лупроводников — нелинейно уменьшается.

Среди металлических терморезисторов наибольшее рас­пространение получили медные и платиновые. Терморезисторы (термометры сопротивления ТСМ) медные самые дешевые; их используют в температурном диапазоне -50...+180 °С. Терморези­сторы платиновые (ТСП) дорогие, но они работают в более ши­роком диапазоне (-200...+650°С) и являются наиболее точными средствами измерения температуры (погрешность — от 0,001 °С).

Выходная величина терморезисторов — изменение сопротив­ления. Из-за малого собственного сопротивления металлических терморезисторов (десятки ом) на результат преобразования силь-

 

 

, но влияет сопротивление линии связи, что вынуждает к приня­тию специальных мер, в частности, использованию трех- или че-тырехпроводных линий связи терморезистора с измерительной це­пью устройства нормализации сигналов (рис. 4.25). В такой линии относительно большой ток питания терморезистора / протекает по одной паре проводов, создавая в ней заметное падение напря­жения, зато информационный сигнал в виде напряжения на тер­морезисторе U передается в измерительную цепь практически без потерь, так как ток в этой паре проводников из-за высокого вход­ного сопротивления измерительной цепи очень мал.

Большая инерционность терморезисторов (до нескольких ми­нут) не позволяет применять их для измерения быстрых перепа­дов температуры.

Полупроводниковые терморезисторы обладают более вы­сокой чувствительностью, меньшими габаритными размерами и позволяют измерять температуры, близкие к абсолютному нулю (от -270 °С). Их основной недостаток — существенная нелиней­ность функции преобразования при очень большом диапазоне из­менения собственного сопротивления (см. табл. 4.1), что осложняет построение измерительных цепей. Так, сопротивление терморезис­тора ТПК-620 при температуре -269 °С составляет около 10 000 Ом а при +20 "С — всего 0,002 Ом.

Большинство полупроводниковых терморезисторов имеют ра­бочий диапазон -50...+300 °С, в котором их сопротивление изме­няется от сотен килоом до сотен ом. Конструктивно они могут быть похожи на обычные резисторы либо могут быть заключены в металлический или стеклянный корпус.