Параметрические датчики

Контактные датчики обеспечивают преобразование механического перемещения в электрический сигнал, т.е. замыкание или размыкание электрической цепи. Речь идет о всякого рода конечных выключателях, микро-выключателях. Широко распространены датчики с механическими контактами, встречаются датчики с ртутными контактами. Датчики с механическими контактами могут быть выполнены ввиде контактов давления или ввиде скользящих контактов.

а б

Рис. 3.2 Конечные (путевые) выключатели (а, б); ртутный контакт (в); 4 – ртуть.

в

Тензометрические датчики (тензодатчики) основаны на использовании зависимости омического сопротивления проводников и полупроводников от величины их упругой деформации. Проволочный тензодатчик выполняется виде проволки из константана, уложенной петлеобразно и прочно наклеенной на полоску тонкой бумаги. Бумага с проволкой наклеивается на испытуемую деталь при деформации которой изменяется сопротивление проволки. На рис. 3.3 показан промышленные тензодатчики.

Рис. 3.3а Решетки тензометрических датчиков

Реостатные и потенциометрические датчики представляют собой переменные сопротивления, обеспечивающие преобразования линейных или угловых перемещений в электрический сигнал.

Рис. 3.4 Устройство (а) и схема (б) потенциометрического датчика тороидального типа

На рисунке 3.4 показан потенциометрический датчик тороидального типа. На каркас 1 из изоляционного материала наматывается провод с высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления и весьма малым диаметром. Контакт щетки 2 соединяется с выводным зажимом спиральной пружиной 3. Ось 4 датчика соединяется с контролируемым объектом.

Достоинством таких датчиков являются простота, малые размеры и масса, отсутствие необходимости усиления, если они используются при измерениях. Недостаток – наличие скользящего контакта, снижающего надежность их работы.

Рис. 3.5 Устройство термометра сопротивления.

Термометры сопротивления (термосопротивления) основаны на свойстве проводников менять сопротивление при изменении температуры. Термосопротивления изготавливают из чистых металлов: никеля, железа, меди, платины. Электрическое сопротивление металлов при нагреве увеличивается. На рис. 3.5 показано устройство термометра сопротивления. Проволка 1 диаметром примерно 0,1 мм наматывается на термостойкий изоляционный каркас и заключается в защитную трубку 2. Сопротивление термометров 50 – 100 Ом.

Терморезисторы полупроводниковые (термисторы) представляют собой оксиды, сульфиды, нитриды или карбиды металлов. Сопротивление термисторов, в отличие от металлов уменьшается при повышении температуры – они имеют отрицательный коэффициент сопротивления, см. рис. 3.6. Термисторы, по сравнению с термосопротивлениями имеют высокую чувствительность и обладают высоким удельным сопротивлением (до 10³ Ом·см).

Рис. 3.7 Терморезисторы

Индуктивные датчики основаны на изменении индуктивности (взаимоиндуктивности) катушек, размещенных на ферромагнитных сердечниках, рис. 3.8. Входной величиной является горизонтальное или вертикальное перемещение якоря, а выходной – индуктивность или индуктивное сопротивление катушки. Вспомним:

Действие простейших индуктивных датчиков состоит в следующем. При подаче переменного напряжения 50 – 100 Гц, током, протекающим по катушке создается магнитный поток, который слаб, когда зазор δ между якорем и сердечником велик или якорь расположен выше (ниже) сердечника. В этих случаях индуктивность, а следовательно индуктивное сопротивление катушки, малы. Через сопротивление RL протекает ток нормальной величины. При уменьшении зазора до установленного предела или при расположении якоря симметрично относительно сердечника, Индуктивное сопротивление катушки возрастает, а ток в цепи падает.

Магнитопровод дифференциального датчика состоит из двух неподвижных сердечников 1, с размещенными на них одинаковыми катушками, и подвижным якорем 2, связанным с контролируемым объектом. Обмотки W1 и W2 совместно с нагрузками RL1 и RL2 двух других плеч включены в мостовую схему. При нейтральном положении якоря индуктивные сопротивления обмоток равны, мост уравновешен, напряжение на выходе отсутствует. При перемещении якоря, например влево, индуктивность L1 возрастает, а L2 уменьшается. Появляется дисбаланс, возникает выходное напряжение.

Чувствительность дифференциальных датчиков в 2 раза выше простейших и могут использоваться для контроля весьма малых перемещений – до десятых и сотых долей миллиметра.

Емкостные датчики представляют собой конденсаторы различных конструкций и форм. Служат для преобразования механических линейных и угловых перемещений, а так же давления, влажности или уровня среды в изменение емкости.

Для контроля линейных перемещений используются конденсаторы с изменяющимся зазором между обкладками, для контроля угловых перемещений – конденсаторы с постоянным зазором, но с изменяющейся рабочей площадью. Можно использовать изменяющуюся диэлектрическую проницаемость среды между обкладками конденсатора. Для охраны периметров, обнаружения присутствия используются антенные емкостные системы, см. рис. 3.13.

Достоинствами емкостных датчиков является простота устройства, малые основные размеры и масса, высокая чувствительность и безынерционность. К недостаткам относятся необходимость источников высокой частоты или усилителей при промышленной частоте и вредное влияние паразитных емкостей.

Рис. 3.13 Антенная система подключается к электронному блоку, генерирующему электрический сигнал и измеряющему емкость антенной системы. Когда человек приближается к электродам или касается их, емкость антенной системы изменяется, что регистрируется электронным блоком, выдающим сигнал тревоги.

Магнитоупругие датчики основаны на использовании эффекта магнитной упругости, свойственного некоторым ферромагнитным материалам (например железо-кремниевый сплав). Явление заключается в изменении магнитной проницаемости образца при изменении растягивающих или сжимающих усилий.

Магнитоупругие датчики бывают дроссельного и трансформаторного типов, рис 3.14.

Датчик дроссельного типа представляет собой электромагнит с замкнутым магнитопроводом, к сердечнику которого прикладывается деформирующее усилие. Магнитная проницаемость магнитопровода изменяется, а значит изменяется индуктивное сопротивление катушки.

Датчик трансформаторного типа называется прессдуктором. К первичной обмотке подводится переменное напряжение, а во вторичной обмотке появляется ЭДС, величина которой зависит от степени деформации магнитопровода.

Магнитоупругие датчики используются для контроля усилий в различных общепромышленных установках (пресс, прокатные станы). В горной промышленности они могут использоваться, например, для контроля посадки клетей на кулаки, загрузки скипов, горных давлений.

Достоинства: простота и надежность, устойчивость к воздействиям вибраций, к влажной или запыленной среде. Недостаток – изменение характеристик с течением времени.