Потенциометрические датчики

Потенциометрические датчики

Эти датчики по конструкции аналогичны реостатным датчикам, но работают в качестве

делителя, поэтому они должны обладать следующими свойствами.

1) Высокое входное сопротивление, чтобы меньше нагружать источник питания,

поэтому его изготавливают из высокоомного провода с малым температурным коэффициентом

сопротивления и малым диаметром в сечении.

2) Обладают высокой чувствительностью, чем меньше диаметр, тем больше

чувствительность.

3) Имеет минимальный коэффициент трения.

4) Малую ступенчатость.

5) Малую зависимость изменения сопротивления от условий работы (нагрузка,

температура, окружающая среда).

6) Небольшим переходным сопротивлением в месте контакта.

7) Имеет устойчивость контактов против кОррозии.

8) Устойчивость к износу.

Сопротивление датчика определяется по формуле

R=l*ω*ρ/S;

Где l- длина витка, в м;

ω- количество витков;

ρ- удельное сопротивление провода, в Ом/мм² ;

S- сечение провода, в м²;

Для увеличения чувствительности и точности датчика обмотки укладываются плотно

виток к витку. В качестве изоляции используется окисная пленка материала, из которого

изготавливается датчик.

Потенциометрические датчики изготавливаются:

а) с ограниченным перемещением движка и неограниченным.

б) по выполняемым операциям: задающие и принимающие.

в) по характеру воспроизведения функций линейные и нелинейные.

г) по количеству отводов: двухотводные, круговые трехотводные, круговые

четырехотводные.

Угольные датчики

Датчики работают на изменение сопротивления под действием механической силы.

Состоит из угольных пластин и чаще всего имеет форму цилиндра. Достоинства этих датчиков -

сопротивление изменяется плавно, т.е. не имеет ступенчатой характеристики на выходе.

Недостаток - механически очень хрупкие.

Их сопротивление пропорционально применяемой силе Rx~F.

Контактные датчики

Это датчики, в которых механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов управляющих одной или несколькими схемами. Они имеют щуп, с помощью которого фиксируется перемещение.

При размыкании контакта активное сопротивление датчика изменяется от бесконечного значения до наименьшего. При размыкании контактов, наоборот, от меньшего значения до бесконечного. Контакты являются самым важным элементом этих датчиков. Надежность и точность работы контактов в большой степени зависит от материала и качества их изготовления, а также чем меньше мощность, разрываемая контактами, тем выше точность работы контактов. В

качестве материалов для изготовления датчиков применяются серебро, вольфрам, золото, платина. Эти датчики широко применяются для контроля, сортировки и сигнализации о перемещении. Достоинства - простота конструкции, сравнительно высокая точность до 1-2 мкм. Недостаток - обгорание контактов, поэтому возникает необходимость зачищать их и регулировать.

Электроконтактные датчики

Электроконтактные датчики представляют собой двухконтактную механическую систему с одним устойчивым положением.

Принцип действия датчика основан на том что их устанавливают на неподвижных

рабочих органах в определенном положении, а движущие рабочие органы достигшие Uвых определенного значения воздействуют на датчик вызывая его срабатывание (кодовый переключатель).

Индуктивные датчики

Все индуктивные датчики работают на индуктивном токе. Принцип действия основан наизменении индуктивности катушки с магнитопроводом при перемещении якоря.

Большинство индуктивных датчиков предназначены для работы на относительно

низких частотах напряжения питающей сети (до 5000 Гц). При более высоких частотах значительно растут потери стали на перемагничивание и реактивное сопротивление обмотки.

Достоинства: простота конструкции, надёжность, бесконтактны, сравнительно большая отдаваемая мощность, могут работать на переменном токе промышленной частоты.

Они используются в основном для измерения перемещений угловых и линейных, а также силы давления. Изготавливаются с подвижным якорем, с подвижным сердечником, поворотным якорем.

Емкостные датчики

Представляют собой плоский конденсатор с изменяемой ёмкостью. В отличие от

индуктивных датчиков они применяются на переменном токе с частотой выше 1 кГц. Принцип их действия основан на изменении ёмкости при перемещении.

C=ES/d4π, где E- диэлектрическая проницаемость; S- площадь пластины; d- расстояние между пластинами.

Емкостной датчик с диэлектрической проницаемостью представляет собой

изолированную трубу, в которой помещается изолированный стержень. Стержень и труба представляют электроды конденсатора, который заполняется жидкостью, чем больше жидкости в конденсаторе, тем больше ёмкость. Применяются для измерения горючего в самолетах.

К преимуществу датчиков относятся: большая чувствительность и малый момент

вращения.

Недостатки: непригодны для работы на низких частотах и требуют специального

высокочастотного генератора, имеют паразитные ёмкости.

Термоэлектрические датчики

Датчики, у которых изменение температуры преобразуется в термо э.д.с. Работа этих датчиков основана на явлении термоэлектрического эффекта: если соединить концы двух проводников из разных материалов и поместить концы термопары в разные среды с разными температурами, то разница температур способствует возникновению термо э.д.с. Чем больше Δt0, тем больше термо э.д.с. Проводники называются термоэлектродами. Материалы, из которых

изготавливаются проводники:

- металлы: железо, золото, никель, медь, копель.

- сплавы:, нихром, чугун.

- Полупроводники: уголь, карборунд.

Термоэлектрические датчики состоят из двух электродов, одни концы которых

спаиваются, а другие служат выводами термопары, с которой снимается напряжение.

В зависимости от материалов термопары можно снимать положительный или отрицательный потенциал.

Недостатки, обладают инерционностью, которая измеряется постоянной времени, которая изменяется от десятых долей секунды до нескольких минут.

Термисторы

Термисторы преобразуют изменение температуры в изменение сопротивления. Бывают

двух типов:

- металлические;

- полупроводниковые.

Конструкция датчиков: трубка, диск, шар из полупроводникового материала с металлическими выводами.

Металлические термисторы изготавливаются из чистых металлов с большим

температурным коэффициентом сопротивления (медь, платина). Диапазон измерительных температур термисторов из платины от -200 до +600°С, медных от -50 до +150°С. При более высоких температурах термисторы не применяются, т.к. они теряют точность преобразования, сильно окисляются, и нарушается линейность характеристики. В зависимости от назначения термисторы имеют разную конструкцию: в виде спирали, катушки, нити. Они могут иметь конструкцию как у тензодатчиков.

Недостатки: имеют большую инерционность, постоянная времени изменяется от единиц до десятков секунд, зависит от провода и конструкции.

Полупроводниковые термисторы изготавливаются из окислов различных металлов (медь, титан). Имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, т.е. с увеличением температуры сопротивление полупроводника уменьшается. У многих типов полупроводниковых термисторов коэффициент сопротивления в 6 - 10 раз больше, чем у металлических. Температурный диапазон от -100 до +120°С. В сравнении с металлическими эти тензометры обладают большей чувствительностью и меньшей инерционностью.

Недостатки: узкий температурный диапазон, сильная нелинейность статической

характеристики, сильный разброс параметров между отдельными экземплярами.

Тензометрические датчики

Тензометрические датчики - это датчики специальной конструкции, предназначенные для измерения статических и динамических деформаций в деталях, и преобразующие эти деформации в изменение сопротивления. В основу работы тензодатчиков положено явление – материалы меняют электрическое сопротивление под действием механической силы.

По конструкции тензометрические датчики бывают;

- проволочные;

- фольговые;

- полупроводниковые.

Проволочные тензодатчики представляют собой отрезок тонкой проволоки диаметром от 0,02 до 0,05 мм, зигзагообразно наклеенной на тонкую бумажную или плёночную основу. Сверху проволока также закрыта тонкой бумагой или плёнкой. Для включения датчика в схему к концам проволоки припаиваются 2 медных провода. Тензодатчики жёстко закрепляются к испытываемой детали с помощью токопроводящего клея. При сжатии или растяжении детали в направлении расположения проволоки вместе с деталью деформируется проволока - изменяется её длина, поперечное сечение проволоки и её

удельное сопротивление. Все эти параметры соответственно изменяют сопротивление датчика, которое является выходной величиной датчика.

Для изготовления этих датчиков применяется константановая или нихромовая проволока, т.к. они обладают большим удельным сопротивлением и небольшим температурным коэффициентом сопротивления. В промышленности эти датчики изготавливаются с R = 50 – 2000 Ом, с базовой длиной от 5 до 30 мм и 1раб ном равным до 30 мА при наклейке на детали.

Достоинства: простота конструкции, малая температурная зависимость, практическая безинерционность.

Недостатки: малая чувствительность.

Фольговые датчики - это датчики, у которых токопроводящим элементом является

фольга толщиной 4 - 12мкм. По сравнению с проволочными у этих датчиков рабочий ток увеличен до 200мА, т.е. имеют повышенную чувствительность - достоинство.

Недостатки: малая механическая прочность, большой ТК, влияние освещённости.

Полупроводниковые датчики. Конструктивно представляют собой пластину из германия или кремния, наклеенную на бумагу. Пластина снабжена металлическими выводами, с помощью которых датчик включается в схему. Номинальное сопротивление датчика обычно от 40 до 1000 Ом. Температурный диапазон работоспособности заключается от-160° до+300°С. Основное

отличие полупроводникового датчика - большое изменение сопротивления (до 50% от базового значения) при деформации. Для этих датчиков также характерна высокая чувствительность к температуре в 10 - 20 раз больше, чем у проволочных.

Достоинства: большое значение выходной величины, малые размеры (длина решётки от 3 до 10 мм), значения коэффициента тензочувствительности в 60 раз выше, чем у проволочных и фольговых.

Недостатки: малая гибкость, небольшая механическая прочность, нестабильность

параметров, нелинейность характеристики, большой разброс параметров однотипных датчиков.

Пьезоэлектрические датчики

Такие датчики работают на явлении пьезоэлектрического эффекта, который бывает прямой и обратный.

Пьезоэффект – способность некоторых материалов на поверхностях своих граней под действием механической силы образовывать электрические заряды. Обратный пьезоэффект – способность механизмов под действием электрического поля механически деформироваться. Количественно пьезоэффект измеряется и оценивается пьезомодулем, который определяет пропорциональность между приложенной силой и электрическим зарядом. Пьезоэлектрические датчики для измерений усилий представляет собой кварцевую пластину, с двух сторон которой напыляется или приклеивается токопроводящим клеем 2 электрода, с которых снимается напряжение. 2 электрода и кварцевая пластина представляют

собой конденсатор, на электродах которого образуются электрические заряды под действием прямого пьезоэлектрического эффекта при сжатии пластины.

Применяемые материалы: кварц и турмалин.

Достоинства: безинерционность.

Применяется для измерения давления, силы, вибрации. На практике составляются из нескольких пластин, Q S = nQ, где n – количество пластин.

Датчики давления

Преобразуют давление жидкости или газа в электрическую величину. Чувствительный элемент этих датчиков преобразует давление среды в перемещение, которое преобразуется соответствующим датчиком (реостатный и др.) в электрическую величину (сопротивление). В качестве чувствительных элементов у этих датчиков используется мембраны и сильфоны.

1)      Мембранный датчик

На конце трубопровода устанавливается такая пластина мембрана в центре которой закрепляется жестко движок потенциометра. Под давлением газа мембрана прогибается в центре и соответственно перемещает движок потенциометра (промежуточная величина).

2)      Сильфонный датчик для газов

Данный тип датчика представляет собой тонкостенную гофрированную трубку один конец которой жестко закреплён с движком потенциометра. Под давлением газа трубка увеличивает размеры и соответственно перемещает движок.

Сельсинные датчики

В устройствах автоматики необходимо передавать на значительные расстояние линейные и угловые перемещения, а также вращение. В этих системах механическое перемещение преобразуется с помощью датчика в электрический сигнал через линии связи на приемник, который в свою очередь преобразует электрический сигнал в механическое перемещение пропорционально исходному. В этих системах применяются сельсины.

Сельсины - это специальные индукционные микромашины переменного тока, которые предназначены для передачи на расстояние угловых перемещений одного или нескольких валов механически несвязанных между собой.

В зависимости от их функций сельсины подразделяются:

- сельсины датчики (СД);

- сельсины приемники (СП);

- сельсины трансформаторы (СТ);

- дифференцированный сельсин (ДС).

СД предназначен для передачи заданных угловых перемещений. Ротор СД поворачивается на заданный угол автоматики от привода или вручную. СП используется для воспроизведения заданного ротором СД углового перемещения. Ротор СП вращается свободно и устанавливается в положение, которое соответствует угловому перемещению ротора СД.

СТ служит для воспроизведения углового перемещения ротора СД в виде

пропорционального электрического напряжения.

ДС служит для алгебраического суммирования угловых перемещений двух механически несвязанных валов.

В зависимости от характера токосъема сельсины подразделяются:

- контактные (контактные кольца и щетки) (СК);

- бесконтактные (вращающийся электрический контакт заменяется вращающимся