Датчики сопротивления

Датчики индуктивности

Емкостные датчики

Датчики напряжения

Датчики тока

Свойства фотоэлементов определяются их характеристиками

Датчики АУС

Струнные датчики

Магнитоупругие датчики

Чувствительные элементы или датчики

Датчиком называется первичный элемент автоматической системы, реагирующий на изменение физической величины, характеризующей процесс, и преобразующий эту величину в другую, удобную для работы последующих элементов. Статической характеристикой датчика является зависимость изменения выходной величины от изменения входной.

Чувствительностью датчика, или его коэффициентом усиления, называется крутизна статической характеристики.

Датчики можно классифицировать либо по тем величинам, которые они должны измерять (датчики давления, датчики уровня), либо по тем параметрам, в которые преобразуются измеряемые величины (датчики сопротивления, датчики индуктивности). Более рациональная классификация по второму признаку, так как два индуктивных датчика, служащие для измерения различных величин (например, давления, уровня), сходны между собой и имеют близкие конструктивные и эксплуатационные характеристики. В то же время емкостный и индуктивный датчики, служащие для измерения одной и той же величины, сильно отличаются друг от друга по конструкции, схеме и характеристикам.

Так как многие физические величины предварительно преобразуются в одну и ту же механическую величину - перемещение (например, изменение уровня преобразуется в перемещение поплавка), то значительная часть датчиков может быть сконструирована в виде устройств, преобразующих перемещение в ту или иную выходную величину. По выходному параметру датчики могут быть классифицированы следующим образом: датчики сопротивления, датчики индуктивности, датчики емкости, датчики напряжения, датчики тока, датчики фазы, датчики частоты, датчики числа импульсов, датчики длительности импульса, датчики давления (пневматические или гидравлические).

В некоторых случаях осуществляется несколько стадий преобразования регулируемого параметра, например из механической величины сначала в какую-либо другую (например, тепловую, световую и т.д.), а затем уже в электрическую или пневматическую.

Датчики сопротивления

Основными типами датчиков сопротивления являются потенциометрические датчики, угольные датчики, тензометры и термометры сопротивления.

Потенциометрические датчики применяют чаще всего для измерения перемещений. Главное их достоинство в простоте и отсутствии необходимости последующего усиления. Основными недостатками их являются наличие скользящего электрического контакта, необходимость относительно больших перемещений движка и значительного усилия для его перемещения. Простой реостат, изменяющий ток в электрической цепи при перемещении его движка, почти не используют в автоматике ввиду значительной нелинейности его характеристики.

Угольные датчики применяют в основном для измерения больших усилий и давлений. Обычно угольный датчик имеет вид столбика из графитовых дисков, на концах которого находятся контактные диски и упорные приспособления, воспринимающие измеряемые усилия. Сопротивление такого столбика электрическому току складывается из собственно сопротивления графитовых дискови переходного контактного сопротивления поверхностей их соприкосновения. Из-за неровности поверхностей графитовых дисков их соприкосновение происходит не по плоскости, а по отдельным точкам. Если угольный датчик подвергнуть сжатию, то площадь соприкосновения графитовых дисков увеличивается и переходное контактное сопротивление уменьшается. Это свойство и используют в угольном датчике.

Существенными недостатками угольных датчиков являются нелинейность характеристики, нестабильность сопротивления и значительный (до 5%) гистерезис, т.е. различие между сопротивлением для одних и тех же величин усилий при сжатии и последующем снятии сжимающего усилия.

Область применения угольных датчиков ограничена измерением больших усилий и давлений, не требующих большой точности.

Тензометры изготовляют либо из тонкой проволоки, либо из особой массы - тензолита. В обычном исполнении проволочный датчик представляет собой тонкую (15-60 мк) проволоку, сложенную в виде решетки и обклеенную с двух сторон папиросной бумагой. Такой элемент приклеивают прочным клеем к детали для измерения ее деформации. Измерение деформации основано на изменении сопротивления проволочки при ее растяжении или сжатии, происходящем при деформации детали. Тензолитовые датчики, выполняемые в виде стерженьков диаметром до 1 мм, также наклеивают на деталь; они изменяют сопротивление при ее деформации.

Тензодатчики широко применяют для измерения деформации деталей в самых различных областях техники. Они характеризуются малым относительным изменением сопротивления не более 1%, что требует измерительных схем высокой чувствительности.

Статическая характеристика проволочных датчиков имеет линейный вид, т.е. чувствительность проволочных датчиков практически постоянна. Для измерения применяют проволочные датчики из материала типа константана с небольшой чувствительностью (порядка 2), но с малым температурным коэффициентом сопротивления.

Сопротивление таких датчиков обычно равно 100 - 200 Ом. С целью повышения чувствительности (до 3-4) применяют датчики из сплавов типа элинвара, характеризуемых относительно высоким температурным коэффициентом сопротивления. Сопротивление таких датчиков выбирают равным 500-1000 Ом. Для увеличения чувствительности применяют включение в мостовую схему двух или даже четырех одинаковых проволочных датчиков.

Термометры сопротивления получили широкое распространение для измерения температур различных сред в пределах от - 50 до +800° С.

Действие электрических термометров сопротивления основано на свойстве некоторых материалов менять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

Для изготовления термометров сопротивления используют медь, никель, сталь, платину и другие металлы. Медь применяют при измерении температур в пределах до 180° С, сталь и никель до 300° С в атмосфере, свободной от влаги и коррозионных газов, особенно сернистых; платину от - 200 до +900° С в агрессивных средах. Сопротивление таких датчиков выбирают равным 40-100 Ом.

В последнее время в качестве термометров сопротивления используют термисторы, которые изготовляют из полупроводников, представляющих собой оксиды, сульфиды, карбиды металлов с большим отрицательным температурным коэффициентом.

Термисторы изготовляют прессованием и обжигом измельченных и очищенных материалов, а затем покрывают защитным слоем эмали или лака, имеющих одинаковый с исходными материалами коэффициент расширения.

Датчики индуктивности

Принцип работы датчиков основан на изменении индуктивного сопротивления катушки со сталью. Датчики индуктивности широко применяют благодаря их существенным достоинствам: простоте, надежности и отсутствию скользящих контактов; возможности непосредственного использования показывающих приборов за счет относительно большой величины отдаваемой электрической мощности; возможности работы на переменном токе промышленной частоты.

Основной областью применения индуктивных датчиков является измерение угловых и линейных механических перемещений. Изменение входного параметра в датчиках индуктивности преобразуется в изменение индуктивности катушки благодаря перемещению якоря, сердечника или катушки.

Индуктивные датчики применяют только на относительно низких частотах (до 3000-5000 Гц), так как на высоких частотах резко возрастают потери в стали на перемагничивание и реактивное сопротивление обмотки.

Для устранения недостатков, свойственных рассмотренному датчику индуктивности, которые состоят в том, что для измерения перемещения якоря в обоих направлениях необходимо иметь начальный воздушный зазор, т.е. и начальную силу тока, из-за чего создается неудобство в измерении, значительные погрешности от колебаний температуры и питающего напряжения, а также для устранения электромеханического усилия притяжения якоря, зависящего от величины воздушного зазора, применяют дифференциальный индуктивный датчик.

Датчики индуктивности с подвижным сердечником содержат две одинаковые катушки, расположенные на одной оси. Внутри катушек перемещается сердечник цилиндрической формы, связанный с измерителем. Если сердечник расположен симметрично относительно катушек, то индуктивные сопротивления катушек одинаковы. При перемещении сердечника в ту или другую сторону изменяется индуктивность катушек. При этом индуктивность той катушки, в сторону которой переместился сердечник, растет, а другой - уменьшается. Соответственно изменяется сила токов, проходящих через катушки.

Работа всех рассмотренных датчиков основана на изменении индуктивности. Существуют датчики, работа которых основана на изменении коэффициента взаимной индукции двух катушек. Такие датчики называются трансформаторными, или индукционными, и содержат две катушки: однапитается напряжением переменного тока, другая является выходной, и с нее снимается напряжение, пропорциональное перемещению якоря или сердечника.

Трансформаторные датчики выполняют с переменным зазором между якорем и сердечником, для измерения малых перемещений; с переменной площадью зазора, используемые для измерения средних перемещений, и с подвижным сердечником, используемые для измерения перемещений с широким диапазоном. Последние имеют преимущество перед другими трансформаторными датчиками, так как сердечник может быть отделен от катушек герметической трубкой. Такой датчик называют плунжерным .

Датчик является ключевым элементом СРВ и должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно. При оценке и сравнении измерительных преобразователей необходимо учитывать следующие их основные свойства:

1. Воспроизводимость функции преобразования . Возможность изготовлять преобразователи с заранее предусмотренными характеристиками является необходимым условием выпуска взаимозаменяемых преобразователей.

2. Постоянство во времени функции преобразования . При изменении с течением времени функции преобразования приходится повторять градуировку, что крайне нежелательно, а в некоторых случаях невозможно (преобразователь работает в недоступном месте).

3. Для облегчения унификации выходного сигнала преобразователей с целью использования их с цифровыми измерительными приборами, измерительными информационными системами и вычислительными машинами наиболее желательна функция преобразования y=f(х) линейного вида .

4. Важными характеристиками преобразователя являются его погрешности и чувствительность . Основная погрешность преобразователя может быть обусловлена принципом действия, несовершенством конструкции и технологии изготовления и проявляется она при номинальных значениях внешних факторов.

5. Обратное воздействие преобразователя на измеряемую величину . Преобразователи оказывают обратное влияние на измеряемую величину, искажают ее, вызывая изменение выходного сигнала.

6. Динамические свойства преобразователя . При изменении входной величины в преобразователе возникает переходный процесс, характер которого зависит от наличия в преобразователе элементов, запасающих энергию (двигающиеся детали, электрические конденсаторы, катушки индуктивности, детали, обладающие теплоемкостью и т. д.). Переходный процесс проявляется в виде инерции – запаздывания реакции преобразователя на изменение входной величины.

При измерении быстро изменяющихся величин преобразователь работает в нестационарном режиме, а поэтому при оценке качества преобразователей необходимо учитывать их динамические характеристики, которые в значительной мере определяют точность измерения. Динамические свойства преобразователя в соответствии с ГОСТ 8.256– 77 могут быть охарактеризованы полными и частными динамическими характеристиками. Обычно от преобразователя требуется, чтобы он вносил минимальное запаздывание в процесс преобразования. Кроме рассмотренных свойств, при оценке преобразователей учитываются также и другие показатели качества их работы; влияние внешних факторов (температуры, давления, вибрации и т. д.), взрывобезопасность, устойчивость к механическим, тепловым, электрическим и другим перегрузкам, удобство монтажа и обслуживания, габариты, масса, удобство градуировки, стоимость изготовления и эксплуатации, надежность и т. д.

Большая часть характеристик датчика, которые приводятся в техническом описании – статические параметры :

1. Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины.

2. Разрешение – наименьшее изменение измеряемой величины, которая может быть зафиксирована и точно показана датчиком.

3. Линейность – не описывается аналитически, а определяется, исходя из градуировочной кривой датчика. Близость этой кривой к прямой линии определяет степень линейности.

4. Рабочий диапазон – определяется верхним и нижним пределами значения входной величины.

Динамические (параметры) характеристики датчика (рис. 5.9 ):

– время прохождения зоны нечувствительности – время между началом изменения физической величины и моментом реакции датчика;

– запаздывание – время, через которое показание датчика первый раз достигнет 50 % установившегося значения;

– время нарастания –время, за которое выходной сигнал увеличивается от 10 % до 90% установившегося значения;

– время переходного процесса (время установления ) – время, начиная с которого отклонения выхода датчика от установившегося значения становится меньше заданной величины, например, ± 5 %.

Характеристики измерительных преобразователей неэлектрических величин . Зависимость выходной величины измерительного преобразователя у от входной х выражается уравнением преобразования у =f (х ) Уравнение преобразования (функцию преобразования) обычно приходится находить экспериментально, т. е. прибегать к градуировке преобразователей. Результаты градуировки выражаются в виде таблиц, графиков или аналитически.

Часто у преобразователей выходной сигнал у зависит не только от входной измеряемой величины х , но и от внешнего фактора Z , т. е. функция преобразования в общем виде y=f (х, Z ). В этом случае при градуировке определяется ряд функций преобразования при разных значениях Z . Знание функций преобразования при разных значениях влияющего фактора позволяет тем или иным способом (введением поправки, автоматической коррекцией) учесть влияние внешнего фактора. Чувствительность S всего измерительного устройства прямого преобразования, состоящего из последовательного ряда измерительных преобразователей, определяется по формуле

S =S 1 S 2 S 3 …S n ,

где S 1 , S 2 , S 3 ... S n – чувствительности преобразователей, образующих канал передачи информации.

Каждый преобразователь имеет свою погрешность, и, очевидно, максимальная погрешность всего измерительного устройства, построенного по методу прямого преобразования, окажется равной сумме погрешностей отдельных преобразователей. Поэтому, несмотря на простоту и быстродействие приборов, построенных по методу прямого преобразования, для точных измерений неэлектрических величин применяют метод уравновешивания. При этом чувствительность измерительного устройства определяется формулой

S =K /(1+K β),

где К – коэффициент передачи цепи прямого преобразования; β – коэффициент передачи цепи обратного преобразования.

При выполнении условия К β>> 1 погрешность измерительного устройства будет определяться только погрешностью цепи обратного преобразования. Значения выходных величин большинства первичных преобразователей – термопар, терморезисторов, ионизационных преобразователей, газоанализаторов и других – незначительны и находятся обычно в диапазоне 10 –6 –10 –2 В и 10 –10 –10 –5 А. Без предварительного усиления малые напряжения и токи невозможно ни измерить, ни передать по линиям связи без существенных погрешностей. В связи с развитием операционных интегральных усилителей для параметрических преобразователей широко применяют мостовые цепи с автоматическим уравновешиванием.

Схема моста следящего уравновешивания со статической характеристикой приведена на рис. 5.10. Здесь R 1 – медный терморезистор, предназначенный для измерения температуры, а остальные плечи моста образованы резисторами R 2 R 4 и R 3 +R M .

Пусть при измеряемой температуре сопротивление R 1 =R 3 +R M и R 2 =R 4 , тогда напряжение на диагонали U а б, подаваемое на вход усилителя, также равно нулю и ток указателя I ук =0. При возрастании сопротивления R 1 усилитель будет давать на выходе такой ток I yк, чтобы падение напряжения на резисторе R М уравновешивало прирост напряжения на резисторе R 1 . Таким образом, мост будет оставаться в равновесии и шкала прибора будет линейна при приращениях ΔR 1 , а сопротивление R М определит масштаб соотношения между ΔR 1 и I yк.

Погрешность, вносимая соединительной линией (каналом связи), рассматривается как составляющая методической погрешности, входящей в суммарную погрешность измерений неэлектрической величины. Точность результата такого измерения может быть оценена приближенной максимальной погрешностью по формуле

|δ max |=|δ пп |+|δ иц |+|δ еr |+|δ м |,

где δ max – предел допускаемой относительной погрешности измерения неэлектрической величины; δ пп – максимальное значение относительной погрешности первичного преобразователя; δ иц – относительная погрешность измерительной цепи; δ еr – относительная погрешность измерения выходного показывающего прибора; δ м – методическая погрешность.

Анализ мостовой схемы . Сопротивления плеч моста могут быть как активными, так и реактивными, а источник питания н могут меняться местами, при этом чувствительность моста также изменяется. Мосты проектируют так, что напряжение на измерительной диагонали отсутствует, если на дифференциальный преобразователь не воздействует входная величина. Так, когда якорь дифференциального индуктивного преобразователя включенного в мостовую схему находится в среднем положении, сопротивления его плеч Z 1 и Z 2 равны между собой, их значения принимаем за Z 0 .

Для упрощения анализа можно считать, что дифференциальный преобразователь состоит из двух простых преобразователей. При перемещении якоря сопротивление одной секции становится равным Z 1 =Z 0 + DZ 1 , сопротивление другой Z 2 =Z 0 – DZ 2 . Изменения сопротивлений DZ 1 =Z 1 –Z 0 и DZ 2 =Z 0 –Z 2 , соответствующие некоторому перемещению якоря относительно его среднего положения, в общем случае не равны между собой в силу нелинейности функции преобразования. Однако, если перемещение мало, то их различия незначительны. Положим, что при малых перемещениях якоря относительно его среднего положения изменение сопротивлений линейно зависит от перемещения якоря х . Так, в индуктивных преобразователях при перемещении якоря сопротивление первичной обмотки Z 1 одного простого преобразователя возрастает, а другого Z 2 – примерно на столько же уменьшается. При этом

DZ 1 =DZ 2 =DZ .

Если сопротивление нагрузки R н достаточно велико (режим холостого хода), то выходное напряжение моста равно

U вы x = – =
,

где U – напряжение питания. В качестве Z 1 и Z 2 включаются одинаковые резисторы.

При отсутствии входного воздействия сопротивления Z 1 =Z 2 =Z 0 . Кроме того, обычно выбирают Z 3 =Z 4 . В этом случае, когда деформация тензорезистора отсутствует (e= 0), U x = 0.

При входном воздействии, выходное напряжение моста пропорционально разности сопротивлений тензорезисторов:

U вы x = .

Мостовая цепь является дифференциальной, следовательно, в ней компенсируются аддитивные погрешности. С применением мостовой цепи приборы строятся по дифференциальной схеме первого или второго типа.

При использовании дифференциальной схемы первого типа, т.е. при Z 1 =Z 0 + DZ и Z 2 =Z 0 , выходное напряжение цепи равно

U вы x = .

Изменения сопротивлений преобразователей обычно невелики, и можно считать, что напряжение на измерительной диагонали моста изменяется пропорционально DZ/Z. В этом случае функция преобразования мостовой схемы в режиме холостого хода характеризуется чувствительностью:

S сх = =U /4,

где U х – напряжение на измерительной диагонали при изменении сопротивления преобразователя, равном DZ.

При использовании дифференциальной схемы второго типа, когда Z 1 =Z 0 + DZ и Z 2 =Z 0 –DZ , выходное напряжение и чувствительность в режиме холостого хода увеличиваются вдвое:

U вы x = , а S сх = =U /2.

Это определяющий параметр при выборе датчика. Он определяется в области номинальных параметров как отношение изменения сигнала ∆S к соответствующему изменению измеряемой величины “m”

Эта характеристика определяется изготовителем датчика и позволяет оценить выходной сигнал, зная пределы изменения измеряемой величины, т.е. сделать выбор датчика для измерительной системы в соответствии с требованиями измерений.

Размерность «S» зависит от принципа работы датчика и природы измеряемой величины:

Ом/ 0 С для терморезистора, мкВ/ 0 С – для термопары (см. Вт -1 Гц 1/2 для обнаружительной способности фотоприемника.

Чувствительность датчика зависит от:

Физического принципа, лежащего в основе его работы;

Выбора материала датчика;

Размера датчика (часто);

Устройства датчика;

Измерительной схемы;

Температуры окружающей среды;

Величины или частоты напряжения питания;

Частоты изменения измеряемых величин.

При зависимости от величины напряжения питания;

S (U п.) = S 1 U п ∆S/∆m.

Для датчиков, содержащих полупроводниковые элементы большое влияние на чувствительность оказывает температура. Поэтому, определяя чувствительность таких датчиков всегда указывают температуру при которой проведено измерение и коэффициент изменения чувствительности от температуры (коэффициент преобразования).

Для термотранзистора AGP коэффициент преобразования К = 156 при 24 0 С, а dK/dT = -2,3∙10 -3 / 0 С.

Для PbS ∆E = 0,4 эВ при 295 и dЕ/dT = 4,5∙10 -4 эВ/К.

Большое влияние на чувствительность оказывает частота изменения измерительной величины (чем > f, тем > может быть влияние). Это связано обычно с механической, тепловой и электрической инерцией датчика или устройства связанного с ним, которое мешает мгновенному следованию сигнала за измеряемой величиной. Наиболее часто это связано с элементами электрической схемы (R, C, L), в которых происходят переходные процессы. Причинами могут быть физические принципы работы датчика.

В зависимости от частоты изменения “m” различают статический режим работы и динамический.

В первом случае “m” изменяется медленно, или оно постоянно (поток излучения, ускорение).

Во втором случае “m” изменяется быстро (модулируемый поток излучения, ускорение, связанное с вибрациями).

Некоторые датчики могут работать только в динамичном режиме (микрофон, пироэлектрический датчик).

Чувствительность в статическом режиме определяется по наклону статической характеристики в рабочем диапазоне.

Это связано обычно с механической, тепловой и электрической инерцией датчика или устройства, связанного с ним, которая мешает мгновенному следованию сигнала за измеряемой величиной. Наиболее часто это связано с такими элементами электрической схемы, как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, в которых происходят переходные процессы. Причинами могут быть и физические принципы работы датчиков.

Если эти процессы не постоянны, то чувствительность будет зависеть от рабочего диапазона. На линейном участке зависимости отношение S/m = Rj называется статическим коэффициентом преобразования.

Динамичная чувствительность определяется, если “m” является периодической функцией времени. В этом случае S будет иметь ту же периодичность, что и “m”. Зависимость чувствительности в динамичном режиме от частоты изменения измеряемой величины, является частотной характеристикой датчика.

При f → 0 чувствительность в динамичном режиме стремится к значению статической чувствительности.

Если измеряемая величина описывается выражением

m(t) = m 0 + m 1 cos wt,

где m 0 – постоянная составляющая, на которую накладывается синусоидальная переменная с амплитудой m 1 и частотой f = w/2π, то выходной сигнал приобретает форму:

S (t) = S 0 + S 1 cos (wt + φ),

где S 1 амплитуда переменной составляющей выходного сигнала, возникающая от изменения измеряемой величины.

φ – сдвиг фаз между изменениями S на входе и выходе.

Связь между “S” и “m” в общей форме представляет собой дифференциальное уравнение, которое в зависимости от конкретного случая может быть уравнением 1 ого или 2 ого порядка.

Зависимость S = f(t) называется амплитудно - частотной характеристикой (АЧХ).

Для систем 1 ого порядка при f → 0, S f = S 0 , тоже при f< .

f c = B – называется полосой пропускания. Это диапазон частот, в котором ордината частотной характеристики уменьшается относительно своего максимального значения не больше, чем в 2 раза или на 3 дБ. Единица измерения 1 дБ это 0,1 десятичного логарифма отношения мощностей сигнала звуковой или электромагнитной природы. 3 дБ – это соответственно S f /S 0 = 0,3 (log2 = 0,3).

Т.е. для систем первого порядка полоса пропускания B равна f c , где f c – некая граничная частота.

Системами 2 ого порядка моделируются многие комбинированные датчики.

Лекция 4–6

Любой измерительный прибор можно рассматривать как преобразователь измеряемой величины G, который представляет эту величину в виде численных значений {G} и выдает результат в удобной для его восприятия и дальнейшего использования форме. На рисунке 2 изображена обобщенная модель измерительного прибора, где измеряемая величина G представлена входной величиной x e , а отображением измеренного значения {G}[G] является выходная величина x a . Это преобразование реализуется функциональным элементом, который носит название чувствительного элемента, или первичного измерительного преобразователя (ПИП).

Рис. 2. Обобщенная модель измерительного прибора

Микроэлектронные ПИП с выходными электрическими или оптическими сигналами называют сенсорами. Нередко ПИП именуются также датчиками (несмотря на популярность термина «датчик» он не рекомендован государственным стандартом в нашей стране в качестве предпочтительно используемого. Смысл этого понятия – «давать» информацию, т.е. самостоятельно генерировать сигнал, что не соответствует свойственной ПИП функции преобразования измеряемой величины в сигнал, пригодный для дальнейшего использования).

В сравнительно простых средствах измеряемая величина отображается непосредственно в виде выходной величины. Часто, однако, выходные сигналы ПИП подвергаются вторичному преобразованию, что связано с требованиями дальнейшей обработки сигналов. При этом должна существовать однозначная функциональная зависимость между измеряемой величиной, т.е. оригиналом, и ее отображением. Обычно стремятся к тому, чтобы эта зависимость при измерительном преобразовании была линейной и функция x a =f (x e) – уравнение преобразования ПИП – графически отображалась прямой линией.

Чувствительные элементы и датчики являются одним из основных элементов автоматических систем. Они предназначены для изменения и контроля различных физических величин (параметров производственных процессов): температуры, давления, влажности, концентрации растворов, частоты вращения и т.д. Как правило, чувствительный элемент реагирует на изменение параметра и преобразует это изменение в вид, удобный для дальнейшего использования в автоматической системе. В большинстве случаев требуется изменение неэлектрической величины преобразовать в изменение электрической величины. Конструктивно оформленная часть автоматической системы, в которой изменяемая величина одновременно преобразуется в другую физическую величину, более удобную для ее дальнейшего использования в автоматической системе, называется датчиком. Датчик включает в себя чувствительный элемент. Однако на практике и в технической литературе часто не делают различия между понятиями «чувствительный элемент» и «датчик».

Датчики представляют собой весьма разнообразные устройства. Это объясняется физической природой измеряемых величин (параметров процесса) и различием принципов, положенных в основу их измерения. Обычно датчики классифицируются по измеряемой величине (температуре, расходу жидкости, влажности материала и т.п.) и параметру, в который преобразуется сигнал чувствительного элемента (омическое сопротивление, индуктивность, емкость и т.п.).

Чувствительные элементы (датчики) могут быть контактными и бесконтактными. В первом случае в момент измерения чувствительный элемент соприкасается с контролируемым веществом, во втором измерение происходит без соприкосновения.

Датчики, используемые в автоматических устройствах, могут быть параметрическими и генераторными. Параметрические датчики преобразуют изменение контролируемой величины, обычно неэлектрической, в изменение параметров электрической цепи. Генераторные датчики преобразуют изменение контролируемой величины в ЭДС.

Основными требованиями, предъявляемыми к датчикам, являются: высокая чувствительность, линейность зависимости выходной величины от входной и малая инерционность. Датчик как элемент автоматической системы осуществляет преобразование контролируемой величины, ее называют входной величиной x 1, в другую - выходную величину х 2 . Под чувствительностью S понимают отношение приращения Δx 1 к приращению Δx 2:

Переходя к пределу при Δx 1 -> 0, получим выражение для дифференциальной чувствительности S Д:

Чувствительность может иметь размерность (например, мВ/град, Ом/мм и др.) и быть безразмерной величиной.

Иногда пользуются показателем относительной чувствительности η:

,

где х 10 и х 20 - заранее выбранные базисные значения входной и выходной величин датчика. В этом случае чувствительность всегда будет безразмерной величиной.

Ниже мы рассмотрим некоторые важнейшие типы датчиков.

В автоматических системах широко используется механические чувствительные элементы, входной величиной которых является перемещение. Это объясняется тем, что различные физические величины, например сила, момент силы, давление, температура, скорость, ускорение, геометрические размеры тел, сравнительно просто преобразуются в пространственные перемещения, функционально связанные с количественным значением этих величин. Эти перемещения затем преобразуются в функционально связанные с ними электрические параметры - силу тока, напряжение, индуктивность, емкость.

Наиболее распространенными датчиками с преобразованием перемещений в электрические величины являются реостатные (потенциометрические), электротензометрические, индуктивные и емкостные.

Реостатные датчики преобразуют перемещение чувствительного элемента в изменение тока или напряжения. На рисунке 3 представлены (реостатные датчики, включаемые по схеме потенциометра.

Выходной ток I н и напряжение U H однозначно связаны с положением движка (при постоянном значении напряжения питания U ), а при достаточно большом сопротивлении нагрузки (R н >> R ) и равномерной намотке проводника практически обеспечивается линейная зависимость или , т.е. реостатный датчик представляет собой делитель напряжения с линейным или угловым перемещением движка. Чувствительность таких датчиков определяется выражением для линейного перемещения s движка (рис. 3а) и для углового перемещения α движка (рис. 3б).

Рис. 3. Реостатные датчики

У такого рода датчиков имеются существенные недостатки, обусловленные наличием скользящего контакта. Например, перемещение движка в пределах одного витка обмотки не вызывает изменения выходной величины, поэтому возникает погрешность, связанная со ступенчатым изменением выходной величины U н при плавном изменении входной s или α.

Обычно обмотку датчика изготовляют из манганиновой или константановой проволоки. В наиболее ответственных случаях обмотку датчика изготовляют из тонкой (d = 0,03 мм) платиновой иридиевой проволоки, обеспечивающей хороший контакт при очень малом давлении движка на обмотку.

К группе реостатных относятся угольные датчики, которые преобразуют передаваемое на них усилие в электрическое сопротивление или напряжение. Схема одного из угольных датчиков показана на рисунке 4а. Он состоит из графитовых дисков, собранных в виде столбика 1. Столбик состоит из 10-15 дисков диаметром 5–10 мм и толщиной 1­2 мм. На концах столбика имеются контактные диски 2 и упорные конструкции 3 , через которые передается давление. Электрическое сопротивление такого датчика складывается из собственного сопротивления графитовых дисков и переходного сопротивления на контактных поверхностях между этими дисками. С увеличением давления переходное контактное сопротивление датчика уменьшается.

На рисунке 4б представлена кривая зависимости сопротивления датчика от приложенного усилия Р, которая приближенно выражается зависимостью

,

где R г - суммарное собственное сопротивление графитовых дисков; μл – постоянный коэффициент; Р – приложенное к датчику усилие.

Дифференциальную чувствительность угольного датчика можно найти, продифференцировав предыдущее выражение по Р:

.

На практике чаще пользуются относительной чувствительностью

где ΔR - изменение сопротивления датчика при изменении его длины на Δl .

Рис. 4. Угольный датчик

Недостатком угольных датчиков является нелинейность характеристики, нестабильность ее во времени, значительная зависимость сопротивления от температуры окружающей среды и существенный гистерезис (до 8 %).

Для измерения малых перемещений (доли миллиметра), упругих деформаций, вибраций чаще всего используются электротензометрические элементы , представляющие собой проволочные датчики, деформация которых преобразуется в изменение электрического сопротивления. Такой проволочный датчик (тензометр) представляет собой тонкую (d= 0,02 ... 0,05 мм) проволоку 1 (рис. 5), зигзагообразно наклеенную на изоляционное основание 2 - обычно тонкую бумагу. Наиболее часто употребляется константановая или нихромовая проволока, к концам которой прикрепляются медные выводы 3. Датчик клеем (БФ-2, БФ-4, силиконовым или другим) укрепляется на детали и деформируется вместе с ней. При проведении измерений тензометр обычно включают в плечо мостовой измерительной схемы.

Рис. 5. Тензометр

Индуктивные датчики применяют для измерения и контроля механических перемещений в пределах 0,01-50 мм. Однако некоторые из них, т.н. плунжерные индуктивные датчики, могут применяться для измерения перемещений, достигающих десятков сантиметров.

Схема простейшего якорного индуктивного датчика показана на рисунке 6а. Входной величиной в данном случае является воздушный зазор δ, изменяющийся при перемещении ферромагнитного якоря 1, а выходной - ток i при постоянном напряжении U: ,

где – сопротивление катушки 2 датчика; R - активное сопротивление катушки; ω - частота тока; L - индуктивность катушки датчика.

Рис. 6. Якорный датчик

Индуктивность L , Гн, катушки можно вычислить по приближенной формуле:

,

где - число витков катушки; F - площадь сечения магнитопровода.

Так как активное сопротивление катушек значительно меньше индуктивного, т.е. R <<L , приближенно можно принять

Примерная зависимость i = f (δ) приведена на рисунке 6б. Эта зависимость линейна в достаточно широком диапазоне изменения зазора 6. Когда активное сопротивление становится coизмеримым с индуктивным, линейность нарушается.

Чувствительность индуктивного датчика можно определить из выражения (1):

На рисунке 7 показана принципиальная схема плунжерного индуктивного датчика. В этих датчиках используется свойство катушки индуктивности изменять свое сопротивление при введении в нее ферромагнитного сердечника. Для питания индуктивных датчиков используется переменный ток промышленной (50 Гц), а иногда и более высокой частоты (до нескольких килогерц).

Рис. 7. Плунжерный индуктивный датчик

Емкостные датчики представляют собой конденсатор, емкость которого изменяется при изменении измеряемой неэлектрической величины, в частности величины перемещения. Таким образом, у емкостных датчиков входной величиной является линейное или угловое перекрещение, а выходной - электрическая емкость. Примеры емкостных датчиков приведены на рисунке 8.

Рис. 8. Емкостные датчики

Емкость С плоского конденсаторного датчика с изменяющимся расстоянием между пластинами (рис. 8 а ) определяется по формуле:

где - диэлектрическая постоянная; F - активная площадь конденсатора; δ - расстояние между пластинами.

Tаким образом, при изменении расстояния δ между пластинами будет изменяться емкость датчика. Дифференциальная чувствительность S Д датчика в этом случае определится по формуле:

.

Емкостные датчики с изменяющимся расстоянием между пластинами используют для измерения очень малых перемещений – до 10 -6 м. Такая высокая точность достигается включением датчика в плечо мостовой схемы, питаемой напряжением высокой частоты.

Емкостной датчик с угловым перемещением а показан на рисунке 8б. Емкость такого конденсатора можно определить по формуле:

где F - активная площадь конденсатора при α=0; δ - расстояние между пластинами.

У этого датчика входной величиной является α, а выходной С.

Дифференциальная чувствительность:

.

Схема цилиндрического емкостного датчика показана на рисунке 8в. Здесь емкость изменяется при относительном осевом перемещении цилиндров, образующих конденсатор:

,

где δ – величина перекрытия внутреннего цилиндра наружным; r 1 и r 2 – радиусы соответственно внутреннего и внешнего цилиндров.

Дифференциальная чувствительность определяется по формуле:

Магнитоупругие датчики основаны на явлении магнитоупругого эффекта – изменении магнитной проницаемости у феррометаллов при упругой деформации. Упрощенная схема магнитоупругого датчика приведена на рисунке 9а. Он состоит из магнитопровода с катушкой индуктивности. При упругой деформации магнитопровода его магнитная проницаемость μ изменяется, в результате чего изменяется полное электрическое сопротивление катушки , т.к. .

В качестве материала магнитоупругих датчиков обычно применяют никелево-железные сплавы. Зависимость относительного изменения магнитной проницаемости от механического напряжения:

в области упругих деформаций приведена на рисунке 9б.

Для магнитоупругих датчиков различают два вида чувствительности: электрическую

и магнитную

.

Общая чувствительность датчика

.

Рис. 9. Магнитоупругий датчик

Рис. 10. Пьезометрический датчик

Датчик этого типа обладает высоким быстродействием и небольшими размерами. Существенным его недостатком является большая температурная погрешность, которая доходит до 1 % на 1 °С. Это заставляет применять специальные схемы для компенсации температурных погрешностей. Питание схемы с подобными датчиками осуществляется от источника переменного тока повышенной частоты (5-10 3 ... 5-10 4 Гц).

Пьезоэлектрические датчики , используемые чаще всего для измерения и контроля быстроизменяющихся давлений, деформаций и т. п., основаны на пьезоэлектрическом эффекте. Сущность этого эффекта состоит в появлении зарядов на гранях кристалла при его механических деформациях. В таких датчиках обычно используются пластина (или несколько пластин), особым образом вырезанная из кристалла турмалина, кварца или сегнетовой соли. В качестве материала для пластин широко используется титанат бария.

При действии силы Р вдоль так называемый электрической оси кристалла на границах пластины возникают электрические заряды q различных знаков, величина которых определяется зависимостью:

где k 0 - пьезоэлектрическая постоянная, или модуль.

Эти датчики, являющиеся генераторными, представляют собой пластину, помещенную между обкладками. Возникающее между обкладками напряжение U равно:

где С - емкость датчика; С 0 - емкость присоединяемой к датчику измерительной схемы (емкость проводов, емкость измерительного устройства).

Дифференциальная чувствительность датчика:

Из вышеприведенного выражения следует, что на чувствительность датчика существенно влияет С 0 , увеличение которой приводит к уменьшению чувствительности.

Для увеличения чувствительности датчик составляют из нескольких пластин, расположенных столбиком (рис. 10) и соединенных параллельно. В этом случае:

где п – число пластин датчика. Из выражения (4) найдем

Сравнивая выражения (4) и (5), можно сделать вывод, что использование в пьезоэлектрических датчиках нескольких пластин приводит к повышению чувствительности благодаря уменьшению влияния емкости С 0 .

Среди электромашинных датчиков наиболее распространенными являются тахогенераторы постоянного и переменного тока. Они служат для получения напряжения, пропорционального частоте вращения, и используются как электрические датчики угловой скорости.

Тахогенераторы постоянного тока (рис. 11) выполняются с возбуждением от постоянного магнита (рис. 11а) или от внешнего источника постоянного тока (рис. 11б). ЭДС тахогенератора определяется выражением:

где k е - коэффициент, зависящий от конструкции и схемы якоря; Ф -поток возбуждения; - угловая скорость.

Рис. 11. Тахогенераторы

При постоянном потоке возбуждения (Ф = const) ЭДС Е зависит только от частоты вращения якоря. Чувствительность тахогенераторов:

составляет ~ 10 мВ/мин -1 . Характеристика тахогенератора Е = f(n ) приведена на рисунке 11в. Видно, что с увеличением нагрузки R н характеристика становится нелинейной и чувствительность уменьшается.

Фотоэлектрические датчики , реагирующие на изменение светового потока, в качестве чувствительного элемента содержат фотоэлементы различных типов. Фотоэлементами называют устройства, служащие для превращения энергии света в энергию электрического тока.

Фотоэлектрические датчики широко используются для измерения и контроля различных параметров производственных процессов - температуры, уровня жидкости, концентрации растворов прозрачности газовой среды, для учета, сортировки и отбраковки штучных изделий (деталей, коробок и т.п.), для контроля состояния поверхности тел в автоматических системах, для слежения за срезом детали при ее обработке по контуру и т.д.

Фотоэлементы по принципу их действия можно разделить на две группы. К первой группе относятся фотоэлементы, использующие явление внешнего фотоэффекта, когда под действием светового потока освободившиеся электроны покидают вещество, т.е. возникает электронная эмиссия. Такие приборы называются фотоэлементами с внешним фотоэффектом. Ко второй группе относятся фотоэлементы с внутренним фотоэффектом. Это могут быть фотосопротивления, у которых под действием светового потока изменяется электрическая проводимость вещества, и фотоэлементы с запирающим слоем (вентильные фотоэлементы), у которых под действием светового потока возбуждается собственная ЭДС.

На рисунке 12а показано устройство фотоэлемента с внешним фотоэффектом (электровакуумный фотоэлемент). В стеклянном баллоне, из которого выкачан воздух, в среде вакуума или инертного газа (чаще аргона) помещены два электрода - анод 1 и катод 2. Анод фотоэлемента представляет собой круглую пластину или кольцо, а катод наносится на внутреннюю поверхность стеклянного баллона фотоэлемента в виде тонкого светочувствительного слоя (обычно сурьмяно-цезиевого). Схема включения фотоэлемента с внешним фотоэффектом показана на рисунке 12б. В цепь анода включается источник постоянного напряжения (150-200 В) и сопротивление нагрузки R н . При освещении фотоэлемента в анодной цепи возникает ток, создающий на сопротивлении нагрузки некоторое падение напряжения.

Рис. 12. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом

Количество электронов, испускаемых источником при фотоэффекте, прямо пропорционально световому потоку, падающему на поверхность металла. Следовательно, сила тока фотоэлектрической эмиссии

где Ф – световой поток, лм; k ф - коэффициент пропорциональности.

Чувствительность фотоэлемента

измеряется в микроамперах на люмен. В газонаполненных сурьмяно-цезиевых фотоэлементах чувствительность может достигать 150–200 мкА/лм, тогда как в вакуумных приборах она составляет 20–30 мкА/лм.

На pисунке 12б приведены световые характеристики фотоэлемента с внешним фотоэффектом, показывающие зависимость сил тока фотоэлемента от сотового потока.

Фотосопротивления подставляют собой полупроводниковые фотоэлектрические приборы, в которых используется свойство полупроводников увеличивать свою электропроводность под действием света. Получая энергию от светового потока, электрон переходит в зону проводимости пропорционально энергии светового потока, не выходя за пределы полупроводника. Если к концам такого полупроводника приложить разность потенциалов, то сила протекающего в этой цепи тока будет зависеть от освещенности полупроводника. При этом в отличие от фотоэлементов с внешним фотоэффектом фотосопротивление не обладает односторонней проводимостью, а одинаково проводит электричество в обоих направлениях.

Схема устройства фотосопротивления показана на рисунке 13а. На решетку из проводников 1 испарением в вакууме нанесен тонкий слой полупроводника 2. Наиболее светочувствительными полупроводниками являются селен, сернистый таллий, сернистый свинец, сернистый висмут и сернистый кадмий. Фотосопротивления монтируются в пластмассовом корпусе, снабженном штырьками для включения в схему. Для доступа света к светочувствительной поверхности в корпусе сделано окно.

Рис. 13. Фотосопротивление

При изменении освещенности решетки меняются электрическое сопротивление фотоэлемента и сила тока I ф в цепи. У всех фотосопротивлений зависимость силы фототока I ф от величины светового потока Ф при постоянном напряжении питания U имеет нелинейный характер и может быть представлена выражением

где 0 <п < 1.

Как видно из рисунка 13б, с увеличением освещенности чувствительность

падает, а наибольшую чувствительность такие фотоэлементы имеют при малых освещенностях. Однако чувствительность фотосопротивлений значительно больше, чем фотоэлементов с внешним фотоэффектом.

Недостатками фотосопротивлений являются нелинейность характеристики, инерционность, значительная температурная погрешность.

Фотоэлементы с запирающим слоем (вентильные фотоэлементы: принципиально отличаются от фотосопротивлений тем, что являясь генераторными датчиками, не требуют для своей работы внешнего источника питания. Благодаря энергии светового потока, в них создается ЭДС, которая используется для получения электрического тока в цепи нагрузки. Таким образом, в вентильных фотоэлементах происходит преобразование световой энергии в электрическую.

Схема устройства фотоэлемента с запирающим слоем показана на рисунке 14а. Элемент состоит из тонкой полупрозрачной пленки золота 1 , запирающего слоя 2 , слоя полупроводника 3 и металлического электрода 4.

Рис. 14. Фотоэлемент с запирающим слоем

В качестве полупроводника используют закись меди, селен, сернистый таллий, кремний. Запирающий слой при соответствующей термической обработке образуется на границе полупроводника с золотом. Обладая односторонней проводимостью (детектирующим свойством), он не позволяет электронам, освободившим под действием светового потока, возвращаться обратно. Вследствие этого на контактных электродах (между пленкой золота 1 и электродом 4 появляется ЭДС. При замыкании фотоэлемента на сопротивление нагрузки в образующейся цепи пройдет ток, сила которого I ф зависит от освещенности фотоэлемента.

Световые характеристики фотоэлемента с запирающим слоем при различных значениях сопротивления нагрузки R н приведены на рисунке 14б. С увеличением R н нарушается линейность зависимости I ф = f (Ф) и уменьшается чувствительность фотоэлемента.

Для достижения высокой чувствительности датчика давления обычно используется большой кристалл со сложной структурой. Но такая структура приводит к тому, что на датчик заметное влияние оказывает гравитация и вибрация. Как можно избежать этих противоречий?

Кристаллы датчиков давления AllSensors используют проприетарную технологию Collinear Beam2, зарегистрированную как COBEAM²™. Эта технология совершила прорыв в искусстве создания пьезорезистивных датчиков по сравнению с обычной технологией деформации кремния. Технология COBEAM² ™ позволяет получить высокий уровень чувствительности датчика давления, который раньше требовал сложной структуры и огромной топологии кристалла. За счет устранения сложной структуры значительно сокращаются влияния гравитации и вибраций.

AllSensors производит четыре разновидности датчиков давления:

• с базовым выходом (некомпенсированный датчик),
• с мВ выходом (компенсированный датчик),
• с усилителем,
• с цифровым выходом.

Базовые датчики обеспечивают некомпенсированный и некалиброванный мВ выходной сигнал. Эти датчики имеют необработанный выходной сигнал без компенсации ошибок, например, таких, как влияние температуры. При использовании базовых датчиков, OEM производители обычно добавляют свою схему компенсации. Базовые датчики являются низкобюджетными решениями, что чаще всего соответствует требованиям OEM производителей.

Так же AllSensors предлагает датчики с компенсацией и калиброванным мВ выходом. Эти датчики имеют термокомпенсацию и калибровку смещения и шкалы, что позволяет получить более точные данные. Кроме того производитель выпускает датчики с усиленным выходным сигналом. Этот тип датчика подойдет для решений, не имеющих собственного усилителя и который по каким-либо причинам, например, уменьшение габаритных размеров или энергопотребления, не может быть установлен на плату.

И, наконец, производитель производит датчики с цифровым выходом. Датчики с термокомпенсацией доступны в трех температурных диапазонах:

• коммерческий (5 ⁰C…50 ⁰C),
• промышленный (-25 ⁰C…85 ⁰C),
• военный (-40 ⁰C…125 ⁰C).

О компании: AllSensors специализируется на производстве датчиков давления с акцентом на датчики низкого давления для медицинского и промышленного применения. Диапазон измерения давления выпускаемой продукции от 0.01 до 150 psi.

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться .

• Очень полезная новинка в плане наличия модификаций датчиков с компенсацией, начальной калибровкой и цифровым сопряжением. Только вот не согласен, что заявленную технологию можно считать прорывом. Первопричиной наличия «большого кристалла со сложной структурой» в полупроводниковых тензодатчиках является необходимость компенсировать на этапе производства нелинейность температурных характеристик и упругих свойств тензорезисторов. Кроме того, в рабочем диапазоне деформаций и температур эти характеристики сильно плывут от образца к образцу ещё на этапе формирования p-n переходов. Отсюда и замысловатые узоры, сформированные в плоской структуре датчика. У меня есть несколько отечественных корпусных тензодатчиков С50 со штоком и без (датчики перемещения и датчики давления). Насколько я знаю, их используют на АЭС и прочих ответственных объетках АСУ, возможно в военке. Вместо классических диффузионных тензорезисторов на полупроводнике там использована технология «кремний на сапфире» (могу ошибаться, возможно использован другой диэлектрик). Внутри – произведение искусства (кто понимает)! Характерные размеры «кристалла» пластины датчика где-то 5*5 мм при толщине такой подложки 0,05-0,1мм. «Внутри» полупрозрачной пластины – целый «город» из микрометровой плёнки кремния, выращенной на поверхности. Это, в общем-то, ювелирное изделие тонкой работы, можно долго рассматривать через лупу. Четыре вывода подпаяны к корпусу золотой проволокой. Запитываются током. Метрологические характеристик очень высоки. Во всяком случае, наиболее интересные для нас соотношение сигнал/шум на микрометровых перемещения штока в 10 раз лучше показателей, полученных на стенде с обыкновенными тензорезисторами и альтернативными датчиками на магниточувствительных микросхемах. К сожалению, под рукой нет камеры с высоким разрешением, чтобы сфотографировать сам монокристалл. Внешне выглядят вот так http://icm-tec.com/index3_14.htm (вторая строка таблицы снизу). Аналогичные по начинке датчики «Сапфир» широко используются в теплоэнергетике. Но это разработки чуть ли не 30-летней давности, наверняка с бесконечными переспективами минюатиризации (не знаю состояния вопроса). Я убеждён, что всегда есть возможность найти OEM-компоненты с достаточно высоким классом точности для конкретной задачи. Ведь вопрос «революционности» технологии как таковой – это всегда вопрос стоимости. В этом смысле полезным было бы сравнение решений тех или иных производителей тензопреобразователей в рамках заданного класса точности. Но подобных "срезов" рынка не встречал.

Новости