Перетворювачі інформації в електричний сигнал в приладах автоматики. Фото-, тензо- і терморезистори. Ємнісні і індуктивні перетворювачі.
В системах автоматики датчик використовується для перетворення контролюючої або регулюючої величини в вихідний сигнал, зручніший для подальшого руху інформації, тому датчик нерідко називають перетворювачем, хоча цей термін є досить загальним, адже будь-який елемент автоматики і телемеханіки, маючи свій вхід і вихід, є в тій чи іншій мірі перетворювачем.
В простішому випадку датчик здійснює лише одне перетворення y=f(x), як, наприклад, сили в переміщення (в пружині), або температури в електрорухову силу (в термоелементі) і т.п. Такий вид датчиків називається датчики з безпосереднім перетворенням. Однак в ряді випадків не вдається безпосередньо здійснити вплив вхідної величини х на необхідну вихідну величину у (якщо такий зв’язок незручний або не дає бажаних результатів). В цьому випадку роблять послідовне перетворення: вхідною величиною х діють на проміжну z, а величиною z – на необхідну вихідну величину у: z=f1(x), y=f2(x) (1) В результаті отримується функція, що зв’язує х з у: y=f2[f1(x)]=F(x) (2) Число таких послідовних перетворень може бути і більше двох, і в загальному випадку функціональний зв’язок у з х може проходити через ряд проміжних величин: y=fn{…[f2(f1x)]}=F(x) (3)
Датчики, що мають такі залежності, називаються датчиками з послідовним перетворенням. Вхідна частина таких датчиків називається сприймаючим органом, а вихідна – виконуючим органом. Всі решта частин називаються проміжними органами. Велика різноманітність датчиків, що застосовуються в сучасній автоматиці, викликає необхідність їх класифікації. Нині відомі наступні типи датчиків, які найдоцільніше класифікувати за вхідною величиною, що практично відповідає принципу дії:
Найменування датчика Вхідна величина Механічний рух твердого тіла
Електричний електрична величина
Гідравлічний рух рідини
Пневматичний рух газу
Термічний теплота
Оптичний світлова величина
Акустичний звукова величина
Радіохвильовий радіохвилі
Ядерний ядерні випромінювання Електричні датчики в залежності від принципу виробляючого перетворення діляться на два типи – модулятори і генератори. В модуляторів(параметричні датчики) енергія входу діє на допоміжний електричний ланцюг, змінюючи його параметри і модулюючи значення і характер струму чи напруги від стороннього джерела енергії. Дякуючи цьому одночасно посилюється сигнал, що надійшов на вхід датчика. Наявність стороннього джерела енергії є обов’язковою умовою роботи датчиків-модуляторів.
Модуляція здійснюється з допомогою зміни одного з трьох параметрів – омічного опору, індуктивності і ємності. В відповідності з цим розрізняють групи омічних, індуктивних і ємнісних датчиків.
Кожна з цих груп може ділитись на підгрупи. Так, наприклад, найширша група омічних датчиків може бути розділена на підгрупи: тензорезистори, потенціометри, терморезистори, фоторезистори. До другої підгрупи відносяться варіанти індуктивних датчиків, магнітопружні і трансформаторні.
Другий тип – датчики-генератори є просто перетворювачами. Вони базуються на виникненні електрорушійної сили під дією різних процесів, зв’язаних з контролюючою величиною. Виникнення такої електрорушійної сили може здійснюватись, наприклад, внаслідок електромагнітної індукції, термоелектрики, п’єзоелектрики, фотоелектрики та інших явищ, що викликають поділ електричних зарядів. В відповідності з цими явищами генераторні датчики поділяються на індуктивні, термоелектричні, п’єзоелектричні, і фотоелектричні. Можливі групи електротехнічних, електростатичних датчиків, датчиків Холла та інших.
Омічні датчики. До датчиків зі змінним омічним опором відносяться тензометричні датчики, які застосовуються для вимірювання пружних деформацій, а також для вимірювання моментів кручення і згину, що виникають на поверхні різних механічних деталей при їх механічному навантаженні.
Основним елементом дротяного тензодатчика є константановий дріт діаметром 0,015-0,05 мм, складений у вигляді петлеподібної решітки (спіралі) між двома склеєними смужками тонкого паперу чи плівки. Датчик 1 через спеціальний папір 2 приклеюється до деталі 3, деформацію якої треба виміряти. При дії деформації, наприклад, при розтязі, як показано на рис. 1 суцільною стрілкою, разом з деталлю буде розтягуватись дріт. При цьому його довжина l збільшиться, а переріз S зменшиться. За рахунок цього опір дроту R=ρl/S збільшується. Цей опір є вихідною величиною датчика.
Якщо деформація буде діяти, як показано на рис. 2 пунктирною стрілкою, то дріт на згинах буде ще більше згинатись. При цьому ні довжина ні товщина дроту практично не зміниться. Отже, не буде змінюватись опір датчика. Деформацію такого напрямку датчик не виміряє.
Відносна зміна опору тензодатчика: ∆R/R=k∆l/l, (4)
Де k – коефіцієнт відносної чутливості (в межах пружності величина стала); l – початкова довжина частини дроту, що деформується.
Для тензодатчиків, що випускаються в промисловості, використовується константановий чи фехралевий дріт. Тензочутливість таких датчиків може мати значення від 1,7 до 2,9 , опір становить 50-2000 Ом, база – 30 мА, допустимі відносні деформації – не більше 0,3%, максимальна робоча температура становить 500°С. Перевага дротяних тензодатчиків – простота конструкції, практична безінерціальність, недолік – мала чутливість (при роботі опір тензодатчика змінюється не більше ніж на 0,3%).
Термометричні датчики (термістори), або терморезистори, призначені для вимірювання температури шляхом перетворення вимірюючого сигналу в зміну активного опору. Термістори бувають металеві і напівпровідникові.
Металеві термістори виготовляються з чистих металів з великим температурним коефіцієнтом опору (мідь, платина). Діапазонвимірюючих температур платинових термісторів – від -200÷+600°С, мідних – від -50÷+150°С. Точність вимірювання платинових термісторів ±0,1°С, мідних – до ±1°С. При більш високих температурах термістори не застосовуються, адже в діапазоні високих температур вони мають недостатню точність і дуже окислюються.
Залежність опору металевих термісторів майже лінійна: Rt=Ro[1+α(t-to)] (5) де α – температурний коефіцієнт опору; Ro – при to, Ом; to – початкова температура, °С; t – вимірювана температура, °С.
Лінійність статичної характеристики в інших діапазонах температур порушується.
В залежності від призначення термістори мають різну конструкцію. Вони виготовляються у вигляді нитки, спіралі, котушки і т.п. Останнім часом термістори знайшли широке застосування для температурного контролю різних виконуючих механізмів (електродвигунів, котушок і т.д.).
Термістори мають один суттєвий недолік: вони володіють великою інерційністю.
Стала часу термісторів змінюється від одиниць до десятків секунд і залежить від діаметра дроту.
Напівпровідникові термістори виготовляються з окисі різних металів (марганцю, міді, нікелю, титану та ін.). Вони мають від’ємний температурний коефіцієнт опору, що означає, що з зростанням температури опір напівпровідника зменшується. Найбільш широко напівпровідникові термістори застосовують в діапазоні температур від -100÷120°С. В порівнянні з металевими напівпровідникові термістори мають більшу чутливість і меншу інерційність. В них великий внутрішній опір, що дозволяє не враховувати опір з’єднувальних дротів. Недоліками напівпровідникових термісторів є вузький діапазон температури, не лінійність статичної характеристики і розкидання параметрів між окремими екземплярами.
Фоторезисторні датчики, або фотоопори, знайшли широке застосування в системах автоматики для контролю з будь-яким видом інформації, що передається: сигналізації, вимірювання і реєстрації.
Фотоопори – це напівпровідники, в яких число вільних електронів і електропровідність збільшується при освітлюванні. В наш час для фотоопорів застосовується сірчистий свинець (PbS), сірчистий кадмій (CdS), сірчистий вісмут (Bi2S2). Конструкція фотоопорів дуже проста. Тонкий шар напівпровідникового матеріалу наноситься на прозору пластинку, до якої прикріплюються електроди, що здійснюють контакт з напівпровідниковим шаром. При подачі до електродів електричної напруги через напівпровідник піде струм, сила якого залежить від освітлення світлочутливої поверхні. Залежність струму від освітленості називається світловою характеристикою опору.
Індуктивні датчики знайшли широке застосування в системах автоматики для вимірювання лінійного й кутового переміщення. Принцип дії їх заснований на зміні індуктивності котушки з магнітопроводом при переміщенні якоря.
а)
б)
Рис.
Простий принцип дії дозволив створити цілий ряд конструкцій датчика(рис.2). Індуктивний датчик з рухомим якорем (рис.2,а) являє собою котушку 2 з феромагнітним сердечником і з рухомим якорем 1. При переміщенні якоря 1 датчика повітряний клин змінюється, а тому змінюється і індуктивність котушки 2. Струм в котушці датчика:
I=U/Z=U/√R
Де U – напруга живлення; Z – повний опір котушки; R – активний опір котушки; ХL=2ПfL – індуктивність котушки; f – частота напруги живлення; L – індуктивність котушки, що залежить від повітряного клина.
Як видно з (6), при сталих U, R і f струм котушки залежить тільки від її індуктивності, а тому і від повітряного клина. Таким чином, струм в котушці датчика пропорційний повітряному клину, тобто:
I=kS (7)
Де k – коефіцієнт пропорційності або чутливості датчика.
Реальна характеристика індуктивного датчика відрізняється від ідеальної (показана на рис.2,в) наявністю деякої нелінійності.
Індуктивний датчик з рухомим сердечником (рис.2,б) являє собою котушку з рухомим феромагнітним сердечником І. Від середньої точки обмотки зроблений вивід, який дозволяє створити вимірювальну схему. Коли сердечник знаходиться в центрі котушки, то в силу симетрії L1=L2. При переміщенні сердечника, наприклад вправо, індуктивність правої половини котушки L2 збільшується, а лівої L1 зменшується. За зміною цих індуктивностей можна виміряти значення переміщення сердечника. Ці датчики застосовують для вимірювання значних переміщень – до 50 мм. Статична характеристика лінійна.
Ємнісні датчики призначені для перетворення виміряної неелектричної величини в зміну ємності. Датчик являє собою плоский конденсатор зі змінною ємністю.
Ємність плоского конденсатора:
с=εS/d (8)
Де ε – абсолютна діелектрична проникність середовища між пластинками; S – площа пластин; d – відстань між пластинками.
Змінюючи ε, S і d, можна отримати три типи ємнісних датчиків.
Ємнісний датчик зі змінною відстанню між пластинками має дві нерухомі пластини 1 і 2 і рухому пластину 3, яка механічно зв’язана з вимірюючим об’єктом (рис.3,а). Якщо d1=d2, c1=c2. При переміщенні рухомої пластини 3 вліво, d1 зменшується, а d2 – зростає. Тому ємність між пластинами 1 і 3 збільшується, а ємність між пластинами 2 і 3 зменшується. За зміною цих ємностей можна виміряти лінійне переміщення об’єкта (практично до 0, 1 мм). Статичною характеристикою такого датчика є гіпербола, що не дуже зручно для вимірювання переміщення. Застосовуючи тип датчика, потрібно враховувати не ємність, а реактивний ємнісний опір:
Xc=1/wc=d/wcS (9)
який прямо пропорційний відстані між пластинками, тобто переміщенню, і для нього статична характеристика буде прямолінійна (рис.4).
Ємнісний датчик з рухомими пластинами (рис.3,б) являє собою повітряний конденсатор, в якого одна група пластин 1 нерухома (зазвичай через одну пластину), а інша – може повертатись на деякий кут α. При α=0 площа перекриття пластин S (заштрихована) найбільша. При повороті рухомих пластин на кут α площа перекриття і ємність датчика зменшується. Такі датчики використовуються для вимірювання кутів повороту від 0 до 180°.
Ємнісний датчик зі змінною діелектричною проникністю (рис.3,в) являє собою конденсатор зі змінним діелектриком. При різних величинах діелектричної проникності повітря ε1 і рухомого діелектрика ε2 утворюються два паралельно з’єднаних конденсатори, загальна ємність яких:
C= c1+c2 = ε2Rd/d + ε1d(H-R)/d = ε1bH/d + (ε2 – ε1)Rb/d
Де b – ширина пластин.
Звідси видно, що при переміщенні діелектрика, тобто при зміні рівня рідини, змінюються переміщення Н і ємність датчика С. За зміною ємності С визначають переміщення Н. Такі датчики використовуються для вимірювання рівня рідини.
За принципом зміни діелектричної проникності будуються такі датчики для вимірювання вологості матеріалів, що дозволяє автоматизувати це вимірювання, що займає багато часу при лабораторному його виконанні за допомогою сушильних шаф. Принцип дії датчика базується на вологості вимірюваного матеріалу, що впливає на діелектричну проникність.
Переваги ємнісних датчиків: висока чутливість, простота, мала інерційність. Недоліки: великий вплив можливих побічних ємностей і посторонніх електричних полів (необхідне екранування), значний вплив температури (змінюються розміри пластин) і вологості (змінюється повітря) навколишнього середовища.
***