40780

ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ДАТЧИКИ)

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Примеры статической и динамической характеристик датчика: а – статическая характеристика б – динамическая характеристика Реостатные преобразователи Принцип действия и конструкция. В измерительной технике требуются реостатные преобразователи как с линейной так и с нелинейной функцией преобразования. Тензорезисторные преобразователи Принцип действия и конструкция.

Русский

2013-10-22

388.01 KB

111 чел.

ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ДАТЧИКИ)

Первичным измерительным преобразователем (датчиком) называют чувствительный элемент автоматического устройства, воспринимающий контролируемую величину и преобразующий ее в выходной сигнал, удобный для передачи на расстояние и воздействия на последующие элементы автоматических устройств.

Они предназначены для измерения различных физических величин (параметров производственных процессов): температуры, давления, влажности, концентрации растворов и т.д. Датчики представляют собой весьма разнообразные устройства, которые классифицируются по измеряемой величине (датчики температуры, давления, уровня, плотности и т.п.), принципу действия (электрические, пневматические и т.п.), виду и характеру выходного сигнала (непрерывный и дискретный).

Основными требованиями, предъявляемыми к датчикам, являются высокая чувствительность, линейная зависимость выходной величины от входной, малая инерционность. Статической характеристикой датчика является зависимость выходной величины от входной, т.е. Хвых = f(Хвх).

Динамическая характеристика может быть представлена в виде графика переходного процесса Хвых = f (t) при скачкообразном изменении входного сигнала (Рис. 1). Под чувствительностью S датчика понимают отношение приращения выходной величины У к приращению входной величины Х:

Рис.1 Примеры статической и динамической характеристик датчика: а – статическая характеристика б – динамическая характеристика

Реостатные преобразователи

Принцип действия и конструкция. Реостатный преобразователь — это прецизионный реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины. Входной величиной преобразователя является угловое линейное перемещение движка, выходной — изменение его сопротивления.

Устройство преобразователя показано на рис.2

Рис. 2

Он состоит из каркаса 1 на который намотан провод 2, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, и токосъемного движка 3 укрепленного на оси 4. Движок касается провода 2. Для обеспечения электрического контакта в месте касания обмотка защищается от изоляции. В показанной конструкции контакт с подвижным движком осуществляется с помощью неподвижного токосъемного кольца 5.

В измерительной технике требуются реостатные преобразователи как с линейной, так и с нелинейной функцией преобразования. Одним из способов построения преобразователей с нелинейной функцией преобразования R = f(x) является использование каркаса с переменной высотой.

Рис. 3

Если требуется линейная функция преобразования, то высота каркаса должна быть постоянной.

 Изготовление каркаса с непрерывно изменяющейся высотой более сложно, чем изготовление каркаса с постоянной высотой. Для упрощения технологии прибегают к кусочно-линейной аппроксимации заданной нелинейной функции преобразования (рис. 3). Для каждого интервала перемещения движка x, на котором аппроксимирующая функция линейна, высота каркаса постоянна. Каркас преобразователя получается ступенчатым, как показано на рис. 3. Число ступеней равно числу интервалов кусочно-линейной аппроксимации.

Рис. 3

 Тензорезисторные преобразователи

 Принцип действия и конструкция. Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия-растяжения. При деформации проводника изменяются его длина l и площадь поперечного сечения Q. Деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления р. Эти изменения приводят к изменению сопротивления проводника

R=pl/Q

Рис. 4

Этим свойством обладают в большей или меньшей степени все проводники. В настоящее время находят применение проводниковые (фольговые, проволочные и пленочные) и полупроводниковые тензорезисторы. Наилучшим материалом для изготовления проводниковых тензорезисторов, используемых при температурах ниже 180 °С, является константант . Зависимость сопротивления R от относительной деформации е с достаточной точностью описывается линейным двучленом

R = Rо (1+STE)

где R0 - сопротивление тензорезистора без деформации; SТ — тензочувствительность материала.

Тензочувствительностъ константана лежит в пределах 2,0—2,1. Нелинейность функции преобразования не превышает 1%.

 

Емкостные преобразователи

 Принцип действия и конструкция. Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора.

В качестве емкостного преобразователя широко используется плоский конденсатор. Его емкость определяется выражением:

С=ere0Q/δ

где δ - расстояние между электродами; Q - их площадь; е0 электрическая постоянная; er— относительная проницаемость диэлектрика.

Изменение любого из этих параметров изменяет емкость конденсатора.

У преобразователя с прямоугольными электродами (рис. 5) Q = bх и имеется некоторый диапазон перемещения пластин х, в котором емкость линейно зависит от х (рис. 5). Линейная зависимость искажается вследствие краевого эффекта. В области линейной зависимости чувствительность такого преобразователя

S = dC/dx = ere0b/ δ

постоянна и увеличивается с уменьшением расстояния между электродами δ.

Рис. 5

Емкостные преобразователи могут выполняться по дифференциальной схеме. Схема дифференциального преобразователя углового перемещения а с переменной площадью электродов приведена на рис. 6. В таких преобразователях средний подвижный электрод обычно соединяется с экраном.

Рис. 6

Пьезоэлектрические преобразователи

Прямой пьезоэлектрический эффект. В кристаллических диэлектриках различно заряженные ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Поскольку разноименно заряженные ионы чередуются и расположены так, что их заряды взаимно компенсируются, в целом кристалл электрически нейтрален. Одной из особенностей кристаллов является их симметрия. Кристаллы могут быть симметричны относительно некоторой оси, плоскости или центра. В соответствии с видом симметрии по определенным законам построена кристаллическая решетка и расположены ионы. В направлении оси X ионы различных знаков чередуются и взаимно компенсируют свои заряды. При действии на кристалл силы Fx в направлении X кристаллическая решетка деформируется, расстояния между положительными и отрицательными ионами изменяются и кристалл электризуется в этом направлении. На его гранях, перпендикулярных оси X, появляется заряд

q=d11Fx

пропорциональный силе Fx. Коэффициент d11, зависящий от вещества и его состояния, называется пьезоэлектрическим модулем. Индексы при коэффициенте d определяются ориентацией силы и грани, на которой появляется заряд, относительно кристаллических осей. При изменении ориентации пьезоэлектрический модуль изменяется.

Электризация кристалла под действием внешних сил называется прямым пьезоэффектом. Вещества, обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками. Для изотовления измерительных преобразователей наибольшее применение нашли естественные кристаллы кварца и искусственные пьезоэлектрические материалы — пьезокерамики.

Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя. Действие пьезоэлектрического преобразователя основано на прямом пьезоэффекте. Обычно он представляет собой пластинку, изготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друга электрода.

В зависимости от вещества, формы преобразователя и ориентации кристаллических осей входной величиной могут быть как силы, производящие деформацию сжатия-растяжения, так и силы, производящие деформацию сдвига. Последний вид деформации может использоваться в преобразователях, имеющих в качестве входной величины момент силы.

Упрощенная эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя, соединенного кабелем с вольтметром, представлена на рис. 7 На этой схеме С — собственная емкость преобразователя; С1 — суммарная емкость соединительного кабеля, входной емкости усилителя и других емкостей, шунтирующих вход усилителя; Rвходное сопротивление усилителя. Сопротивления утечки пьезозлемента и сопротивление утечки кабеля могут рассматриваться на эквивалентной схеме как составляющие сопротивления R. Входным напряжением усилителя является падение напряжения на сопротивлении к. Если на преобразователь действует синусоидальная сила, то, используя символический метод, выражение можно переписать в виде

E=dF/C

Рис. 7

Пьезоэлемент обладает некоторой упругостью и массой и является колебательной системой. Резонансные свойства этой системы проявляются на высоких частотах. Резонанс приводит к повышению чувствительности на высоких частотах. При еще большем увеличении частоты чувствительность падает.

Индуктивные преобразователи

Принцип действия и конструкция. Индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности (дроссель), полное сопротивление которой изменяется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода. Имеются две группы преобразователей: с изменяющейся индуктивностью и с изменяющимся активным сопротивлением. Пример схемы преобразователя первой группы показан на рис. 8. Преобразователь состоит из П-образного магнитопровода на котором размешена катушка 2, и подвижного якоря 3. При перемещении якоря изменяется длина воздушного зазора и, следовательно, магнитное сопротивление, что вызывает изменение индуктивности дросселя. Другая широко используемая модификация (плунжерный преобразователь) показана на рис. 8. Преобразователь представляет собой катушку /, из которой может выдвигаться ферромагнитный сердечник 2 (плунжер). При среднем положении плунжера индуктивность максимальна.

Схема преобразователя второй группы приведена на рис. 8. В зазор магнитной цепи / вводится пластинка 2 с высокой электропроводностью, в которой наводятся вихревые токи, приводящие к увеличению потерь активной мощности катушки 3. Это эквивалентно увеличению ее активного сопротивления.

Функция преобразования преобразователя рис. 8 с некоторыми допущениями может быть получена следующим образом. Как известно, индуктивность катушки

L=wФ/I

Ток связан с МДС HI соотношением

L=Hl/w

Рис. 8

Индуктивный преобразователь является электромагнитом, его сила притяжения, возрастающая с увеличением чувствительности, нелинейно зависит от перемещения якоря и может явиться причиной погрешности преобразователя, предшествующего индуктивному.

Описанные одинарные индуктивные преобразователи имеют ряд недостатков: их функции преобразования нелинейны; аддитивные погрешности, в частности погрешность реального преобразователя, вызванная температурным изменением активного сопротивления обмотки, велики; сила притяжения якоря значительна.

 Индукционные преобразователи

 Принцип действия и конструкция. Индукционным преобразователем называется преобразователь, принцип действия которого основан на законе электромагнитной индукции. Преобразователь имеет катушку. При воздействии входной величины на преобразователь изменяется Потокосцепление катушки с внешним по отношению к катушке магнитным нолем. При этом в катушке наводится ЭДС

e=-dψ/dt

Потокосцепление

ψ=wФ=wBQ

Рис. 9

где w — число витков катушки; Ф — проходящий через нее поток; Q — площадь, через которую проходит этот поток; В — индукция магнитного поля.

ЭДС в катушке может наводиться при изменении во времени любой из перечисленных величин w, В, Q.

В качестве примера рассмотрим преобразователь, который представляет собой магнитную систему с постоянным магнитом, в воздушном зазоре которой перемещается катушка (рис. 9). При движении катушки с изменением х изменяется площадь катушки, находящейся в магнитном поле, Q = bх. Это приводит к изменению потокосцепления ψ = wBbx, и в катушке наводится ЭДС

e=-dФ/dt=-wBb(dx/dt)

 Индукционные преобразователи служат для преобразования линейной dx/dt или угловой da/dt скорости перемещения катушки относительно магнитного поля в ЭДС. Они являются генераторными преобразователями и преобразуют механическую энергию в электрическую.

Различают ряд типов преобразователей:

  1. Преобразователи скорости вибрации
  2. Тахометрические преобразователи
  3. Импульсные преобразователи

 

 Термоэлектрические преобразователи

 Принцип действия и конструкция. Термоэлектрический преобразователь представляет собой термопару, состоящую из двух разнородных проводников Р и Q, соединенных между собой в двух точках, как схематически показано на рис. 10. На границе раздела двух различных металлов имеется контактная разность потенциалов EpQ (t), зависящая от рода металлов и от температуры контакта. В цепи, показанной на рис. 10, контактные разности потенциалов образуются в точках I и 2. Если t1 = t2 то они равны между собой и, будучи противоположно направленными, взаимно уравновешиваются. Если же t1и t2 не равны в цепи развивается результирующая ЭДС

E=EPQ(t1) – EPQ(t2)

называемая термоэлектродвижущей силой (термоЭДС). Места контактов называются спаями термопары.

Рис 10

Термоэлектрические преобразователи используются для измерительного преобразования температуры в ЭДС.

Термоэлектрический датчик обычно называется термопарой. Устройство промышленной термопары показано на рис.11. Термоэлектроды изолируются друг от друга керамическими бусами 2 или керамической трубкой; одним своим концом они свариваются, другим -подсоединяются к зажимам в головке 3, служащей для подключения внешних проводов. Термоэлектроды помешаются в защитный чехол 4 (трубку, закрытую с одной стороны). Чехол делается из жаропрочной стали, а при измерении очень больших температур - из керамики или кварца.

Место соединения термоэлектродов называется горячим или рабочим спаем.

Рис. 11

 

Терморезисторы

Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор.

Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления.

Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.

 Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов. Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно при меняются медь или платина.

Функция преобразования медного терморезистора линейна:

Rt=R0(1+at)

где R0 — сопротивление при 00 С; а = 4,28 * 10-3 температурный коэффициент.

Функция преобразования платинового терморезистора нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом. Температурный коэффициент платины примерно равен о= 3,91 * 10-3 К-1

Чувствительный элемент медного терморезистора представляет собой пластмассовый цилиндр, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока диаметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода диаметром 1,0—1,5 мм. Провода изолированы между собой асбестовым шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу. Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол, который представляет собой закрытую с одного конца трубку. На открытом ее конце помещается клеммная головка.

При изготовлении платиновых терморезисторов используются более теплостойкие материалы.

Фотоэлектрические преобразователи

Принцип действия и основные типы преобразователей. Фотоэлектрический преобразователь представляет собой фотоэлектронный прибор (фотоэлемент), используемый в качестве измерительного преобразователя. Имеются три типа преобразователей: преобразователи с внешним фотоэффектом, с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи. Наибольшее применение нашли преобразователи двух последних типов.

К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.

Рис 12

Вакуумные фотоэлементы состоят из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: анод и катод. При освещении фотокатода под влиянием фотонов света он эмитирует электроны. Если между анодом и фотокатодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток; поскольку он вызван фотонами, его называют фототоком. Для фотоэмиссии электронов необходимо, чтобы энергия фотона E=vh где v— частота света; h постоянная Планка, была больше работы выхода электронов Ф, характерной для данного материала фотокатода. Частота vгр=Ф/h называется красной границей фотоэффекта, а соответствующая ее длина волны λгр=с/vгр где с- скорость света, — длинноволновым порогом фотоэффекта. Если λ > λГр, то никакая интенсивность света не может вызвать фотоэффект.

Чувствительный элемент преобразователей с внутренним фотоэффектом (фоторезисторов) выполнен в виде пластинки, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала. В качестве фоточувствительного материала обычно используется сернистый кадмий, селенистый кадмий или сернистый свинец.

Электропроводность полупроводниковых материалов обусловлена возбуждением электронов в валентной зоне и примесных уровнях. При возбуждении электроны переходят в зону проводимости; в валентной зоне появляются дырки. При освещении возбуждение электронов увеличивается, что вызывает увеличение электропроводности. Красная граница фоторезисторов находится в инфракрасной области, например, для сернисто-свинцовых λгр = 2,7 мкм. При небольших освещенностях преобразователя число возбужденных светом электронов пропорционально освещенности, его электрическая проводимость

G=Iф/U

где Iф — фототок; U — напряжение, приложенное к преобразователю, также пропорционально освещенности.

При больших освещенностях пропорциональность нарушается. Типичная зависимость фототока от освещенности приведена на рис 13 Чувствительность фоторезисторов определяется кратностью изменения их сопротивления. Для некоторых типов она достигает значения

К = RT/R200=105

где RT — темновое сопротивление, т. е. сопротивление неосвещенного преобразователя;R200- сопротивление при Е = 200 лк. ВАХ фоторезисторов линейна (рис 13), т. е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения.

Рис 13

 

Рис. 14

 Инерционность характеризуется постоянной времени т. У сернисто-кадмиевых преобразователей т лежит в пределах 1- 140 мс,у селенисто-кадмиевых - 0,5—20 мс.

Фоторезисторы имеют высокую чувствительность. Однако их сопротивление зависит от температуры подобно сопротивлению термисторов. Для уменьшения температурной погрешности они включаются в смежные плечи моста.

Фотоэлектрические преобразователи, используемые для измерения несветовых величин, имеют ряд особенностей. Имеется возможность измерения без контакта с объектом измерения, отсутствует механическое воздействие на объект измерения. Преобразователи чувствительны к силе света и его цвету. Их недостатком является большая погрешность, которая в основном определяется усталостью, старением и зависимостью параметров преобразователя от температуры. Вследствие этих особенностей фотоэлектрические преобразователи нашли применение в основном в следующих случаях.

1. При измерениях, в которых преобразователь работает в релейном режиме. Примером может служить измерение частоты вращения вала, имеющего диск с отверстиями. Диск прерывает луч света, падающий на фотоэлектрический преобразователь. Измеряемая скорость преобразуется в частоту электрических импульсов.

2. В качестве прямого преобразователя в компенсационных измерительных приборах.

З.При измерении несветовых величин, когда промежуточной величиной преобразования является величина световая, например, при измерении концентрации вещества в растворе, когда промежуточной величиной является изменение поглощения света раствором.

Электрохимические преобразователи

Электролитические (кондуктометрические) преобразователи. Принцип действия электролитических преобразователей основан на зависимости электропроводности раствора электролита от его концентрации. Как известно, электропроводность дистиллированной воды очень мала. При растворении в ней кислот, солей, оснований (электролитов) электропроводность возрастает. При растворении в воде электролиты диссоциируют на положительные и отрицательные ионы; при этом количество носителей и электропроводность раствора возрастают. При малых концентрациях электролита, когда

Рис 15

количество ионов мало, увеличение электропроводности пропорционально концентрации растворенного вещества. При увеличении концентрации с в результате взаимодействия между ионами и уменьшения степени диссоциации пропорциональность нарушается (рис. 15).

Электролитический преобразователь (рис 15) представляет собой два электрода 1, погруженные в раствор 2. Электролитические преобразователи в основном применяются для измерения концентрации растворов, кроме того, они используются для измерения перемещения, скорости, механических деформаций, температуры и других физических величин. В преобразователях, предназначенных для измерения концентрации, электроды делаются неподвижными. Сопротивление между электродами преобразователя R обратно пропорционально удельной электрической проводимости электролита:

R = k/y

Коэффициент называется постоянной преобразователя. Он определяется экспериментально по сопротивлению преобразователя, заполненного раствором с известным значением.

Гальванические преобразователи. Принцип действия гальванического преобразователя основан на зависимости потенциала электрода от концентрации ионов в растворе. Металлический электрод, погруженный в раствор электролита, частично в нем растворяется. Положительные ионы металла переходят в раствор, и электрод получает отрицательный заряд. Образованная разность потенциалов между электродом и раствором препятствует переходу ионов металла, и растворение электрода прекращается. При равновесии электрический потенциал электрода зависит от концентрации ионов в растворе и может


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

17990. 22 НЕПРЕЛОЖНЫХ ЗАКОНА МАРКЕТИНГА 898.5 KB
  Д.ТРАУТ. 22 НЕПРЕЛОЖНЫХ ЗАКОНА МАРКЕТИНГА Нарушайте их на свой страх и риск Введение Миллиарды долларов были попусту истрачены на маркетинговые программы которые заранее были обречены на провал независимо от того насколько они были умными и блестящими или от т...
17991. Экология. Конспект лекций 929.5 KB
  Экология ЛЕКЦИЯ №1 Научнотехнический прогресс и состояние окружающей среды. Предмет и задачи дисциплины. Понятие об еэкологическом кризисе.Причины возникновения природоохранных экологических и ресурсныхпроблем человечества. Основные причины экологического кри
17992. 500 cоветов секретарю 2.74 MB
  Ольга Энговатова 500 cоветов секретарю Введение Секретарь – первый с кем встречается посетитель приходя в фирму учреждение организацию предприятие. Он как бы представляет фирму. Через него идет прием посетителей и ведутся телефонные переговоры. Именно
17993. Іноземна мова зі спеціальності Економіка і підприємництво та Менеджмент 791.5 KB
  МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ І ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ з дисципліни Іноземна мова зі спеціальності для студентів Інституту післядипломної освіти і дистанційного навчання ІПОДН спеціальностей Економіка і підприємництво та Менеджмент Методичні вказівки і
17994. Основи організації вантажних перевезень на автомобільному транспорті 531 KB
  МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ до курсового проекту з дисципліни Основи організації вантажних перевезень на автомобільному транспорті для студентів спеціальності 7.100.403 Організація перевезень і управління на автомобільному транспорті Методичні вказівки до виконан
17995. Економічна теорія. Конспект лекцій 2.38 MB
  Тема 1. Предмет и метод экономической теории. План лекции: Сущность и функции экономической теории. Методы познания экономической теории. Экономические системы и их сущность. Сущность экономическое содержание собственности. 1.1 Сущность и функции эконо
17996. Господарське право. Тексти лекцій 666 KB
  ГОСПОДАРСЬКЕ ПРАВО тексти лекцій для семестрової дисципліни для студентів денного та заочного відділення за напрямами €œЕкономіка підприємства€ €œМіжнародна економіка€ €œОблік і аудит€ €œФінанси і кредит€ €œМаркетинг€ €œ
17997. ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ КУЛЬТУРЫ 163 KB
  ТЕМА 1. ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ КУЛЬТУРЫ Информатизация общества Бурное развитие компьютерной техники и информационных технологий послужило толчком к развитию общества построенного на использовании различной информации и получившего название информационно...
17998. НАДЕЖНОСТЬ И ДИАГНОСТИКА 1.25 MB
  Конспект лекций по дисциплине НАДЕЖНОСТЬ И ДИАГНОСТИКА Лекция № 1. Основные понятия К любому техническому объекту в течение всего срока службы предъявляются определенные технические требования зафиксированные в соответствующих документах. Желательно...