Основные характеристики датчиков


СОДЕРЖАНИЕ:

Шпаргалки к экзаменам и зачётам

студентам и школьникам

Шпаргалки по основам проектирования приборов и систем — Основные характеристики приборов и датчиков

Cмотрите так же. Шпаргалки по основам проектирования приборов и систем Основные характеристики приборов и датчиков Динамические характеристики Преобразователи перемещения Магнитооптические датчики Магнитооптические датчики магнитного поля Акустооптические датчики Электрооптические датчики Контактные методы и средства измерения температуры Цифровой термометр с микроконтроллером Термисторы Бесконтактные методы и средства измерения температуры Расходомеры Вихревые расходомеры All Pages

Основные характеристики приборов и датчиков.

Любой прибор представляет собой совокупность функционально-соединенных элементов: первичного преобразователя физических величин (или датчиков), усилителя, аналогового цифрового преобразователя (и устройства) отображения информации (как правило жидкокристаллического индикатора или дисплея, размещенных в корпусе.). Как правило, чаще всего первичный преобразователь прибора для измерения температуры выполняется в виде выносного щупа, соединенного с измерительным прибором посредством провода.

Первичный преобразователь (далее преобразователь) – это элементарное устройство, обеспечивающее функциональное преобразование одной физической величины в другую, удобную для дальнейших операций.

Рассмотрим структурную схему прибора для измерения температуры.

Рис. 4. Структурная схема прибора для измерения температуры.

Датчик-совокупность первичного преобразователя и отдельных звеньев структурной схемы, расположенных за ним. Например, преобразователь и усилитель или преобразователь, усилитель, АЦП. Отличительной частью прибора всегда является наличие шкалы или в электронных приборах обязательно наличие индикатора (ЖКИ).

Если в рассмотренной выше структурной схеме прибора результаты измерения температуры будем подавать с выхода АЦП, пошлем в ЭВМ, то это означает, что мы имеем не прибор, а систему, состоящую из датчика и компьютера.

Система – это совокупность функционально-объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств получения измерительной информации, ее преобразования, обработки в целях предоставления потребителю в требуемом виде для автоматического осуществления логических функций, измерения, контроля, диагностики и т.д.

Основные характеристики преобразователей:

1. Статическая характеристика – зависимость выходной величины преобразователя А от изменения входной величины Х.

Статическая характеристика может быть задана:

Датчики движения | Основные виды и их особенности, области применения

Датчик движения — это устройство для получения информации о состоянии контролируемой им системы, преобразующее данные об изменении характеристик исследуемой области в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Если говорить бытовым языком, датчик движения определяет наличие перемещений в видимой ему зоне и в случае обнаружения, выполняет заложенную в нем функцию, чаще всего подает напряжение на один из своих контактов или же наоборот — размыкает выходные контакты.

В повседневной жизни датчики движения чаще всего используются в:

1. Охранных системах, сигнализациях, системах контроле доступа (в том числе автомобильных)

2. Управлении освещением

3. Системах умного дома, для управления различными устройствами вентиляции, кондиционирования, автоматического открывания дверей и т.п.
Под понятием «датчик движения» или «датчик присутствия», часто скрываются устройства совершенно разного принципа действия, выполняющие единую задачу, только различными способами.

В настоящее время наибольшее распространение получили следующие виды датчиков движения:

Полезная информация о различных характеристиках датчиков движения, которые нужно учитывать при выборе и приобретении.

А теперь давайте рассмотрим подробнее каждый из типов датчиков движения, принцип их действия, особенности эксплуатации, варианты использования и области применения.

Инфракрасные (ИК) датчики движения

Принцип Действия Инфракрасного датчика движения

Принцип работы инфракрасных датчиков движения заключается в обнаружении изменений инфракрасного (теплового) излучения окружающих объектов.

Каждый объект имеющий температуру испускает инфракрасное излучение, которое через систему линз или специальных вогнутых сегментированных зеркал, попадает на расположенный внутри датчика движения чувствительный сенсор, регистрирующий это.

Как работает инфракрасный датчик движения?

Когда объект движется, его ИК излучение поочередно фокусируется различными линзами системы на сенсоре (количество линз обычно варьируется от двадцати до шестидесяти штук), это и является сигналом к выполнению заложенной в датчике функции. Чем больше линз в системе датчика движения – тем выше его чувствительность. Так же, чем больше площадь поверхности системы линз – тем шире зона охвата у датчика движения.

Основные недостатки инфракрасных датчиков движения:

— Возможность ложных срабатываний. Из-за того, что датчик реагирует на любые ИК (тепловые) излучения, могут случаться ложные срабатывания даже на теплый воздух, поступающий из кондиционера, радиаторов отопления и т.п.

— Снижена точность работы на улице. Из-за воздействия окружающих факторов, таких как прямой солнечный свет, осадки и т.п.

— Относительно небольшой диапазон рабочих температур

— Не обнаруживает объекты облаченные/покрытые не пропускающими ИК — излучение материалами

Плюсы инфракрасных датчиков движения:

— Возможность довольно точной регулировки дальности и угла обнаружения движущихся объектов

— Удобен в использовании вне помещений т.к. реагирует лишь на объекты имеющие собственную температуру.

— При работе абсолютно безопасны для здоровья человека или домашних питомцев, т.к. работает как «приемник», ничего не излучая

Подробное описание установки и подключения инфракрасного датчика движения описано в нашей статье :

Подробная пошаговая фото-инструкция — Подключение датчика движения

Ультразвуковые (УЗ) датчики движения

Принцип действия ультразвукового датчика движения

Принцип работы ультразвукового датчика движения заключается в исследовании окружающего пространства с помощью звуковых волн, частотой находящейся за пределами слышимости человеческим ухом – ультразвуком. При обнаружении изменения частоты отраженного сигнала, в следствии движения объектов, датчик запускает заложенную в нее функцию.

Как работает ультразвуковой датчик движения?

Внутри ультразвукового датчика движения расположен генератор звуковых волн (в зависимости от производителя и модели обычно генерируется частота звуковой волны 20-60 кГц), которые излучаются в зоне действия датчика и отражаясь от окружающих объектов поступают обратно в приемник.

Когда в зоне обнаружения ультразвукового датчика движения появляется движущийся объект, частота отраженной от объекта волны изменяется (эффект Доплера), что регистрируется приемником датчика и от него поступает сигнал на выполнение заложенной в ультразвуковой датчик движения функции, это может быть включение освещения или разрыв сигнальной сети охранной системы.

Особо широкое применение ультразвуковые датчики движения получили в автомобильной промышленности: в системах автоматической парковки, в так называемых «парктрониках», а также системах контроля за «слепыми» зонами. В доме хорошо проявляют себя в обнаружении движений в достаточно длинных коридорах, на лестницах и т.п.

Основные недостатки ультразвуковых датчиков движения:

— Многие домашние животные слышат ультразвуковые частоты, на которых работает датчик движения, что зачастую вызывает у них сильный дискомфорт

— Относительно невысокая дальность действия

— Срабатывает только на достаточно резкие перемещения, если двигаться совсем плавно – возможно обмануть ультразвуковой датчик движения

Преимущества ультразвуковых датчиков движения:

— Относительно невысокая стоимость

— Не подвергаются влиянию окружающей среды

— Определяют движение вне зависимости от материала объекта

— Имеют высокую работоспособность в условиях высокой влажности или запылённости

— Не зависят от влияния температуры окружающей среды или объектов

Основные характеристики элементов систем автоматики

Системы автоматики состоят из ряда связанных между собой элементов. Каждый элемент имеет свои физические свойства, которые определяются рядом характеристик и параметров.

В зависимости от характеристик элементов вся система также будет обладать своей характеристикой. Поэтому, зная характеристики отдельных элементов системы, мы сможем представить, как будет работать данная система.

Режим работы элемента (системы) при постоянных во времени входной x и выходной y величинах называют статическим (установившимся) режимом, т.е. в этом режиме:

x(t) = const; y(t) = const (1.1)

Функциональная зависимость x от y в установившемся режиме называется статической характеристикой:

y = f (x) (1.2)

Для элементов автоматики основным является режим работы, при котором x и y не остаются постоянными. Такой режим работы называется динамическим.

Процесс перехода из одного установившегося состояния в другое установившееся состояние называется переходным процессом. Он является частным случаем динамического режима.

Для оценки работы системы автоматики в переходом процессе служат динамические характеристики:

Переходная характеристика– это временная характеристика, показывающая изменение во времени выходной величины y, вызванное подачей на вход системы автоматики единичного скачка x. Единичным скачком x называется изменение входной величины, например на 1 0 , 1А. 1м.

Эта характеристика дает возможность определить, как поведет себя система автоматики (элемент) при любом воздействии на ее вход.

Передаточная характеристика показывает зависимость изменения во времени выходной величины (y) от входной величины (x) в переходном режиме принулевых начальных условиях. Нулевые начальные условия – перед началом работы все параметры системы равны нулю.

y (t) = f (x (t)) (1.3)

Частотные характеристики– показывает изменение выходной величины y при изменении частоты входного сигнала x. Различают амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики.

y = f (ω) (1.4)

Коэффициент передачи элемента представляет собой отношение выходной величины y элемента к входной величине x. В зависимости от режима работы, в котором определяется коэффициент передачи элемента, различают:

а) Статический коэффициент преобразования

Кст = y / x (1.5)

б) Динамический коэффициент преобразования – показывает во сколько раз приращение выходного сигнала Δ y увеличится или уменьшится при приращении входного сигнала Δ x

Кдин = Δ x / Δ y (1.6)

в) Относительный коэффициент преобразования показывает отношение относительного приращения выходного сигнала y к относительному приращению входного сигнала x:

Котн = (Δ y / y) / (Δ x / x) (1.7)

Порог чувствительности это наименьшее (по абсолютному значению) значение входного сигнала, способное вызвать изменение выходного сигнала. Появление порога чувствительности вызывают как внешние так и внутренние факторы (трение, люфты, внутренние шумы, помехи и т.д.).Интервал между значением входного сигнала, не оказывающего воздействия на значение выходного сигнала, и значением входного сигнала, оказывающего воздействие на значение выходного сигнала, называется зоной чувствительности.

Рисунок 1.1 На рисунке 1.1 показана характеристика элемента при наличии «мёртвого» хода. Из характеристики видно, что когда входная величинаХвх изменяется в пределах x1 до x2, выходная величина Хвых не изменяется и равна нулю. Значения x1 и x2 называт порогами чувствительности, а расстояние между ними ∆xзоной не чувствительности.

Основные элементы систем автоматики

Рассмотрим некоторые основные элементы, наиболее часто применяемые в автоматике, разделяя их по выполняемым функциям.

Датчики

В системах автоматики датчик (измерительный преобразователь, чувствительный элемент) — устройство, предназначенное для того, чтобы информацию, поступающую на его вход в виде некоторой физической величины, функционально преобразовать в другую физическую величину на выходе, более удобную для воздействия на последующие элементы (блоки). Большинство датчиков преобразуют неэлектрическую контролируемую величину х в электрическую (например, температура преобразуется при помощи термопары в электродвижущую силу (ЭДС); механическое перемещение, связанное с изменением положения якоря электромагнита, изменяет индуктивность его обмотки и т.д.).

Поэтому датчики нередко называют первичными преобразователями.

Датчики являются наиболее широко распространенными элементами любой системы автоматики.

Условия работы датчиков, как правило, более тяжелые, чем у остальных элементов, т.к. они расположены непосредственно на объекте управления и подвергаются воздействию агрессивных сред, ударов, вибрации и т.п. В этих условиях к датчикам предъявляются жесткие требования по точности и стабильности преобразования.

Основной характеристикой датчика является зависимость его выходной величины у от входной х, т.е. у =f(x). На рис. 1.2 изображены некоторые распространенные виды зависимости выход-вход датчиков. Как видно из рисунка, функциональная связь может подчиняться любой закономерности, но желательно, чтобы характеристика датчика была линейной.

Классификация датчиков

В зависимости от принципа действия датчики делятся на:

По виду входного сигнала различают датчики:

По виду входного сигнала датчики могут быть:

В зависимости от вида контролируемой неэлектрической величины:

— оптические и т.д.

Параметрические (модуляторы) – это такие датчики, у которых изменение входной величины датчика вызывает изменение какого – либо параметра самого датчика (К ним относятся: контактные, реостатные, тензодатчики, потенциометрические, терморезисторы, ёмкостные,индуктивные, электронные, фоторезисторные и др.)

Генераторными называются такие датчики, у которых изменение входной величины датчика вызывает генерацию (появление, создание) электрического сигнала на его выходе. Эти датчики не требуют вспомогательного источника энергии. (К ним относят: термоэлектрические (термопары), индукционные, пъезоэлектрические, вентильные фотоэлементы).

Аналоговые датчики это такие датчики, у которых либо входной сигнал, либо сигнал на выходе, либо оба сигнала являются аналоговым.

У дискретных датчиков оба сигнала, или хотя бы один сигнал на входе или на выходе является дискретным (импульсным, цифровым и т.п.)

Линейные датчики – выходная величина изменяется пропорционально изменению входной величины.

Нелинейные датчики – выходная величина изменяется нелинейно относительно изменению входной величины.

Часто применяются электрические датчики с промежуточным преобразованием, т.е. механический датчик объединяют с электрическим. Преобразование контролируемой величины в таких датчиках происходит по схеме: измеряемая величинамеханическое перемещениеэлектрическая величина.

Элемент, преобразующий измеряемую величину в перемещение, называется первичным преобразователем или первичным измерителем (ПИ). Например, давление преобразуется в перемещение стрелки манометра ПИ, которое затем преобразуется в изменение активного сопротивления (проволочный, резистивный (или реостатный) датчики и др.).

2. Усилитель— элемент автоматики, осуществляющий количественное преобразование (чаще всего усиление) поступающей на его вход физической величины (тока, мощности, напряжения, давления и т.п.). Усилитель обязательно должен иметь дополнительный источник энергии. Основной характеристикой усилителя является зависимость y = f(x); при этом обычно стремятся к получению линейной или близкой к ней характеристики на рабочем участке. Величины на входе и выходе усилителя имеют одинаковую физическую природу. На рис. 1.3 изображены различные виды характеристики усилителей.

Рисунок 1.3 Виды характеристики усилителей

По принципу действия усилители разделяются на: электронные, полупроводниковые, магнитные, электромашинные, пневматические, гидравлические.

3. Стабилизатор— элемент автоматики, обеспечивающий постоянство выходной величины у при колебаниях входной величины х в определенных пределах. Эффект стабилизации достигается за счет изменения параметров элементов, входящих в схему стабилизатора; при этом вид энергии на его входе и выходе должен быть один и тот же.

Характеристики стабилизаторов показаны на рис. 1.4.

Рисунок 1.4 Виды основной характеристики стабилизаторов Характеристика 1 обеспечивает меньшую стабилизацию выходной величины у, чем характеристика 2. В случае, если кривая не имеет в заданном диапазоне горизонтального участка, а имеет максимум (кривая 3) или минимум, то точность стабилизации будет больше, чем в случае, характеризуемом кривой 1.

В зависимости от вида стабилизируемой величины различают стабилизаторы напряжения и тока, обеспечивающие постоянство напряжения или тока в нагрузке при колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

4. Реле элемент автоматики, в котором при достижении входной величины х определенного значения выходная величина у изменяется скачком. Зависимость у = f(x) реле неоднозначна и имеет форму петли (рис. 1.5). При изменении входной величины от 0 до х2 выходная величина у изменяется незначительно (или остается постоянной и равной у1). При достижении входной величины х значения х2, т.е. х = х2, выходная величина изменяется скачком от значения у1 до у2. Впоследствии при увеличении х выходная величина изменяется незначительно или остается постоянной (имеет установившееся значение). Когда входная величина уменьшается до значения х1 выходная величина сначала остается также неизменной и почти равной у2. В тот момент, когда х = х1 выходная величина скачком уменьшается до значения ух и сохраняется приблизительно неизменной при уменьшении х до нуля.

Рисунок 1.5 Основная характеристика реле

Скачкообразное изменение выходной величины у в момент, когда х = х2, называется величиной срабатывания (например, ток срабатывания, напряжение срабатывания для электрических реле). Скачкообразное изменение выходной величины у в момент, когда х = х1 называется величиной отпускания (ток отпускания, напряжение отпускания). Отношение величины хх к величине срабатывания х2 называется коэффициентом возврата, т.е. Kв = х12. Так как обычно х1

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Общие сведения о датчиках

Датчик – это устройство, воспринимающее регистриру-емый параметр и преобразующее его в физическую величину, удобную для использования в последующих элементах автоматической системы.

В общем виде датчик представляют в виде двух функциональных элементов – чувствительного элемента (ЧЭ) и преобразующего элемента (ПЭ) (Рис. 3.1)

Рис. 3.1. Функциональная схема датчика: Д – датчик; ЧЭ – чувствительный элемент; ПЭ – преобразующий элемент; x(t) – контролируемый параметр; x1(t) – выходная величина ЧЭ; y(t) – выходная физическая величина.

Наиболее распространенные в автоматике и телемеханике датчики преобразуют неэлектрический контролируемый параметр x(t) в электрическую величину y(t) – напряжение, ток, ЭДС или неэлектрическую величину в другую неэлектрическую величину, удобную для дальнейшего использования, например: температуру в давление, уровень в давление и т. д.

Электрические датчики могут быть параметрическими и генераторными.

Параметрические датчики функционируют на основе зависимости основного его параметра (сопротивления, емкости или индуктивности) от измеряемой величины. Для работы параметрических датчиков необходим источник электрической энергии постоянного или переменного тока. К таким датчикам относятся: контактные, реостатные, потенциометрические, тензодатчики, емкостные, индуктивные, фоторезисторные и др.

Генераторные датчики формируют на выходе ЭДС. или напряжение, функционально связанные с входным параметром. Примерами таких датчиков являются: термопара, полупровод-никовый фотоэлемент, пьезодатчик, индуктивный датчик и др.

Неэлектрические датчики подразделяются на механические, пневматические, гидравлические и др.

В технической литературе, как правило, датчики классифицируют по двум основным признакам – по виду измеряемой величины (контролируемого параметра) и по принципу действия.

По виду измеряемой величины различают датчики: температуры, давления, влажности, линейного перемещения, угловой скорости, углового ускорения, освещенности и т. д.

По принципу действия датчики подразделяются на: механические, потенциометрические, электромагнитные, емкостные, пьезоэлектрические, фотоэлектрические, ультра-звуковые, манометрические электроконтактные и др.

Основными характеристиками и параметрами датчиков являются: статическая характеристика, чувствительность, порог чувствительности, динамические показатели, погрешность преобразования, выходная мощность (напряжение, ток), выходное сопротивление и т. д.

Статической характеристикой датчика называют функциональную зависимость, связывающую выходную и входную величины, т. е. y = f(х). Она может быть задана в виде табличных значений величин х и y, в виде графической зависимости (Рис. 3.2) или в виде функциональной зависимости.

Чувствительность (коэффициент преобразования) КС – это отношение выходной величины y к входной величине х.

Ввиду того, что в общем случае зависимость y = f(х) не является линейной, то величина КС для различных значений входной величины х не будет постоянной, т. е.

Рис. 3.2. Статическая характеристика.

При этом удобнее пользоваться так называемой дифференциальной чувствительностью,

которая для разных точек зависимости y =f(х) будет также различной, т. е.

Практически дифференциальную чувствительность опре-деляют для разных областей статической характеристики как

Если зависимость y = f(х) линейна, то статическая чувствительность будет иметь постоянное значение, т. е.

Динамические свойства датчиков оценивают, пользуясь временными или частотными характеристиками.

Погрешности датчиков – абсолютную погрешность, относительную и приведенную относительную погрешности определяют аналогично, как и для электроизмерительных приборов.

Датчики

Автоматизация производственных процессов может успешно осуществляться только при наличии современных технических средств, создание которых должно базироваться на новейших достижениях науки и техники. К этим средствам автоматики можно отнести датчики, преобразователи, усилители, задающие устройства, исполнительные органы и т. д. Все эти устройства в системах автоматики выполняют ту или иную функцию, связанную с управлением объектом. В зависимости от характера управления, способа решения задач, связанных с управлением, требований, предъявляемых к устройствам, и других характеристик они могут различаться по исполнению и принципу действия.

Рассмотрим некоторые разновидности наиболее распространенных устройств.

Метрологические характеристики датчиков определяют приведенные ниже основные параметры.

Статическая характеристика датчика представляет собой зависимость изменения выходной величины от входной величины, т. е. у = ƒ(х), где х — входная величина; у — выходная величина.

Чувствительность датчика — отношение приращения выходной величины к приращению входной величины, т. е. S = ∆у/∆х. Следовательно, чувствительность датчика есть не что иное, как коэффициент передачи датчика.

Порог чувствительности датчика — наименьшее значение входной величины, которое вызывает появление сигнала на выходе. Этот параметр связан с зоной нечувствительности, т. е. зоной, в пределах которой при наличии входного сигнала на выходе датчика сигнал отсутствует.

Инерционность датчика — время, в течение которого выходная величина принимает значение, соответствующее входной величине.

По характеру получения сигнала от измеряемой величины датчики разделяют на параметрические, в которых изменение измеряемой величины вызывает изменение какого-либо параметра (например, изменение сопротивления, давления, индуктивности и т. д.), и генераторные, у которых изменение измеряемой величины вызывает генерацию сигнала (появление термо-ЭДС, фототока и т. д.). Генераторные датчики не требуют постороннего источника энергии.

По характеру зависимости выходного сигнала от входного различают датчики: пропорциональные, у которых сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине; нелинейные, у которых сигнал на выходе нелинейно зависит от сигнала на входе; релейные, в которых сигнал на выходе изменяется скачкообразно; циклические, у которых сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине или нелинейно зависит и повторяется циклически; импульсные, у которых изменение входной величины вызывает появление сигналов (импульсов), число которых пропорционально измеряемой величине. Схемы включения измерительных и преобразовательных элементов датчика могут быть дифференциальные, компенсационные, мостовые и т. д.

По виду преобразования сигналов датчики могут быть: электроконтактные, где механическая сила преобразуется в электрический сигнал; индуктивные, у которых изменение магнитной проницаемости вызывает изменение индуктивности; фотоэлектрические, в которых световой сигнал преобразуется в электрический; тензометрические, в которых механическая сила вызывает изменение сопротивления; гидравлические, в которых механические силы преобразуются в гидравлический сигнал, и т. д.

По назначению в системах автоматического управления датчики можно разделить на датчики пути и положения, скорости, силовые, углового положения или угла рассогласования и т. д. Так как датчики можно рассматривать как составные элементы систем управления, удобнее их классифицировать по назначению.

Каждый электрик должен знать:  Выявление дефектов контактных соединений распределительных устройств и воздушных линий

Датчики пути и положения рабочих органов обеспечивают создание управляющих сигналов в зависимости от пройденного пути или положения рабочих органов управляемого объекта.

Электроконтактные датчики представляют собой конечные, путевые выключатели, микропереключатели (рис. 2). У датчиков имеются штоки или рычаги 2, которые воздействуют через механизм передачи на контакты 1. Принцип действия датчиков основан на том, что их устанавливают на неподвижных частях рабочих органов в определенном положении, а движущиеся рабочие органы, на которых укреплены кулачки, достигнув заданного положения, воздействуют на датчики, вызывая их срабатывание.

Имеются также электроконтактные размерные датчики (предельные или амплитудные), которые, как и путевые, являются датчиками перемещений. Применяют одно- и многопредельные датчики. Двухпредельный датчик рычажного типа (рис. 2, г) состоит из корпуса 2, в котором расположен измерительный шток 1 в цилиндрических втулках. На штоке установлен наконечник 13 для контактирования с измеряемой деталью. Сверху в корпусе имеется отверстие, в которое устанавливают отсчета у ю головку 9. Положение стрелки отсчетной головки регулируют регулировочной гайкой 12 с микропередачей. На штоке установлен хомутик 10 с пружиной 11, создающей силу измерения. На колодке 5 с помощью крестообразной пружины 4 укреплен рычаг 6 с подвижными контактами 8. Настроечные контакты, запрессованные в концы микрометрических винтов 3, регулируют с помощью барабанов 7 с нанесенными на них делениями. Предел измерения датчиков составляет 1 мм, предельная погрешность ± 1 мкм.

Известны электроконтактные размерные датчики для измерения больших перемещений с высокой точностью. Электроконтактный размерный датчик — кодовый преобразователь (рис. 3) — состоит из шести контактных пластин, по которым перемещаются контактные щетки, выполненные в виде стальных шариков, свободно вращающихся в стальных втулках с прижимными пружинами. Щетки смонтированы на валах, соединенных между собой зубчатой передачей с передаточным отношением 1:10. Для предотвращения изнашивания щеток и контактных пластин служит электромагнит, который отводит щетки при большой частоте вращения входного вала (во время перемещения на большие расстояния).

Для младшего разряда применено десять щеток, соединенных друг с другом и расположенных на нониусной шкале, что позволяет делить окружность при наличии 10 щеток и контактных пластин на 100 делений (разрешающая способность младшего разряда). Подвод тока к щеткам младшего разряда производится через сегмент ТН длиной, которая достаточна для обеспечения постоянного контакта щетки с сегментом. Следовательно, щетки первого и второго разрядов поворачиваются на доли оборота, третьего — на целые обороты, а четвертого — шестого — соответственно на десятки, сотни и тысячи оборотов. Погрешность датчика составляет 0,05 мм.

Индуктивные датчики. Принцип их действия основан на изменении индуктивности катушки с подвижным якорем вследствие изменения магнитной проницаемости. Индуктивные датчики, как и электроконтактные, можно использовать как датчики пути или положения и как размерные (рис. 4). Если перемещать якорь 1 (рис. 4, а) датчика, воздушный зазор б будет изменяться, что вызовет изменение индуктивности обмотки ωД. Сила тока в цепи обмотки датчика:

где Z — полное сопротивление цепи; UП — напряжение питания датчика; R — активное сопротивление цепи; ХL = 2πƒL. — индуктивное сопротивление обмотки.

Если UП, R, ƒ постоянны, то сила тока I в катушке, а, следовательно, и напряжение U будут пропорциональны воздушному зазору б, т. е. U ≡ I ≡ kδ. Датчики работают при частоте питающей сети 50—5000 Гц.

Индуктивный дифференциальный размерный датчик (рис. 4, 6) состоит из двух катушек 2, 4, на которых расположены обмотки, подключаемые по дифференциальной схеме или в плечи измерительного моста. В катушках расположен сердечник 3, соединенный с измерительным штоком 1, который контактирует с измеряемой поверхностью. При среднем положении сердечника, т. е. при δ1 = δ2, параметры катушек одинаковы, тогда I1 — I2. Так как обмотки соединены по дифференциальной схеме, сигнал на выходе датчика равен нулю, г. е. U = U1 — U2 = 0. При изменении положения сердечника, когда δ1 = δ2, происходит изменение индуктивности обмотки, тогда I1 = I2, I1 > I2или I2 > I1. Сигнал будет пропорционален перемещению сердечника, а его знак будет определять направление перемещения.

В индуктивных дифференциальных датчиках трансформаторного типа при изменении положения сердечника (плунжера) меняется взаимоиндукция между первичной и вторичной обмотками, что вызывает во вторичных обмотках изменение индуцируемой ЭДС.

Бесконтактный щелевой индуктивный датчик БВК (рис. 4, в) имеет два ферритовых сердечника с расположенными на них обмотками. Сердечники и все элементы датчика, кроме реле К1, размещены в капроновом корпусе. На одном сердечнике расположены контурная обмотка WК и обмотка положительной обратной связи WП.С, на другом сердечнике — обмотка отрицательной обратной связи WО.С.

Такой магнитопровод исключает влияние посторонних магнитных полей. Обмотки обратной связи включены последовательно и навстречу друг другу. Значение коэффициента связи таково, что колебания в контуре WК — СЗ не возникают.

При введении в зазор алюминиевого экрана, который несет на себе движущийся рабочий орган, связь между обмотками WК и WО.С ослабевает, и возникает генерация. В контуре WК — СЗ появляется переменный ток, который индуцирует ЭДС в катушке WП.С. В цепи базы транзистора VТ1 происходит детектирование переменной составляющей тока базы. Транзистор открывается, вызывая срабатывание реле K1. Для стабилизации работы транзистора при колебаниях температуры и напряжения служит нелинейный делитель напряжения, состоящий из линейного элемента — резистора R1, полупроводникового терморезистора R2 и диода VD2. Погрешность срабатывания составляет 1—1,3 мм. В промышленности применяют также другие бесконтактные переключатели, которые различаются конструктивным решением или схемой преобразования сигнала.

Индуктивные импульсные размерные датчики получили довольно широкое распространение для измерения линейных перемещений. Датчик (рис. 5) состоит из стальной зубчатой шкалы 1 с шагом зубцов t1 и двух съемников A и В, каждый из которых включает в себя два П-образных сердечника 2 с зубцами на торцах (шаг t2). Зубцы одного сердечника каждого съемника смещены по отношению к зубцам другого сердечника на половину шага t1. В каждом съемнике имеется общая первичная обмотка 3 и две разделенные вторичные обмотки 4, которые включены так, что постоянные составляющие токов вычитаются друг из друга.

Для того чтобы получить, электрический сигнал, меньший, чем шаг t1 и краткий ему, зубцы на съемниках нанесены с шагом t2, который меньше шага t1 и кратен ему. Для определения направления движения зубцы съемника В смещены по отношению к зубцам съемника А на четверть исходного шага t1. Благодаря такому смещению удается также получить цену импульса, равную четверти шага t1. Датчик питается током частотой 20—25 кГц, что обеспечивает нормальную работу на любых скоростях. Датчики изготовляют с ценой импульса 0,05 и 0,02 мм. Имеются также индуктивные датчики такого типа, где вместо зубчатой шкалы применен стальной винт, а сердечники съемников выполнены в виде полугаек. При поступательном движении полугаек относительно винта или при вращении винта периодически меняется магнитное сопротивление зазора, что приводит к изменению ЭДС в обмотках датчика.

Фазоимпульсный индуктивный размерный датчик ДЛМ (рис. 6) состоит из основного 1, опорного 3 и тактирующего 4 датчиков. Основной сигнал ЕОС датчика вырабатывается за счет периодической модуляции магнитного потока Ф, создаваемого намагничивающими катушками 2 в магнитной системе, образованной винтами 5 с шагом 5 и зубчатой рейкой 7. Периодическая модуляция потока Ф происходит благодаря периодическому изменению конфигурации зазора между боковой поверхностью винтов и зубчатой рейкой при непрерывном вращении винта, который приводится в движение синхронным двигателем 6. При этом на вторичных обмотках датчика наводится ЭДС ЕО.С. При смещении зубчатой рейки, которая закреплена на движухцемся рабочем органе, на расстояние АЬ основной сигнал смещается во времени, что будет соответствовать сигналу Е`ОС (рис. 7). Для определения начальной фазы основного сигнала служит круговой магнитный зубчатый преобразователь 3 (см. рис. 6), который вырабатывает сигнал Е, не зависящий от положения зубчатой рейки.

Для измерения фазового сдвига основного сигнала ЕОС относительно опорного ЕО определенным числом импульсов служит круговой магнитный зубчатый преобразователь 4 (тактирующий датчик). Ротор его укреплен на общей оси; сигнал этого преобразователя (тактирующий) ЕT имеет период, в 50 раз меньший периода основного и опорного сигналов, и жестко привязан по времени к опорному сигналу. Поэтому фазовый сдвиг между основным и опорным сигналом ∆ϕ = (360°/100) n, где 100 — число периодов тактового датчика при одном периоде опорного сигнала; n — число полупериодов тактового сигнала.

Учитывая, что полный период изменения фазы соответствует перемещению на один шаг зубчатой меры, равному 1 мм, перемещение ∆L может быть определено числом полупериодов тактового сигнала, т. е. ∆L = (1 мм/100) n, где n — 1, 2, 3, …,100. Минимальное значение перемещения, которое может быть зарегистрировано (дискрета), соответствует n = 1, поэтому i = 1 мм/100 = 0,01 мм.

Вращающиеся (поворотные) трансформаторы. На статоре и роторе вращающегося трансформатора размещены по две распределенные обмотки, магнитные оси которых взаимно перпендикулярны (рис. 8, й). Ротор вращающегося трансформатора может поворачиваться на некоторый угол, произвольный по отношению к статору.

Принцип действия вращающегося трансформатора основан на изменении коэффициентов взаимоиндукции между обмотками статора и ротора при повороте ротора. В качестве датчиков угла используют синуснокосинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ), у которых зависимость коэффициентов взаимоиндукции от угла поворота ротора носит характер синусоиды и косинусоиды, и линейные вращающиеся трансформаторы (ЛВТ), у которых указанная зависимость линейная.

В зависимости от схемы включения выходным сигналом вращающегося трансформатора может быть амплитуда переменного напряжения или угол сдвига фаз между напряжениями. Соответственно этому режим работы вращающегося трансформатора называется амплитудным, или режимом фазовращателя.

В амплитудном режиме вращающегося трансформатора на одну из роторных (или статорных) обмоток подается постоянное по амплитуде напряжение — напряжение возбуждения. При этом возникает пульсирующий магнитный поток, ось которого совпадает с осью обмотки, находящейся под напряжением возбуждения. Этот поток индуцирует во вторичных обмотках статора (или ротора) ЭДС, пропорциональную синусу или косинусу угла поворота (для СКВТ): E1 = Е1MAXsinα, E2 = Е2MAXcosα, где E1, E2 действующие значения ЭДС, индуцируемой во вторичных обмотках; Е1MAX, Е2MAX— максимальное значение ЭДС во вторичных обмотках (при совпадении оси обмотки возбуждения с осью вторичной обмотки).

Линейные вращающиеся трансформаторы представляют собой синусные вращающиеся трансформаторы, обмотки которых включают по специальной схеме.

В режиме фазовращателя (рис. 8, б) используют СКВТ. Статорные обмотки включаются в систему двух питающих напряжений со сдвигом фаз 90°: U1 = UMAXsinωt, U2 = UMAXcosωt. Благодаря этому возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое перемещается в пространстве с угловой частотой ω. При этом в роторных обмотках СКВТ индуцируется ЭДС, имеющая такую же частоту, но сдвинутая по фазе относительно питающего напряжения на угол, который зависит от угла ф поворота ротора СКВТ:

Таким образом, в режиме фазовращателя СКВТ является датчиком, преобразующим угол поворота в фазовый угол синусоидального напряжения.

Для повышения точности преобразования применяют вращающиеся трансформаторы с электрической редукцией. Принцип электрической редукции заключается в том, что за малый угол поворота ротора амплитуда или фаза выходного напряжения изменяется на один период, а при повороте ротора на 360° число периодов равно коэффициенту электрической редукции. Наибольшее распространение из вращающихся трансформаторов с электрической редукцией получили индукционные редуктосины и индуктосины.

Линейный индуктосин (рис. 9) состоит из набора измерительных шкал 1 и ползуна 2, монтируемых на рабочих органах.

Измерительная шкала индуктосина укреплена на неподвижной части и представляет собой стальную линейку, на которой на соответствующую изолирующую подложку печатным способом нанесена зигзагообразная обмотка с шагом 2 мм. Ползун 2, укрепленный на подвижной части, является якорем и состоит из двух таких же, но более коротких обмоток, сдвинутых на 1/4 шага относительно друг друга. На выходе обмоток якоря индуцируется циклический сигнал. Число циклов определяется числом пройденных шагов. В промышленности применяют также круговые индуктосины.

Фотоэлектрические датчики (рис. 10, а) представляют собой обычное фотореле, установленное на рабочих органах в определенном положении. Движущийся рабочий орган (ДРО), переместившись в установленное положение, экраном прерывает поток света Ф, вызывая срабатывание фотореле (ФР). В промышленности применяют также размерные фотоэлектрические датчики. Размерный датчик (рис. 10, б) состоит из диска, который соединен с ДРО. На диске нанесены штрихи или прорези с определенным шагом t. При движении рабочего органа штрихи на диске прерывают световой поток Ф, вызывая срабатывание фотореле. Измеренное перемещение ∆L = nt, где n — число срабатывания фотореле; t — цена деления шага. Имеются датчики, у которых в качестве измерительных шкал применяют линейки с нанесенными штрихами.

Гидравлические датчики представляют собой обычный управляющий гидрораспределитель поршневого или кранового типа (рис. 11, а). Принцип их действия основан ка том, что движущиеся рабочие органы, на которых размещены кулачки или упоры 1, достигнув положения, где установлен датчик, воздействуют на него, вызывая сбрасывание. Управляющий гидрораспределитель обеспечивает сигнал исполнительному органу (гидродвигателю),

Пневматические датчики аналогично гидравлическим выполнены в виде пневмораспределителей кранового типа (рис. 11, б), дросселей или клапанов. Широкое распространение получили размерные пневматические дифференциальные датчики мембранного и сильфонного типа с электроконтактным выходом.

Датчики углового положения создают управляющий сигнал в зависимости от углового положения или угла рассогласования между рабочими органами.

Потенциометрический датчик (рис. 12) состоит из потенциометров П1 и П2, которые подключены параллельно к общему источнику питания UП. Подвижные контакты потенциометров К1, К2 соответственно соединены механически с задающим (ЗРО) и исполнительным (ПРО) рабочими органами. Напряжение, снимаемое с подвижных контактов потенциометров, является напряжением сигнала UC. При согласованном положении рабочих органов (подвижные контакты находятся в одинаковом положении), когда α — β, напряжение сигнала равно нулю. При рассогласованном положении, когда α ≠ β, сигнал на выходе датчика не равен нулю, т. е. UC ≠ 0. Причем сигнал будет пропорционален углу рассогласования, т. е. UC = α — β, а знак сигнала определяет направление рассогласования (UC ≠ 0 означает, что UC > 0 или UC Метки: Вращающиеся трансформаторыГидравлические датчикидатчикиДатчики скоростиДатчики углового положенияИндуктивные датчикиИндуктивный дифференциальный размерный датчикЛинейный индуктосинПневматические датчикиповоротные трансформаторыПотенциометрический датчикПьезоэлектрические датчикиРеле давленияРеле контроля скоростиСельсиныСердечникиСиловые датчикитактирующий датчикТахогенераторыТензометрические датчикиТоковое релеФазоимпульсный индуктивный размерный датчикФотоэлектрические датчикиЧувствительность датчикаЭлектроконтактные датчикиЭлектромеханические датчики

Классификация и области применения датчиков

В основу классификации датчиков положены характерные признаки, по которым можно выделить следующие группы.

1. По измеряемой физической величине. Это самая обширная группа датчиков, т.к. в технических измерениях, в том числе при контроле и диагностировании, измерению подвергаются около 200 физических величин. Пример: датчики температуры, давления, перемещения, скорости, ускорения, усилия, расхода, уровня, вибрации и т.д. и т.п.

2. По принципу действия, на котором основано функционирование датчика:

а) термопреобразователи: термометры сопротивления (изменение сопротивления металлов Pt, Ni, Cu), термопары (термо ЭДС), полупроводниковые терморезисторы, датчики инфракрасного излучения и т.д.;

б) пьезоэлектрические преобразователи (вибраций, сил, давлений);

в) тензопреобразователи для измерений деформаций и механических напряжений;

г) фотоэлектрические (оптические) датчики (на фотодиодах, светодиодах, лазерах);

д) индуктивные, индукционные, датчики Холла;

е) механические датчики (индикаторные головки);

ж) электромеханические (тахометры, расходомеры);

з) потенциометрические (датчики угла поворота и перемещения);

и) емкостные (датчики перемещения, уровня, влажности, шероховатости);

к) контактные (тактильные): электроконтактные, виброконтактные — датчики положения, позиции на объекте измерения, контроля и диагностирования.

3. По выходному сигналу: аналоговые, цифровые (кодовые), импульсные.

4. По технологии изготовления:

а) традиционная технология: электромеханические датчики, электрические, электровакуумные и т.д.;

б) современная полупроводниковая микроэлектронная технология. Например, объемные кристаллы и пленочные, используемые в виде микросхем, которые напрямую стыкуются с цифровыми микросхемами для дальнейшей обработки сигнала — датчик Холла, гидисторы, термисторы.

В качестве примера применения современных датчиков рассмотрим подробнее измерительные и контрольные устройства, реализованные на базе датчиков Холла и датчиков давления.

Датчики Холла

Современная реализация датчиков Холла осуществляется на базе магнитоуправляемых интегральных логических микросхем серии К1116. Эти микросхемы представляют собой особый класс полупроводниковых приборов, принцип действия которых основан на изменении сигнала на их выходе при воздействии внешнего магнитного поля. Иначе говоря, эти микросхемы выполняют функции электронных ключей, управляемых магнитным полем.

Перспективность использования датчиков Холла в интегральном исполнении на основе магнитоуправляемых микросхем подтверждается тем, что они находят широкое применение в качестве чувствительных элементов в функционально-ориентированных магнитных датчиках электрического тока и напряжения, скорости и направления вращения, угла поворота и конечного положения исполнительных устройств, расхода жидкости и газа в ТП и т.д. Их также используют в бесконтактных (вентильных) электродвигателях, устройствах аварийной и охранной сигнализации, бесконтактных системах электронного зажигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, системах автостопа в бытовой радиоаппаратуре, в металлоискателях и дефектоскопах, в электронных предохранителях, в клавиатуре промышленных компьютеров и пультов управления ТОУ и т.д. и т.п.

Основные преимущества магнитоуправляемых микросхем (МУМС) по сравнению с другими преобразователями физических (неэлектрических) величин — простота обеспечения практически идеальных механической, электрической, тепловой и других видов развязки измерительных и управляющих цепей от объектов контроля, а также большой динамический диапазон и возможность непосредственного сопряжения со стандартными цифровыми микросхемами.

Микросхемы серии К1116 представляют собой устройства малой степени интеграции, содержащие в одном кремниевом кристалле преобразователь магнитного поля и электронное устройство усиления и обработки сигнала. Преобразователем магнитного поля служит интегральный 4-электродный элемент Холла, принцип действия которого основан на возникновении на двух продольных электродах ЭДС, прямо пропорциональной произведению напряженности магнитного поля на ток, протекающий через поперечные электроды. Микросхемы изготовляют по эпипланарной технологии и оформляют в 3–5 – выводном пластмассовом корпусе с жесткими плоскими выводами. Внешний вид и чертежи корпуса показаны на рис. 4.2. Штрихпунктирным квадратом на чертежах обозначено размещение зоны чувствительности элемента Холла (например, размеры зоны у микросхем К1116КП9 и К1116КП10 — 1,5´1,5 мм). Функциональная схема типовой микросхемы, позволяющая реализовать чувствительный элемент датчика Холла, представлена на рис. 4.3. По реакции на воздействие внешнего магнитного поля микросхемы подразделяют на униполярные, уровень напряжения на выходе которых зависит от значения индукции магнитного поля одной полярности, и биполярные, уровень выходного напряжения которых зависит как от значения индукции, так и от знака (полярности) воздействующего магнитного поля.

Рис. 4.2. Внешний вид корпусов микросхем серии К1116

Рис. 4.3. Функциональная схема типовой микросхемы

Униполярные микросхемы К1116КП1, К1116КП3, К1116КП9, К1116КП10 имеют прямой выход, сигнал на котором в отсутствие магнитного поля соответствует уровню логической «1» (рис. 4.4, а). При повышении индукции внешнего магнитного поля до значения в>всраб происходит переключение микросхемы и уровень сигнала на ее выходе скачком изменяется до логического «0». Униполярная микросхема К1116КП2 имеет инверсный выход, на котором уровень логической «1» появляется при воздействии магнитного поля с индукцией В>Всраб (рис. 4.4, б). Характеристика переключения для биполярных микросхем К1116КП4, К1116КП7 и К1116КП8 представлена на рис. 4.4, в.

С повышением температуры униполярных микросхем происходит увеличение значения индукции срабатывания/отпускания (рис. 4.4, г). С повышением температуры биполярных микросхем индукция срабатывания отпускания уменьшается. Температурный коэффициент изменения индукции срабатывания и отпускания лежит в пределах от 0,01 до 0,05 мТл/°С в зависимости от типа микросхемы.

Повышенная помехоустойчивость микросхем обеспечена наличием гистерезиса (с индукцией 3. 9 мТл) на характеристике переключения.

Микросхемы серии К1116 рассчитаны на сопряжение с цифровыми интегральными микросхемами видов РТЛ, ДТЛ, ТТЛ, ЭСЛ, И 2 Л и структуры КМОП. Одна из возможных схем сопряжения показана на рис. 4.5.

Разработчику аппаратуры и устройств с МУМС следует учитывать, что воздействующее магнитное поле должно быть направлено перпендикулярно лицевой поверхности микросхем. Должны быть приняты меры защиты микросхемы от воздействия постороннего магнитного поля (напряженность которого превышает 1 мТл), а также от помех и пульсаций по цепи питания микросхем. Амплитудное значение пульсаций и паразитных сигналов в цепи питания не должно превышать 50 мВ.

Рис.4.4. Характеристики микросхем серии К1116

Рис.4.5. Схема сопряжения микросхем серии К1116 с ТТЛ – микросхемами

Микросхемы серии К1116 отличаются высокой надежностью (интенсивность отказов – не более 3×10 -7 ч –1 ), продолжительным сроком службы (50000 ч) и невысокой стоимостью.

МУМС служат основным элементом магнитных датчиков (датчиков Холла), используемых в устройствах самого разнообразного назначения. В настоящее время наиболее широкое распространение получили универсальные магнитные датчики положения (позиции) и перемещения (рис.4.6, а, б). Конструкция датчиков может быть различной, но они всегда содержат преобразователь магнитного поля (в нашем случае — магнитоуправляемую микросхему на основе элемента Холла) и магнитную систему, разомкнутую или замкнутую. Магнитная система может быть составной частью датчика, а может включать в себя и те или иные элементы контролируемого объекта.

Простейший датчик состоит из МУМС и постоянного магнита, укрепленного на подвижном звене контролируемого объекта. При сближении магнита и МУМС на некоторое расстояние индукция магнитного поля становится достаточной для срабатывания микросхемы. Удаление магнита приводит к ее переключению в исходное состояние. При разработке датчиков учитывают известные закономерности действия магнитного поля, характеристики постоянных магнитов, а также влияние элементов конструкции на параметры датчиков.

На рис. 4.6, а изображена конструкция клавишного модуля с беспружинным возвратом в исходное состояние. В исходном состоянии на выходе МУМС уровень либо «0», либо «1». При нажатии на клавишу подвижный магнит опускается, изменяется взаимное расположение полюсов магнитов и уменьшается значение магнитной индукции в зоне микросхемы. В крайнем нижнем положении магниты обращены один к другому одноименными полюсами. Магнитный поток, воздействующий на микросхему, становится минимальным и она переключается. При отпускании клавиши взаимодействие магнитных полей магнитов возвращает ее в исходное положение и фиксирует в нем. МУМС переключается в первоначальное состояние.

Бесконтактная клавиатура с применением МУМС обладает высокой надежностью, отсутствием дребезга контактов и высокой помехоустойчивостью.

Вариант конструкции датчика перемещения показан на рис. 4.6, б. При перемещении в рабочем зазоре датчика шторки из ферромагнитного материала, имеющей сквозные окна (отверстия), на выходе МУМС происходит смена уровней напряжения. Действие шторки основано на экранировании магнитного потока ферромагнитным материалом. Шторка может быть выполнена в виде стакана, пластины, диска, крыльчатки и т. п. Подобный датчик с вращающейся цилиндрической шторкой использован в бесконтактном прерывателе электронной системы зажигания двигателя автомобиля. Такой прерыватель имеет высокую надежность работы и долговечность. Датчик Холла с вращающейся крыльчаткой используется в тахометрических (турбинных) расходомерах технологических жидкостей с повышенными эксплуатационными свойствами.

Каждый электрик должен знать:  Квантовая и оптическая электроника

Если на шторке расположить несколько рядов окон в порядке, соответствующем коду Грея, то с использованием соответствующего числа МУМС и магнитов можно реализовать 5-8-разрядный кодовый датчик линейного перемещения или датчик «частота вращения — код». В отличие от фотоэлектрического датчика магнитный не требует сложной оптической системы, более надежен и экономичен.

Широкое применение получило использование МУМС в качестве датчиков положения роторавентильных (бесколлекторных) электродвигателей. Устройство такого электродвигателя схематически представлено на рис. 4.7. Чаще всего датчик положения ротора представляет собой неподвижное кольцо из немагнитного материала, на котором равномерно по окружности установлены 2, 3 или 4 МУМС (в зависимости от числа секций обмотки возбуждения). Микросхемы попадают в зазоры вращающейся вместе с валом системы управляющих магнитов. Ротором электродвигателя служит многополюсный постоянный магнит, а многосекционная обмотка возбуждения играет роль статора. Вращающее магнитное поле обмоток возбуждения формируется бесконтактным коммутатором по командам датчика положения ротора. При этом одна микросхема управляет, как правило, одной из секций обмотки возбуждения.

Использование МУМС в датчике положения ротора обеспечивает возможность управления частотой вращения вентильных электродвигателей в очень широких пределах — от нескольких оборотов в минуту до 60 000. Такие двигатели весьма перспективны для прямого исполнительного привода электромеханических устройств автоматики ТОУ и компьютерной техники, так как обладают большим сроком службы (до 10000 ч), компактны и бесшумны; их КПД достигает 70 %.

С применением МУМС созданы бесконтактные электронные реле. Магнитная система и обмотка такого реле принципиально такие же, как и у обычного электромагнитного, но якорь и связанные с ним контакты отсутствуют. Их заменяют микросхема, установленная в зазоре магнитопровода, и транзисторный усилитель тока. Исполнительный узел реле, выполненный на мощных транзисторах или тиристорах, может быть рассчитан на большой коммутируемый ток (или напряжение). При этом размеры реле остаются относительно небольшими.

Рис.4.6. Датчики Холла положения (а) и перемещения (б) на основе МУМС

Рис.4.7. Устройство датчика положения ротора электродвигателя

Рис.4.8. Применение датчика Холла в схеме защиты от токовых перегрузок

Аналогичные устройства могут быть использованы для электронной защиты цепей питания аппаратуры от перегрузки и замыканий. При необходимости защиты сильноточных цепей (до 1000 А) может быть использовано устройство, конструкция которого изображена на рис. 4.8. Вокруг провода контролируемой цепи располагают кольцевой концентратор, выполненный из трансформаторной стали. В зазор концентратора помещают МУМС. Превышение тока через контролируемый проводник сверх установленного порога приводит к переключению микросхемы и срабатыванию исполнительного устройства. Достоинствами таких релейных устройств являются полная развязка управляющих и исполнительных цепей, высокое быстродействие (десятые доли микросекунды) и искробезопасность.

Если на краю дверцы блока электроавтоматики ТОУ закрепить магнит, а в соответствующем месте на корпусе — МУМС, то можно реализовать защитное устройство, предотвращающее несанкционированное открываниеблока. Такое же устройство, смонтированное на микроволновой печи, не позволит включить ее при открытой дверце. Легко представить себе конструкции поплавковых датчиков уровня технологической жидкости с использованием МУМС.

Следует отметить, что МУМС могут быть использованы во многих случаях, в которых применяют герконы. Однако по сравнению с герконами магнитоуправляемые микросхемы обладают меньшими размерами, большей механической прочностью и устойчивостью, отсутствием дребезга контактов при переключении, высокими быстродействием (в 10 раз выше) и надежностью.

Интересные возможности предоставляет применение МУМС в дефектоскопии. Как пример, можно привести конструкцию головки для искателя оборванных проволок в канате. Эти приборы очень нужны горнякам, строителям, эксплуатационникам канатных дорог, лифтов, цеховых кранов, подъемников и т.д.

Дата добавления: 2020-11-04 ; просмотров: 3518 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Датчики, элементы измерения и контроля

Контрольно-измерительные средства для прямоходных механизмов

Применение различных датчиков для контроля работы механизмов находит все более широкое применение. Предпосылки развития данных устройств является лучший контроль обеспечит лучшее качество продукции.

В современном оборудовании контролируется широкий ряд параметров: температура в различных составяющих оборудования, зазоры механических передач, усилия и упругие моменты в механизмах, износ оборудования и многое многое другое.

В качестве контрольно — измерительных средств применяются датчики, непосредственно воспринимающие изменения контролируемого параметра и преобразующие эти изменения в механические или электрические сигналы.

Датчики обычно представляют собой единое изделие (датчик и преобразователь), имеющее на выходе электрические унифицированные сигналы — релейные, непрерывные токовые, непрерывные напряжения постоянного или переменного токов, непрерывные частотные и т.п.

Датчики различаются по точности, линейности, разрешающей способности, частотной характеристике, характеристике шума, входному и выходному импедансу и многим другим параметрам.

По структуре построения и в зависимости от способа соединения элементов датчики могут быть с последовательным преобразованием, дифференциальные и компенсационные.

Также они различаются по типу параметра, который регистрируют или контролируют.

Датчики электромагнитных переменных

Датчики тока и напряжения

Сигналы, пропорциональные току, снимаются с шунтов, трансформаторов тока. Преобразованные сигналы датчиков используются также для измерения ЭДС, мощности, потока и т. д.

В этом качестве широко используются преобразователи, основанные на эффекте Холла, которые строятся в виде магнитопроводов с зазором. Магнитопровод из мягкого материала намагничивается при помощи обмотки по которой течет измеряемый ток. В зазоре устанавливается датчик Холла, питаемый от стабилизированного источника тока.

В качестве датчиков тока в релейно-контакторых разомкнутых схемах используются главным образом реле тока. Катушки, изготовленные из толстого провода с малым числом витков, непосредственно включаются в сеть контролируемого тока двигателя.

При достижении этим током уровней срабатывания или отпускания происходит коммутация контатков реле тока, которые производят соответствующие переключения в схемах управления двигателем.

В качестве датчиков тока этого типа применяют реле минимального и максимального токов.

Для измерения переменных токов в качестве датчиков тока применяются трансформаторы тока, что позволяет также осуществить потенциальное разделение силовых цепей и цепей управления.

Для измерения напряжения переменного тока используются трансформаторы напряжения.

Датчики потока и магнитной индукции

Для контроля указанных параметров применяют также датчики Холла. Эти датчики позволяют измерять постоянные и переменные магнитные поля

Датчики механических переменных

Датчики параметров движения

Предназначены для получения информации о линейных и угловых перемещениях, скоростях, ускорениях, силе и
моментах.

Основные требования, применяемые к датчикам перемещений: высокая точность измерения и контроля перемещений, быстродействие, помехоустойчивость, малые нелинейные

По физическому принципу действия датчики можно разделить:

  • фотоэлектрические (оптоэлектронные) — использующие эффект периодического изменения освещенности (датчики снабжаются каналом нулевого импульса — началом отсчета, что позволяет при наличии счетчика использовать его как датчик положений).

Они обладают наибольшей точностью среди существующих преобразователей, наивысшей разрешающей способностью, отличаются высокой чувствительностью и быстродействием, простотой и надежностью конструкции, компактностью и т.п.

К недостаткам фотоэлектрических датчиков следует отнести чувствительность к посторонним источникам излучения, недостаточную стабильность и надежность.

  • электростатические — емкостные (основанные на эффекте периодического измерения емкости) и пьезоэлектрические (основанные на эффекте возникновения электрического заряда на поверхности некоторых материалов в момент
  • электромагнитные (основанные, например, на эффекте изменения индуктивности или взаимоиндуктивности)

Электромагнитные индуктивные датчики уступают емкостным по чувствительности и линейности характеристики, но
превосходят их в условиях производства по выходной мощности и надежности.

  • электроаккуастические (основанные, например, на эффекте изменения энергии поверхностной аккустической волны);
  • реостатные (использующие эффект линейного изменения сопротивления);
  • лазерные (интерферометрические)

Тахогенераторы постоянного тока серии и переменного тока применяются в регулируемых электроприводах средней и большой мощности при невысокой точности регулирования скорости. Они обладают низкими оборотными и полюсными пульсациями и высокой линейностью и стабильностью характеристик.

Датчики скорости

Электромеханическое реле контроля скорости — работает по принципу асинхронного двигателя. Реле контроля скорости удобно использовать при автоматизации процесса торможения, когда требуется обеспечивать отключение двигателя от сети после снижения его скорости до нуля.

Датчики скорости (тахогенераторы) предназначены для изменения скорости вращения вала двигателя или исполнительного органа рабочей машины.

По своему устройству бывают:

-тахогенераторы постоянного тока — с возбуждением от независимого источника или постоянного магнита

— тахогенераторы переменного тока — имеют две обмотки, обмотка возбуждения подключается к питающей сети и служит для создания магнитного потока тахогенератора, другая — измерительная обмотка — напряжение на выводах этой обмотки пропорционально скорости вращения тахогенератора.

— синхронные тахогенераторы — однофазный синхронный генератор малой мощности. Он имеет ротор в виде многополюсного постоянного магнита. При его вращении созданное им магнитное поле пересекает витки обмотки статора, создавай в ней ЭДС, пропорциональную скорости вращения. Тем самым выходное напряжение на выводах обнотки статора оказывается пропорциональным скорости ротора.

импульсный индуктивный датчик
в конструкции используется усилитель, который усиливыет поступающее сигналы ЭДС и использует последовательность выходных прямоугольных импульсов, частота которых пропорциональна измеряемой скорости. Затем эти импульсы преобразуются в двоичное число путем их подсчета за определенный интервал времени с запоминанием полученного числа на время последующего интервала.

При необходимости этот переменный по частоте сигнал может быть преобразован в напряжение постоянного тока. для
использования в аналоговых схемах

Датчики положения

— путевые и конечные выключатели релейного действия (контактные и бесконтактные) применяются при получении сигналов при достижении рабоичм органом привода определенных положений, которые затем поступают в цепи управления защиты и синхронизации.

— вращающиеся поворотные трансформаторы
Вращающиеся путевые и конечные выключатели имеют привод от валика, соединяемого с валом двигателя непосредственно или через редутор.

На валике расположены кулачковые шайбы, воздействующие на контакторную систему выключателя. При вращении вала двигателя в определенном его положении кулачковые шайбы переключают контакты выключателя.

рычажные конечные и путевые выключатели имеют привод своей контактной системы от поворотного рычага, на который оказывает воздействие движущая часть электропривода или исполнительного органа. Возврат рычага и контактов в исходное положение осуществляется под действием пружины.

нажимные выключатели — переключение контактов происходит при нажатии на шток выключателя, возврат которого в исходное положение осуществляется под действием пружины. В качестве нажимных выключателей применение находят также микропереключатели, у которых при воздействии на шток переключается упругий контакт.

В замкнутых системах электропривода применяются аналоговые и цифровые датчики положения.

вращающиеся (поворотные) трансформаторы являются аналоговыми датчиками положения (угла поворота) вала двигателя или рабочей машины и представляют собой индукционныю электрическую машину малой мощности.

сельсины широко применяется в замкнутых схемах электропривода в качестве аналогового датчика положения. Он представляет собой электрическую машину малой мощности, которая обеспечивает преобразование угла поворота вала в электрический сигнал.

магнесин — бесконтактный электромеханический датчик поворота, имеет более простое по сравнению с сельсином и вращающимся трансформатором устройство, меньшие массу и габариты и характеризуется более высокой точностью измерения.

индуктосин — используется для измерения линейных перемещений механических элементов привода или исполнительных органов рабочих машин. По своему устройству напоминает линейный асинхронный двигатель и имеет плоский статор и подвижный ротор. Первичная обмотка, расположенная на статоре, подключается к однофазной сети переменного тока, при этом на вторичной обмотке при перемещении ротора будет появляться ЭДС, зависящая от его положения.
Точность индуктосинов может достигать нескольких микрон.

цифровой фотоэлектрический датчик состоит из первичного элемента, представляющего собой кодирующий диск, соединяемый с валом двигателя или рабочей машины. Он имеет несколько концентрических колец, каждое из которых состоит из сегментообразных прозрачных и непрозрачных участков. Колька с наименьшим радиусов, расположенные ближе к оси, имеет два участка — прозрачный и непрозрачный — и относится к старшему разряду выходного числа. В каждом следующем от центра кольце число участков удваивается, что соответствует в двоичном представлении чисел
переходу к следующему разряду.

Диск на рисунке имеет три таких кольца:

Получение электрического сигнала производится фотоэлектрическим способом. Для этого по одну сторону диска устанавливаются по числу колец источники света — светодиоды, а по другу сторону приемники света — фотодиоды.

Когда между ними находится прозрачный участок диска, светодиод освещает фотодиод, электрическое сопротивление последнего резко изменяется, что и является входным воздейсвием для схемы датчика положения.

Любому положению кодового диска в пределах 360 градусов. (одного оборота) соответствует однозначное сочетание нулей и единиц на выходах усилителей, т.е. опеределенное числовое выражение угла.

Для повышения точности цифровых датчиков положения применяются несколько кодовых дисков, соединяемых с валом двигателя через редуктор.

Кроме фотоэлектрических первичных элементов в датчиках положения используются индуктивные датчики с индуктосинами, позволяющие получать более высокие по точности характеристики.

Датчики угла

Под термином «датчики угла» понимаются устройства, преобразующие угловую координату в электрическое напряжение. Это напряжение используется в системах автоматического электропривода как сигнал обратной связи по углу или как управляющий сигнал в задающих устройствах.

Датчик угла поворота — устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в
электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота. Они имеют множество применений и широко применяются в промышленности, в роботостроении, в машиностроении.
Они подразделяются:

  • по способу выдачи информации на накапливающие (инкрементные) и абсолютные (позиционные);
  • по принципу действия на оптические, резистивные, магнитные, индуктивные, механические;
  • по допустимому углу поворота вала — с ограниченным и неограниченным диапазоном работы.

Датчик угла поворота также называется энкодером.

Датчики угла находят применение в следящих системах для измерения угла поворота исполнительного вала. Задание на движение системы может выполняться также с помощью датчика угла, координатой которого является угол поворота задающей оси.

Разность сигналов этих двух датчиков, так называемое «рассогласование», подается как управляющий сигнал на вход системы. В этом случае оба датчика могут рассматриваться объединенно как «датчик рассогласования». Задание на угловое перемещение может формироваться и без датчика угла с командной осью.

Для датчиков угла и рассогласования широкое применение нашли сельсины и вращающиеся трансформаторы.

Сельсин небольшая электрическая машина переменного тока, имеющая две обмотки: однофазную — обмотку возбуждения и трехфазную обмотку синхронизации.

По конструктивному признаку сельсины разделяются на два основных типа: контактные и бесконтактные.

У первого — обмотка возбуждения расположена на роторе, обмотка синхронизации — на статоре.
У второго — обмотка ротора получает питание от вращабщейся совместно с ротором вторичной обмотки
кольцевого трансформатора возбуждения с неподвижной первичной обмоткой.

Датчики линейного перемещения — работают по магнитострикционному принципу (магнитострикция — изменение состояния намагниченности тела.)

Датчики усилия

В этих датчиках применяют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.

Магнитострикция (от лат. strictio — сжатие, натягивание) — явление, заключающееся в том, что при изменении состояния намагниченности тела его объём и линейные размеры изменяются.

Работа пьезоэлектрических преобразователей основана на явлении пьезоэлектричества, состоящего в возникновении (или в изменении) электрической поляризации в некоторых анизотропных диэлектриках.

Датчики деформации — в их качестве применяют тензорезисторные преобразователи. Тензорезисторные преобразователь представляет собой проовдник, изменяющий свое сопротивление придеформации растяжения или сжатия. Эти датчики приклеивают к объекту и они деформируются вместе с ним, они обладают малым размером и выдают весьма точные измерения.

Могут измерять также некоторые физические величины — давление, ускорение, момент сил.

Акселерометры — приборы, представляющие собой измерители ускорения, широко применяются в промышленности при оценке чувствительности изделий к ударам и вибрациям

Датчики технологических переменных

Датчики температуры

Выбор такого датчика определяется диапазоном изменения измеряемой температуры и условиями эксплуатации. Для измерения температуры используют термопары, термосопротивления, полупроводниковые датчики и пирометры.

Термопары — (термоэлектрический преобразователь) — используются для измерения температуры, представляет собой пару проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект.

Термометры сопротивления — они используют эффект изменения электрического сопротивления проводников при изменении температуры. В промышленности применяют платиновые термометры.

Термисторы — тип термометров сопротивления — получают спеканием смесей металлических сплавов, при этом образуется керамика с большим отрицательным температурным коэффициентом.
Температурный диапазон металло-пленочных сопротивлений по сравнению с термисторами шире, но линейность выше, однако термисторы имеют примернов 10 раз большую чувсвительность.

В случаях, когда возможно только визуальное наблюдение исследуемого процесса для измерения температуры применяют оптические пирометры. В этом случае диапазон измеряемых температур ограничивается диапазоном спектральной чувсвительности датчика.

Одним из современных методов измерения температуры является метод, основанный на использовании транзистора со смещением базового перехода в прямом направлении. В диапазоне рабочих температур +- 100 С погрешность измерения составляет всего 0,1 С.

Датчики давления и расходомеры

Раньше для измерения давления и расхода жидкости или газа использовались потенциометрические приборы. Низкая стоимость и высокий уровень выходного напряжения обеспечили высокий уровень выходного напряжения обеспечили широкое применение этих приборов в простых схемах. Однако у них есть недостатки — высокая чувсвительность к ударам и вибрациям, а также значительные погрешности, обусловленные механической конструкцией, приводящие к нелинейности передаточных характеристик, что ограничивает применение приборов такого типа.

Для устранения недостатков, свойственных потенциометрическим датчикам давления. были разработаны бесконтактные тензометры — приборы, обеспечивающие существенное увеличение погрешности и стабильности и имеющие типовую погрешность 0,5% полой измерительной шкалы.
Их уровень выходного напряжения находится в милливольтном диапазоне, поэтому после прибора обычноставят предусилитель. В отличие от других бесконтактных датчиков полупроводниковые тензометры располагают
непосредственно на диафрагме, воспринимающей давление, что устраняет механические соединительные детали. Их частотный диапазон и чувствительность к вибрациям такие же как у бесконтактных.

Расход жидкости измеряют датчиками перепада давления или механическими компактными датчиками (например, турбинами).

Дифференциальные маномерты — дифманометры-различных систем используют для измерения технологических параметров расхода жидкости, газа или пара, перепада давления, избыточного давления, разреженя (тяги), уровня жидкости в открытых резервуарах или резервуарах под давлением.

К расходомерам с механическим контактом относятся: турбинные и гироскопические преобразователи, которые измеряют скорость потока по угловому моменту; охлаждаемые термоэлектрические преобразователи скорости; датчики, измеряющие скорость по электрическому сопротивлению, а также датчики, измеряющие скорость потока с использованием бета-излучения.

Датчики уровня.

Для измерения уровня жидкости и отслеживания его изменения широко применяются поплавковые датчики, дифференциальные датчики давления, ультразвуковые и радиактивные.

Поплавковые датчики отличаются простотой и разнообразием методов преобразования выявленных изменений уровня в показания отчетного устройства. Но для вязких жидностей эти датчики не подходят.

Если известна плотность жидкости ее уровень можно измерить дифференциальным датчиком давления — дифманометром, который должен фиксировать разность гидростатического давления между уровнем поверхности и плоскостью дна. Высота столба жидности в этом случае высота столба жидкости определяется соотношением разницы гидростатического давления к плотности.

По принципу действия измерительной системы дифманометры делятся на: поплавковые, кольцевые, колокольные, мембранные и сильфонные.

Ультразвуковые датчики могут входить в состав локационных установок, которые особенно удобны при измерении уровня жидностей в высоких цистернах, а также в состав устройств, измеряющих дискретные значения уровней.

Уровень тяжелых смесей, таких как цемент и бумажная масса, лучше всего измерять радиоактивными датчиками, устанавливаемыми аналогично ультрозвуковым устройствам дискретного измерения уровня.

Также к ним относятся датчики толщины, полосового материала (металла, бумаги, пластика) влажности материала, массы и других переменных.

Датчики времени

При посторении релейно-контакторных схем управления, использующих принцип времени. в качестве датчиков используются различные реле времени — электромагнитные, моторные, электронные, анкерные, механические.

В полупроводниковых схемах управления применяются устройства точного отчета временных интервалов.

— электромагнитное реле ( с электромагнитным замедлением) применяются при постоянном токе.
Помимо постоянной обмотки эти реле имеют дополнительную короткозамкнутую обмотку, состоящую из медной гильзы. При нарастании основного магнитного потока он создает ток в дополнительной обмотке, который препятствует нарастанию основного потока.
В итоге результирующий магнитный поток увеличивается медленнее, время трогания якоря уменьшается, чем обеспечивается выдержка времени при включении.

Этот вид реле времени обеспечивает выдержку времени при срабатывании от 0,07 с до 0,11 с, при отключении от 0,5 с до 1,4 с.

— моторное (электромеханическое реле времени) —
в своей основе имеет специальный низкоскоростной двигатель и редуктор с большим передаточным числом, на выходном валу которого устанавливается рычаг, начальное положение которого определяется по шкале установок времен реле.
Начало отсчета времени соответствует подаче напряжения на двигатель, который включившись, начинает вращаться и медленно поворачивать рычаг на валу редуктора. Через заданное время, определяемое начальным положением рычага, он доходит до вспомогательных контактов и замыкает их. Это приводит к включению выходного реле, которое одним из своих контактов отключает двигатель. На этом отсчет выдержки времени завершается. Такие реле обеспечивают выдержку времени до нескольких минут.

— электронные реле времени обычно в своих схемах используют различные полупроводниковые элементы (чаще всего транзисторные) и конденсаторы, время разряда или заряда а также различные аналоговые и цифровые схемотехнические решения. Как правило это интегральные цепи или цифровые логические устройства (таймеры). Встречаются также реле времени на основе элементов микропроцессорной техники.

— пневматические реле времени

обеспечивают выдержку времени за счет работы воздушного (пневматического) замедлителя (демпфера), управляемого с помощью электромагнита.

При подаче на электромагнит напряжения питания (начало отсчета времени) начинается процесс перекачки воздуха из одной камеры реле в другую через дроссельное отверстие. Величина этого отверстия, а тем самым скорость перекачки и выдержка времени реле, регулируется с помощью иглы, положение которой устанавливается посредством регулировочной гайки. В конце процесса перекачки воздуха через отверстие происходит переключение установленного реле микропереключателя, что определяет конец отчета выдержки времени.

— механические реле времени имеет замедлитель в виде анкерного механизма, управляемого электромагнитом.

Реле времени с анкерным или часовым механизмом работает за счёт пружины, которая заводится под действием электромагнита, и контакты реле срабатывают только после того, как анкерный механизм отсчитает время, выставленное на шкале. Разновидность подобных реле используется в мощных (на токи в сотни и тысячи ампер) автоматических выключателях на напряжение 0,4-10 кВ. Составные части такого реле — механизм замедления и токовая обмотка, взводящая его пружину. Скорость хода механизма зависит от затяжки пружины, то есть от тока в обмотке, по окончании хода механизм вызывает отключение автомата, тем самым выполняя функции тепловой защиты от перегрузок, не нуждаясь при этом в коррекции по температуре окружающего воздуха.

Каждый электрик должен знать:  Виды ветрогенераторов

Просмотров: 7218 | Дата публикации: Понедельник, 20 июня 2020 07:47 |

Классификация датчиков автомобильных электронных систем управления и диагностического оборудования

Количество датчиков в современном автомобиле исчисляется десятками, а их функции достаточно широки, и они отвечают не только за исправную работу двигателя, но и за безопасность движения транспортного средства и людей, в нем находящихся, делают условия поездки комфортными.

Современные диагностические приборы позволяют снимать коды неисправностей и характеристики токов и напряжений данных датчиков, но без правильного понимания предназначения, устройства и принципа работы датчиков сложно поставить диагноз работоспособности электронной системы управления (ЭСАУ) в целом.

Автомобильные датчики, независимо от устройства и функциональных особенностей предназначены для преобразования физической величины, например расхода воздуха, температуры, или химической, например состава газа, в электрический сигнал определенной формы, величины и скважности.

Датчики, как и исполнительные механизмы ЭСАУ, представляют собой периферийные устройства линии связи между транспортным средством с его сложными приводами, тормозами, шасси и работой агрегатов общецелевого использования, включая навигационные устройства, и блоками управления, обрабатывающие получаемые сигналы датчиков. Переходные устройства (адаптеры) обычно используются для преобразования сигналов датчика в стандартную форму сигнала, необходимую для передачи информации в блок управления. Элементы индикации обеспечивают водителя автомобиля информацией о статическом и динамическом состоянии автомобиля как едином синергетическом процессе.

Классификацию автомобильных датчиков проводят по назначению:

  • • по функции (разомкнутые и замкнутые цепи управления);
  • • по надежности и резервированию;
  • • по способу контроля и получения информации.

Различают датчики по характеристике:

  • • датчики с непрерывной линейной характеристикой, которые используются в контуре регулирования в широком диапазоне измерений;
  • • датчики с непрерывной нелинейной характеристикой для контроля какого-либо параметра, что осуществляется в пределах узкого диапазона измерения в системах с обратной связью;
  • • с дискретной многоступенчатой: управление в случаях, когда требуется точное определение величины сигнала, если достигается его предельное значение;
  • • датчики с дискретной двухуровневой характеристикой (иногда с явлением гистерезиса) для контроля поправки прямого или последующего регулирования.

Датчики классифицируют по типу выходного сигнала.

Пропорциональный выходной сигнал:

  • • амплитуде, величине тока или напряжения;
  • • частоте или периодичности;
  • • продолжительности импульса (коэффициенту заполнения импульсов).

Дискретный выходной сигнал:

  • • двухуровневый (двоичный) сигнал;
  • • многоуровневый сигнал с неравномерной градуировкой;
  • • многоуровневый сигнал равномерный или цифровой.

По условиям эксплуатации и надежности автомобильные датчики подразделяют на три класса:

  • • класс 1 — рулевое управление, тормоза, защита пассажира;
  • • класс 2 — двигатель, трансмиссия, подвеска, шины;
  • • класс 3 — комфорт, информация, диагностика, противоугонная зашита.

Развитие современных технологий автомобильной электроники позволяет не только расширить применение различных датчиков в автомобиле, но и существенно уменьшить их размеры и повысить надежность.

Концепцию миниатюризации датчиков позволяют осуществить:

  • • технологии гибридных интегральных микросхем и подложек (датчики температуры и давления);
  • • полупроводниковые технологии (контроль частоты вращения, например, датчиком Холла);
  • • микромеханика (датчики измерения ускорения и давления);
  • • технологии микросистем (сочетание микромеханики, микроэлектроники, а при необходимости и микрооптики).

Разработаны и применяются принципиально новые конструкции датчиков:

  • • интегральные интеллектуальные датчики для системы управления, которые развиваются от локальных электронных схем обработки сигналов с гибридными и монолитными встроенными датчиками до комплексных цифровых схем с аналого-цифровыми преобразователями и микрокомпьютерами (мехатрони-ка), полностью использующими прецизионные возможности датчика. Достоинствами этих устройств являются уменьшение нагрузки на блок управления;
  • • однородные, гибкие, шиносовместимые с линии связи CAN;
  • • использование многочисленных датчиков;
  • • возможность обработки низкоинтенсивных и ВЧ-сигналов (усиление, локальная демодуляция);
  • • хранение индивидуальных коэффициентов коррекции в памяти PROM для улучшения характеристик и компенсации погрешностей датчика, а также обшей балансировки работы датчика и электронного блока управления.

Волоконно-оптические датчики. Уровень интеграции этих датчиков состоит в том, что они абсолютно невосприимчивы к электромагнитным помехам, однако чувствительны к воздействию давления (датчики с хорошей по интенсивности чувствительностью), до некоторой степени к загрязнению и подвержены старению. В настоящее время доступны недорогие пластиковые волокна с диапазоном рабочих температур, пригодным для автомобилей. Еше одним минусом, не позволяющим широко использовать данную технологию, является то, что этим датчикам требуются специальные ответвители и соединительные разъемы. Они должны быть внешними и внутренними.

Внешне расположенные оптические датчики, в которых оптическое волокно только проводит свет и сигнал возникает за его пределами.

Внутреннее расположение датчика, когда сигнал возникает непосредственно внутри оптических волокон.

По типам датчики классифицируют на датчики положения (перемещение или угол поворота). Эти датчики могут иметь конструкцию с подвижными контактами или бесконтактную (при непосредственной близости к месту измерения) для регистрации перемещения и угла. Это самый распространенный на автомобильной технике тип. Наиболее известными примерами таких устройств являются датчики, определяющие:

  • • положение дроссельной заслонки;
  • • положение педали управления подачей топлива;
  • • положение сиденья и автомобильного зеркала заднего вида;
  • • ход и положение тяги механизма управления;
  • • уровень топлива в баке;
  • • перемещение сервомеханизма сцепления, препятствие на пути движения автомобиля;
  • • угол поворота рулевого колеса;
  • • угол наклона автомобиля;
  • • угол отклонения от траектории движения автомобиля;
  • • положение педали тормоза.

Некоторые параметры в автомобиле датчики этого типа позволяют определять косвенно:

  • • угол отклонения дроссельной заслонки (скорость потока воздуха);
  • • перемещение подпружиненной массы (ускорение);
  • • перемещение диафрагмы (давление);
  • • статический прогиб подвески (вертикальная регулировка пучка света фары автомобиля);
  • • угол закручивания торсиона (момент).

Кроме обычного, часто встречаемого применения такие устройства в современных автомобилях начали контролировать и дополнительные параметры:

  • • перемещение механизма сцепления;
  • • определение дистанции до другого автомобиля или препятствия;
  • • определение угла поворота рулевого колеса;
  • • определение угла поворота колеса;
  • • определение угла наклона автомобиля;
  • • определение угла отклонения от заданной траектории движения автомобиля и угла положения педали тормоза.

Эти датчики представляют собой потенциометры со скользящими (подвижными) контактами, измеряют линейные и угловые перемещения благодаря пропорциональной связи между длиной проволоки или дорожки и ее электрическим сопротивлением, индукционные или генераторного типа:

  • • измерительная дорожка в потенциометрических датчиках обычно добавляется несколькими последовательными резисторами Я для защиты от перегрузок;
  • • стандартное подключение подвижного контакта потенциометра выполняется с помощью второй контактной дорожки, состоящей из того же материала, нанесенного на проводящую подложку. Во избежание износа и погрешности измерения ток в зоне контакта минимизируют до нескольких миллиампер, а устройство в целом защищается от пыли;
  • • датчики с кольцом закорачивания, которые являются элементами переменной индуктивности и состоят из сердечника, набранного из пластин (прямоугольной, скругленной и-образной или Е-образной формы) магнитомягкой стали, катушки индуктивности и подвижного кольца закорачивания, выполненного из меди или алюминия. Вихревые токи в кольце закорачивания замыкают магнитное поле в зоне между катушкой и кольцом. Поскольку движущаяся масса относительно мала, для целей измерения можно использовать почти всю длину датчика. Изменение контурных выводов сказывается на характеристике датчика: уменьшение расстояния между выводами по отношению к концу измеряемого диапазона улучшает ее, приводя к достаточно хорошей линейности характеристики. В зависимости от материала и формы рабочий диапазон лежит в интервале до 550 кГц;
  • • полудифференциальные датчики, в которых для получения большой точности используется подвижное измерительное и неподвижное эталонное кольцо закорачивания. Например, на дизельных топливных насосах высокого давления линеиныи датчик перемещения зубчатой рейки и датчик углового положения исполнительного механизма насосов распределительного типа. С их помощью проводят измерения, которые соответствуют индуктивным делителям напряжения (обработка данных типа Ы/Ъ2 либо (Ы — Ь2) / (Ы + Ь2)) или элементам-определителям частоты в генераторной схеме, дающим сигнал, пропорциональный частоте. Датчики данной конструкции обладают хорошими характеристиками помехозащищенности и простым цифровым преобразованием сигнала. При этом диапазон измерения достаточно велик, обычно 4;
  • • «интеллектуальные» датчики с кольцом закорачивания, благодаря объединению датчика со схемой генерирования сигналов имеют упрощенный сердечник. Поскольку в датчике и схеме можно использовать общее долевое уравновешивание и температурную компенсацию, точность измерений такого датчика существенно повышается;
  • • датчики соленоидно-плунжерного, дифференциально-дроссельного и дифференциально-преобразовательного типа функционируют на основе изменения индуктивности отдельной катушки и пропорционального отношения делителей напряжения с подвижными сердечниками;

. ВЧ -датчики (высокочастотные) с вихревыми токами (со встроенной электронной схемой) применяются для бесконтактных (в непосредственной близости к объекту) измерений, например контроля угла открытия дроссельной заслонки. Катушки этих датчиков лишены ферромагнитного сердечника; изменения индуктивности в них наводятся электропроводными элементами специальной формы (спойлерами), которые выбираются в зависимости от объекта измерения или совмещаются с ним. Поскольку рабочие частоты высоки (в диапазоне нескольких мегагерц), электронная схема выработки сигнала является частью датчика;

• для контроля угла открытия дросселя используются катушки с двумя обмотками.

В табл. 2.3 приведен перечень электронных систем и их датчиков, обеспечивающих экономические, экологические показатели автомобиля и систем, обеспечивающих безопасность дорожного движения и комфорт в салоне автомобиля.

Таблица 2.3. Перечень электронных датчиков и систем, влияющих на экологические и экономические показатели двигателя и на безопасность дорожного движения автомобиля

Датчики электронных систем управления

Электронная система управления

Функции электронной системы управления

Электронные системы, определяющие экологические и экономические показатели автомобиля

Частоты вращения коленчатого вала.

Частоты вращения распределительного вала.

Положения распределительного вала.

Температуры охлаждающей жидкости.

Температуры воздуха на всасывании.

Положения педали газа.

Расхода воздуха на всасывании.

Состава смеси в камере сгорания.

Состава смеси на выходе из нейтрализатора.

Связь по линии CAN

Микропроцессорная система впрыскивания топлива

Регулирование состава смеси и угла опережения

Частоты вращения коленчатого вала.

Частоты вращения вала топливного насоса высокого давления. Температуры охлаждающей жидкости.

Температуры всасываемого воздуха.

Хода плунжера топливного насоса высокого давления.

Хода иглы топливной форсунки.

Состава смеси в камере сгорания.

Состава смеси после нейтрализатора О Г.

Связь по линии CAN с другими ЭСАУ

Микропроцессорные системы управления рабочим процессом дизельных двигателей:

управление насосом высокого давления;

электромагнитными форсунками или пьезофорсунками;

Регулирование дозированием топлива, углом опережения начала впрыскивания топлива, давлением наддува, токсичностью О Г

Глава 2. Классификация датчиков автомобильных электронных.

Датчики электронных систем управления

Электронная система управления

Функции электронной системы управления

Положения распределительного вала ДВС.

Положения коленчатого вала.

Положения селектора управления режимом парковки. Выключателя блокировки.

Частоты вращения роторов мотор-генераторов, сочлененных с ДВС и трансмиссией.

Силы тока в обмотках мотор-генераторов.

Температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения инвертора.

Величины напряжения инвертора.

Контактора цепи «+» и «-» В В Б.

Сопротивления изоляции цепей ВВБ, главного резистора блока управления и главного реле.

Температуры инвертора мотор-генератора, сочлененного сДВС.

Положения педали акселератора (основной датчик).

Связь с линией CAN.

Связь с главным реле.

Температуры генератора инвертора.

Связь с насосом системы охлаждения инвертора

Микропроцессорная система управления инвертором комбинированной (гибридной) силовой установки

Выбор режима работы мотор-генератора, соединенного с ДВС, и силового мотор-генератора для обеспечения тягового режима работы и зарядки высоковольтной батареи (ВВБ), контроль состояния элементов системы

2.2. Классификация датчиков автомобильных электронных систем.

Датчики электронных систем управления

Электронная система управления

Функции электронной системы управления

Положения селектора режимов.

Частоты вращения ротора мотор-генераторов.

Температуры рабочей жидкости трансмиссии

Микропроцессорная система управления трансмиссией (режимом парковки, заднего хода, движения, нейтрального положения селектора)

Выбор режимов движения автомобиля, контроль состояния элементов системы

Температуры воздуха, подаваемого в батарею.

Силы тока от батареи.

Температуры каждого соединительного блока.

Температуры сборки элементов ВВЮ.

Связь с главным реле блока батареи.

Связь с выключателем блокировки, сопротивления изоляции высоковольтного пучка проводов инвертора

Микропроцессорная система управления и контроля высоковольтной батареи (ВВБ) гибридной силовой установки

Контроль системы вентиляции внутренней полости высоковольтной батареи, ее работоспособности и степени заряженности,

температурного режима работы

Электронные системы, обеспечивающие пассивную и активную безопасность автомобиля,

и информационные системы помощи водителю

Положения рулевого колеса.

Момента поворота рулевого колеса

Электронная система электрического усилителя руля

Улучшение управляемости рулем и автоматической парковкой автомобиля

Глава 2. Классификация датчиков автомобильных электронных.

Датчики электронных систем управления

Электронная система управления

Функции электронной системы управления

Частоты вращения колес автомобиля.

Положения педали тормоза.

Реле № 1 и № 2 АБС и П БС.

Положения рулевого колеса.

Уровня тормозной жидкости в тормозном бачке.

Давления тормозной жидкости в главном тормозном цилиндре РТС1, РТС2 (регулятор тормозных сил).

Положения нулевой точки рулевого колеса 1/2.

Сигналы включения электромагнитных клапанов модулятора АБС.

Контроля остановки автомобиля при торможении SCS (stop control system).

Давления в тормозном цилиндре.

Замедления движения автомобиля.

Бокового перемещения автомобиля

Электронная система улучшения управляемости автомобиля

Улучшение управляемости автомобиля.

Устойчивость автомобиля при экстренном торможении на скользкой дороге и при трогании с места

Солнечного света комбинации приборов.

Давления масла в ДВС.

Температуры охлаждающей жидкости ДВС.

Уровня топлива в баке.

Видеообозрения дорожной ситуации

Информационная система (электронная комбинация приборов)

Обеспечение информацией о состоянии ДВС и других агрегатов и систем автомобиля

2.2. Классификация датчиков автомобильных электронных систем.

Датчики электронных систем управления

Электронная система управления

Функции электронной системы управления

Температуры наружного воздуха.

Температуры воздуха в салоне.

Влажности в салоне.

Температуры за испарителем кондиционера.

Сигнал работы двигателя в режиме холостого хода.

Сигнал запуска ДВС.

Положения заслонки смешивающихся потоков воздуха

Система климат-контроля в салоне автомобиля

Обеспечение комфортных условий пассажирам и водителю

Бокового и переднего внешнего удара по корпусу автомобиля. Наличия ключа в замке зажигания

Система пассивной безопасности (подушки безопасности)

Обеспечение безопасности водителю и пассажирам

при возникновении столкновения автомобиля с препятствием и другим автомобилем

Выключатели концевые открытой двери, капота и крышки багажника

Система защиты от угона (центральный замок)

Защита от несанкционированного вскрытия дверей автомобиля и от его угона

Маршрутизатор (маршрутный компьютер)

Определение текущих параметров расхода топлива,

времени в пути и т. д.

Глава 2. Классификация датчиков автомобильных электронных.

Датчики электронных систем управления

Электронная система управления

Функции электронной системы управления

Приемная спутниковая антенна

Определение оптимального маршрута движения автомобиля

Положения рулевого колеса

Система заднего видеообзора

Обеспечение обзора сзади автомобиля при его маневрировании

Положения педали газа.

Положения селектора передачи

Микропроцессорная система поддержания постоянной скорости движения автомобиля (спидостат)

Поддержание выбранной скорости движения

Давления в шинах

Электронная система контроля давления в шинах

Контроль давления с целью обеспечения безопасности движения автомобиля

Мультиплексная система обмена информацией между электронными системами автомобиля

и для диагностики электронных систем

Всех электронных систем

Мультиплексная система связи электронных систем

Обеспечение связи между электронными системами управления по обмену информацией и встроенной системой самодиагностики

2.2. Классификация датчиков автомобильных электронных систем.

  • 1. Каковы физические принципы, используемые в датчиках ЭСАУ и диагностического оборудования?
  • 2. Какие основные законы магнетизма применяют в датчиках ЭСАУ?
  • 3. Каковы принципы индуктивного, емкостного, термоэлектрического и фотоэлектрического датчиков?
  • 4. Каковы методы измерения неэлектрических величин электрическими методами?
  • 5. Какие основные неэлектрические величины параметров автомобиля требуют преобразования в электрические величины?
  • 6. Каковы принципы применения тензорезисторов в качестве чувствительных элементов?
  • 7. Каковы наиболее важные измеряемые параметры для преобразования неэлектрических величин в электрические?
  • 8. Каковы методы измерения температуры в автомобилях?
  • 9. Каковы основные направления совершенствования конструкции датчиков?
  • 10. Каковы причины появления «виртуальных» и «интеллектуальных» датчиков ЭСАУ?
  • 11. Как классифицируют датчики ЭСАУ?
  • 12. Каковы основные принципы классификации датчиков ЭСАУ?
  • 13. Каким образом классифицируют ЭСАУ автомобилей и какие датчики применяют для этих систем управления?
  • 14. Какая электронная система использует информацию всех датчиков автомобильных электронных систем?

Датчик

Да́тчик — собирательный термин, который может означать: измерительный преобразователь; первичный измерительный преобразователь; чувствительный элемент. [1] В российских рамках стандартизации датчик является средством измерений [2] .

Датчики, выполненные на основе электронной техники, называются электронными датчиками. Отдельный датчик может измерять (контролировать) одну или одновременно несколько физических величин.

В состав датчика входят чувствительные и преобразовательные элементы. Основными характеристиками электронных датчиков являются чувствительность и погрешность.

Датчики широко используются в научных исследованиях, испытаниях, контроле качества, телеметрии, системах автоматизированного управления и в других областях деятельности и системах, где требуется получение измерительной информации.

Содержание

Определения датчика [ | ]

Измерительный преобразователь — средство измерений, в котором измеряемый сигнал преобразуется в сигнал другой формы, удобной для дальнейшей передачи, преобразования, обработки и хранения. [3]

Первичный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, который взаимодействует непосредственно с исследуемым объектом. [4]

Чувствительный элемент — часть преобразовательного элемента средства измерений, первый элемент в измерительной цепи, находящийся под непосредственным воздействием измеряемой величины. [5] В преобразовательном элементе средства измерений происходит одно из ряда последовательных преобразований величины. [6]

Общие сведения [ | ]

Датчики являются элементом технических систем, предназначенных для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений.

Исторически и логически датчики связаны с техникой измерений и измерительными приборами, например термометры, расходомеры, барометры, прибор «авиагоризонт» и т. д. Обобщающий термин датчик укрепился в связи с развитием автоматических систем управления, как элемент обобщенной логической концепции датчик — устройство управления — исполнительное устройство — объект управления. В качестве отдельной категории использования датчиков в автоматических системах регистрации параметров можно выделить их применение в системах научных исследований и экспериментов.

Применение датчиков [ | ]

Датчики используются во многих отраслях экономики — добыче и переработке полезных ископаемых, промышленном производстве, транспорте, коммуникациях, логистике, строительстве, сельском хозяйстве, здравоохранении, науке и других отраслях — являясь в настоящее время неотъемлемой частью технических устройств.

В последнее время в связи с удешевлением электронных систем всё чаще применяются датчики со сложной обработкой сигналов, возможностями настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы управления. Имеется определённая тенденция расширительной трактовки и перенесения этого термина на измерительные приборы, появившиеся значительно ранее массового использования датчиков, а также по аналогии — на объекты иной природы, например, биологические.

Датчики по своему назначению и технической реализации близки к понятию «измерительный инструмент» («измерительный прибор»). Однако показания приборов воспринимаются человеком, как правило, напрямую (посредством дисплеев, табло, панелей, световых и звуковых сигналов и проч.), в то время как показания датчиков требуют преобразования в форму, в которой измерительная информация может быть воспринята человеком. Датчики могут входить в состав измерительных приборов, обеспечивая измерение физической величины, результаты которого затем преобразуются для восприятия оператором измерительного прибора.

В автоматизированных системах управления датчики могут выступать в роли инициирующих устройств, приводя в действие оборудование, арматуру и программное обеспечение. Показания датчиков в таких системах, как правило, записываются на запоминающее устройство для контроля, обработки, анализа и вывода на дисплей или печатающее устройство. Огромное значение датчики имеют в робототехнике, где они выступают в роли рецепторов, посредством которых роботы и другие автоматические устройства получают информацию из окружающего мира и своих внутренних органов.

Основные характеристики датчиков

Дизайн и поддержка:
Александр Кузнецов

Техническое обеспечение:
Михаил Булах

Программирование:
Данил Мончукин

Маркетинг:
Татьяна Анастасьева

При использовании материалов сайта обязательна ссылка на http://www.diagram.com.ua

сделано в Украине

Датчики. Классификация датчиков

Датчик — это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т. д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы; это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.

Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики — с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.

Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам.

  • датчики механических перемещений (линейных и угловых);
  • пневматические;
  • электрические;
  • расходомеры;
  • датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.
  • температура — 50 %;
  • расход (массовый и объемный) — 20 %;
  • давление -10 %;
  • уровень — 5%;
  • количество (масса, объем) — 5%;
  • время — 5%;
  • электрические и магнитные величины — менее 5 %.
  • датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения);
  • датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения);
  • датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения);
  • датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.
  • электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;
  • электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;
  • они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.
  • генераторные, которые осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал;
  • параметрические (датчики-модуляторы), которые входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или С) датчика.
  • омические;
  • реостатные;
  • фотоэлектрические (оптико-электронные);
  • индуктивные;
  • емкостные и др.
  • аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;
  • цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;
  • бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: «включено/выключено» (иначе говоря, 0 или 1).

Последние получили широкое распространение благодаря своей простоте.

Добавить комментарий