Омические датчики

Омические (реостатные) датчики используют в системах контроля и измерения линейных и угловых перемещений, сил и моментов, колебаний и вибраций, ускорений и других неэлектрических вели­чин. К ним относят контактные, потенциометрические, угольные, тензометрические и другие датчики принцип действия которых основан на изменении омиче­ского сопротивления специаль­ных элементов под действием измеряемой входной величины.

Контактные датчики, замыкая или размыкая свои кон­такты, преобразуют механиче­ское воздействие в электриче­ский импульс переменного или постоянного тока. Последова­тельно с контактами включают сигнальные лампы, реле, усили­тели, измерительные приборы и другие устройства. При по­мощи контактных датчиков измеряют и контролируют усилия, про­межуточные и предельные перемещения, конфигурации и размеры изделий или отдельных узлов установки. Зона нечувствительности рассматриваемых датчиков определяется начальным зазором между контактами.

Рис. 63. Контактные датчики: а — однопредельный; б — многопредельный.

Контактные датчики могут быть однопредельными и многопредельными — для изме­рения величин, изменяющихся в значительных пределах. Основные недостатки контактных датчиков — сложность обеспечения непре­рывного контроля и ограниченный срок службы контактной си­стемы.

В потенциометрических датчиках контролируемое перемещение передается воспринимающему органу и преобразуется за счет изме­нения собственного электрического сопротивления датчика в пере­менное или постоянное напряжение. Резистор этих датчиков (рис. 64, а) включается по схеме потенциометра, благодаря чему они и получили свое название. Подвижный контакт потенциометра связан с контролируемым перемещением, при изменении положения объекта изменяется напряжение на вторичном приборе П, проградуированном в единицах контролируемого параметра. Чтобы исключить влияние отклонений напряжения, рекомендуется подавать питание на датчик от стабилизатора.

Характеристику потенциометрического датчика І_п =ƒ(R_x) стре­мятся сделать близкой к прямолинейной (рис. 64, б и г), задавая потен­циометру соответствующий режим работы, применяя тот или иной способ намотки проволочного реостата, а также согласуя сопротив­ление вторичного прибора. Если необходимо, чтобы выходной ток и напряжение соответствовали по знаку направлению перемещения движка, то используют потенциометр со средней точкой (рис. 64, г), характеристика которого дана на рисунке 64, г.

Для контроля угловых перемещений служат датчики с каркасами в виде дуги окружности (рис. 64, д). В качестве бесконтактных дат­чиков угловых перемещений с плавным выходом применяют жидкост­ные потенциометрические датчики (рис. 64е)

Рис. 64. Потенциометрические датчики: а — с прямым каркасом; б — характеристика датчика с прямым каркасом в-со средней точкой; г — характеристика датчика со средней точкой-' о — с кольцевым каркасом; е — бесступенчатый датчик угла поворота.

Характеристика и чувствительность потенциометрического дат­чика рассчитываются аналитически. Так, для схемы, изображенной на рисунке 64, а, можно составить следующие уравнения:

I = I_x + I_п U_cт=I(R-R_x) + I_uR_n,

где U_ст — стабилизированное напряжение питания датчика;

R и l — полное сопротивление и длина намотки потенциометра; R_x — сопротивление части потенциометра; R_п — сопротивление вторичного прибора; I_п и I_х — токи в сопротивлениях R_n и R_x.

Решая уравнения относительно I_п, получим: (34)

Если R_п то

I_{п , (35)}

U_п = I_пR_п=U_ст

то есть выходные величины I_п и U_п прямо пропорциональны входной величине х.

Чувствительность датчика (соответственно А/м или В/м)

K_д.= или K _д = (36)

Для датчика с кольцевым каркасом характеристики и чувстви­тельность определяют, исходя из следующих соображений.

Напряжение на вторичном приборе U_n = U_ст , а ток I_п = .

Если сопротивление потенциометра R равномерно распределено

по длине окружности, то зависимость тока в приборе от угла поворота а определяется уравнением

I_п = (37)

Где — радиус каркаса, м;

р — сопротивление обмотки, отнесенное к единице длины окружности, Ом/м-рад.

Чувствительность датчика (А/рад)

K_д = (38)

Зона нечувствительности проволочного потенциометрического дат­чика определяется диаметром провода (ошибкой ступенчатости), так как при перемещении подвижного контакта, равном диаметру провода, потенциал меняется скачками на значение U_ст / n, где п — число витков потенциометра. У датчиков со сплошным полупроводя­щим покрытием потенциометра ошибка ступенчатости отсутствует.

Потенциометрические датчики отличает высокая точность и ста­бильность характеристик, простота конструкции и малые габариты. Кроме того, они обычно не нуждаются в усилителях, поскольку их выходная мощность достаточна для работы вторичных приборов. Благодаря этому подобные датчики получили широкое распростра­нение в автоматике.

К сожалению, наличие подвижных частей и скользящего контакта снижает надежность потенциометрических датчиков.

Угольные датчики используют принцип изменения собственного электрического сопротивления под действием приложенных сил.

Простейший датчик этого типа (рис. 65, а) представляет собой угольный столб, набранный из графитовых дисков. Диски располо­жены между контактными шайбами. Электрическое сопротивление угольного столба складывается из относительно небольшого собст­венного сопротивления дисков и основного сопротивления перехода между дисками, которое в значительной степени зависит от того, на­сколько плотно прилегают диски друг к другу, то есть от усилия сжатия, действующего на диски.

Рис. 65. Угольные датчики:

а—простейший угольный датчик; б — характеристика угольного датчика; в — дифференциальный угольный датчик.

На рисунке 65, б показаны кривые изменения сопротивления R (Ом) и выходного тока I_п (А) датчика в зависимости от усилия сжа­тия F(Н). Сопротивление угольного датчика

R= R _о+ (39)

а ток во вторичном приборе

І_п = . (40)

где R₀ — постоянная величина, равная сопротивлению столба при F ->∞ , Ом; а — постоянный коэффициент, Ом-Н.

Чувствительность угольного датчика (Ом/Н) K_д=

Для повышения чувствительности таких датчиков применяют мостовые схемы включения угольных столбов (рис. 65, в). Входное усилие F вызывает в одном плече моста уменьшение сопротивления R₁ в результате сжатия, а во втором — увеличение R₂. Такие датчики называют дифференциальными. Чтобы рабочая точка находилась на линейной части характеристики, на угольный столб постоянно действует некоторое усилие сжатия F_o.

Основные недостатки угольных датчиков: нестабильность сопро­тивления, наличие гистерезиса и нелинейность характеристики. Наибольшая нелинейность характеристики простейшего угольного датчика соответствует области малых усилий. У дифференциального датчика характеристика близка к линейной.

Тензометрические датчики используют в своей работе зависимость электрического сопротивления материала от его деформации. Тензодатчики представляют собой тонкую проволоку (рис. 66, а, в), опре­деленным образом уложенную и обклеенную с двух сторон пленкой.

Рис. 66. Тензометрические датчики: а — петлевой; б — характеристика тензодатчика; в — для измерения кольцевых деформаций; 1 — бумага; 2 — проволока; 3 — выводы.

Тензодатчик приклеивают прочным клеем к испытываемой детали. При деформации детали изменяется электрическое сопротивление проволоки в результате изменения ее геометрических размеров и удельного сопротивления. Изменение сопротивления ΔR проволоки при ее сжатии и растяжении связано с относительной деформацией ε =Δι ⁄ι

Коэффициент чувствительности определяется уравнением

ќ =

где — относительное изменение удельного сопротивления проволоки при ее деформации; μ — коэффициент Пуассона (для металлов — 0,24 ÷ 0,4); р — удельное сопротивление металла;l — длина проволоки.

По измеренному относительному изменению сопротивления про­волоки ΔR/R вычисляют относительную деформацию Δ1/1 =

Зная зависимость Δ1/1 = ƒ (F), можно определить усилие F, изме­няющееся в широком диапазоне. Характеристика тензодатчиков линейна, поэтому их чувствительность практически постоянная (рис. 66, б).

Поскольку при работе датчика на измеряемую деформацию реагирует лишь часть его длины (например, исключаются участки закругления на рис. 66, а),, то его чувствительность к меньше коэф­фициента к, характеризующего чувствительность самого материала Датчика.

К недостаткам датчиков такого типа следует отнести некоторую температурную погрешность и малую чувствительность. Термоком­пенсация измерительных схем и применение высокочувствительных вторичных приборов с усилителями позволяют в значительной мере преодолеть эти недостатки. Наибольшее распространение получили нихромовые и константановые проволочные тензодатчики, для кото­рых K = 1,9÷ 2,2.