Датчик скорости

 

Содержание

 

Введение	Стр. 2
Общие свойства датчиков	Стр. 3
Датчики скорости	Стр. 7
Основные виды датчиков скорости	Стр. 8
Заключение	Стр. 13
Список использованных источников	Стр. 14
Приложение 1: внешний  вид некоторых моделей датчиков скорости.	Стр. 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

За последние годы в технике измерения и регулирования  параметров различных процессов  всё более и более возрастает роль отрасли изготовления и применения датчиков. Эта отрасль, постоянно  развиваясь, служит основой создания разнообразных вариантов систем автоматического регулирования.

Такое развитие обусловлено  прежде всего гигантским прогрессом микроэлектроники. Широкий спектр применений микро-ЭВМ в бытовой технике, автомобилестроении и других областях промышленности всё  в большей мере требует недорогих датчиков, выпускаемых крупными сериями. Как следствие этого появляются новые интересные и в то же время недорогие устройства на датчиках.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Общие свойства датчиков

 

На датчик могут одновременно воздействовать различные физические величины (давление, температура, влажность, вибрация, ядерная реакция, магнитные и электрические поля и т. д.), но воспринимать он должен только одну величину, называемую естественной величиной .

На рисунке 1 показано устройство воспринимающей системы. Датчик возвращает некую величину , зависящую от , которая затем поступает на предварительную обработку.

 

Рис. 1. Устройство воспринимающей системы  с получением, обработкой и преобразованием сигнала: - первичный процесс, - вторичный процесс, - измерительный мост, Amp – усилитель.

 

Функциональную зависимость  выходной величины датчика от естественной измеряемой величины в статических условиях, выраженную аналитически, таблично или графически, называют статической характеристикой датчика.

Статическая чувствительность представляет собой отношение малых  приращений выходной величины к соответствующим малым приращениям входной величины в статических условиях. По определению, статическая чувствительность равна или, переходя к пределу, будем иметь

.

Это соотношение является постоянным, когда выходная величина (выходной сигнал) представляет собой линейную функцию входной величины (выходного сигнала). Если имеется нелинейная функция, то должны быть указаны точки, к которым относится данная чувствительность. В некоторых случаях чувствительность может быть представлена в виде наклона секущей между двумя характеристическими точками статической нелинейной характеристики.

Понятие статической  чувствительности аналогично понятию  коэффициента усиления; градиента; коэффициента чувствительности.

Чувствительность датчика –  это, как правило, именованная величина с разнообразной размерностью, зависящей  от природы входной и выходной величин.

Понятие чувствительности можно распространить на динамические условия работы. При  этом под чувствительностью подразумевают отношение скорости изменения выходного сигнала к соответствующей скорости изменения входного сигнала:

.

В случае периодических, в частности синусоидальных, сигналов чувствительность может быть определена как отношение амплитуд выхода и входа.

Под порогом чувствительности датчика  понимают минимальное изменение  измеряемой величины (входного сигнала), вызывающее изменение входного сигнала. Наиболее характерным показателем  качества датчика является полный диапазон датчика, выражаемый отношением

,

где - естественный предел измерения; - порог чувствительности датчика.

Для каждого типа датчиков существует практически достижимый предел величины , определяемый принципом действия и характеристиками чувствительного элемента.

Гистерезисом называют неоднозначность  хода статической характеристики датчика  при увеличении и уменьшении входной  величины.

Для упругих элементов (мембраны, пружины и т. д.) в понятие гистерезис также включают понятие упругое последействие.

Гистерезис относится в общем  случае к случайным погрешностям, так как его величина определяется не только значениями входной величины, но и временными характеристиками работы датчика. Гистерезис выражается в процентах

,

где - изменение выходной величины в рабочих пределах.

Гистерезис возникает в датчиках из-за внутреннего трения в упругих  элементах, трения в подвижных элементах, ползучести (например, в наклеиваемых тензодатчиках), магнитного гистерезиса и т. п.

Основной погрешностью датчика  является максимальная разность между  действительным значением выходного  сигнала и его величиной, соответствующей  истинному значению входного параметра. Эта разность определяется по статической характеристике датчика при нормальных условиях и обычно относится к разности предельных значений выходной величины:

.

Нормальными условиями  эксплуатации датчика являются: температура окружающей среды ; атмосферное давление Па/ мм рт. ст.; относительная влажность окружающего воздуха ; отсутствие вибрации и полей, кроме гравитационного.

Дополнительные погрешности датчика – это погрешности, вызываемые изменением внешних условий по сравнению с нормальными. Они выражаются в процентах, отнесённых к изменению неизмеряемого параметра (например, температурная погрешность на и т. д.).

Первичной погрешностью датчика называют отклонение его параметра от расчётного значения:

,

где - первичная погрешность параметра ; - расчётное значение параметра ; - индекс (номер) преобразователя; - индекс (номер) параметра.

Первичная погрешность  датчика вызывает отклонение выходной величины от её расчётного значения при заданном значении входной величины . Это отклонение принято называть частной погрешностью датчика:

;

.

Суммарная погрешность  датчика определяется как сумма частных погрешностей. Способ суммирования определяется природой первичных погрешностей.

При систематических  первичных погрешностях частная  погрешность датчика определяется по зависимости

.

Если первичные погрешности случайные, то предельное значение погрешности датчика можно определить квадратичным суммированием предельных значений частных погрешностей:

.

Практическая оценка погрешности измерений различных  физических параметров часто усложняется большим числом одновременно действующих независимых факторов, вызывающих частные погрешности.

 

 

Датчики скорости

Как правило, в низкочастотной области (в полосе частот порядка 1 Гц) довольно хорошую точность измерений  обеспечивают датчики положения  и перемещения объектов. В зоне средних частот (менее 1 кГц) уже предпочтительнее использовать датчики скорости. На высоких частотах, когда перемещения соизмеримы с уровнем шума, применяются датчики ускорения. Скорость движения может быть либо угловой, либо линейной. Поэтому чувствительный элемент является одним из компонентов многих сенсоров скорости и ускорения. Иногда таких элементов в составе сенсоров скорости и акселерометров нет, поскольку они сами преобразуют свое движение в электрические сигналы. к примеру, в соответствии с законом Фарадея, магнит, двигающийся в катушке индуктивности, приводит к возникновению в ней напряжения. Это напряжение пропорционально скорости движения магнита и силе поля. Линейные датчики скорости построены на этом принципе магнитной индукции. В их состав входит постоянный магнит и катушка индуктивности определенной формы. Выходное напряжение на катушке прямо пропорционально относительной скорости магнита в пределах рабочей зоны.

В датчиках скорости оба  конца магнита находятся внутри катушки. При такой конструкции на выходе катушки будет всегда нулевое напряжение, поскольку напряжения, индуцируемые разными концами магнита будут взаимно уничтожать друг друга. Чтобы этого не происходило, катушка делится на две части. Северный полюс магнита индуцирует ток в одной половине катушки, а южный — в другой .Обе катушки подключены последовательно друг с другом, но в противоположных направлениях. Выходной сигнал такого устройства пропорционален скорости движения магнита. Максимальное значение измеряемой скорости определяется в основном входными цепями интерфейсной электронной схемы, а минимальное — уровнем шума, особенно от расположенных рядом мощных устройств переменного тока. Линейные датчики скорости детектируют скорость в пределах расстояния, ограниченного их размерами, поэтому они в основном используются для измерения скорости вибраций. Угловой датчик скорости, реализованный на этом же принципе, непрерывно меряет скорость вращения, и в них нет ограничений на количество оборотов.

Датчики скорости широко применяются в разных отраслях промышленности, сегодня существует много моделей, действующих по разному принципу и способных работать в различных условиях.

 

 

Основные виды датчиков скорости:

- ультразвуковой датчик скорости, излучающий ультразвуковой сигнал, который при отражении от частиц, движущихся с разной скоростью, дает широкополосный отраженный сигнал, который принимается датчиком

- датчик скорости и  приближения на основе эффекта  Холла

- Бесконтактные магнитные датчики применяются как датчики скорости. Устройства реагируют на движущиеся тела из токопроводящих материалов.

- датчики скорости  на основе эффекта Доплера

 

В промышленной измерительной технике требуются очень точные методы определения расхода и скорости потока. При этом допустимые погрешности не должны превышать одного процента, а иногда и одной десятой процента. Довольно точные измерители расхода требуются иногда и в быту (например, газовый счетчик). Недавно появились оптоэлектронные измерители расхода и скорости, работающие па оптическом эффекте Допплера (см. рисунок 2), которые используют особый вид рассеяния света.

В данном случае луч лазера разделяется светоделительной пластинкой на два отдельных световых пучка, которые фокусируются затем с помощью линзы в протекающей среде. Рассеянный потоком свет попадает затем на фотодетектор (фотоумножитель), где он преобразуется в электрический ток. Усиленный допплеровский сигнал электронным путём преобразуется затем в пропорциональное расходу измерительное напряжение.

Рис. 2. Устройство лазерного допплеровского анемометра для измерения скоростей потоков в трубопроводе.

 

Такой способ измерения расхода довольно дорог, но его достоинство состоит в том, что поток не искажается процедурой измерения и профиль потока может быть измерен с очень хорошим разрешением, так как регистрируется только скорость в точке фокуса. Однако для любительской практики этот метод непригоден.

Измерения расхода можно осуществить чисто электронным путём, применяя в качестве датчика самонагревающийся резистор. Сопротивление такого резистора изменяется вследствие охлаждения потоком, в результате чего резистор действует как датчик расхода. На рисунке 3 показано омическое сопротивление (элемент датчика) в канале потока.

Рис. 3. Схематическое  изображение процессов теплопередачи  от самонагревающегося резистора в  канале потока.

 

Ток нагревает этот элемент до температуры . В этих условиях теплоотвод осуществляется несколькими путями:

- теплопроводность через среду  потока к стенкам трубы;  ;

- теплопроводность через механический  держатель и электропровода; ;

- теплопередача путём излучения  (по закону Стефана-Больцмана  );

- теплопередача путём свободной  конвекции;  ;

 - теплопередача путём вынужденной  конвекции (поток):

,

где - объёмный расход.

В итоге омический элемент датчика оказывается в состоянии теплового равновесия, т. е. Количество подводимой энергии равно количеству отводимой.

Поскольку подводимая электрическая энергия равна  , равновесие определяется выражением

,

где представляет собой собственно измеряемую величину, т. к. она определяется потоком в канале. Поэтому все остальные формы теплопередачи могут быть выражены константой. В этом случае получается т. н. уравнение Кинга

,

где . В этом уравнении и можно считать аппаратурными параметрами, остающимися постоянными в известных пределах.

Применяется также ультразвуковой датчик скорости, излучающий ультразвуковой сигнал, который при отражении от частиц, движущихся с разной скоростью, дает широкополосный отраженный сигнал, который принимается датчиком. Анализ спектра этого сигнала позволяет рассчитать осредненную скорость потока с учетом неравномерного распределения скоростей по поперечному профилю сечения.