Реостатні і потенціометричні датчики

Реостатні і потенціометричні датчики призначені для перетворення кутового або лінійного переміщення в електричний сигнал.

Реостатний датчик, що уявляє собою звичайний реостат, застосовується в автоматиці і обчислювальній техніці рідко, тому що має значну нелінійність характеристики.

Ці датчики виконані у вигляді змінного опору, рухливий контакт якого механічно зв'язаний з перетворюємим елементом. Звичайно вони являють собою дротовий реостат, повзунок якого переміщується під впливом контрольованого або регульованого параметра.

Конструктивно реостатні і потенціометричні датчики складаються з каркаса, намотаного на нього дроту і повзунка. Каркас датчиків виготовляється з текстоліту, склотекстоліту, пластмаси й алюмінієвих сплавів, покритих ізоляційним лаком або оксидною плівкою. Каркаси, виготовлені з алюмінієвих сплавів, більш теплотривкі в порівнянні з іншими каркасами, що дає можливість підвищити щільність струму в обмотці і цим підвищити чутливість перетворювача. Каркаси можуть виконуватися у вигляді циліндричної або плоскої пластини, а також у вигляді кільця і сегмента. Дріт, що намотується на каркас, повинен мати великий питомий опір і малий температурний коефіцієнт опору. Для обмоток реостатних і потенціометричних датчиків застосовується константановий, манганіновий, ніхромовий, новоконстантановий й інший дріт. Для датчиків із малим контактним тиском застосовується дріт із сплавів срібла, платини і золота.

Характеристика реостатних і потенціометричних датчиків є ступеневою (крім датчиків реохордного типу), тому що безупинній зміні контрольованого або регульованого параметра відповідає ступенева (дискретна) зміна опору, яка дорівнює значенню опору одного витка. Це приводить до появи похибки виміру, яку можна зменшити за рахунок зменшення діаметра дроту. Звичайно застосовується дріт невеликого діаметра (до сотих долей міліметра). При створенні датчиків прагнуть до того, щоб було як найбільше витків датчика на одиницю контрольованого або регульованого параметра, що приводить до зменшення ступневості характеристики і зменшення похибки виміру (як правило, не менше 100-200). Частину повзунка, що контактує з обмоткою, часто виготовляють із срібла або сплаву платини зі сріблом. Замість повзунка в датчику може застосовуватися щітка, що складається з декількох дротиків, з'єднаних паралельно.

Рис. 1.6 - Схема ввімкнення однотактного (нереверсивного) потенціометричного датчика

У техніці частіше застосовують потенціометричний датчик, що являє собою реостат, включений за схемою дільника напруги (рис. 1.6).

Вихідна напруга потенціометричного датчика в режимі неробочого хода, коли навантаження не підключене, визначається за наступною формулою:

U_вих = I · R_х = ( U / R) · R_х

де I - струм, що протікає в датчику;

R_х - опір введеної частини датчика;

U - напруга живлення датчика;

R - повний опір датчика.

Припустимо, що намотування датчика виконане рівномірно й опір дроту на одиницю довжини постійний, тоді можна написати наступний вираз:

R_х / R = х / l

де х - переміщення повзунка датчика;

l - довжина обмотки датчика.

Підставивши в формулу замість виразу Rx / R вираз х / l, отримуємо:

U_вих = U · (х / l) = K · х

де K = U / l- коефіцієнт передачі.

З формули U_вих випливає, що статична характеристика потенціометричного датчика при роботі його в режимі неробочого ходу являє собою лінійну залежність між вихідною напругою датчика U_вих і переміщенням його повзунка х. Розглянутий датчик є однотактным (нереверсивним), тому що дає можливість вимірювати переміщення повзунка х тільки одного знака.

У техніці часто застосовуються потенціометричні датчики, що реагують на знак переміщення повзунка. Такі датчики одержали назву двотактних або реверсивних. Для побудови зазначених датчиків необхідно зробити вивід від середньої точки обмотки датчика. На рис. 1.7 приведена схема двотактного потенціометричного датчика.

Потенціометричні датчики частіше всього застосовують для виміру кута повороту різних механізмів і приладів. У цих датчиків напруга постійного і змінного струму, що знімається із затискачів, пропорційна куту повороту повзунка потенціометра. Іноді в техніці застосовують потенціометричні датчики, із затискачів яких знімають напругу, що змінюється за синусному або логарифмічному закону в залежності від кута повороту повзунка потенціометра. Такі потенціометричні датчики одержали назву функціональних.

Рис. 1.7 - Схема ввімкнення двотактного (реверсивного) потенціометричного датчика

До переваг реостатних і потенціометричних датчиків можна віднести: конструктивну простоту, малу масу і невеликі габарити, можливість живлення постійним і змінним струмом, простоту регулювання і високу стабільність.

Основними недоліками реостатних і потенціометричних датчиків є: наявність рухливого контакту, що знижує надійність роботи і термін роботи датчика, невисока чутливість, нелінійність характеристики при низькоомному навантаженні і наявність помилки від ступінчастості характеристики.

Значення реактивного опору реостатних і потенціометричних датчиків невелике і його можна не враховувати при роботі на частотах до декількох десятків кілогерц.

Тензодатчики

Тензодатчиком (тензорезистором) називається датчик спеціальної конструкції, призначений для виміру статичних або динамічних деформацій у деталях і перетворюючий ці деформації в зміну активного опору. В основу роботи тензодатчиків покладена властивість матеріалів змінювати свій електричний опір під дією сили, прикладеної до них.

В даний час широко застосовуються дротові, фольгові і напівпровідникові тензодатчики.

Дротові тензодатчики (рис. 1.8) конструктивно являють собою відрізок тонкого дроту 1 (діаметром 0,02 - 0,5 мм), що зигзагоподібно наклеюється на тонку паперову або плівкову основу 2. Зверху дріт також закритий тонким папером або плівкою. Для ввімкнення тензодатчика в схему до кінців дроту припаюють два мідних провідники 3. Тензодатчик жорстко закріплюється за допомогою клею на деталь 4, яка випробується.

Рис. 1.8 - Дротовий тензодатчик

При розтягуванні або стисканні деталі в напрямку розташування дроту відбувається розтягування або стискання дроту, що приводить до зміни довжини l, площі поперечного перетину S і питомого опору матеріалу r дроту. Наприклад, якщо перед розтягуванням електричний опір дроту дорівнював R =r ·l / s, то при розтягуванні він став R + DR. Для виготовлення дротових тензодатчиків звичайно застосовують константановий або ніхромовий дріт, що має великий питомий опір r і невеликий температурний коефіцієнт опору, тобто опір цього дроту мало залежить від температури.

Основними характеристиками дротових тензодатчиків є: номінальний опір R, довжина решітки (база) l_б і коефіцієнт тензочутливості К_т. Останній можна визначити за формулою

К_т = (DR / R)/ (Dl / l),

де Dl - абсолютна зміна довжини дроту,

Dl /l - відносна зміна довжини дроту,

DR/R - відносна зміна опору тензодатчика.

Значення коефіцієнта тензочутливості дротового тензодатчика звичайно дорівнює 1,8-2,5 і значно залежить від технології виготовлення датчика і матеріалу його дроту. Опір дротового тензодатчика знаходиться у межах від 50 до 400 Ом. Номінальний робочий струм, який можна підводити до такого датчика, дорівнює 30 мА.

Іноді в лабораторних умовах застосовують тензодатчики з вільним підвісом дроту. Основною перевагою таких тензодатчиків є велика стабільність показань при тривалих вимірах, тому що на результати виміру не впливає повзучість клею, що у даному випадку відсутній.

Завдяки тому, що дротові тензодатчики мають малі габарити (довжина решітки дорівнює 15-45 мм, ширина 7-10 мм) і невелику масу, вони можуть розташовуватися в самих важкодоступних місцях деталі.

Основними перевагами дротових тензодатчиків є: майже повна відсутність їх впливу на деформацію деталі; лінійність характеристики і низька вартість.

Фольгові тензодатчики являють собою подальший розвиток дротових тензодатчиків. У них замість решітки із дроту застосовується решітка з тонких смужок металевої фольги (товщиною декілька мікрон), що наклеюється на плівкову основу. Конструкції решіток фольгових тензодатчиків можуть мати різні конфігурації. Практично можна виготовити решітки будь-якого рисунку. В техніці частіше застосовують наступні конструкції решіток: пряма—для виміру лінійних деформацій, розеточна—для виміру моментів , що крутять , на круглих валах, мембранна - для виміру зусиль, що впливають на мембрани.

Фольговий тензодатчик має велику площу зіткнення з деталлю, чим дротовий, отже, його тепловіддача вище тепловіддачі останнього. Завдяки цьому можна збільшити значення струму до 0,2 А, що протікає через фольговий тензодатчик. Опір фольгового тензодатчика дорівнює 50-200 Ом. Значення коефіцієнта тензочутливості К_т у фольгових тензодатчиків такий же, як і дротових (К_т = 1,8¸2,5). Межа вимірювання відносних деформацій дорівнює 0,3%, температурний діапазон працездатності від - 40 до +70° С.

Напівпровідникові тензодатчики застосовуються в техніці порівняно недавно. В порівнянні з дротовими і фольговими тензодатчиками вони мають певні переваги: значення коефіцієнта тензочутливості в 60 разів вище; малі розміри (довжина грат від 3 до 10 мм), велике значення вихідного сигналу.

Конструктивно напівпровідниковий тензодатчик являє собою пластину з германію або кремнію, яка наклеєна на папір. Пластина має металеві відводи, за допомогою яких датчик підключається в схему. Номінальний опір датчика звичайно дорівнює 40-1000 Ом. Температурний діапазон працездатності датчика складає від -160 до +300° С, лінійність зміни опору зберігається при відносних деформаціях до ±0,1%. Основними недоліками напівпровідникових тензодатчиків є: невелика гнучкість, невелика механічна міцність, нестабільність параметрів, велике розкидання характеристик однотипних датчиків і нелінійність характеристики.

Терморезистори

Терморезистором називається пристрій, що містить провідник або напівпровідник, електричний опір якого змінюється зі зміною температури навколишнього середовища. У техніці широке застосування знайшли терморезистори з теплочутливим елементом у вигляді провідника. Матеріалом для провідника може бути мідь, нікель і платина. Такі терморезистори отримали назву термометрів опору. Останні широко застосовуються в приладах для виміру температури повітря, води і масла.

Термометр опору (рис. 1.9) уявляє собою тонкий мідний, нікелевий або платиновий дріт 1, намотаний на слюдяний або керамічний каркас 2, який для захисту від механічних ушкоджень поміщають у металевий корпус.

Рис. 1.9 – Термометр опору

При зміні температури навколишнього середовища змінюється опір термометра:

R_t = R₀ ·[ 1 + a ·( t - t₀)] ,

де R_t - опір термометра при температурі t, Ом;

R₀ - початковий опір термометра при температурі t₀, Ом;

a - температурний коефіцієнт опору, 1/°С;

t - температура в момент виміру, °С;

t₀ - початкова температура термометра, °С.

За допомогою термометрів опору можна вимірювати температуру від -250 до +550° С.

Платинові термометри опору можуть також застосовуватися для виміру швидкості протікання газу, складу газу і концентрації розчинів. Це можливо тому, що опір провідника залежить не тільки від температури навколишнього середовища і нагрівання провідника струмом , що протікає в ньому, але і від швидкості протікання газу, щільності і його складу. Такий термометр опору виконується у вигляді тонкого платинового дроту діаметром від 0,02 до 0,06 мм і довжиною від 5 до 50 мм, що закріплюється кінцями в масивних тримачах. Термометр опору поміщають у контрольоване середовище, наприклад у газовий потік, швидкість якого змінюється. Потім дріт нагрівають до температури 150-400° С, пропускаючи через неї струм. У залежності від швидкості газового потоку дріт буде прохолоджуватися більш-менш інтенсивно, тобто буде змінюватися температура дроту, що приведе до зміни опору термометра.

За допомогою такого термометра опору, іменованого звичайно термоанемометром, швидкість газового потоку перетвориться в опір. Основними перевагами термометрів опору є: стабільність, лінійність характеристики і простота виготовлення.

Основним недоліком розглянутих термометрів є їх теплова інерційність.

В автоматиці також широко застосовуються терморезистори з теплочутливим елементом у вигляді напівпровідника. Такі терморезистори називаються термісторами.

Термістори виготовляються з напівпровідникового матеріалу. У якості матеріалу використовується суміш окислів декількох металів (нікелю, титана, марганцю, кобальту й ін.), а також з'єднання металів із вуглецем, азотом і ін.

Термістори мають великий негативний коефіцієнт опору. При збільшенні температури їхній опір зменшується, тоді як у дротових термометрів опору, навпаки, опір збільшується.

Термістор конструктивно являє собою кульку, диск або трубку із напівпровідникового матеріалу з металевими відводами. Щоб захистити термістор від дії вологи, його покривають шаром лаку, а іноді поміщають у закритий скляний балон. Слід зазначити, що опір термістора зменшується зі зростанням його температури за законом експоненти. Термістори мають ряд переваг перед металевими термометрами опору: високий питомий електричний опір, завдяки чому термістор можна зробити дуже маленьким, велике значення температурного коефіцієнта опору напівпровідника, висока чутливість.

До недоліків варто віднести: нелінійність і нестабільність характеристики.

Запитання для самоперевірки

1 Коли і де застосовують контактні датчики?

2 Для чого призначені реостатні і потенціометричні датчики?

3 Чому реостатні і потенціометричні датчики мають ступеневу характеристику?

4 Які датчики називають функціональними?

5 Які переваги і недоліки реостатних і потенціометричних датчиків?

6 В чому полягає призначення тензодатчиків?

7 Чим можна пояснити широке застосування напівпровідникових тензодатчиків в техніці?

8 Які переваги термісторів в порівнянні з термометрами опору?

1.1.6 Параметричні датчики реактивного опору

Параметричні датчики реактивного опору живляться від джерела змінного струму. До них відносяться індуктивні і ємнісні датчики.

Індуктивні датчики

Принцип дії індуктивних датчиків заснований на зміні індуктивного опору електромагнітного дроселя при переміщенні однієї з його рухливих деталей, звичайно якоря. Вони широко застосовуються для виміру малих кутових і лінійних механічних переміщень, деформацій, контролю розмірів деталей, а також для керування слідкуючими пристроями.

Індуктивний датчик являє собою електромагнітний дросель зі змінним повітряним зазором d, обмотка 1 якого ввімкнена послідовно з опором навантаження Z_н (рис. 1.10, а). Магнітопровід 2 і якір 3 звичайно виконують з магнітом'якого матеріалу. При зміні повітряного зазору d (вхідний розмір) змінюється індуктивність обмотки дроселя L_др , а також опір його обмотки Z_др. Індуктивність обмотки дроселя

L_др = (w² · S · m₀ ) / (2 ·d ) ,

де w - кількість витків обмотки дроселя;

S - площа перетину повітряного зазору;

m₀ - магнітна проникність вакууму;

d - довжина повітряного зазору.

Слід зазначити, що при зменшенні довжини зазору d індуктивність обмотки дроселя L_др відповідно до формули збільшується, а це у свою чергу приводить до зменшення падіння напруги на навантаженні U_н.

На рис. 1.10, б приведені ідеальна статична характеристика ОА і реальна характеристика ВС нереверсивного індуктивного датчика. Реальна статична характеристика індуктивного датчика відрізняється від ідеальної тим, що має деяку нелінійність. Це викликано тим, що при нульовому зазорі індуктивність обмотки дроселя L_др ¹ ¥, тому падіння напруги на навантаженні U_н ¹ 0, а має визначене значення (напруга неробочого ходу U_нх). При великому зазорі реальна статична характеристика ВС містить ділянку насичення, обумовлену напругою насичення U_нас.

До переваг нереверсивного індуктивного датчика варто віднести: високу чутливість, надійність, відсутність контактних пристроїв, значний розмір вихідної потужності (до сотень вольт-ампер), простоту конструкції й експлуатації.

Основними недоліками розглянутого датчика є: наявність напруги на виході при нульовому повітряному зазорі U_о; нелінійність реальної статичної характеристики; виникнення великих зусиль між якорем і осердям дроселя (до декількох кілограмів). Реверсивні датчики мають чутливість у 2 рази більшу, ніж нереверсивні датчики.

а - схема ввімкнення, б - статичні характеристики: ОА—ідеальна, ВС— реальна.

Рис.1.10 - Нереверсивний індуктивний датчик зі змінним зазором

Реверсивні датчики вмикаються або за диференціальною (рис.1.11,а), або за мостовою схемою (рис.1.11, б) і складаються з двох нереверсивних датчиків, що мають загальний якір 1. Зусилля, що діє на якір, дорівнює різниці сил притяжіння з боку осердь 2. У середньому положенні якоря при наявності повної симетрії реверсивного датчика результуюче зусилля дорівнює нулю, а в інших положеннях якоря воно невелике.

Реальна статична характеристика реверсивного датчика (крива III) приведена на рис.1.11, б. Вона утворюється алгебраїчним підсумовуванням ординат характеристик нереверсивних датчиків (криві I і II). За початок відліку переміщень беруть середнє положення якоря, при якому схема буде врівноважена і падіння напруги на навантаженні U_н=0. При невеликих відхиленнях якоря напруга U_н зростає практично лінійно. При зміні знака переміщення (перехід якоря через середнє положення в протилежний бік) фаза напруги U_н змінюється на 180°).

В даний час застосовується велика кількість індуктивних датчиків, що відрізняються один від одного конструктивним і схемним виконанням. Найбільше поширення одержав диференціальний датчик, що вмикається за допомогою розділювального трансформатора Тр (рис. 1.11, а).

а - диференціальна схема ввімкнення; б - мостова схема ввімкнення;

в - статичні характеристики

Рис. 1.11 - Реверсивний індуктивний датчик зі змінним зазором

До переваг реверсивних датчиків можна віднести: більшу, ніж у нереверсивних датчиків, лінійність статичної характеристики; меншу залежність характеристики від коливань напруги, температури і т.ін.

Основним недоліком реверсивних датчиків є складність регулювання (балансування) датчика.

Розглянуті датчики застосовуються для вхідних переміщень від 0,001 до 1 мм. Для переміщень від 1 мм до 60 мм застосовується датчик соленоідного типу, що вмикається за мостовою схемою (рис. 1.12). У цьому датчику зміна індуктивності обмотки L відбувається за рахунок переміщення феромагнітного осердя 1 у котушці 2.

В автоматиці застосовується також трансформаторний індуктивний датчик (рис. 1.13), принцип дії якого заснований на зміні взаємної індуктивності потокозчіплення і значення ЕРС в обмотках датчика при переміщенні феромагнітного осердя 1. На обмотку збудження w_зб, розташовану на середньому стрижні, подається напруга живлення U_~, а з обмоток w₁ і w₂ розташованих на бокових стрижнях і з'єднаних між собою так, що наводимі в них ЕРС мають протилежну фазу, знімається напруга навантаження U_н (вихідна напруга). При симетричному положенні якоря 1 ЕРС в обмотках w₁ і w₂ рівні між собою. У цьому випадку напруга U_н=0. При зміщенні якоря 1 від симетричного положення в обмотках w₁ і w₂ створюються різні за значенням ЕРС, в результаті чого відбувається зміна напруги U_н. Фаза напруги U_н (вихідної напруги) визначається знаком відхилення якоря від його симетричного положення.

Трансформаторний індуктивний датчик має велике переміщення якоря і коло навантаження його електрично не зв'язане з живленням, тобто в цьому датчику між ними існує тільки магнітний зв'язок.

Розглянуті індуктивні датчики застосовуються в основному на частотах 3000-5000 Гц. На високих частотах вони застосовуються рідко, тому що на цих частотах різко зростають втрати у феромагнітному матеріалі на перемагнічування і зростає реактивний опір обмоток.

Поиск по сайту: