11051

Первичные измерительные преобразователи

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Первичные измерительные преобразователи Основные определения Измерительный преобразователь ИП средство измерения предназначенное для преобразования входного измерительного сигнала измеряемой величины в выходной сигнал более удобный для дальнейшего преобра...

Русский

2013-04-03

139.5 KB

64 чел.

Первичные измерительные преобразователи

Основные определения

Измерительный преобразователь (ИП) - средство измерения, предназначенное для преобразования входного измерительного сигнала (измеряемой величины) в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего преобразования, передачи, обработки вычислительными устройствами и хранения, но не пригодный для непосредственного восприятия наблюдателем. Например, ИП давления масла в гидроприводе мобильного робота имеет выход в виде электрического напряжения, которое после соответствующего преобразования используется для управления гидронасосом. ИП являются основой для построения ИС.

Наряду с термином измерительный преобразователь используется термин датчик, который обозначает конструктивно завершенное устройство, размещаемое непосредственно в зоне измерения (например, датчик температуры помещен в защитный корпус, имеющий выход для электрического кабеля и отверстия для монтажа). Последние годы в технической литературе по мехатронике получает распространение термин сенсор, которым может обозначаться как первичный ИП, так и датчик.

Преобразование датчиком входных физических величин в соответствующие выходные сигналы связано с преобразованием энергии из одного вида в другой. В зависимости от принципа действия датчики с электрическим выходным сигналом можно разделить на две группы: генераторные или активные и параметрические или пассивные.

В генераторных датчиках преобразование измеряемой величины осуществляется непосредственно в электрический сигнал (т.е. такие датчики генерируют электрическую энергию). К ним относятся:

- пьезоэлектрические, использующие пьезоэлектрический эффект, заключающийся в появлении электрических зарядов в некоторых материалах при механических упругих деформациях в них; это могут быть некоторые природные кристаллы (кварц, турмалин и др.) или искусственные материалы (пьезокерамика);

-  индукционные, использующие явление электромагнитной индукции - наведение ЭДС в электрическом контуре при изменении магнитного потока;

-   фотоэлектрические, использующие появление ЭДС в полупроводниковом pn-переходе при его освещении;

-   термоэлектрические, использующие явление термоэлектрического эффекта, проявляющегося в возникновении ЭДС при различии температур рабочего и холодного спаев.

В параметрических датчиках измеряемая величина преобразуется в параметр электрической цепи - сопротивление, индуктивность, емкость и т.п., причем для питания датчика необходим источник электрической энергии. К таким датчикам, например, относятся:

емкостные, использующие зависимость емкости конденсатора от изменения его параметров под действием измеряемой величины;

индуктивные, в которых индуктивность электрической цепи изменяется под действием измеряемой величины;

электроконтактные, коммутирующие электрические цепи под воздействием измеряемой величины (геркон);

потенциометрические (реостатные) датчики, использующие зависимость сопротивления реостата от положения его движка, который может перемещаться под воздействием измеряемой величины;

тензорезисторные, использующие свойство тензопреобразователя изменять свое омическое сопротивление при упругих деформациях; в зависимости от используемого материала они подразделяются на проволочные и полупроводниковые.

По способности воспринимать информацию на различных расстояниях от ее источника средства очувствления могут быть условно разделены на бесконтактные и контактные.

Бесконтактные средства очувствления, оперирующие с геометрическими характеристиками объектов внешней среды, включают 2 класса устройств: системы технического зрения и локационные системы очувствления.

10.2. Силомоментные датчики

Преобразование сил, возникающих при физическом контакте МС с объектом, в электрический сигнал может осуществляться силомоментными датчиками двумя путями. Первый из них заключается в непосредственном измерении упругих деформаций чувствительных элементов датчиков. Наиболее часто для этого применяют тензорезисторные, пьезоэлектрические и магнитоупругие преобразователи. Второй способ заключается в измерении перемещений калиброванных пружин датчика, деформируемых под действием измеряемой величины в процессе контакта схвата с объектом. При этом используют емкостные и электромагнитные (главным образом индуктивные) датчики.

         Самостоятельные и достаточно распространенные группы представляют собой струйные и оптические датчики.

Измерение упругих деформаций с помощью тензорезисторных датчиков - наиболее распространенный метод. Известна широкая номенклатура полупроводниковых и металлических тензорезисторов, характеристики которых позволяют использовать их в тактильных и силомоментных датчиках. В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации.

Для непосредственного измерения упругих деформаций могут быть использованы также пьезоэлектрические датчики, действие которых основано на измерении заряда, пропорционального внутренним механическим напряжениям растяжения-сжатия или сдвига, вызванными измеряемым усилием. Типичные датчики усилия представляют собой кварцевые или пьезокерамические шайбы, установленные в цилиндрическом корпусе (рис. 10.1). Измеряемое усилие F через силораспределительный элемент 1 передается на расположенные в корпусе 2 кварцевые шайбы 3. Силораспределительный  элемент обеспечивает равномерное распределение измеряемой нагрузки по площади хрупких кварцевых шайб, что

                                      Рис.10.1. Пьезоэлектрический датчик усилия

предохраняет их от возможного растрескивания и позволяет увеличить диапазон измеряемых усилий. При приложении (или снятии) механического усилия на плоских поверхностях шайб образуются электростатические заряды. В качестве материала чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков чаще всего используют природный или искусственный кристаллический кварц и искусственно созданный материал - пьезокерамику. Плотность электрического заряда δ, возникающего на гранях пьезоэлектрика при возникновении в нем механических напряжений σ, определяется как

δ =d σ,

где d - пьезоэлектрический модуль, зависящий от материала пьезоэлектрика, направления кристаллографических осей по отношению к граням пьезоэлемента, характера механических напряжений (растяжение-сжатие, сдвиг, кручение).

Значение модуля d для кварца составляет около 2,3.10-12 Кл/Н, а для пьезокерамики - (90...320). 10-12 Кл/Н. Кварцевые датчики, хотя и менее чувствительны, обладают высокой стабильностью свойств. Например, выпускаемые фирмой «Брюль и Къер» пьезоакселерометры измеряют ускорения в диапазоне (2.10-5...106) м/с2 при чувствительности 0,004 пКл/(м.с-2).

Достоинствами пьезодатчиков являются простота конструкции, малые размеры, надежность в работе, прекрасные динамические свойства (собственная частота fc до 200 кГц), способность работать при высоких температурах (до 250°С). Погрешность пьезоэлектрических датчиков - до 1 %. К тому же пьезоэлектрические датчики являются генераторными, т. е. к ним не нужно подводить питающее напряжение.

Однако заряды на чувствительных элементах датчика образуются только при изменении измеряемого усилия. Если это усилие некоторое время остается постоянным, заряды достаточно быстро стекают даже через большое сопротивление изоляции. Это является основным недостатком пьезоэлектрических датчиков. Поэтому их целесообразно использовать в тактильных системах, которые регистрируют факт наличия касания и мгновенное значение контактной силы, а также для измерения динамических усилий, вибраций.

Работа магнитоупругих датчиков основана на эффекте магнитоупругости, заключающемся в изменении магнитной проницаемости ферромагнитного материала под действием механических напряжений. На рис.10.2 схематически показан наиболее распространенный вариант конструкции магнитоупругого датчика - магнитоанизотропный датчик. В магнитопроводе из ферромагнитного материала, обладающего достаточной магнитоупругой чувствительностью, имеются 4 сквозных отверстия,  через которые намотаны первичная обмотка 2, питаемая переменным током повышенной частоты, и вторичная (измерительная) обмотка 3.

Рисунок 10.2.- Конструкция магнитоанизотропного датчика усилий

Плоскости обмоток образуют между собой угол 90°, а с направлением измеряемого усилия F - угол 45°. При отсутствии измеряемого усилия вектор магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой, перпендикулярен плоскости витков вторичной обмотки, силовые линии этого потока не пересекают витков обмотки 3, поэтому наводимая в ней ЭДС равна нулю.

При приложении измеряемого усилия F (показано стрелкой) в материале магнитопровода возникают механические напряжения, направленные вдоль вертикальной  оси. Это вызывает появление магнитной анизотропии (различие магнитных свойств материала вдоль направления действия измеряемого усилия и поперек него). Благодаря этому вектор магнитного потока слегка поворачивается, и часть силовых линий начинает пересекать витки вторичной обмотки. Это приводит к появлению в ней ЭДС е2, пропорциональной измеряемому усилию.

Достоинствами магнитоупругих датчиков являются простота конструкции (монолитный магнитопровод и обмотки), высочайшая надежность, неприхотливость к условиям эксплуатации (нечувствительность к влажности, запыленности, радиации), высокий уровень выходного сигнала (несколько вольт, что в десятки тысяч раз превышает уровень выходного сигнала тензорезистивных датчиков), хорошие динамические свойства, возможность непосредственного частотного выхода. Основными недостатками являются высокая погрешность (в том числе временная нестабильность, наличие нелинейности и гистерезиса функции преобразования), необходимость использования специальных магнитных материалов, термической обработки этих материалов после изготовления магнитопровода.

В емкостных, электромагнитных (главным образом индуктивных) и оптических датчиках часто используется предварительное преобразование измеряемой величины в перемещение калиброванной пружины.

Емкостные датчики используют зависимость емкости конденсатора от изменения его параметров под действием измеряемой величины. Как известно, емкость С конденсатора (без учета краевого эффекта) равна C=εS/δ. Она может изменяться при изменении диэлектрической проницаемости ε материала между его пластинами, площади пластин S и расстояния δ между ними. Чаще всего изменяемым параметром является расстояние δ. Под воздействием измеряемой величины (усилия, давления, перемещения, угла поворота, ускорения) деформируется калиброванный упругий элемент (это может быть плоская, цилиндрическая, спиральная пружина или мембрана), и одна из пластин измерительного конденсатора перемещается, что, в свою очередь, вызывает соответствующее изменение емкости конденсатора.

Из-за малых абсолютных значений величины емкости таких датчиков (обычно 10-100 Пф) для их работы необходимо использовать частоты порядка 30-100 МГц, что усложняет вторичную аппаратуру.

Усилия, возникающие в детали МС, преобразованные в перемещение калиброванной пружины, могут измеряться также различного рода электромагнитными датчиками, среди которых наиболее распространены индуктивные и индуктивно-трансформаторные. Последние отличаются лишь наличием вторичной обмотки, В индуктивных датчиках перемещение ферромагнитного сердечника (якоря) вызывает соответствующее изменение индуктивности обмотки, a в индуктивно-трансформаторных - изменение взаимной индуктивности обмоток. Индуктивные преобразователи перемещений по своей конструкции очень многообразны.

Наиболее простую конструкцию имеет преобразователь малых перемещений с переменной длиной воздушного зазора (рис. 10.3).

Рис.10.3. Индуктивно-трансформаторный датчик

В индуктивном датчике при приближении подпружиненного якоря к магнитопроводу сопротивление магнитной цепи уменьшается, индуктивность обмотки w1 возрастает, ток в ней падает. В индуктивно-трансформаторном датчике в этом случае возрастает взаимная индуктивность обмоток и, соответственно, напряжение Uвых, наводимое во вторичной обмотке. Наличие обмотки w2 хотя и усложняет изготовление датчика, но позволяет гальванически разделить входные и измерительные цепи. Это делает более удобной обработку выходного сигнала датчика, поэтому трансформаторные варианты электромагнитных датчиков более распространены. Индуктивные преобразователи с переменной длиной зазора обладают высокой чувствительностью к измеряемой величине, незначительной чувствительностью к внешним электромагнитным полям (поскольку магнитопровод датчика почти полностью замкнут), высокой надежностью, обусловленной простотой конструкции.

Для питания намагничивающей обмотки используют ток повышенной частоты (несколько килогерц), что позволяет повысить чувствительность датчика. В реальных конструкциях датчиков с переменным воздушным зазором при относительном изменении длины зазора Δδ/δ0=(0,1...0,15) относительное изменение индуктивности ΔZ/Z не превышает (0,05...0,1) при нелинейности характеристики (1...3)%. Такие преобразователи используются для измерения небольших перемещений порядка (0,01...10) мм.

Дифференциальное включение датчиков

Улучшить метрологические характеристики датчиков позволяет использование дифференциальной схемы включения, которую рассмотрим на примере индуктивного дифференциально-трансформаторного датчика перемещений (рис. 10.4). Такой датчик состоит из  двух близких по характеристикам одиночных датчиков, расположенных таким образом, что приближение якоря к магнитопроводу одного датчика вызывает удаление его от магнитопровода другого датчика. Вторичные обмотки обоих датчиков включены последовательно встречно.  В  исходном  состоянии якорь находится на одинаковом расстоянии от обоих маг-нитопроводов, ЭДС вторичных обмоток обоих датчиков одинаковы  е2'= е2"= е0, и выходное напряжение Uвых.=0.

При перемещении якоря под воздействием измеряемой величины ЭДС на выходе одного датчика возрастает на величину Δеи, а другого на такую же величину падает. При встречном включении вторичных обмоток приращения ЭДС складываются, поэтому                Uвыx= ео+Δеи-(ео-Δеи) = 2Δеи.

Рисунок. 10.4.- Схема дифференциально-трансформаторного датчика

Дифференциальная конструкция обладает следующими преимуществами:

  1.  удвоение выходного напряжения (это следует из последней формулы);
  2.  компенсация дополнительных погрешностей (например, температурной);
  3.  расширение линейного участка характеристики преобразования;
  4.  компенсация ненулевого начального сигнала на выходе датчика.

Эти преимущества характерны для дифференциальных конструкций датчиков всех видов (тензорезистивных, емкостных, оптических и т.д.) независимо от используемого принципа преобразования измеряемой величины в выходной электрический сигнал .

10.3. Оптические датчики

В основу принципа действия оптических датчиков положена зависимость параметров потока оптического излучения от значения измеряемой величины. Оптический датчик состоит из источника излучения оптического канала и приемника излучения (рис. 10.5). Измеряемая величина может воздействовать непосредственно на источник излучения и модулировать тот или иной параметр излучаемого им потока Фi; либо воздействуя на оптический канал, модулировать соответствующий параметр потока Ф1 преобразуя его в поток Ф2.

Рисунок 10.5.- Структурная схема оптического датчика

Выходная величина Y формируется в результате воздействия потока Ф2 на приемник излучения.

В оптических датчиках в качестве источника излучения наиболее часто применяются лампочки накаливания, светодиоды и лазеры. При этом лампочки накаливания и светодиоды применяются в датчиках со сравнительно небольшой частотой модуляции светового потока (от единиц Герц до нескольких килогерц). Лазеры допускают гораздо более высокую частоту модуляции потока и, следовательно, позволяют передавать и принимать измерительную информацию с большей скоростью.

Простейшим и самым распространенным оптическим датчиком является оптопара: светодиод, подвижная непрозрачная заслонка и фотодиод. Заслонка механически связана с подвижным звеном МС, положение которого нужно контролировать. Такой датчик может работать в дискретном режиме (открыто-закрыто) и в аналоговом (степень освещенности фотоприемника определяется положением заслонки). Конструктивно объединенные в одном корпусе и согласованные по спектральным характеристикам источник и приемник (чаще всего это светодиод и фотодиод) называют оптроном. Оптрон может быть открытым (оптический канал может перекрываться подвижной заслонкой) и закрытым (в этом случае между источником и приемником излучения существует постоянная связь через оптическую среду (стекло, прозрачная пластмасса), а измеряемая величина воздействует на источник излучения (вход X1 на рис. 10.5).

Пример использования оптического датчика в технологическом процессе показан на рис. 10.6. Источник света 1 создает с помощью линзы-конденсора 2 пучок параллельных лучей, в котором располагается исследуемая деталь 3. Часть лучей задерживается деталью, а оставшиеся лучи фокусируются линзой 4 на фотоприемнике 5. Освещенность фотоприемника, а, следовательно, и величина его фототока будут однозначно определяться диаметром детали.

Рисунок 10.6.- Схема определения диаметра детали с помощью оптического датчика

На рис. 10.7 представлена схема фотоэлектрического датчика, который преобразует абсолютное значение угла поворота контролируемого вала в многоразрядный двоичный код.

Рисунок 10.7.- Оптический датчик-«угол поворота - код»

Кодирующий диск 1 жестко закреплен на контролируемом валу 2. Диск 1 представляющий собой стеклянное основание, на котором фотоспособом нанесена кодовая маска, образованная несколькими (по количеству разрядов) концентрическими кодовыми дорожками с прозрачными и непрозрачными для света сегментами. Для построения кодовой маски наиболее часто используется двоичный код Грея, обеспечивающий надежность кодирования и простую схему считывания. Осветитель, состоящий из лампы 3 и конденсора 4, формирует световой поток, падающий на кодирующий диск 1. Луч света, проходя через прозрачные сегменты кодовых дорожек диска и щелевую диафрагму 5, освещает фотоприемники 6, усиленные сигналы с которых принимаются за двоичные единицы. Отсутствие сигналов с других фотоприемников, перекрытых непрозрачными сегментами кодовой маски, соответствует двоичным нулям. В результате каждому значению угла соответствует определенная комбинация единиц и нулей, являющаяся цифровым кодом измеряемого угла.

Достоинством фотоэлектрического преобразователя угловых перемещения в код является высокая разрешающая способность, соответствующая 12-16 двоичным разрядам на один оборот вала, т.е. от 5' до 20'' .


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

4707. Вивчення основ програмування на мові Python. Регулярні вирази для обробки текстів 256.5 KB
  Вивчення основ програмування на мові Python. Використання регулярних виразів для обробки текстів Короткі теоретичні відомості Синтаксис регулярних висловів залежить від інтерпретатора, що використовується для їх обробки. Пошук слів із за...
4708. Ознайомлення з основними типами даних в Python, вивчення основ програмування на мові Pytho 44.5 KB
  Мета роботи:ознайомлення з основними типами даних в Python, вивчення основ програмування на мові Python. Короткі теоретичні відомості Python - це проста і потужна об’єктно-орієнтована мова програмування високого рівня з чудовими можливост...
4709. Вивчення бібліотеки прикладних програм nltk, для опрацювання текстів природною мовою 21.61 KB
  Мета роботи: вивчення основ програмування на мові Python. Короткі теоретичні відомості Оператор for в Python трохи відрізняється від аналогічного оператора в C або Pascal. Замість незмінного проходження по арифметичній прогресії з чисел (як в Pascal...
4710. Вивчення методів доступу та роботи з лексичним ресурсами 261 KB
  Мета роботи: Вивчення основ програмування на мові Python. Вивчення методів доступу та роботи з лексичним ресурсами. Семантичний словник англійської мови WordNet. Короткі теоретичні відомості При програмуванні часто необхідно частин...
4711. Вивчення методів роботи з файлами на локальних дисках та з інтернету. Використання Юнікоду при обробці текстів 178.5 KB
  Мета роботи: Вивчення основ програмування на мові Python. Вивчення методів роботи з файлами на локальних дисках та з Інтернету. Використання Юнікоду при обробці текстів. Нормалізація текстів, стемінг, лематизація та сегментац...
4712. Вивчення основ структурного програмування мовою Python 72 KB
  Мета робота Вивчення основ програмування на мові Python. Вивчення основ структурного програмування мовою Python. Повторення та закріплення знань отриманих при виконанні попередніх лабораторних робіт. Покращення загальних нав...
4713. Разработка и сопровождение многофункционального персонального сайта преподавателя 109.5 KB
  Введение Работа в сети Internet дает неограниченные возможности в получении необходимой информации, например, для учебного процесса. Разработанный персональный сайт преподавателя дает возможность получить студенту такую информацию в виде...
4714. Основи структурного програмування мовою Python 127.5 KB
  Мета робота Вивчити основи структурного програмування мовою Python, повторити та закріпити матеріал, пройдений у попередніх лабораторних роботах, покращити загальні навички програмування. Короткі теоретичні відомості Присвоювання...