Что такое датчик?
Датчик – устройство, которое преобразует контролируемую величину (давление, температуру, расход, перемещение) в сигнал, удобный для дальнейшего преобразования.
Какие бывают датчики
Датчики делятся на:
1. Электрические датчики надёжно работают, обладают высокой чувствительностью и небольшой инерционностью. Они делятся на:
- параметрические. К ним относятся элементы, у которых изменение контролируемой величины изменяет параметр электрической цепи (активного сопротивления, индуктивности или емкости);
- генераторные. Такие датчики сами являются источниками электрической энергии. Причем возникающая на выходе энергия пропорциональна контролируемой величине.
2. Контактные датчики – это датчики параметрического типа у которых изменяется электрическое сопротивление при изменении той или иной механической величины. Они предназначены для преобразования механического перемещения в электрический сигнал. При достижении изменяемой величины определенного значения замыкаются или размыкаются электрические контакты, включенные в те или иные цепи. Они сигнализируют, что перемещение больше или меньше определенной величины. Датчики простые, дешёвые, могут работать на постоянном и переменном токе. Они делятся на:
1,2 – контакты;
3 – щуп;
4 – пружина;
“а” и “б” – выводы;
“и” – размер изделия.
Замыкание контактов 1 и 2 происходит в результате изменения размера изделия И. Если размер изделия И увеличится, то измерительный щуп 3 переместится вверх. В результате этого контакты 1 и 2 придут в соприкосновение. Активное сопротивление между контактами 1 и 2 изменится от бесконечности до ничтожно малой величины, определяемой значением контактного сопротивления. Выводы а и б подключаются к сигнальному устройству. Пружинка 4 соединяет измерительньй щуп 3 с выводам 6.
Датчик способен реагировать на перемещение щупа в обе стороны от начального “нулевого’’ положения. Подобные датчики широко используются для автоматического контроля размеров деталей и подсчета количества выпускаемой продукции.
1,2,3 – контакты;
4 – пружина.
Контакты 1, 2, 3 замыкаются последовательно друг за другом в зависимости от размеров деталей. Стрелка измерительного прибора включенного на выходе датчика, покажет три размера.
3. Угольные датчики изменяют свое сопротивление в зависимости от усилия их сжатия. Воспринимающим элементом в нем является набор угольных шайб. Датчики преобразовывают звуковые колебания в электрические. Они применяются для измерения больших усилий в шасси самолета при посадке, малых перемещений, момента, вибрации, ускорения, а также используются в качестве выходных органов в регуляторах напряжения. Применяются два типа:
1 – столбик;
2, 3 – латунные стержни;
F – усилие
Столбик 1 высотой 15-20 мм состоит из 10 – 15 угольных шайб, зажатых между двумя латунными стержнями 2 и 3. При сжатии столбика 1 усилием F контактное сопротивление между шайбами уменьшается. При уменьшении приложенного усилия F сопротивление столбика увеличивается.
1 – тензолит;
2 – полоска бумаги
На испытываемую или контролируемую деталь наклеивают полоску бумаги 2 длиной 25 мм. На эту полоску приклеивают тензолит 1. При деформации в деталях машин нить, воспринимая эту деформацию, растягивается или сжимается. Происходит изменение плотности контакта между частицами угля в бакелитовом лаке. Сопротивление тензолита изменяется в ту или иную сторону. Это зависит от того, будет ли стержень растягиваться или сжиматься.
4. Тензометрический датчик применяются для измерения упругих деформаций (напряжений), давлений, ускорений, малых перемещений вибрации в различных частях механических конструкций. В основе работы тензодатчиков лежит явление тензоэффекта (тензорезистивный эффект). Оно заключается в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. В автоконтроле тензодатчики определяют как статические, так и динамические нагрузки. На практике широко распространены следующие виды тензодатчиков:
1 – проволока;
2 – клей;
3 – подложка;
4 – выводы.
На полоску тонкой бумаги – подложки 3 или на лаковую пленку наклеивается с помощью специального клея 2 (бакелитовый клей или лак БФ-2) тонкая проволока 1, уложенная зигзагообразно в виде петель решетки диаметром 0,02 – 0,05 мм. К концам решетки припаяны выводы 4. Сверху датчик покрывается слоем лака, а иногда заклеивается бумагой или фетром. Затем датчик приклеивается к испытуемой детали. Благодаря этому деформация детали воспринимается проволочной решеткой, являющейся чувствительным элементом датчика. Выводы 4 подключаются к измерительной схеме. Сопротивление датчика изменяется во много раз больше, если расположить его в направлении действия усилия (сжатие или растяжение), чем при расположении датчика в перпендикулярном направлении.
1- подгоночные петли;
2- витки, чувствительные к растягивающим мембрану усилиям;
3 – витки, чувствительные к сжимающим мембрану усилиям.
5. бесконтактные или по-другому их называют сенсорный выключатель — позиционный выключатель, срабатывающий без механического соприкосновения с подвижной частью (машины).
6. позиционные датчики определяют положение и расстояние до объекта, выдавая информацию в доступном для инженера виде. Кроме расстояния позиционные датчики определяют толщину измеряемого объекта, угол наклона и деформации, центровку, диаметр.
7. индуктивные позволяют устройству работать как с проводящими поверхностями, такие как сталь, алюминий и латунь, так и с неметаллическими предметами, например машинное масло. Такие датчики обладают высоким разрешением и высокой скоростью отклика. Это очень важно при потоке задач на производстве.
1 – сердечник;
2 – якорь;
3 – обмотка;
4 – сопротивление нагрузки.
На сердечнике 1 располагается обмотка 3, подключаемая к источнику переменного тока через сопротивление нагрузки (сопротивление измерительного прибора) 4. Ток I в обмотке 3 возбуждает переменный магнитный поток. Между полюсами сердечников и перемещающимся якорем 2 имеется воздушный зазор. Сердечник 1 и якорь 2 образуют магнитопровод датчика. Переменный магнитньй поток проходит через них и через два воздушных зазора 4, входящих в магнитную цепь датчика. Якорь механически связывается с объектом, перемещение которого надо контролировать. В процессе работы якорь смещается относительно сердечника в направлениях, указанных стрелками.
1 – магнитопровод;
3 – катушки;
4 – прибор;
5 – трансформатор.
Состоит из двух Ш-образных магнитопроводов 1 и I с намотанными на них в противоположных направлениях катушками 3 и жестко закрепленными относительно друг друга, и расположенного между ними подвижного якоря 2. Для питания ДИД используют трансформатор 5 с выводом средней точки на вторичной обмотке. Между этим выводом и общим концом обеих катушек включается прибор 4. При среднем положении якоря, когда воздушные зазоры с обеих сторон одинаковы, индуктивные сопротивления обеих катушек 3 одинаковы. Следовательно, величины токов в катушках равны и результирующий ток в приборе равен нулю. При небольшом отклонении якоря в ту или иную сторону под действием контролируемой величины X (например, вверх) зазор между якорем и одним из сердечников (катушка 3) уменьшается, а между другим сердечником (катушка 3) и якорем увеличивается. При этом индуктивное сопротивление катушки 3 возрастает, а катушки 3 уменьшается. Прибор 4 в этом случае регистрирует ток, равный разности токов в обмотках и являющийся функцией смещения якоря от среднего положения. Разность токов обычно регистрируется с помощью магнитоэлектричеокаго прибора 4 (микроамперметра) с выпрямительной схемой В на входе.
8. трансформаторные. В зависимости от предъявляемых требований они могут иметь или большую чувствительность, или высокую линейность, или не создавать усилия, действующего на подвижную часть преобразователя со стороны неподвижной. По конструктивным особенностям и в зависимости от видов подвижной части различают:
9. индукционный измеряет малые перемещения вращающихся тел. В ряде устройств, например, в гироскопических приборах, требуется измерять угловые перемещения вращающегося ротора относительно оси, перпендикулярной оси вращения. Задачу можно решить с помощью индукционного преобразователя перемещений, подвижная часть которого вращается вместе с ротором.
2 – магнит;
3 – ротор;
4 – зазор;
5 – катушка;
6 – кронштейн.
Магнитопровод 1 жестко связан с вращающимся ротором 3. Катушка 5 крепится к корпусу прибора с помощью пластмассового кронштейна 6 и находится в неподвижном состоянии. Такое крепление катушки устраняет гибкие токоподводы, накладывающие вредный момент на подвижную часть устройства. Магнитная система датчика состоит из магнитопровода 1 и постоянных магнитов 2, создающих магнитный поток в воздушном зазоре 4. Магнитная система вместе с ротором может поворачиваться на небольшие углы относительно оси МN, перпендикулярной плоскости чертежа. При вращении ротора постоянные магниты, имеющие противоположную полярность, наводят в катушке ЭДС, пропорциональную разности магнитных потоков, пересекающих ее. При симметричном положении катушки 5 относительно магнитопровода 1, т.е. при отсутствии угла отклонения ротора, ЭДС, наводимая в катушке, из-за равенства потоков равна нулю.
10. оптические и их принцип работы имеет ряд особенностей. Поверхности, с которыми работают такие модели, не должны быть окрашены или иметь отражающие свойства. Лазер датчика образует луч, проходящий через линзу, который отражается от измеряемого объекта. Лазер фокусируется на линейке фотодиодов и преобразует световой сигнал в электрический. Угол отраженного луча меняется в зависимости от расстояния до объекта и его положения. Микроконтроллер считывает эти сигналы и преобразует в аналоговый электрический сигнал.
11. ёмкостные. Основным элементом ёмкостных датчиков является конденсатор, который может быть выполнен в плоском или цилиндрическом виде. Когда подвижная пластина конденсатора начинает перемещаться, увеличивая расстояния до неподвижной пластины, происходит деформация диэлектрика. При этом изменяется его положение, ведущее к изменению диэлектрической проницаемости и ещё многих параметров.
По типу исполнения оборудование бывает 2 видов:
По принципу действия или по контролируемой величине ёмкостные датчики делятся на:
1 – пленарные изолированные электроды на подложке;
2 – капсула, закреплённая поверх подложки;
3 – токопроводящая жидкость.
Данный тип датчиков применяется для контроля наклона или крена. Основным элементом является капсула, которая располагается в подложке с планарными электродами. В качестве чувствительного электрода выступает проводящая жидкость, которая располагается внутри корпуса. В совокупности оба эти электрода являются дифференциальным конденсатором. Величина сигнала на выходе датчика пропорциональна емкости этого конденсатора, которая зависит от того, где находится корпус по вертикали. То есть угол наклона, который определяется по вертикальному положению, прямо пропорционален ёмкости конденсатора. Такие датчики обладают высокой точностью измерения, имеют компактный корпус и небольшой вес, и в целом отличное соотношение цена/качество/функциональность.
12. герконовые. Датчики относятся к приборам электромеханического типа. Под действием магнитного поля он замыкает или размыкает контакты. Необходимое поле создается электрическим либо постоянным магнитом. Устройство прибора включает пару ферромагнитных пластин, которые запаяны в стеклянную капсулу. Образовавшийся резервуар заполняется инертным газом — азотом, иссушенным воздухом, и оборудуется двумя выходами. Подобная конструкция необходима для исключения воздействия внешней среды. Это повышает надежность датчика. Для достижения более высокого коммутируемого напряжения оболочку прибора вакуумируют.
13. датчики магнитного поля. Делятся на:
14. пьезоэлектрический датчик. Состоит из:
1 – мембрана;
2 – пластинки;
3 – фольга;
4 – пробка;
5 – кабель.
Действие датчика основано на преобразовании силы сжатия пьезокристалла в изменение электрических зарядов на его гранях. Измеряемое усилие F воспринимается мембраной 1, которая одновременно служит дном корпуса пьеэодатчика. Чувствительным элементом датчика являются пластинки 2 из кварца, соединённые параллельно для повышения чувствительности. В качестве положительного электрода служат наружные обкладки кварцевых пластин. Средняя обкладка изолируется относительно корпуса с помощью кварца, обладающего большим удельным сопротивлением. Отрицательный потенциал, снимаемый с латунной фольги 3, подаётся на вход электронной измерительной схемы через соединительный экранированный кабель 5. В корпусе предусмотрено отверстие для удобства монтажа жилы соединительного кабеля с выводом от фольги. Сверху отверстие закрывается специальной пробкой 4.
15. вакуумные датчики – это инструмент, который позволяет следить за состоянием давления внутри комплексных систем разрежения воздуха.
16. калиброванные датчики – состоят из термисторов для коррекции температурной погрешности нуля и чувствительности датчика. Приборы включают в себя дополнительные подгоночные резисторы, сопротивления которых в процессе производства подстраиваются лазером для минимизации разброса нулевого смещения и чувствительности датчиков от образца к образцу.
17. интегрированные датчики. Отличительной особенностью этих датчиков является наличие дополнительного усилителя, который приводит выходное напряжение датчика к стандартному входному диапазону интегральных аналого-цифровых преобразователей (АЦП).
18. лазерные датчики – высокоточные приборы, способные выявить движение и с высокой точностью определить размеры объекта. Они имеют небольшие габариты и потребляют минимум энергии, при этом обеспечивают надежную защиту от вторжения посторонних.
При измерении расстояния с помощью лазерного датчика наиболее часто используется способ оптической (или лазерной) триангуляции (от лат. triangulus – треугольник; вычисление углов и длин методами тригонометрии). Идея способа в том, что сфокусированный лазерный луч проходит через неподвижную полупрозрачную плоскость отсчёта, частично отражаясь от неё на приемную линзу и линейный светочувствительный элемент (детектор). На фото приведён данный способ.
19. ультразвуковые излучают высокочастотные звуковые импульсы с заданной периодичностью, который распространяются в воздухе со скоростью звука. При встрече с объектом, звуковая волна отражается от него и возвращается обратно к датчику в виде эха. Датчик воспринимает этот сигнал и рассчитывает расстояние до объекта, основываясь на временном промежутке между моментом излучения сигнала и получением отраженного эха сигнала. Благодаря этому принципу, возможно измерение расстояния до любых отражающих звук материалов, независимо от их цвета, прозрачности, электропроводности и т.д.
20. микроволновые предназначен для автоматического включения и отключения нагрузки при появлении движущихся объектов в зоне обнаружения. Служит для автоматического управления внутренним и уличным освещением, охранной сигнализацией и электроприборами.
по измеряемым параметрам:
1. датчик положения или перемещения – незаменимые устройства для следящих систем с механическими элементами. Датчики перемещения и положения широко применяются для поддержания работоспособности машин и повышения их экономичности.
2. датчик давления. Конструкция подобных датчиков давления бывает одностаторная или двухстаторная. В одностаторных устройствах используется металлическая ячейка, которая делится на части плоской диафрагмой со статичным электродом. Диафрагма и электрод представляют собой переменный конденсатор. При деформации диафрагмы изменяется значение ёмкости, которое пропорционально приложенному давлению. В двухстаторных приборах диафрагма может двигаться в обе стороны. За счёт этого измеряется дифференциальное давление. Датчики подобного типа имеют незначительную погрешность.
Давление измеряют различными приборами. Подробнее о приборах для измерения давления воздуха или воды читайте на сайте “Промышленная Автоматизация”.
3. датчик уровня относится к первичным измерительным устройствам сбора информации в системах автоматизации производства. Используются для определения и непрерывного измерения, а также контроля предельных значений уровня различных видов жидких, газообразных, сыпучих веществ. Полученное значение уровня преобразуется в импульсный стандартный унифицированный токового сигнал 4-20 мА или цифровой сигнал стандарта HART и RS-485.
Устройства используются в составе систем контроля и регулирования в различных емкостях, резервуарах и трубопроводах, имеют общепромышленное и взрывозащищенное исполнение. На схеме представлена схема поплавкового датчика уровня.
4. датчик температуры. При использовании такого рода датчиков температура измеряется на основании зависимости электрического сопротивления от температуры. В зависимости от того, возрастает или понижается электросопротивление датчика при повышении температуры, различают полупроводниковые датчики соответственно с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
Для измерения температуры датчик нужно подключить к измерительной схеме, на выходе которой формируется напряжение, пропорциональное температуре.
Возможные области применения датчиков чрезвычайно разнообразны, можно выделить лишь отдельные сферы:
- промышленная техника измерения и регулирования;
- робототехника;
- автомобилестроение;
- бытовая техника;
- медицинская техника.
Купить датчики можно в интернет-магазине “Промышленная Автоматизация”.
Датчик –
это элемент измерительного, сигнального,
регулирующего или управляющего
устройства, преобразующий контролируемую
величину (температуру, давление, частоту,
силу света, электрическое напряжение,
ток и т. д.) в сигнал, удобный для измерения,
передачи, хранения, обработки, регистрации,
а иногда и для воздействия им на
управляемые процессы; это устройство,
преобразующее входное воздействие
любой физической величины в сигнал,
удобный для дальнейшего использования.
Автоматизация
различных технологических процессов,
эффективное управление различными
агрегатами, машинами, механизмами
требуют многочисленных измерений
разнообразных физических величин.
Датчики (в
литературе часто называемые также
измерительными преобразователями), или
по-другому, сенсоры являются элементами
многих систем автоматики – с их помощью
получают информацию о параметрах
контролируемой системы или устройства.
Используемые
датчики весьма разнообразны и могут
быть классифицированы по различным
признакам.
В зависимости
от вида входной (измеряемой) величины
различают:
датчики
механических перемещений (линейных и
угловых);
датчики
скорости, ускорения, усилия, температуры,
давления и др.
В настоящее
время существует приблизительно
следующее распределение доли измерений
различных физических величин в
промышленности:
расход
(массовый и объемный) – 20 %;
По виду
выходной величины, в которую преобразуется
входная величина, различают неэлектрические
и электрические:
датчики
постоянного тока (ЭДС или напряжения);
датчики
амплитуды переменного тока (ЭДС или
напряжения);
датчики
частоты переменного тока (ЭДС или
напряжения);
датчики
сопротивления (активного, индуктивного
или емкостного) и др.
Большинство
датчиков являются электрическими. Это
обусловлено следующими достоинствами
электрических измерений:
электрические
величины удобно передавать на расстояние,
причем передача осуществляется с высокой
скоростью;
электрические
величины универсальны в том смысле, что
любые другие величины могут быть
преобразованы в электрические и наоборот;
они точно
преобразуются в цифровой код и позволяют
достигнуть высокой точности,
чувствительности и быстродействия
средств измерений.
По принципу
действия датчики можно разделить на
два класса:
генераторные,
которые осуществляют непосредственное
преобразование входной величины в
электрический сигнал;
параметрические
(датчики-модуляторы), которые входную
величину преобразуют в изменение
какого-либо электрического параметра
(R, L или С) датчика.
По принципу
действия датчики также можно разделить
на такие категории:
Различают
три класса датчиков по физической
структуре сигнала:
аналоговые
датчики, т. е. датчики, вырабатывающие
аналоговый сигнал, пропорционально
изменению входной величины;
цифровые
датчики, генерирующие последовательность
импульсов или двоичное слово;
бинарные
(двоичные) датчики, которые вырабатывают
сигнал только двух уровней:
“включено/выключено” (иначе говоря,
0 или 1).
Последние
получили широкое распространение
благодаря своей простоте.
Основные
требования к датчикам
Рассмотрим
требования, предъявляемые к датчикам:
однозначная
зависимость выходной величины от
входной;
стабильность
характеристик во времени;
малые
размеры и масса;
отсутствие
обратного воздействия на контролируемый
процесс и на контролируемый параметр;
работа при
различных условиях эксплуатации;
Соседние файлы в папке Контрольные
Классификация
датчиков, основные требования к ним
Датчики
(в
литературе часто называемые также
измерительными преобразователями), или
по-другому, сенсоры
являются элементами многих систем
автоматики – с их помощью получают
информацию о параметрах контролируемой
системы или устройства.
Датчик
– это
элемент измерительного, сигнального,
регулирующего или управляющего
устройства, преобразующий контролируемую
величину (температуру, давление, частоту,
силу света, электрическое напряжение,
ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения,
передачи, хранения, обработки, регистрации,
а иногда и для воздействия им на
управляемые процессы. Или
проще, датчик
– это устройство, преобразующее входное
воздействие любой физической величины
в сигнал, удобный для дальнейшего
использования.
Используемые
датчики весьма разнообразны и могут
быть классифицированы
по различным признакам:
В
зависимости от вида входной (измеряемой)
величины
различают:
датчики механических перемещений
(линейных и угловых), пневматические,
электрические, расходомеры, датчики
скорости, ускорения, усилия, температуры,
давления и др.
В
настоящее время существует приблизительно
следующее распределение доли измерений
различных физических величин в
промышленности: температура – 50%, расход
(массовый и объемный) – 15%, давление –
10%, уровень – 5%, количество (масса, объем)
– 5%, время – 4%, электрические и магнитные
величины – менее 4%.
По
виду выходной величины, в которую
преобразуется входная величина,
различают неэлектрические
и электрические:
датчики постоянного тока (ЭДС или
напряжения), датчики амплитуды переменного
тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты
переменного тока (ЭДС или напряжения),
датчики сопротивления (активного,
индуктивного или емкостного) и др.
–
электрические величины удобно передавать
на расстояние, причем передача
осуществляется с высокой скоростью;
–
электрические величины универсальны
в том смысле, что любые другие величины
могут быть преобразованы в электрические
и наоборот;
–
они точно преобразуются в цифровой код
и позволяют достигнуть высокой точности,
чувствительности и быстродействия
средств измерений.
По
принципу действия
датчики
можно разделить на два класса: генераторные
и параметрические
(датчики-модуляторы). Генераторные
датчики осуществляют непосредственное
преобразование входной величины в
электрический сигнал.
Параметрические
датчики входную величину преобразуют
в изменение какого-либо электрического
параметра (R,
L
или
C)
датчика.
По
принципу действия
датчики
также можно разделить на омические,
реостатные, фотоэлектрические
(оптико-электронные), индуктивные,
емкостные и д.р.
Различают три класса датчиков
–
аналоговые датчики, т. е. датчики,
вырабатывающие аналоговый сигнал,
пропорционально изменению входной
величины;
–
цифровые датчики, генерирующие
последовательность импульсов или
двоичное слово;
–
бинарные (двоичные) датчики, которые
вырабатывают сигнал только двух уровней:
“включено/выключено” (иначе говоря,
0 или 1); получили широкое распространение
благодаря своей простоте.
Требования,
предъявляемые к датчикам:
–
однозначная зависимость выходной
величины от входной;
–
стабильность характеристик во времени;
–
малые размеры и масса;
–
отсутствие обратного воздействия на
контролируемый процесс и на контролируемый
параметр;
–
работа при различных условиях эксплуатации;
Параметрические
датчики
(датчики-модуляторы)
входную величину X
преобразуют
в изменение какого-либо электрического
параметра (R,
L
или
C)
датчика. Передать на расстояние изменение
перечисленных параметров датчика без
энергонесущего сигнала (напряжения или
тока) невозможно. Выявить изменение
соответствующего параметра датчика
только и можно по реакции датчика на
ток или напряжение, поскольку перечисленные
параметры и характеризуют эту реакцию.
Поэтому параметрические датчики требуют
применения специальных измерительных
цепей с питанием постоянным или переменным
током.
Омические
(резистивные) датчики –
принцип
действия основан на изменении их
активного сопротивления при изменении
длины l,
площади сечения S
или
удельного сопротивления p:
Кроме
того, используется зависимость величины
активного сопротивления от контактного
давления и освещённости
фотоэлементов. В соответствии с этим
омические датчики делят на: контактные,
потенциометрические (реостатные),
тензорезисторные, терморезисторные,
фоторезисторные.
Контактные
датчики
— это
простейший вид резисторных датчиков,
которые преобразуют перемещение
первичного элемента в скачкообразное
изменение сопротивления электрической
цепи. С помощью контактных датчиков
измеряют и контролируют усилия,
перемещения, температуру, размеры
объектов, контролируют их форму и т.
д.
К
контактным датчикам относятся путевые
и концевые
выключатели,
контактные
термометры
и так называемые электродные
датчики,
используемые в основном для измерения
предельных уровней электропроводных
жидкостей.
Контактные
датчики могут работать как на постоянном,
так и на переменном токе. В зависимости
от пределов измерения контактные датчики
могут быть одно предельными и
многопредельными. Последние используют
для измерения величин, изменяющихся в
значительных пределах, при этом части
резистора R,
включенного в электрическую цепь,
последовательно закорачиваются.
Недостаток
контактных датчиков — сложность
осуществления непрерывного контроля
и ограниченный срок службы контактной
системы. Но благодаря предельной простоте
этих датчиков их широко применяют в
системах автоматики.
Реостатные
датчики
представляют
собой резистор с изменяющимся активным
сопротивлением. Входной величиной
датчика является перемещение контакта,
а выходной – изменение его сопротивления.
Подвижный контакт механически связан
с объектом, перемещение (угловое или
линейное) которого необходимо
преобразовать.
Наибольшее
распространение получила потенциометрическая
схема включения реостатного датчика,
в которой реостат включают по схеме
делителя напряжения. Напомним, что
делителем напряжения называют
электротехническое устройство для
деления постоянного или переменного
напряжения на части; делитель напряжения
позволяет снимать (использовать) только
часть имеющегося напряжения посредством
элементов электрической цепи, состоящей
из резисторов, конденсаторов или катушек
индуктивности. Переменный резистор,
включаемый по схеме делителя напряжения,
называют потенциометром.
Обычно
реостатные датчики применяют в
механических измерительных приборах
для преобразования их показаний в
электрические величины (ток или
напряжение), например, в поплавковых
измерителях уровня жидкостей, различных
манометрах и т. п.
Датчик
в виде простого реостата почти не
используется вследствие значительной
нелинейности его статической характеристики
Iн
=
f(х),
где Iн
–
ток в нагрузке.
Выходной
величиной такого датчика является
падение напряжения Uвых
между
подвижным и одним из неподвижных
контактов. Зависимость выходного
напряжения от перемещения х контакта
Uвых
=
f(х)
соответствует закону изменения
сопротивления вдоль потенциометра.
Закон
распределения сопротивления по длине
потенциометра, определяемый его
конструкцией, может быть линейным или
нелинейным.
Потенциометрические
датчики, конструктивно представляющие
собой переменные резисторы, выполняют
из различных материлов — обмоточного
провода, металлических пленок,
полупроводников и т. д.
Тензорезисторы
(тензометрические
датчики)
служат для измерения механических
напряжений, небольших деформаций,
вибрации. Действие тензорезисторов
основано на тензоэффекте, заключающемся
в изменении активного сопротивления
проводниковых и полупроводниковых
материалов под воздействием приложенных
к ним усилий.
Термометрические
датчики
(терморезисторы)
– сопротивление зависит от температуры.
Терморезисторы
в качестве датчиков используют двумя
способами:
1)
Температура терморезистора определяется
окружающей средой; ток, проходящий через
терморезистор, настолько мал, что не
вызывает нагрева терморезистора. При
этом условии терморезистор используется
как датчик температуры и часто называется
«термометром сопротивления».
2)
Температура терморезистора определяется
степенью нагрева постоянным по величине
током и условиями охлаждения. В этом
случае установившаяся температура
определяется условиями теплоотдачи
поверхности терморезистора (скоростью
движения окружающей среды – газа или
жидкости – относительно терморезистора,
ее плотностью, вязкостью и температурой),
поэтому терморезистор может быть
использован как датчик скорости потока,
теплопроводности окружающей среды,
плотности газов и т. п.
В
датчиках такого рода происходит как бы
двухступенчатое преобразование:
измеряемая величина сначала преобразуется
в изменение температуры терморезистора,
которое затем преобразуется в изменение
сопротивления.
Терморезисторы
изготовляют как из чистых металлов, так
и из полупроводников. Материал,
из которого изготавливается такие
датчики, должен обладать высоким
температурным коэффициентом сопротивления,
по возможности линейной зависимостью
сопротивления от температуры, хорошей
воспроизводимостью свойств и инертностью
к воздействиям окружающей среды. В
наибольшей степени всем указанным
свойствам удовлетворяет платина; в чуть
меньшей – медь и никель.
По
сравнению с металлическими терморезисторами
более высокой чувствительностью обладают
полупроводниковые терморезисторы
(термисторы).
Индуктивные
датчики
служат
для бесконтактного получения информации
о перемещениях рабочих органов машин,
механизмов, роботов и т.п. и преобразования
этой информации в электрический сигнал.
Принцип
действия индуктивного датчика основан
на изменении индуктивности обмотки на
магнитопроводе в зависимости от положения
отдельных элементов магнитопровода
(якоря, сердечника и др.). В таких датчиках
линейное или угловое перемещение X
(входная величина) преобразуется в
изменение индуктивности (L)
датчика. Применяются для измерения
угловых и линейных перемещений,
деформаций, контроля размеров и т.д.
В
простейшем случае индуктивный датчик
представляет собой катушку индуктивности
с магнитопроводом, подвижный элемент
которого (якорь) перемещается под
действием измеряемой величины.
Индуктивный
датчик распознает и соответственно
реагирует на все токопроводящие предметы.
Индуктивный датчик является бесконтактным,
не требует механичесого воздействия,
работает бесконтактно за счет изменения
электромагнитного поля.
–
нет
механического износа, отсутствуют
отказы, связанные с состоянием контактов
–
отсутствует
дребезг контактов и ложные срабатывания
–
высокая
частота переключений до 3000 Hz
–
устойчив
к механическим воздействиям
Недостатки
–
сравнительно малая чувствительность,
зависимость индуктивного сопротивления
от частоты питающего напряжения,
значительное обратное воздействие
датчика на измеряемую величину (за счет
притяжения якоря к сердечнику).
Емкостные
датчики
–
принцип действия основан на зависимости
электрической емкости конденсатора от
размеров, взаимного расположения его
обкладок и от диэлектрической проницаемости
среды между ними.
Для
двухобкладочного плоского конденсатора
электрическая емкость определяется
выражением:
где
e0
–
диэлектрическая постоянная; e
–
относительная диэлектрическая
проницаемость среды между обкладками;
S
– активная площадь обкладок; h
–
расстояние между обкладками конденсатора.
Зависимости
C(S)
и C(h)
используют для преобразования механических
перемещений в изменение емкости.
Емкостные
датчики, также как и индуктивные, питаются
переменным напряжением (обычно повышенной
частоты – до десятков мегагерц). В качестве
измерительных схем обычно применяют
мостовые схемы и схемы с использованием
резонансных контуров. В последнем
случае, как правило, используют зависимость
частоты колебаний генератора от емкости
резонансного контура, т.е. датчик имеет
частотный выход.
Достоинства
емкостных датчиков – простота, высокая
чувствительность и малая инерционность.
Недостатки – влияние внешних электрических
полей, относительная сложность
измерительных устройств.
Емкостные
датчики применяют для измерения угловых
перемещений, очень малых линейных
перемещений, вибраций, скорости движения
и т. д., а также для воспроизведения
заданных функций (гармонических,
пилообразных, прямоугольных и т. п.).
Емкостные
преобразователи, диэлектрическая
проницаемость e
которых
изменяется за счет перемещения, деформации
или изменения состава диэлектрика,
применяют в качестве датчиков уровня
непроводящих жидкостей, сыпучих и
порошкообразных материалов, толщины
слоя непроводящих материалов
(толщиномеры), а также контроля
влажности и состава вещества.
Соседние файлы в папке датчики
Датчик
(чувствительный элемент)- это
устройство преобразующее входную
величину в электрическую на выходе.
Основной
функцией датчика является преобразование
входной величины любой физической
природы в величину на выходе, более
удобную для контроля, регулирования
или управления. В системах автоматики
и телемеханики используется множество
датчиков различных по устройству и
назначению. Они могут быть классифицированы
по определенным признакам, важным в том
или ином отношении. Наиболее полно
позволяет отразить свойства, особенности
и возможности применения датчиков
классификация их по принципу действия.
На основании этого признака электрические
датчики можно разделить на параметрические
и генераторные. К параметрическим
датчикам относятся резисторные,
индуктивные, трансформаторные и
емкостные. Параметрические датчики
используют главным образом для
преобразования механических перемещений,
усилий, температур в электрическое
напряжение, ток или частоту. К генераторным
относятся термоэлектрические,
индукционные, пьезоэлектрические и
фотоэлектрические датчики. Главной
характеристикой датчика является его
чувствительность, которая во многом
определяет возможность применения
датчика в той или иной системе автоматики.
Тензодатчик. Назначение, схема, принцип работы
К
датчикам с изменяющимся омическим
сопротивлением
относятся
тензометрические датчики, которые
применяются для измерения упругих
деформаций (измерения растяжения или
сжатия тел), а также для измерения
крутящих и изгибающих моментов,
возникающих на поверхности различных
механических деталей при их механической
нагрузке. Значение измеренной деформации
позволяет с помощью известных формул
теории упругости и упругих констант
(постоянных значений) материала детали
вычислять механические напряжения в
них и судить о целесообразности их
конструкции. Тензодатчики, используемые
в автоматическом контроле дают возможность
следить за деформациями и напряжениями
при статических и динамических нагрузках.
Для
компенсации температурной погрешности
применяют мостовые схемы с двумя
датчиками в смежных плечах моста. Один
из датчиков, например рабочий 1,
наклеивается в направлении действия
усилия, а другой компенсационный 1’
наклеивается так, чтобы расположение
проволоки было перпендикулярно усилию.
Датчик
1’, находясь в одинаковых с рабочим
датчиком тепловых условиях, не должен
реагировать на деформацию. Тогда
температурные изменения сопротивления
уравновешиваются, и баланс схемы не
нарушается. Для увеличения чувствительности
прибор включается через усилитель 2.
Погрешность схемы составляет 1–0,5 %.
Резисторы R1, R2, R3, R4 образуют плечи моста.
Потенциометрический датчик. Назначение, схема, принцип работы.
Потенциометрические
датчики представляют собой резистор с
изменяющимся активным сопротивлением.
Конструктивно датчики такого типа
представляют собой каркас прямоугольной
или кольцевой формы на который намотана
в один ряд тонкая проволока. По виткам
проволоки скользит щетка, называемая
движком потенциометра, которая механически
связана с объектом, перемещение которого
нужно измерить. От концов намотки и от
движка сделаны электрические выводы,
с помощью которых датчик включают в
схему. Потенциометрические датчики
выполняют из различных материалов
-обмоточного провода, металлических
пленок, полупроводников и т.д. Входной
величиной датчика является перемещение
контакта (движка), а выходной – изменение
его сопротивления. Достоинства
потенциометрических датчиков:- высокая
точность преобразования;- простота
конструкции;- возможность питания
переменным и постоянным током без
инерционность. К недостаткам относятся:-
наличие подвижного контакта;
а-
линейный, б- угловой, в- схема включения,
1-коркас, 2-провод, 3- токосъемный контакт
Датчики — устройства, содержащие чувствительные части, реагирующие на определенные факторы с целью управления, контроля, мониторинга работы электроустановок, электроники, силовых систем, двигателей, бытовых и иных приборов. Изделия регистрируют изменения среды и, посылая команду исполнительным частям, обеспечивают автоматизацию, автономность оснащения или передают данные на устройства слежения. С помощью датчиков обеспечивается также и безопасность, оборудования или окружающей среды (например, пожарные сенсоры). Для каждого типа оборудования характерный определенный вид детекторов с нужными функциями, стойкостью, сенситивностью — рассмотрим их. А также опишем устройство, принцип работы, внешний вид сенсоров. Таким образом, читатель сможет сориентироваться, где какое устройство применяется, что надо ремонтировать или покупать для замены.
Что такое датчик
Под датчиком, сенсором, детектором подразумевают прибор, узел обособленного типа (интегрированный или в большей мере отдельный, но различимый), имеющий в своем составе один или больше первичных преобразователей измерительных типов. Назначение — выработка данных замеров в виде, подходящем для передачи, исследования, оценки, обработки, дальнейшей трансформации, хранения. Такая пересылка не поддается непосредственному восприятию наблюдателями. Пример простейшего устройства – микрофон, это звуковой детектор (громкость воспринимается, но ее силу в дБ человеку сложно оценить)
Детекторы могу иметь промежуточные узлы — вспомогательные или прямо необходимые для работы измерительные преобразователи, а также меру.
Устройство может быть вынесено на любые расстояния от обслуживающей системы, объекта, приемника. Длина определяется возможностью инструментов и методов связи (кабели, радиосигнал).
Задачи и роль датчиков
Задача сенсоров — передать параметры исследуемых факторов на приемник для последующей обработки им. А также, как уже мы отметили выше, детекторы могут делать своими дополнительными преобразователями некоторую подготовительную обработку импульсов, приводя их в удобную для передачи форму.
Но может быть еще важная задача. Если соотношение показателя величины сенсора на выходе с соответствующим значением таковой входной нормированное, то такие изделия являются измерительными средствами. То есть выполняют не только пассивную роль мониторинга, но и замеряют характеристики исследуемых факторов в диапазонах, допускающихся их техническими возможностями.
Есть многофункциональные модификации датчиков, воспринимающие и преобразовывающие, работающие с несколькими входными величинами. Помимо главной опции — восприятия значений, создание измерительного импульса — выполняют дополнительные опции, такие как фильтрация, предварительная обработка и так далее.
Датчик (сенсор, детектор) — это составляющие технических систем, их опции такие для обслуживаемых приложений:
- измерение;
- сигнализация;
- регулировка, настройка.
Изделия преобразуют данные о контролируемой среде — давлении, t°, расходе, концентрации, частоте, скорости, перемещении, электропараметрах — в сигналы (электро, пневмо, оптические). Создается наиболее подходящая для передачи и восприятия приемником форма для дальнейших измерений, обработки, подачи, трансформации, хранения, регистрации данных.
Сфера применения
Датчики используются везде там, где для работы прибора, техники, конструкций, систем, узлов требуется мониторинг определенных факторов (мы их перечислили выше). Ярким примером является температура: пожарный сенсор фиксирует превышение порогового значения и подает на узлы сигнализации данные об этом, а тот включает звуковую, световую индикацию, автоматическое пожаротушение.
Термодатчик в бойлере фиксирует достижение водой определенного уровня нагрева, дает импульс на реле термостата и тот отключает прибор. Множество датчиков есть в автомобилях, например, один из них — детектор вращения коленвала — подает информацию на ЭБУ, а тот регулирует работу системы впрыска топлива.
Вот лишь небольшая часть оборудования, где используются датчики:
Сложно назвать такую область, в которой бы отсутствовали датчики. Часто сенсоры связаны с чисто измерительными приборами — барометрами, термометрами, высотомерами. Последние делают замеры, датчик улавливает эти значения и передает на оборудование, автоматику.
Если обобщить, то термин «датчик» появился с развитием автоматизации управления, контроля, работы. Традиционной является следующая цепочка:
Датчик (улавливает и передает данные об исследуемых факторах, состоянии) — узел (прибор, система) управления (дает команду) — исполнительное устройство (принимает указания и настраивает обслуживаемый объект).
Датчик отличается от измерителя тем, что он в охватывающем им диапазоне только фиксирует выход сигнала исследуемого фактора. Поэтому часто для полноценной работы оснащения есть еще и узел, осуществляющий замеры, и они тесно связанные, могут быть интегрированными друг с другом, настолько, что отдельная работа их была бы невозможной.
Названия
Применяемые нами синонимы для описываемых устройств будем понимать как равнозначные — они обозначают измерительный преобразователь с функциями восприятия входных величин и формирования измерительных сигналов. Если говорить строго, то слово «сенсор» имеет акцент на восприятии, «датчик», — на создание и выдачу измерительных импульсов, «детектор» — на обнаружение определенных факторов. Но все эти свойства будем считать присущими каждому используемому нами синониму.
Все чаще используются модели изделий со сложной обработкой сигналов, с опциями регулировки, настройки параметров, интерфейсом управляющей системы. Надо сказать, что датчиками можно назвать и биологические маркеры. То есть термин допустимо трактовать расширенно.
При использовании измерителей, показания оборудования воспринимаются, обычно, напрямую — на дисплеях, табло, панелях, посредством световых, звуковых сигналов и проч. Показания же датчиков требуют трансформации в форму, которая может быть воспринята приемником и/или человеком.
Автоматизированное оснащение управления может иметь детекторы в роли инициаторов для сработки оборудования, арматуры, программ. Показания при этом, как правило, поступают на запоминающие элементы для контрольно-аналитических процессов, вывода на табло, на печать.
Устройство датчиков, принцип работы
Итак, датчик он же sensor является элементом узлов измерительных, сигнальных, регулирующих, управляющих частей оснащения. Деталь преобразует контролируемую, регулируемую величину (t°, давление, частоту, интенсивность света, электропараметров) в импульс, удобный для измерения, подачи, хранения, обработки, фиксации, а иногда он влияет на управляемые процессы.
Если упростить, то детектор является устройством, трансформирующим входное воздействие любых физических величин в сигнал, подготовленный для дальнейшей работы с ним.
Составные части
Есть чрезвычайно много конструкций сенсоров, чувствительных их частей, а также принципы сработки, взаимодействия, но все они обычно сводятся к такой структуре:
Общую схему датчика (Д) можно отобразить как совокупность чувствительного элемента (ЧЭ) и преобразующей части (Пр.) Первый в системах автоматики, телемеханики — это орган чувств. Предназначенный, чтобы преобразовывать, подготавливать контролируемую величину (х) придавая ей форму сигнала х1, удобную для восприятия, измерения. Например, в преобразователе часто осуществляется трансформация импульса (х1) в электрический сигнал (у).
На вход детектора могут поступать как электроимпульсы, так и любые другие, иного характера (пневмо, давление, световые, звуковые и прочие), но с выхода наиболее удобно снимать электросигнал — его просто и легко усиливать, оценивать, передавать можно почти на неограниченные расстояния.
