Преобразователи физических величин в электрический сигнал - один из основных элементов автоматических си­стем контроля и управления измерительных и регулирующих при­боров, во многом определяющий их эксплуатационные характе­ристики, например степень автоматизации, точность, быстродей­ствие. Разработка многофункциональных преобразователей (МФП) основывается на достижениях в области автоматики, вычислительной техники, радиоэлектроники, инфор­мационно-измерительной техники, метрологии.

Канал передачи информации о физической величине состоит из последовательно включенных звеньев, осуществляющих пре­образование ее в электрический сигнал, функциональное преобра­зование электрического сигнала, масштабное преобразование, преобразование к виду, пригодному для дальнейшего использова­ния (индикации, измерения, регистрации, документирования, фор­мирования управляющего воздействия). Совокупность последо­вательно включенных звеньев, осуществляющих перечисленные операции, - преобразователь физической величины. В соответст­вии с этим определением обобщенная структурная схема преобра­зователя может быть представлена (рис. 1), состоящей из чувствительного элемента ЧЭ, первичного преобразователя ПП, функционального преобразова­теля ФП, масштабного преобразователя МП, вторичного (выход­ного) преобразователя ВП.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема преобразователя

Функциональный и масштабный преобразователи часто назы­вают промежуточными. В зависимости от конкретного назначе­ния преобразователя в целом и вида преобразуемой физической величины ФП и МП в структуре могут и отсутствовать. В ряде случаев их функции выполняют звенья ПП и ВП.

Основное уравнение преобразования - зависимость между входной преобразуемой величиной x(t) и выходной yo(t). Эта зависимость иногда называется функцией преобразования. Для иде­ализированного случая - отсутствия каких-либо внешних возму­щающих и дестабилизирующих воздействий, влияющих на пре­образователь, зависимость имеет вид:

yo(t)=Fo.

Измерительные преобразователи

Измерительный преобразователь - техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.) или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

По характеру преобразования:

-Аналоговый измерительный преобразователь - измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал);

-Аналого-цифровой измерительный преобразователь - измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;

-Цифро-аналоговый измерительный преобразователь - измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования числового кода в аналоговую величину.

По месту в измерительной цепи:

-Первичный измерительный преобразователь - измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Первичный измерительный преобразователь является первым преобразователем в измерительной цепи измерительного прибора;

-Датчик - конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь;

-Детектор - датчик в области измерений ионизирующих излучений;

-Промежуточный измерительный преобразователь - измерительный преобразователь, занимающий место в измерительной цепи после первичного преобразователя.

По другим признакам:

-Передающий измерительный преобразователь - измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации;

-Масштабный измерительный преобразователь - измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз.

По принципу действия ИП делятся на генераторные и параметрические.


Параметрические преобразователи

Устройства, содержащие не менее двух поверхностей, между которыми действует электрическое поле, называются электростатическими преобразователями (ЭСП). Электрическое поле создается извне приложенным напряжением или возникает при действии на вход преобразователя измерительного сигнала.

1. Преобразователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением, составляют группу емкостных преобразователей . Основным элементом в этих преобразователях является конденсатор переменной емкости, изменяемой входным измерительным сигналом.

Электростатический преобразователь

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = C U ). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражается формулой:

Где - относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (в вакууме равна единице), - электрическая постоянная, численно равная Ф/м (эта формула справедлива, лишь когда d много меньше линейных размеров пластин).

Изменение любого из этих параметров изменяет емкость конденсатора.

Конструкция емкостного датчика проста, он имеет малые массу и размеры. Его подвижные электроды могут быть достаточно жесткими, с высокой собственной частотой, что дает возможность измерять быстропеременные величины. Емкостные преобразователи можно выполнять с заданной (линейной или нелинейной) функцией преобразования. Для получения требуемой функции преобразования часто достаточно изменить форму электродов. Отличительной особенностью является малая сила притяжения электродов.

Основным недостатком емкостных преобразователей является малая их емкость и высокое сопротивление. Для уменьшения последнего преобразователи питаются напряжением высокой частоты. Однако это обусловливает другой недостаток - сложность вторичных преобразователей. Недостатком является и то, что результат измерения зависит от изменения параметров кабеля. Для уменьшения погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи датчика.

Пример применения: Ёмкостный сенсорный экран в общем случае представляет собой стеклянную панель, на которую нанесён слой прозрачного резистивного материала. По углам панели установлены электроды, подающие на проводящий слой низковольтное переменное напряжение. Поскольку тело человека способно проводить электрический ток и обладает некоторой ёмкостью, при касании экрана в системе появляется утечка. Место этой утечки, то есть точку касания, определяет простейший контроллер на основе данных с электродов по углам панели.

2. Резистивными называют преобразователи, в которых переносчиком измерительной информации является электрическое сопротивление. Резистивные преобразователи составляют две большие группы: электрические и механоэлектрические. В основу принципа преобразования электрических резистивных преобразователей (шунтов, добавочных резисторов, резистивных делителей и т. п.) положена зависимость между напряжением, током и электрическим сопротивлением, определяемая законом Ома, и зависимость электрического сопротивления проводника от его длины, удельного сопротивления.


Принцип работы механоэлектрических резистивных преобразователей (например, реостатных) основан на изменении электрического сопротивления под действием входной преобразуемой механической величины. К резистивным преобразователям часто относят и тензорезисторы, принцип действия которых основан на изменении электрического сопротивления различных материалов под действием механической деформации. Тензорезисторы могут измерять и преобразовать разнообразные физические величины в электрические сигналы и широко применяются в датчиках силы, давления, перемещения, ускорения или вращающего момента. В качестве материалов таких преобразователей используются проводники с проволочными и фольговыми чувствительными элементами или полупроводники. В последнее время для построения тензопреобразователей стали применять эффекты изменения характеристик р-п переходов под давлением механического воздействия (тензодиоды и тензотранзисторы).

3. Электромагнитные преобразователи составляют очень большую и разнообразную по принципу действия и по назначению группу преобразователей, объединенных общностью теории, принципа преобразования, основанного на использовании электромагнитных явлений.

Это масштабные электромагнитные преобразователи (измерительные трансформаторы, индуктивные делители напряжения и тока), индуктивные трансформаторные и автотрансформаторные преобразователи неэлектрических величин, а также индуктивные и индукционные преобразователи.

4. Генераторные преобразователи (датчики) выдают на выход измеритель-ный сигнал за счет собственной внутренней энергии и не нуждаются в каких-либо внешних источниках. Характерным примером такого рода датчика может служить датчик скорости вращения типа тахогенератора. Развиваемая тахогенератором ЭДС может быть пропорциональной скорости вращения его ротора.

К генераторным датчикам относятся:

- термоэлектрические;

- индукционные;

- пьезоэлектрические;

- фотоэлектрические.

Основные параметры датчиков

Статическая характеристика датчика представляет собой зависимость изменения выходной величины от входной величины

y=f(x)

Чувствительность датчика - отношение приращения выходной величины к приращению входной величины

S = Ay/Ax

Порог чувствительности датчика - наименьшее значение входной величины, которое вызывает появление сигнала на выходе.

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

испытание кузов автомобиль надежность

Измерительный преобразователь -- техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы) или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

По характеру преобразования различают следующие преобразователи:

Аналоговый измерительный преобразователь -- это измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал);

Аналого-цифровой измерительный преобразователь -- это измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового измерительного сигнала в числовой код;

Цифро-аналоговый измерительный преобразователь -- это измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования числового кода в аналоговую величину.

По месту в измерительной цепи различают следующие преобразователи:

Первичный измерительный преобразователь -- это измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Первичный измерительный преобразователь является первым преобразователем в измерительной цепи измерительного прибора;

Датчик -- это конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь;

Детектор -- это датчик в области измерений ионизирующих излучений;

Промежуточный измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, занимающий место в измерительной цепи после первичного преобразователя.

Передающий измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации;

Масштабный измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз.

По принципу действия преобразователи делятся на генераторные и параметрические.

Генераторные - это такие преобразователи, которые под действием входной величины сами генерируют электрическую энергию (с выходной величиной - напряжение, или ток). Генераторные измерительные преобразователи могут включаться в измерительную цепь, где отсутствует источник энергии. Примерами генераторных измерительных преобразователей являются термоэлектрические и фотоэлектрические измерительные преобразователи.

Параметрические - это такие преобразователи, которые под действием измеряемой величины изменяют значение выходной величины в зависимости от принципа действия (с выходной величиной в виде изменения сопротивления, емкости и в зависимости от значения входной величины), к ним относятся терморезистивные, емкостные измерительные преобразователи.

По физической закономерности, на которой основано действие преобразователя, все измерительные преобразователи можно разделить на следующие группы:

Резистивные;

Тепловые;

Электромагнитные;

Электростатические;

Электрохимические;

Пьезоэлектрические;

Фотоэлектрические;

Электронные;

Квантовые.

Рассмотрим некоторые группы измерительных преобразователей подробнее.

Резистивные измерительные преобразователи в настоящее время являются самыми распространенными. Принцип действия основан на изменении их электрического сопротивления при изменении входной величины.

Рисунок 1. - Схема резистивного измерительного преобразователя

При построении резистивного измерительного преобразователя стремятся к тому, чтобы изменение сопротивления R происходило под действием одной входной величины (реже двух).

К достоинствам данного преобразователя относятся: простота конструкции, малые размеры и масса, высокая чувствительность, большая разрешающая способность при малом уровне входного сигнала, отсутствие подвижных токосъемных контактов, высокое быстродействие, возможность получения необходимого закона преобразования за счет выбора соответствующих конструктивных параметров, отсутствие влияния входной цепи на измерительную.

Электромагнитные измерительные преобразователи - такие преобразователи составляют большую группу преобразователей для измерения различных физических величин и в зависимости от принципа действия бывают параметрическими и генераторными.

К параметрическим относятся преобразователи, в которых преобразуется выходное механическое воздействие в изменение параметров магнитной цепи - магнитной проницаемости, магнитного сопротивления RМ, индуктивность обмотки L.

К генераторным - преобразователи индукционного типа, использующие закон электромагнитной индукции для получения выходного сигнала. Они могут быть выполнены на базе трансформаторов и электрических машин. Последняя группа - это тахогенераторы, сельсины, поворотные трансформаторы.

Значения L и М можно изменять, уменьшая или увеличивая зазор, изменяя положение якоря, изменяя сечение S магнитного потока, поворачивая якорь относительно неподвижной части магнитной цепи, вводя в воздушный зазор пластину из ферромагнитного материала, соответственно уменьшая 0 и магнитное сопротивление зазора.

Измерительные преобразователи, преобразующие естественную входную величину в виде перемещения в изменение индуктивности называют индуктивными.

Преобразователи, преобразующие перемещение в изменение взаимоиндуктивности М, принято называть трансформаторными.

Рисунок 2 - Схема измерительного преобразователя основанного на изменении магнитного сопротивления

В трансформаторных преобразователях изменение взаимоиндуктивности М можно получить не только при изменении магнитного сопротивления, но и при перемещении одной из обмоток вдоль или поперек магнитной цепи.

Если к замкнутой магнитной цепи преобразователя приложить сжимающие, растягивающие или скручивающие усилия, то под их воздействием изменится магнитная проницаемость 0 сердечника, что приведет к изменению магнитного сопротивления сердечника и соответственно к изменению L или М.

Преобразователи, основанные на изменении магнитного сопротивления, обусловленного изменением магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника под воздействием механической деформации, называются магнитоупругими. Их широко применяют для измерения сил, давлений, моментов.

Если в зазоре постоянного магнита, или электромагнита, через обмотку которого пропускается постоянный ток, перемещать обмотку, то согласно закону электромагнитной индукции в обмотке появляется ЭДС, равная

где - скорость изменения магнитного потока, сцепляющегося с витками обмотки W.

Поскольку скорость изменения магнитного потока определяется скоростью перемещения обмотки в воздушном зазоре, то преобразователь имеет естественную входную величину в виде скорости линейных или угловых перемещений, а выходная в виде индуктируемой ЭДС. Такие преобразователи называют индукционными.

Пьезоэлектрические преобразователи - принцип действия таких датчиков основан на использовании прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта.

Прямой эффект представляет собой способность некоторых материалов образовывать электрические заряды на поверхности при приложении механической нагрузки.

Обратный эффект - в изменении механического напряжения или геометрических размеров образует материала под воздействием электрического поля.

В качестве пьезоэлектрических материалов используют естественный материал - кварц, турмалин, а также искусственно поляризованную керамику на основе титанита бария, титанита свинца и цирконата свинца.

Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем Кd, устанавливающем зависимость между возникающим зарядом Q и приложенной силой F, который можно выразить формулой:

Рассмотрим еще один тип измерительного преобразователя тепловые преобразователи.

Их принцип действия основан на использовании тепловых процессов (нагрева, охлаждения, теплообмена) и входной величиной таких датчиков является температура.

Однако они применяются как преобразователи не только температуры, но и таких величин, как тепловой поток, скорость потока газа, влажность, уровень жидкости.

При построении тепловых преобразователей наиболее часто используют такие явления, как возникновение термо-ЭДС, зависимость сопротивления вещества от температуры.

Термопара представляет собой чувствительный элемент, состоящий из двух разных проводников или полупроводников, соединенных электрически, и преобразующий контролируемую температуру в ЭДС.

Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на использовании термоэлектродвижущей силы, возникающей в контуре из двух разнородных проводников, места соединения (спаи) которых нагреты до различных температур.

Знак и значение термо-ЭДС в цепи зависят от типа материала и разности температур в местах спаев.

При небольшом перепаде температур между спаями термо-ЭДС можно считать пропорциональной разности температур:

С помощью термопары можно определять температуру.

В качестве материалов для термопар используют различные драгоценные металлы (платину, золото, иридий, родий и их сплавы), а также неблагородные металла (сталь, никель, хром, сплавы нихрома).

Сравнительно редко применяют термопары из кремния и селена (полупроводники), они имеют малую механическую прочность, обладают большим внутренним сопротивлением, хотя и обеспечивают большую термо-ЭДС по сравнению с металлами.

Термо-ЭДС возникает только в спаях разнородных материалов. При сравнении различных материалов в качестве базовой принимают термо-ЭДС платины, по отношению к которой определяют термо-ЭДС других материалов.

Для повышение выходной ЭДС используют последовательное включение термопар, образующее термобатарею.

Достоинства термопар - возможность измерений в большом диапазоне температур; простота устройства; надежность в эксплуатации.

Недостатки - не высокая чувствительность, большая инерционность, необходимость поддержания постоянной температуры свободных спаев.

Терморезисторные преобразователи работают на основе свойства проводника или полупроводника изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

Для таких датчиков используют материалы, обладающие высокой стабильностью, высокой воспроизводимостью электрического сопротивления при данной температуре, значительным удельным сопротивлением, стабильностью химических и физических свойств при нагревании, инертностью к воздействию исследуемой среды.

К таким материалам в первую очередь относятся платина, медь, никель, вольфрам. Наиболее распространены платиновые и медные терморезисторы.

Платиновые терморезисторы используют в диапазоне от 0 до 6500 С; от 0 до - 2000 С. Их недостаток - теряет стабильность характеристик, и возрастает хрупкость материала при высоких температурах.

Медные терморезисторы используются в диапазоне температур от 50 до 1800С, они довольно стойки к коррозии, дешевы.

Их недостатки: высокая окисляемость при нагревании, вследствие чего их применяют в сравнительно узком диапазоне температур в средах с низкой влажностью и при отсутствии агрессивных газов.

Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических меньшими размерами и инерционностью. Недостаток - нелинейная зависимость сопротивления от температуры.

Терморезисторы обычно применяют для измерения температуры. При этом нагрузочный ток, проходящий через них должен быть мал. Если этот ток будет велик, то перегрев терморезистора по отношению к окружающей среде может стать значительным. Установившее значение перегрева и соответственно сопротивление при этом будет определяться условиями теплоотдачи поверхности терморезистора.

Рисунок 3 - Общий вид термоэлектрического преобразователя

Если нагретый терморезистор поместить в среду с переменными теплофизическими характеристиками, то появляется возможность измерения ряда физических величин: скорости потока жидкости и газов, плотности газов.

Чувствительность проволочных медных терморезисторов постоянна, а чувствительность платиновых изменяется с изменением температуры. При одинаковых значениях R 0 чувствительность медных терморезисторов выше.

Диапазон измеряемых температур с помощью терморезисторами с платиновыми и медными чувствительными элементами от - 200 до + 1100 0 С.

При измерении высоких температур применяются бесконтактные средства измерений - пирометры, которые измеряют температуру по тепловому излучению. Серийно выпускают пирометры, обеспечивающие измерение температур в диапазоне от 20 до 6000 0 С.

В основе бесконтактного метода измерения температур лежит температурная зависимость излучения абсолютно черного тела, т.е. тела, способного полностью поглощать падающее на него излучение любой длины волны.

IV. Классификация преобразователей.

(вернуться к оглавлению)

Измерительная информация, получаемая от контролируемого объекта, передается в измерительную систему в виде сигналов какого-либо вида энергии и преобразуется из одного вида энергии в другой. Необходимость такого преобразования вызвана тем, что первичные сигналы не всегда удобны для передачи, переработке, дальнейшего преобразования и воспроизведения. Поэтому при измерении неэлектрических величин воспринимаемые чувствительным элементом сигналы преобразуются в электрические сигналы, являющиеся универсальными.

Та часть прибора, в которой неэлектрический измеряемый сигнал преобразуется в электрический, называется преобразователем.

Известно много электрических методов измерения неэлектрических величин. Для удобства изучения введем классификацию этих методов по виду связи между электрическими и неэлектрическими величинами:

Параметрические преобразователи , в которых измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в соответствующее изменение параметров электрической цепи, питаемых внешними источниками ЭДС. При этом сигналы, получаемые от измеряемого объекта, служат только для управления энергией постороннего источника, включенного в цепь.

Генераторные преобразователи , в которых сигналы, получаемые от измеряемого объекта, непосредственно преобразуются в электрические сигналы. При этом желательный эффект преобразования может быть получен без использования посторонних источников ЭДС.

К параметрическим относят методы, основанные на изменении сопротивления, емкости и индуктивности электрических цепей.

К генераторным относятся электромагнитный, термоэлектрический, пьезоэлектрический и другие методы.

Входом является некая величена X, а на выходе электрический сигнал(Y).

(*)

x => ΔF => Δх => ΔR

Преобразование физической величины х в электрический сигнал. Для визуализации параметров R, L, C, M к ним надо подвести генератор электрической мощности

(*) К таким цепям применимы законы расчета электроцепей.

1.1 Метод сопротивления .

В этом методе используется зависимость электрического сопротивления резисторов от различных неэлектрических величин.

Например, изменение омического сопротивления проволочного реостата при перемещении скользящего контакта под действием механических сил.

1. Каковы устройство, принцип работы и применение:

а) фотоэлектрических преобразователей;

Фотоэлектрическими называются такие преобразователи, у которых выходной сигнал изменяется в зависимости от светового потока, падающего на преобразователь. Фотоэлектрические преобразователи или, как мы будем их называть в дальнейшем, фотоэлементы делятся на три типа:

1)фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Они представляют собой вакуумные или газонаполненные сферические стеклянные баллоны, на внутреннюю поверхность которых наносится слой фоточувствительного материала, образующий катод. Анод выполняется в виде кольца или сетки из никелевой проволоки. В затемненном состоянии через фотоэлемент проходит темновой ток, как следствие термоэлектронной эмиссии и утечки между электродами. При освещении фотокатод под влиянием фотонов света имитирует электроны. Если между анодом и катодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток. При изменении освещенности фотоэлемента, включенного в электрическую цепь, изменяется соответственно фототок в этой цепи.

2)фотоэлементы с внутренним фотоэффектом

Они представляют собой однородную полупроводниковую пластину с контактами, например из селенида кадмия, которая под действием светового потока изменяет свое сопротивление. Внутренний фотоэффект заключается в появлении свободных электронов, выбитых квантами света из электронных орбит атомов, остающихся свободными внутри вещества. Появление свободных электронов в материале, например в полупроводнике, эквивалентно уменьшению электрического сопротивления. Фоторезисторы имеют высокую чувствительность и линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ), т.е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения.

3)фотогальванические преобразователи.

Данные преобразователи представляют собой активные светочувствительные полупроводники, создающие при поглощении света вследствие фотоэффектов в запорном слое свободные электроны и ЭДС.

Фотодиод (ФД) может работать в двух режимах - фотодиодном и генераторном (вентильном). Фототранзистор - полупроводниковый приемник лучистой энергии с двумя и большим числом р - «-переходов, в которых совмещен фотодиод и усилитель фототока.

Фототранзисторы, как и фотодиоды, применяются для преобразования световых сигналов в электрические

б) емкостных преобразователей;

Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор,емкость которого изменяется под действием измеряемой неэлек­трической величины. В качестве емкостного преобразователя широко используют плос­кий конденсатор, емкость которого можно выразить формулой C =e0eS/5, где е0- диэлектрическая постоянная воздуха (е0= 8,85 10"12Ф/м;е - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками конденсатора; S-площадь обкладки; 5-расстояние между обкладками)

Так как измеряемая неэлектрическая величина может быть функционально связана с любым из этих параметров, то устрой­ство емкостных преобразователей может быть самым различным в зависимости от области применения. Для измерения уровней жид­ких и сыпучих тел используют цилиндрические или плоские кон­денсаторы; для измерения малых перемещений, быстроизменяющихся сил и давлений - дифференциальные емкостные преоб­разователи с переменным зазором между обкладками. Рассмотрим принцип использования емкостных преобразователей для изме­рения различных неэлектрических величин.

в) тепловых преобразователей;

Тепловой преобразователь представляет собой проводник илиполупроводник с током, с большим температурным коэффици­ентом, находящийся в теплообмене с окружающей средой. Име­ется несколько путей теплообмена: конвекцией; теплопроводнос­тью среды; теплопроводностью самого проводника; излучением.

Интенсивность теплообмена проводника с окружающей сре­дой зависит от следующих факторов: скорости газовой или жид­кой среды; физических свойств среды (плотности, теплопровод­ности, вязкости); температуры среды; геометрических размеров проводника. Эту зависимость температуры проводника, а следова­тельно, и его сопротивления от перечисленных факторов можно

использовать для измерения различных неэлектрических величин,характеризующих газовую или жидкую среду: температуры, ско­рости, концентрации, плотности (вакуума).

г) ионизационных преобразователей;

Ионизационными преобразователями называют такие преобра­зователи, в которых измеряемая неэлектрическая величина функ­ционально связана с током электронной и ионной проводимости газовой среды. Поток электронов и ионов получается в ионизационных пре­образователях либо ионизацией газовой среды под воздействием того или иного ионизирующего агента, либо путем термоэлек­тронной эмиссии, либо путем бомбардировки молекул газовой среды электронами и т.д.

Обязательные элементы любого ионизационного преобразова­теля - источник и приемник излучений.

д) реостатных преобразователей;

Реостатный преобразователь представляет собой реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. На каркас из изоляционного ма­териала намотана с равномерным ша­гом проволока. Изоляция проволоки на верхней границе каркаса зачищает­ся, и по металлу скользит щетка. До­бавочная щетка скользит по токосъемному кольцу. Обе щетки изоли­рованы от приводного валика. Реостатные преобразователи вы­полняются как с проводом, намотан­ным на каркас, так и реохордного типа. В качестве материала провода применяют нихром, манганин, константан и др. В ответственных случаях, когда требования к износоустойчивости контактных поверхностей очень вели­ки или когда контактные давления очень малы, применяют сплавы платины с иридием, палладием и т.д. Провод реостата должен быть покрыт либо эмалью, либо слоем оксидов для изоляции соседних витков друг от друга. Движ­ки бывают из двух-трех проволочек (платина с иридием) с кон­тактным давлением 0,003...0,005 Н или пластинчатые (серебро, фосфористая бронза) с усилием 0,05...0,1 Н. Контактная поверх­ность намотанного провода полируется; ширина контактной по­верхности равна двум-трем диаметрам провода. Каркас реостат­ного преобразователя выполняется из текстолита, пластмассы или из алюминия, покрытого изоляционным лаком, или оксидной пленкой. Формы каркасов разнообразные. Реактивное сопротив­ление реостатных преобразователей очень мало и им обычно можно пренебречь на частотах звукового диапазона.

Реостатные преобразователи могут быть использованы для измерения виброускорений и виброперемещений с ограниченным частотным диапазоном.

е) тензорезисторных преобразователей;

Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации растяжения или сжатия. Длина проводника / и площадь поперечного сечения S изменяются при его деформациях. Эти деформации кристаллической решетки приводят к изменению удельного сопротивления проводника р и, следовательно, к изменению полного сопротивления

Применение: для измерения деформаций и механических на­пряжений, а также других статических и динамических механи­ческих величин, которые пропорциональны деформации вспомогательного упругого элемента (пружины), например пути, ус­корения, силы, изгибающего или вращающего момента, дав­ления газа или жидкости и т.д. По этим измеряемым величинам можно определить производные величины, например массу (вес), степень заполнения резервуаров и т.д. Проволочные тензорезисторы на бумажной основе, а так­же фольговые и пленочные применяют для измерения относительных деформаций от 0,005... 0,02 до 1,5...2 %. Свободные проволочные тензорезисторы могут быть использованы для измерения деформаций до 6... 10 %. Тензорези­сторы практически безынерционны и применяются в диапазоне частот 0... 100 кГц.

ж) индуктивных преобразователей;

Индуктивные измерительные преобразователи предназначены для преобразования положения (перемещения) в электрический сигнал. Они являются наиболее компактными, помехоустойчивыми, надежными и экономичными измерительными преобразователями при решении задач автоматизации измерения линейных размеров в машино- и приборостроении.

Индуктивный преобразователь состоит из корпуса, в котором на направляющих качения размещен шпиндель, на переднем конце которого расположен измерительный наконечник, а на заднем – якорь. Направляющая защищена от внешних воздействий резиновым манжетом. Связанный со шпинделем якорь находится внутри закрепленной в корпусе катушки. В свою очередь обмотки катушки электрически связаны с кабелем, закрепленным в корпусе и защищенным от перегибов конической пружиной. На свободном конце кабеля имеется разъем, служащий для подключения преобразователя к вторичному прибору. Корпус и шпиндель выполнены из закаленной нержавеющей стали. Переходник, соединяющий якорь со шпинделем состоит из титанового сплава. Пружина, создающая измерительное усилие, отцентрирована, что исключает трение при движении шпинделя. Такая конструкция преобразователя обеспечивает снижение случайной погрешности и вариации показаний до уровня менее 0,1 мкм.

Индуктивные преобразователи широко применяют в основном для измерения линейных и угловых перемещений.

з) магнитоупругих преобразователей;

Магнитоупругие преобразователи являются разновидностью электромагнитных преобразователей. Они основаны на явлении изменения магнитной проницаемости μ ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений σ, связанных с воздействием на ферромагнитные тела механичес­ких сил Р (растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручи­вающих). Изменение магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника вызывает изменение магнитного сопротивления сер­дечника RM. Изменение же RM ведет к изменению индуктивности катушки L , находящейся на сердечнике. Таким образом, в магнитоупругом преобразователе имеем следующую цепь преобра­зований:

Р -> σ -> μ -> Rм -> L .

Магнитоупругие преобразователи могут иметь две обмотки (трансформаторного типа). Под действием силы вследствие изме­нения магнитной проницаемости изменяется взаимная индуктивность М между обмотками и наводимая ЭДС вторичной обмотки Е. Цепь преобразования в этом случае имеет вид

Р -> σ -> μ -> Rм -> М -> Е.

Эффект изменения магнитных свойств ферромагнитных мате­риалов под влиянием механических деформаций называют магнитоупругим эффектом.

Магнитоупругие преобразователи применяют:

Для измерения больших давлений (больше 10 Н/мм2 , или 100 кГ/см2), так как они непосредственно воспринимают давление и не нуждаются в дополнительных преобразователях;

Для измерения силы. В этом случае предел измерения прибора определяется площадью магнитоупругого преобразователя. Дан­ные преобразователи деформируются под действием силы очень незначительно. Так, при l = 50 мм, △l < 10 мкм они имеют высо­кую жесткость и собственную частоту до 20... 50 кГц. Допустимые напряжения в материале магнитоупругого преобразователя не дол­жны превышать 40 Н/мм2 .

и) электролитических преобразователей сопротивления;

Электролитические преобразователи относятся к типу электрохимических преобразователей. В общем случае электрохимический преобразователь представляет собой электролитическую ячей­ку, заполненную раствором с помещенными в нее электродами, служащими для включения преобразователя в измерительную цепь. Как элемент электрической цепи электролитическая ячейка мо­жет характеризоваться развиваемой ею ЭДС, падением напряжения от проходящего тока, сопротивлением, емкостью и индук­тивностью. Выделяя зависимость между этими электрическими параметрами и измеряемой неэлектрической величиной, а также подавляя действие других факторов, можно создать преобразователи для измерения состава и концентрации жидких и газообразных сред, давлений, перемещений, скорости, ускорения и других величин. Электрические параметры ячейки зависят от состава ра­створа и электродов, химических превращений в ячейке, темпе­ратуры, скорости перемещения раствора и др. Связи между электрическими параметрами электрохимических преобразователей и неэлектрическими величинами определяются законами электро­химии.

Принцип действия электролитических пре­образователей основан на зависимости сопротивления электро­литической ячейки от состава и концентрации электролита, а также от геометрических размеров ячейки. Сопротивление столба жид­кости электролитического преобразователя:

R = ρh/S = k/૪

где ૪= 1/ρ - удельная проводимость электролита; k - постоянная преобразователя, зависящая от соотношения его геометрических размеров, определяемая обычно экспериментально.

Тема 18

Измерительные преобразователи (датчики)

Ни одна система управления не может работать без информации о состоянии объекта управления и его реакции на управляющее воздействие. Элементом систем, обеспечивающим получение такой информации, является измерительный преобразователь-датчик .

Число типов датчиков значительно превосходит число измеряемых величин, так как одну и ту же физическую величину можно измерять различными методами и датчиками разных конструкций.

Для большинства датчиков характерно измерение электрическими методами не только электрических и магнитных, но и других физических величин. Такой подход обусловлен достоинствами электрических измерений, в виду того, что электрические сигналы можно просто и быстро передавать на большие расстояния, электрические величины легко, быстро и точно преобразуются в цифровой код, позволяют обеспечить высокую точность и чувствительность.

В качестве классификационных признаков датчиков можно принять многие характеристики: вид функции преобразования; род входной и выходной величины; принцип действия; конструктивное исполнение.

По виду используемой энергии датчики можно подразделить на электрические, механические, пневматические и гидравлические. В зависимости от вида выходного сигнала: аналоговые, дискретные, релейные, с естественным или унифицированным выходным сигналом.

По характеру преобразования входной величины в выходную: параметрические, генераторные, частотные, фазовые.

По виду измеряемой физической величины: линейных и угловых перемещениях, давления, температуры, концентрации веществ и т.д.

Принцип действия параметрических преобразователей заключается в преобразовании неэлектрических входных величин в параметры электрических цепей: сопротивление R , индуктивность L , емкость С , взаимоиндуктивность М . Для питания этих преобразователей требуются внешние источники. К таким датчикам относятся: резистивные, индуктивные, трансформаторные, емкостные преобразователи.

Генераторные преобразователи преобразуют входные величины в ЭДС. Они не требуют энергии дополнительных источников питания.

Это индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические, фотоэлектрические преобразователи.

Фазовые и частотные преобразователи могут быть как параметрическими, так и генераторными.

Реостатные – выполнены в виде реостата, подвижной контакт которого перемещается под воздействием входной измеряемой величины. Чаще всего реостатный датчик включается в измерительную систему по схеме потенциометра, их иногда называют потенциометрическими датчиками.

Выходной величиной датчика является электрическое сопротивление функционально связанное с положением подвижного контакта. Такие датчики служат для преобразования угловых или нелинейных перемещений в соответствующее изменение сопротивления, тока, напряжения.



Они также могут быть использованы для измерения давления, расхода, уровня. Их часто используют также в качестве промежуточных преобразователей неэлектрических величин в электрические.

В устройствах автоматики широко применяются проволочные реостатные преобразователи, которые отличаются высокой точностью и стабильностью функции преобразования, имеют малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

К недостаткам относятся низкая разрешающая способность, сравнительно невысокое сопротивление (до десятков кОм), ограниченная возможность применения на переменном токе, обусловленная остаточными индуктивностью и емкостью намотки.

Обмотку выполняют изолированным проводом виток к витку или с заданным шагом. В качестве провода применяют константан, манганин.

Датчик данного типа не реагируют на знак входного сигнала, работают как на постоянном, так и на переменном токе.

Тензорезисторы . В основе их работы лежит тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации.

Характеристикой тензоэффекта материала служит коэффициент тензочувствительности К т, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника

Константан – К т = 2

Нихром – К т = 2,2

Хром – К т = 2,5

Тензорезисторы используют для измерения давления жидкости и газов, при измерении упругих деформаций материалов: давлений изгибов, скручивания.

В качестве тензорезистивного материала можно использовать металлы с малым ТКС: манганин, константан, нихром, ртуть, высокотемпературные сплавы, полупроводниковые материалы: германий, кремний. Наибольшее распространение получили тензорезисторы из металла. Они разделяются на проволочные и фольговые, последние более совершенны.

Угольные преобразователи. Их принцип действия основан на изменении контактного сопротивления между частицами угля при изменении давления. Их применяют для измерения усилий, давлений, малых перемещений. Различают угольные столбики и тензолиты.

Первые представляют собой набор из 10-15 отшлифованных шайб, изготовленных из электродных углей.

Характеристика угольного преобразователя нелинейна, он имеет переменную чувствительность. Нестабильны в работе, характеристики зависят от температуры и влажности окружающей среды, качества подготовки поверхностей.

Вторые имеют малые размеры и массу. Их применяют для измерения быстроменяющихся и ударных напряжений в движущихся деталях небольшого размера, при этом они работают как на растяжение, так и на сжатие. Коэффициент чувствительности тензолитовых преобразователей больше, чем у тензорезисторов, и составляет К = 15 ¸ 20.

Она выполняется в виде полосок, состоящих из смеси графита, сажи, бакелитового лака и других компонентов. Эти полоски наклеиваются на испытуемую деталь.

Резистивные преобразователи несмотря на присущие им недостатки до настоящего времени находят широкое применение.

Емкостные преобразователи . Принцип действия основан на изменении емкости конденсатора под воздейтсивем входной преобразуемой величины

где e – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; e 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума; S – площадь пластины; d – толщина диэлектрика или расстояния между пластинами.

Емкостные датчики используют для измерения угловых и линейных перемещений, линейных размеров, уровня, усилий, влажности концентрации и др.

В емкостных плоскопараллельных датчиках изменяется плоскость перекрытия S (перемененная площадь перекрытия) статическая характеристика линейна.

В емкостных преобразователях с переменным воздушным зазором характеристика нелинейна.

Преобразователи и изменением диэлектрической проводимости среды между электродами широко используются для измерения уровня жидких и сыпучих веществ, анализа состава и концентрации веществ в химической, нефтеперерабатывающей промышленности, для счета изделий, охранной сигнализации. Они имеют линейную статическую характеристику.

Емкость измерительных преобразователей в зависимости от конструктивных особенностей колеблется от десятых долей до нескольких тысяч пикофарад, что приводит к необходимости использовать для питания датчиков напряжения повышений частоты Гц.

Это существенный недостаток подобных преобразователей.

Диэлектрические свойства среды иногда изменяются под воздействием температуры или механических усилий. Эти эффекты также используются для создания соответствующих измерительных преобразователей.

Изменение проницаемости под действием температуры описывается выражением

,

где e т – диэлектрическая проницаемость материала при температуре Т ; e 0 – диэлектрическая проницаемость при температуре Т 0 ; a - температурный коэффициент; .

Аналогичный вид имеет и зависимость e от приложенного к нему усилия Р

,

где – чувствительность материала к относительному изменению диэлектрической проницаемости

.

Начальная емкость преобразователей тем больше, чем меньше зазор d между электродами. Однако уменьшение зазора ограничивается диэлектрической прочностью межэлектродной среды и наличием силы электростатического притяжения пластин.

Погрешности емкостных преобразователей в основном определяются влиянием температуры и влажности на геометрические размеры и диэлектрическую проницаемость среды. Они являются практически безинерционными элементами.

К достоинствам относятся: простота конструкции, малые размеры и масса, высокая чувствительность, большая разрешающая способность при малом уровне входного сигнала, отсутствие подвижных токосъемных контактов, высокое быстродействие, возможность получения необходимого закона преобразования за счет выбора соответствующих конструктивных параметров, отсутствие влияния входной цепи на измерительную.

Реактивное сопротивление нагрузки выбирают равным по значению и обратным по знаку внутреннему сопротивлению датчика.