Электрические датчики неэлектрических величин

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Кафедра ЭПЭО

Энергетический  институт

 

РЕФЕРАТ

Электрические датчики неэлектрических величин

 

 

 

 

Руководитель:

Старых А.А

Выполнил: студент  гр. 7А86

 Власов А.И.

 

 

 

Томск  2010

СОДЕРЖАНИЕ

                  Стр.

ВВЕДЕНИЕ 3

1. Общие сведения о датчиках неэлектрических величин 4

2. Виды датчиков неэлектрических величин 7

3. Контактные датчики 7

4. Бесконтактные датчики 11

Заключение 20

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Человек, глазами воспринимает форму, размеры и цвет окружающих его предметов, ушами слышит звуки, носом чувствует запахи. Обычно говорят  о пяти видах ощущений, связанных  со зрением, слухом, обонянием, вкусом и осязанием. Для формирования ощущений человеку необходимо внешнее раздражение  определенных органов – «датчиков  чувств». Для различных видов  ощущений роль датчиков играют определенные органы чувств. Однако, для получения  ощущения одних только органов чувств недостаточно.

Например, при зрительном ощущении совсем не значит, что человек  видит только благодаря глазам. Общеизвестно, что через глаза раздражения  от внешней среды в виде сигналов по нервным волокнам передаются в  головной мозг и уже в нем формируется  ощущение большого и малого, черного  и белого и т.д. Эта общая схема  возникновения ощущения относится  также и к слуху, обонянию и  другим видам ощущения, т.е. фактически внешние раздражения как нечто  сладкое или горькое, тихое или  громкое оцениваются головным мозгом, которому необходимы датчики, реагирующие  на эти раздражения.

Аналогичная система формируется  и в автоматике. Процесс управления заключается в приеме информации о состоянии объекта управления, ее контроле и обработке центральным  устройством и выдачи им управляющих  сигналов на исполнительные устройства. Для приема подобной информации служат как раз датчики неэлектрических  величин. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, регистрируется факт наличия или  отсутствия объектов, давление расходы  жидкостей, газов, скорости вращения и  т.п.

 Стремительное развитие  электроники и вычислительной  техники оказалось предпосылкой  для широкой автоматизации самых  разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в  быту. Реализация этой предпосылки  в значительной мере определяется  возможностями устройств для  получения информации о регулируемом  параметре или процессе, т.е. возможностями  датчиков. Датчики, преобразуя измеряемый  параметр в выходной сигнал, который  можно измерить и оценить количественно,  являются своеобразными органами  чувств современной техники.

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДАТЧИКАХ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ   ВЕЛИЧИН

Датчики представляют собой электрические  аппараты, предназначенные для преобразования непрерывного изменения входной (контролируемой) неэлектрической величины в изменение выходной электрической величины. Входные величины могут отражать самые разнообразные физические явления — линейное или угловое перемещение, скорость, ускорение, температуру твердых, жидких и газообразных тел, усилие, давление и т. д. В качестве выходных величин чаще всего используются активное, индуктивное, емкостное сопротивление, ток, ЭДС, падение напряжения, частота и фаза переменного тока.

Основной  характеристикой датчика является чувствительность

На практике пользуются также понятием относительной чувствительности

 

 

Датчики могут быть линейными (S=const) и нелинейными (S=var). У последних чувствительность зависит от значения входной величины.

Существенным параметром датчика является порог чувствительности — это изменение входной величины, вызывающее наименьшее изменение выходной величины, которое может быть обнаружено.

Важнейшим параметром датчика является его  погрешность.

Номинальной характеристикой датчика называется зависимость выходной величины от входной, которая приписывается паспортом и используется как расчетная при проведении измерений. Экспериментально снятая, реальная зависимость «вход— выход» отличается от номинальной на погрешность.

Различают абсолютную и относительную погрешности датчика по входу.

Абсолютная погрешность:

относительная погрешность:

X_вх.ном.– значение входной  величины датчика, определяемое по физическому значению выходной величины и номинальной характеристики.

X_д – истинное значение входной величины.

Аналогично могут быть рассмотрены  погрешности датчика по выходу.

На погрешность оказывают  влияние внешние условия: температура, магнитные и электрические поля, влажность окружающей среды, напряжение и частота источника питания, вибрации и др.

Допустимая интенсивность внешних (влияющих) факторов ограничивается техническими условиями или стандартом.

Погрешности датчика при  нормальных значениях внешних параметров (нормальной температуре, нормальном атмосферном давлении, номинальных значениях напряжения и частоты питания ит.п.) называются основными.

Различают аддитивную погрешность, не зависящую от значения входной величины Х, и мультипликативную погрешность, зависящую от нее (погрешность чувствительности).

 

 

 

Абсолютная и относительная  погрешности выражаются

формулами:

 

где Δ₀ – аддитивная погрешность;

γ_S – относительная погрешность чувствительности.

Рисунок 1. зависимость  относительной погрешности γ₀ от входной величины X.

Здесь Х_Н — нижнее значение, Х_В — верхнее значение входных величин, при которых нормируется основная погрешность.

Если параметры внешних  условий выходят за границы нормируемых, то возникают дополнительные погрешности. Для уменьшения дополнительных погрешностей либо снижают чувствительность датчика к внешним условиям, либо уменьшают степень их влияния.

Наряду с высокой  чувствительностью и малой погрешностью датчики должны обладать необходимым диапазоном изменения входной величины, возможностью согласования с измерительной схемой и минимальным обратным воздействием датчика на входную величину. При быстрых изменениях входной величины датчик должен быть малоинерционным.

2. ВИДЫ ДАТЧИКОВ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Существующие датчики весьма разнообразны по принципу действия, конструктивному выполнению и схеме.

Датчики можно разбить на две  большие группы:

1 – параметрические (пассивные);

2 – генераторные (активные).

К первым относятся резистивные, индуктивные, емкостные контактные датчики. Ко вторым относятся датчики, использующие эффект наведенной ЭДС (электромагнитной индукции), пьезоэффект, эффект Холла, термо-ЭДС, появление ЭДС при воздействии радиоактивных излучений и т. п.

Так же как  и электрические аппараты, подразделяются на:

контактные  и бесконтактные.

 

3. КОНТАКТНЫЕ ДАТЧИКИ

Наиболее популярными представителями  контактных датчиков являются резистивные датчики.

 

 

1–подвижный скользящий контакт;

2–каркас.

 

 

 

Рисунок 2. Различные исполнения резистивных датчиков.

В таких датчиках подвижный скользящий контакт переменного резистора  связан с элементом, перемещение которого контролируется.

Если сечение  каркаса, на котором намотан резистор, всюду одинаково, то сопротивление датчика меняется пропорционально углу поворота α или ходу х. При необходимости зависимость R (а, х) может быть сделана нелинейной. Тогда каркас имеет переменное сечение или резисторы r₁—r₆ неодинаковы по сопротивлению (рис. 2, в и г).

 

Существуют множество схемы включения датчиков.

Некоторые из них приведены ниже.

Рисунок 3. Схемы включения резисторных  датчиков.

Наиболее  простой является реостатная схема  (рис. 3, а).

Широко  применяется потенциометрическая  схема (рис. 3, б).

Если входное  сопротивление измерительной схемы велико, то выходное напряжение U_вх. зависит от α или х и не зависит от R₀:

Чувствительность  датчика   с линейным    перемещением подвижного контакта:

Для повышения чувствительности желательно увеличивать напряжение питания  U₀. Однако при этом растет мощность, рассеиваемая датчиком. Максимальная чувствительность:

где P_max – наибольшая допкустимая мощность резистора R₀.

В схеме (рис. 3, в) при перемещения подвижного контакта вина или вверх от начального среднею положения (α=0) выходное напряжение меняет полярность.

В схеме (рис. 3, г) при перемещении левого подвижного контакта вниз правый с помощью механической передачи движется вверх, при этом чувствительность возрастает а 2 раза.

Чувствительность резистивных датчиков может быть 3–5 В/мм.

Погрешность работы датчиков зависит от стабильности питающего напряжения U0, точности изготовления конструктивных деталей, температурной стабильности использованного проводникового материала. Для повышения температурной стабильности следует применять проволоку с малым температурным коэффициентом сопротивления.

Резистивные датчики применяются для измерения  линейных и угловых перемещений. С их помощью можно измерить уровень и расход жидкости (датчик соединяется с поплавком), силу (датчик соединяется с упругим элементом, деформируемым измеряемой силой), размеры и т.д.

Преимущества  резистивных датчиков заключаются  в простоте конструкции, точности работы до 0,5 %, малых массе и габаритах.

Недостатком является наличие подвижного контакта, ухудшающего надежность работы и уменьшающего срок службы.

Для контроля размеров и отбраковки негодных деталей широко применяются контактные релейные датчики.

Рисунок 4. Контактный датчик

Если толщина  детали находится в поле допуска, то горит лампа 2. Если толщина детали больше нормы, то замыкаются контакты 4 и 5, загорается лампа 1 и гаснет лампа 2. Если толщина детали меньше нормы, то замыкаются контакты 4 и 6, загорается лампа 3 и гаснет лампа 2.

Погрешность и надежность работы датчика зависят  от работы контактной системы, поэтому дугообразование должно быть исключено. Для уменьшения износа контактов целесообразно применять схемные методы.

Следует отметить, что при малом расстоянии между контактами (1 мкм) даже при напряжении 10В создается высокий градиент поля E = 10⁷ В/м, что может привести к интенсивной эрозии контактов. Мощность, коммутируемая контактами, не должна превышать 100—150 мВт. Минимальная погрешность при срабатывании контактного датчика находится в пределах 1—2 мкм.

 

 

 

 

 

4. БЕСКОНТАКТНЫЕ ДАТЧИКИ

Индуктивные датчики.

Рассмотрим простейший индуктивный датчик (рис. 13.6, 13.7).

Рисунок 5. Индуктивный датчик с изменяющимся зазором

Рисунок 6. Индуктивный датчик с изменяющейся площадью зазораЕсли пренебречь магнитным сопротивлением стали, потоками рассеяния и выпучивания, то индуктивность обмотки равна:

Ток в цепи обмотки:

Индуктивность обмотки L и протекающий по ней ток I могут изменяться за счет изменения зазора δ или его площади S. На рис. 5, а представлен датчик с изменяемым зазором δ, а на рис, рис. 6, а — с изменяемой площадью S зазора, пропорциональной координате перемещения d. Зависимость индуктивности и тока от зазора дана на рис. 5, б зависимость индуктивности от площади или координаты d — на рис. рис. 6, б.

Погрешности индуктивных датчиков определяются стабильностью напряжения и частоты источника питания, влиянием температуры на активное сопротивление обмотки и размеры рабочего зазора.

 

Чувствительность индуктивного датчика при изменении зазора равна:

Чувствительность при изменении площади:

где L₀ — начальное значение индуктивности датчика при δ= δ₀ и S=S₀;

δ₀, S₀ –длинна зазора и его площадь в начале хода;

Таким образом, чувствительность S_δ является нелинейной функцией Δδ. Для работы с малой нелинейностью целесообразно выбирать Δδ / δ₀ ≤ 0,2.

На якорь  описанных выше датчиков действует  сила, создающая механическую нагрузку на элемент, перемещение которого контролируется.

Для устранения этого недостатка применяются дифференциальные датчики.

Рисунок  7. Дифференциальный индуктивный датчик

Дифференциальный  датчик содержит две совершенно одинаковые и симметрично расположенные  электромагнитные системы.

Конструктивные  исполнения индуктивных датчиков представлены в таблице.

 

Таблица 1.

Трансформаторные датчики.

В трансформаторном датчике при изменении зазора δ полное вопротивление первичной  обмотки также меняется и происходит перераспределение напряжений U₁ и U₂.

Рисунок 8. Трансформаторные датчики.

Трансформаторные  датчики выгодно отличаются от индуктивных отсутствием гальванической связи между цепью питания и выходной цепью, а также простотой измерительных схем. Относительно большая мощность датчиков (до нескольких десятков ватт) позволяет применять их без промежуточных усилителей. Они также широко применяются с мостовыми измерительными схемами.

За счет применения дифференциальных схем включения погрешности, вызванные изменением питающего напряжения, частоты, несинусоидальностью формы тока, изменением окружающей температуры, могут быть снижены до 0,5—0,1 %.