Первичные преобразователи. Сокращенный курс

трансформатор или трансформатор для питания цепей управления). Оба сельсина соединяются по схеме, показанной на рис. 8.5.1, в, так, чтобы перемещение ротора сельсина-датчика вызвало поворот ротора сельсина-приемника на один и тот же угол[1].

Рис. 8.5.1. Магнитные измерительные преобразователи перемещений:

а— дифференциальный трансформатор с линейно изменяющимся выходом (ДТ); б — использование фазочувствительного детектора (ФД) вместе с дифференциальным трансформато-

140

ром; в — сельсин; г — вращающийся синусно-косинусный преобразователь

Поэтому сельсин-приемник может быть использован как база для индикаторных приборов — положение его ротора отображает угловое перемещение объекта измерений. Кроме того, он применяется для выполнения некоторой механической работы. В этом случае сельсин приемник называется сельсином крутящего момента. В измерительных системах для выработки управляющих сигналов сель- син-датчик больше известен под названием управляющего сельсина.

Принцип действия сельсинов используется также и в индуктосинах— преобразователях для измерения линейных перемещений, в которых плоский статор вторичной обмотки, содержащий образец проводника в форме линейной «шкалы», сканируется с помощью двух головок (первичных обмоток).

Вращающийся синусно-косинусный преобразователь (рис. 8.5.1, г) представляет собой сельсин, но только с двумя статорными (на этот раз первичными обмотками, сдвинутыми относительно друг друга на 90°) и двумя роторными обмотками (в этом случае вторичными, которые также сдвинуты на 90° относительно друг друга). Когда этот прибор применяется только как преобразователь перемещения, чтобы выдавать измерительный сигнал в систему, одна из обмоток ротора закорачивается.

8.6. Эффект Холла

Когда проводник с протекающим по нему током помещается в магнитное поле так, что направление тока оказывается перпендикулярным магнитным силовым линиям, то образуется поперечное электрическое поле, пропорциональное произведению плотности магнитного потока и силе электрического тока. Этот эффект возникает в проводниках, однако наиболее существенен он в полупроводниках, где известен под названием эффекта Холла [10].

Рис.8.6.1. Иллюстрация эффекта Холла,

при котором возникающее электрическое поле перпендикулярно прикладываемому к полупроводнику магнитному полю

141

На (рис. 8.6.1.) показана полупроводниковая пластина, к которой приложено магнитное поле с индукцией В, перпендикулярное протекающему через нее току I, и возникающее при этом электрическое поле с напряженностью Е. Отношение между магнитной индукцией, током и напряженностью определяется следующим образом:

		E = −RH (IB) ,	(8.6.1.)
где −R =	1	— коэффициент Холла; п —	число зарядов, протекаю-
H	ne

щих через единицу объема и образующих электрический ток в проводнике или полупроводнике; е — заряд носителя зарядов.

Эффект Холла используется во многих типах преобразователей, предназначенных для измерения магнитного поля, а также в бесконтактных переключающих приборах.

Эффект Холла лежит в основе одной из самых распространен-

ных

технологий бесконтактной регистрации положения, перемещения,

скорости вращения и присутствия ферромагнитных объектов. Эта технология

опирается на свойство полупроводниковой структуры генерировать разность потенциалов при воздействии внешнего магнитного поля. Номенклатура датчиков положения на эффекте Холла, например компании Honeywell, насчитывает более двухсот видов.

Датчики классифицируются по области применения на автомобильные,

индустриальные и общего применения и, в зависимости от назначения,

различаются по конструктивным, электрическим характеристикам и рабочему диапазону температур [10]. Однако, несмотря на различия, все приборы имеют схожее функционально законченное ядро. Это элемент Холла и схема обработки сигнала.

Условно все приборы можно разделить на две большие группы: датчики с линейным выходом и датчики с логическим выходом.

142

Вопросы для самоконтроля по главе 8

1.Объясните механизмы электромагнитного и индуктивного преобразования. Приведите выражения функций преобразования и чувствительности.

2.Приведите схему преобразователя с переменным воздушным зазором. Укажите функцию преобразования и чувствительность индуктивного датчика.

3.Какие Вам известны типы индуктивных датчиков с подвижным и неподвижным сердечником? Укажите области их применения.

4.Какие свойства положены в основу построения магнитоупругих датчиков? Объясните физическую сущность механизма магнитострикции. Приведите примеры магнитоупругих датчиков.

5.Укажите принципы конструирования вихретоковых датчиков. Приведите конструктивные схемы датчиков вихретоковых токов.

6.Какое явление используется при конструировании индукционных преобразователей? Приведите схемы индукционных датчиков с поступательным движением катушек и постоянных магнитов, уравнение для определения частоты собственных колебаний.

7.Приведите схему индукционного датчика с неподвижной катушкой и уравнение для расчета ЭДС, индуцируемой в катушке датчика.

8.Разъясните принципы устройства индукционных датчиков вращательного движения на принципе униполярной машины.

9.Разъясните принцип действия магнитных преобразователей перемещений с использованием сельсин-датчиков и сельсинприемников.

10.Объясните физическую сущность эффекта Холла. Приведите зависимость между магнитной индукцией, током и напряженностью электрического поля.

11.Приведите примеры использования эффекта Холла в датчиках для измерения скорости и направления вращения оси.

12.Объясните физическую сущность, используемую при конструировании магнито-омических датчиков (висмутовый датчик) и датчика на основе пермаллоевой магниторезистивной пленки.

143

13.Объясните физическую сущность прямого и обратного магнитострикционных эффектов. Приведите уравнения, описывающие эти эффекты.

14.Разъясните принцип действия и метод расчета магнитострикционных преобразователей на основе цилиндрического стержня. Рассмотрите режимы излучения и приема.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Первичные преобразователи представляют собой один из интереснейших объектов изучения. Как уже было показано из предшествующего изложения, первичный преобразователь из простого крешерного прибора вырос до высокоинтеллектуального многофункционального прибора.

В настоящее время измерительные первичные преобразователи широко применяются для получения информации об окружающем нас мире и об специальных параметрах процессов, и представляют собой те компоненты системы, которые делают информацию достаточной для обработки.

Одной из задач составителя учебного пособия является объединение информации, которая требуется инженеруприборостроителю и пользователю, которая будет использована для решения тех или иных задач при конструировании или выборе первичных преобразователей, что позволит решить их наилучшим образом.

Прежде чем приступить к разработке нового прибора или к его использованию, необходимо составить техническое задание, указать назначение прибора и его свойства, определить условия применения прибора и особенности его эксплуатации. Необходимо установить, какие из величин, характеризующих объект, прибор должен измерять. После установления подлежащих измерению величин, необходимо выбрать прибор, который следует применить, и то, какими преобразователями он должен быть оснащен.

После теоретического анализа работы исследуемого объекта или происходящих в нем процессов следует выбрать возможные границы частотного диапазона, определить предполагаемые максимальные значения измеряемых физических величин.

Предварительное ознакомление с исследуемым объектом помогает определить место наиболее целесообразного размещения

144

датчика, способа его крепления, габариты и массу всего прибора. Точность прибора выбирают в зависимости от требований, связанных с работой исследуемого объекта. Следует опасаться излишних требований, что, как правило, снижает надежность прибора, увеличивая его габаритность и вес.

После составления технического задания следует определить пути его выполнения. Большое значение имеет правильный выбор прибора и системы датчиков.

Например, для измерения смещений с большими амплитудами (измеряемыми в мм) удобными могут оказаться датчики механических сигналов или электромагнитные преобразователи. Для измерения малых амплитуд (измеряемых в мкм)могут быть применены емкостные датчики. При измерении ускорений с низкими частотами можно воспользоваться электромагнитными акселерометрами, с высокими частотами – пьезоэлектрическими акселерометрами.

Следующим этапом разработки прибора является выбор и обобщенный расчет его обязательных узлов, нахождение функции преобразования, оценка чувствительности прибора к измеряемым физическим величинам, а также общая конструктивная компоновка.

Результаты расчета или даже изготовления опытного макета прибора не исключает корректировку его конструкции, и его отдельных узлов и деталей. От опытного макета переходят к опытным образцам, проводят испытания и регулировку, а затем пускают опытную партию в производство.

Из сказанного следует, что при конструировании приборов следует учитывать множество различных факторов, переплетающихся между собой. Поэтому создание удачной конструкции возможно при наличии у конструктора глубоких специальных знаний и навыков в самых различных областях приборостроения, начиная с основ электро- и радиотехники, и заканчивая технологией производства приборов. Разработка и грамотная эксплуатация приборов требуют также глубоких знаний, полученных при изучении общеобразовательных дисциплин, таких как математика, физика, механика и вычислительная техника.

Для студентов, которые готовят себя к будущей деятельности в области приборостроения, данное учебное пособие поможет получить общее представление о первичных преобразователях, термино-

145

логии в теории первичных преобразователей, а также изучить классификацию преобразователей.

Особое внимание в учебном пособии уделено различным типам первичных преобразователей, физическим эффектам, на базе которых они созданы, чувствительности к измеряемым физическим величинам.

В большинстве случаев рассмотрены конструктивные особенности и области применения преобразователей. В отдельных случаях рассмотрены методики расчета основных характеристик датчиков.

Учебное пособие «Основы проектирования приборов и систем» может быть использовано студентами и аспирантами соответствующих специальностей, а также специалистами, занимающимися вопросами применения первичных преобразователей в контрольноизмерительных приборах.

146