Датчики механічних змінних

Датчики електромагнітних змінних

Датчики струму та напруги. У системах автоматичного керування електроприводом сигнали, пропорційні струму, знімаються з шунтів, трансформаторів струму. Перетворені сигнали датчиків використовуються також для вимірювання ЕРС, потужності і т. д. Основними завданнями при створенні давачів струму та напруги є завдання гальванічного розподілу силових ланцюгів і ланцюгів управління, забезпечення високої швидкодії і точності.

У аналогових датчиках напруги для розділення ланцюгів застосовують модуляцію вхідної напруги і трансформування з подальшою демодуляцією і підсиленням.

На теперішній час в якості датчиків струму використовуються перетворювачі, засновані на ефекті Холла, які будуються у вигляді магнітопроводів з зазором. Магнітопровід з магнітом’якого матеріалу намагнічується за допомогою обмотки, по якій тече вимірюваний струм. У зазорі встановлюється датчик Холу, що живиться від стабілізованого джерела струму. Датчики струму з використанням ефекту Холла забезпечують гальванічну розв'язку між ланцюгами вимірювання і вихідним ланцюгом при напругах до декількох кіловольт, точність до ± 1% і смугу пропускання до 1 кГц.

Датчики механічних змінних

Датчики параметрів руху. Дана група датчиків призначена для отримання інформації про лінійні та кутові переміщеннях, швидкості і прискорення, силі і моменти.

Основні вимоги до датчиків переміщень: 1) висока точність вимірювання (або контролю) переміщень: 2) швидкодія 3) надійність 4) завадостійкість інформативного параметра 5) малі нелінійні спотворення.

Існуючі датчики переміщень можуть класифікуватися за різними ознаками, основними з яких є: характер вимірюваних переміщень, фізичний принцип дії чутливого елементу, структура побудови, вид вихідного сигналу.

За принципом дії всі існуючі датчики можна розділити на фотоелектричні (оптоелектронні), що використовують ефект періодичної зміни освітленості (датчики забезпечуються каналом нульового імпульсу (початком відліку), що дає можливість при наявності лічильника використовувати датчик не лише для регулювання швидкості, але і як датчик положення); електростатичні: ємнісні (засновані на ефекті періодичної зміни ємності) і п'єзоелектричні (засновані на ефекті виникнення електричного заряду на поверхні деяких матеріалів у момент деформації); електромагнітні(які використовують наприклад, ефект періодичної зміни індуктивності або взаімоіндуктівності); електроакустичні (засновані, наприклад, на ефекті зміни енергії поверхневої акустичної хвилі); реостатні (що використовують ефект лінійної зміни опору) і лазерні (інтерферометричні).

Порівняльний аналіз перерахованих датчиків показує, що наприклад, електростатичні, зокрема ємнісні, датчики мають високу чутливість і надійність, невеликі теплові втратами. Однак широке використання ємнісних датчиків обмежено великим вихідним опором, необхідністю в жорсткій герметизації, труднощами виключення впливу паразитних ємностей.

Електромагнітні індуктивні датчики поступаються ємнісним по чутливості і лінійності характеристики, але переважають їх за вихідною потужністю, завадостійкістю, надійністю в умовах виробництва (де можливі коливання температури і вологості навколишнього середовища).

Перевагами електромеханічних електроконтактних датчиків є простота конструкції, великі потужність і амплітуда вихідних сигналів. До недоліків слід віднести гірші порівняно з іншими датчиками метрологічні характеристики - як статичні, так і динамічні.

Фотоелектричні датчики мають в даний час найбільшу точність серед існуючих перетворювачів, володіють найвищою роздільною здатністю, відрізняються високою чутливістю і швидкодією, простотою і надійністю конструкції, малими габаритами і масою, відсутністю механічного зв'язку з контрольованим об'єктом, малої інерційністю,можливістю дистанційного вимірювання та контролю практично без вимірювального зусилля. До недоліків фотоелектричних датчиків слід віднести чутливість до сторонніх джерел випромінювання, недостатню стабільність і надійність.

Тахогенераторипостійного струму серії ПТ і змінного струму серії ТТ застосовуються в регульованих електроприводах середньої та великої потужності при невисокій точності регулювання швидкості. Вони володіють низькими обіговими і полюсними пульсаціями і високою лінійністю і стабільністю характеристик. Магнітна система тахогенераторів ПТ вільно підвішена на валу за допомогою кулькових підшипників і фіксується кріпленням до підшипникового щита привідного електродвигуна. Тахогенератори на частоту обертання 600 об/хв і вище виконуються з додатковими полюсами. Тахогенератори серій ПТ і ТТ володіють значними габаритами і масою і використовуються в основному як датчики швидкості в приводах прокатних станів, паперової, хімічної промисловості і як датчики швидкості потужних турбоагрегатів.

Для приводів середньої потужності, не пред'являють високих вимог до точності регулювання швидкості, використовуються тахогенератори постійного струму серії ЕТ, ТМГ. ТД.

Тахогенератори серій ПТ і ТТ призначені для роботи в запилених приміщеннях в умовах як помірного, так і тропічного клімату. Тахогенератори ПТ виконуються в закритому виконанні з природним охолоджуванням.

Для верстатного приводу використовуються тахогенератори серії МЕТ, що володіють малою асиметрією і нелінійністю характеристик.

У комплектних електроприводах використовуються вбудовані тахогенератори на одному валу з двигуном, при цьому крім зазначених серій тахогенераторів використовуються машини типу СП.

У сучасному електроприводі уникають з'єднання тахогенератора з валом за допомогою гнучкої передачі і редукторів, так як гнучкі передачі володіють властивостями коливальної ланки і погіршують динаміку приводу, а редуктор викликає труднощі, пов'язані з наявністю люфтів в передачах.

Проте жорсткі точнісні та експлуатаційні вимоги, що пред'являються до промислових систем автоматики, призвели до того, що в якісних системах в основному використовуються фотоелектричні і електромагнітні датчики переміщення, а також електромагнітні та цифрові датчики швидкості.

Датчики зусилля. У датчиках зусилля застосовуються магнітострикціонні і п'єзоелектричні перетворювачі. Робота магнітострикційного (магнітопружного) перетворювача заснована на магнітопружному ефекті.

Якщо на намагнічений зразок феромагнітного тіла впливати зовнішньою механічною силою, то тіло деформується, домени змінюють свою орієнтацію і індукція в матеріалі зміниться. Таким чином, виникає магнітострікційна складова деформації, яка накладається на чисто механічну деформацію, що підпорядковується закону Гука. Тому пружні властивості феромагнітного матеріалу змінюються зі зміною зусилля. Крім того, при цьому відбувається зміна магнітних властивостей, які можна спостерігати зі зміни кривої намагніченості (зворотний магнітострікційний ефект).Оскільки абсолютна магнітна проникність речовини μ = В / М, то при заданій напруженості поля М зміна індукції В еквівалентна зміні магнітної проникності. Розглянуте явище використовується для перетворення механічної сили в електричну величину.

Для магнітострикційних датчиків сили характерні: малий вплив на вимірювану величину (внаслідок підвищеної жорсткості); висока стійкість і надійність (внаслідок механічної міцності); посередня лінійність; значна чутливість до температури і паразитним магнітним полям;недостатня стабільність у часі; обмеженість смуги пропускання. Точність магнітострикційних датчиків складає декілька відсотків від верхньої межі вимірювання.

Робота п'єзоелектричних перетворювачів заснована на явищі п'єзоелектрики, що полягає у виникненні (або в зміні) електричної поляризації в деяких анізотропних діелектриках - природних (кварц, турмалін і т. п.) або штучних (сульфат літію, синтетичний кварц, оброблена кераміка і т.п.), - коли вони деформуються під дією певним чином спрямованої сили. Якщо розташувати пару обкладок на протилежних сторонах п'єзоелектричної пластини і прикласти до пластини силу, то під дією сили на обкладинках з'являться заряди протилежних знаків а, отже, виникне різниця потенціалів, пропорційна прикладеній силі. Такий конденсаторний пристрій дає можливість вимірювати силу і будь-які фізичні величини, що призводять до виникнення сили: тиск, прискорення, вібрації. Цей конденсаторний пристрій являє собою п'єзоелектричний датчик.

Підданий дії відповідним чином орієнтованого електричного поля, п'єзоелектричний матеріал деформується. Ця властивість п'єзоелектриків використовується для управління частотою генерації. Звідси випливає можливість виготовлення п'єзоелектричних датчиків, резонанс яких виникає на певній частоті, чутливої до зміни різних фізичних величин (температури, тиску і т. п.).

Датчики деформації. Як датчики деформації застосовують тензорезисторні перетворювачі (металеві, дротові, напівпровідникові та ін.) Тензорезисторний перетворювач (тензорезистор) представляє собою провідник, що змінює свій опір при деформації розтягу-стиску. Довжина провідника l і площа поперечного перерізу S змінюються при його деформації. Ці деформації кристалічної решітки призводять до зміни питомого опору провідника і, отже, до зміни повного опору.

Тензорезисторні датчики приклеюються до об'єкта і деформуються разом з ним. При цьому із-за малих розмірів (в залежності від типу від 1 мм до 1 см) такі датчики забезпечують досить точні вимірювання деформації.

Найкращим вітчизняним матеріалом для виготовлення провідникових тензорезисторів, використовуваних при температурах нижче 180 °С є константен (сплав нікелю (45%) і міді (55%)).

Акселерометри, або вимірювачі прискорення, широко застосовуються в промисловості при вивченні чутливості виробів до ударів і вібрацій. Останнім часом буферні та ємнісні перетворювачі, що використовувалися в цих пристроях, витісняються п'єзоелектричними датчиками. Еквівалентна схема п'єзоелектричного перетворювача представляє собою джерело напруги з послідовно з'єднаним конденсатором, на якому утворюється заряд. Вихідна змінна напруга такого датчика, що виробляється під впливом вібраційного прискорення має дуже малу амплітуду. Тому для збільшення вихідного сигналу склеюють кілька п'єзокристалів. Але коли величина змінного заряду на конденсаторі дуже мала, то такий датчик підключають до входу підсилювача заряду з малим вхідним струмом, одночасно перетворюючого вихідну напругу датчика в сигнал швидкості. Якщо цей сигнал додатково проінтегрувати, а потім продетектувати з високою точністю, то величина одержуваної напруги буде пропорційна амплітуді зміщення (цю напругу можна проградуювати, наприклад, в міліметрах переміщення на вольт).

Поиск по сайту: