ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ЛЮБЫХ МОДЕЛЕЙ ______________ _____________ СО СКЛАДА И ПОД ЗАКАЗ. Генераторные датчики

Генераторные датчики

1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

Они основаны на явлении возникновения термо-ЭДС в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, если точки их соединения имеют разную температуру. Если поддерживать температуру одной точки постоянной, то термо-ЭДС будет зависеть только от температуры второй точки . Шкалу милливольтметра, измеряющего термо-ЭДС, можно сразу отградуировать в градусах. Термопары изготовляют из специальных сплавов, например, платинородий-платина, медь-константант, хромель-копель и используют для измерения температур в широком диапазоне; в медицине - для измерения температур внутри тканей и органов.

2. ИНДУКЦИОННЫЕ

Они основаны на явлении возникновения ЭДС индукции в контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего данный контур, под воздействием измеряемой величины. Величина ЭДС определяется законом электромагнитной индукции . Обычно их использует для измерения скорости, а если полученный сигнал продифференцировать (проинтегрировать), то ускорения (перемещения). В медицине применяют для регистрации легочной вентиляции, параметров вибраций, снятия баллистокардиограмм.

3. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

Они основаны на прямом пьезоэффекте, т.е. появлении электрических зарядов на гранях пьезокристаллов при их механической деформации. Основным элементом является пьезокристалл, например: кварц, сегнетова соль, керамика ЦТС.

Они используются для измерения быстроизменяющихся давлений, механических напряжений, автоматического измерения артериального и венозного давлений, записи пульса, лучевой артерии, фонокардиограмм.

4. ОПТИЧЕСКИЕ

Они основаны на явлении фотоэффекта. Представляют собой вакуумные или вентильные фотоэлементы (фотодиоды). Применяются для измерения световых потоков малой интенсивности, биолюминесценции, концентрации, для усиления яркости изображений и визуализации рентгеновских и инфракрасных излучений.

Параметрические датчики

1. РЕОСТАТНЫЕ

Основным элементом является реостат, провод которого обладает высоким удельным сопротивлением. При перемещении движка реостата изменяется его активное сопротивление. Поэтому реостатные датчики можно использовать для измерения линейных и угловых перемещений, давлений, усилий и других величин, которые могут быть преобразованы в перемещение, например, для измерения параметров системы дыхания.

2. ЁМКОСТНЫЕ

Основным элементом является конденсатор. Под воздействием входной величины может изменяться взаимное расположение обкладок конденсатора или диэлектрическая проницаемость, что приведёт к изменению ёмкости и ёмкостного сопротивления. Ёмкостные датчики применяют для измерения малых перемещений и толщин, уровней жидкости, влажности, состава вещества.

3. ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ

Они основаны на явлении тензоэффекта, т.е. изменении активного сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Основным элементом является материал с высоким коэффициентом относительной тензочувствительности. Применяются для измерения деформаций, механических напряжений, усилий, моментов сил, давлений внутри сосудов и в полости сердца, параметров системы дыхания, снятия пневмограмм.

4. ИНДУКТИВНЫЕ

Они основаны на зависимости индуктивности (или взаимной индуктивности) от положения отдельных элементов магнитопровода. Представляют собой электромагниты с незамкнутым сердечником и подвижным якорем, положение которого главным образом влияет на индуктивность. Их можно использовать для измерения любых величин, приводящих к перемещению якоря: усилий, давлений, моментов, упругих свойств материалов в ортопедии и хирургии, артериального давления.

5. ТЕРМОРЕЗИСТОРНЫЕ

Они основаны на зависимости активного сопротивления проводников и полупроводников от температуры. Используются для измерения температуры, в частности, в палатах интенсивной терапии, скорости потоков, плотности, состава, теплопроводности вещества.

6. ФОТОРЕЗИСТОРНЫЕ

Они основаны на зависимости сопротивления от освещенности и других световых характеристик. Применяются для определения окси-гемоглобина в периферической артериальной крови, кровенаполнения тканей.

studfiles.net

Генераторные датчики

1. Электромагнитные;

2. Термо ЭДС;

3. Пьезо ЭДС.

К электромагнитным датчикам относятся все типы специальных информационно-электрических систем, а именно поворотный трансформатор, сельсины, тахогенераторы, аксилеометры (измерители ускорений).

Тахогенераторы постоянного тока.

Тахогенераторы постоянного тока: на якоре – волновая обмотка, для стационарных установок только одна пара щеток вне зависимости от числа полюсов. Система возбуждения если: электромагнитная (используется стабилизатор токов), магнитоэлектрическая (термошунта).

Подобрав проницаемость μ, сечение термошунта при котором с увеличением температуры рабочий магнитный поток будет оставаться постоянным.

Недостаток тахогенератора постоянного тока:

За счет наличия щеточного контакта выходное напряжение (Uвых) искажается особенно в области малых скоростей.

Кроме того, в зависимости от измерения тока изменяется(уменьшается) сопротивление щеточного контакта.

Тахогенераторы переменного тока

В качестве тахогенераторов используется синхронные генераторы с постоянными магнитами, ЭДС которых равна:

;

При использовании синхронных датчиков в качестве выходного сигнала рассматривается частота.

Асинхронный тахогенератор

Это значит, когда ЭДС максимальная – ток еще не достигает максимуму, тоесть отстает во времени, это приводит к появлению перекоса на угол ψ. Поэтому активное сопротивление стремятся сделать как можно высшее чтоб сделать перекос ЭДС. В случаи, когда требуется особое изменение скоростей для компенсации трансформаторной ЭДС () на выходе – на статоре делают кольцевую обмотку и осуществляют питание и сьем сигнала.

Между входом и выходом можно поставить компенсационное Rc– сопротивление для Етр.

Аксиометр

В его роли может выступать асинхронный генератор с обмоткой возбуждения постоянного напряжения.

Етр=0.

В качестве датчиков угла поворота используются сельсины, индуктосины, поворотный трансформатор. Обычно класс точности 0…3. Величина ошибок при первом классе точности меньше четырех минут, второй класс – до восьми минут, третий класс до 10 минут. Для сельсинов: 1.) 0,25; 2.) 0,5; 3.) 1°.

Для изменения линейной переменной широко используется индуктосины с помощу которых удается заменять в долях микрометрах.

Возможные датчики:

1. Датчики термо ЭДС;

2. Пьезо датчики;

3. Радиационные датчики.

Датчики термо эдс.

Энергия выходов электронов для разных материалов различна, при чем, как правило, энергия выхода уменьшается с ростом температуры, соответственно в местах стыка разных материалов происходит переход электронов с одного материала на другой.

Основновное рабочее место – это один спай двух разных материалов.

Только при разности температуры, когда один стык горячий, а второй, либо при комнатной температуре, либо его опускают в среду с льдом – у нас появляется разность ЭДС и появляется ток. Эти разности ЭДС очень маленькие. Например, пара медь - константан.

С помощу термопар мы можем измерять нагрев объектов в очень широком диапазоне температур. Платиновые и карбонатно- угольные термопары позволяют измерять температуру с высокой точностью до 1200°, а если температура высшее – приводит к разрушению термопары.

По мимо непосредственного замера температуры, термометры, как датчики используют для различных приборов. Для низких температур чаще всего применяют дешевую термопару – медь-константан. Один из недостатков термопар как датчиков – это сравнительно небольшая инерция. Выходная мощность, напряжение этих датчиков весьма малы и для использования в системах автоматики приходится вводить промежуточное усилительные элементы.

studfiles.net

Элементы автоматики для приема информации (датчики)

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 6Следующая ⇒

Датчики являются основными элементами автоматики, предназначенными для приёма информации и преобразующими контролируемый или регулируемый параметр в более удобную для дальнейшего использования величину. В измерительной технике эти элементы часто называют первичными преобразователями. От выбора датчика во многом зависит точность и надёжность работы всей автоматической системы в целом.

Как элементы автоматики, датчики могут классифицироваться по различным показателям, например, по назначению, т.е. по характеру входной измеряемой величины, либо по принципу преобразования. Но лучше всего различать датчики по характеру выходной величины, а по этому показателю они бывают:

– механические;

– гидравлические и пневматические;

– электрические.

Поскольку основным видом энергии, как более дешевой и используемой в современных автоматических системах, является электрическая энергия, остановимся более подробно на электрических датчиках, которые подразделяются на две основные группы: параметрические и генераторные.

У параметрических датчиков под воздействием входной величины изменяются их внутренние параметры, такие как электрическое сопротивление (активное или реактивное). Для работы этих датчиков необходимы и соответствующие источники питания.

Работа генераторных датчиков основана на непосредственном преобразовании входной величины (в большинстве случаев неэлектрической) – в электрическую, и они могут использоваться без источников питания. Выходной величиной таких датчиков является э.д.с. или электрический ток, протекающий под действием этой э.д.с.

Параметрические датчики.

Параметрические датчики по их устройству и принципу преобразования делятся на:

а) контактные;

б) реостатные;

в) тензочувствительные;

г) электролитические;

д) термосопротивления;

е) емкостные;

ж) индуктивные;

и) магнитоупругие и магнитострикционные;

к) ионизационные.

Принцип работы контактных датчиков основан на преобразовании механических перемещений (линейных или угловых) в электрический сигнал путём подключения или отключения источников питания к вторичной цепи (рис. 2.1). Причем входным параметром изображенных датчиков является в одном случае механическая нагрузка, а в другом – температура.

Наибольшее применение контактные датчики нашли в качестве конечных выключателей, и они являются типичными представителями релейных элементов, т.к. их выходное сопротивление может принимать только два значения: 0 или ¥.

Рис. 2.1. Контактные датчики:1 – пружина, 2 – контактная группа, 3 – биметаллическая пластина

Основным недостатком контактных датчиков является их низкая надежность, т.к. при замыкании или размыкании контактов появляется электрическая дуга (искра), из-за которой сокращается срок службы контактов за счёт их окисления и разрушения, и при этом создаётся высокий уровень электромагнитных помех. Для исключения такого явления применяют различные методы гашения электрической дуги, используя специальные схемы и соответствующие конструкции самих контактов.

Реостатные (потенциометрические) датчики (рис. 2.2), конструктивно выполненные подобно реостатам, преобразуют линейные или угловые перемещения движка реостата в электрическое напряжение путём изменения его выходного сопротивления.

Рис. 2.2. Реостатные датчики: а – линейный; б – торроидальный

В конструкции реостатов используются либо линейные формы каркасов (рис. 2.2, а), для которых входная величина хвх – линейное перемещение, либо – торроидальные (рис. 2.2, б), у которых входная величина хвх – угловое перемещение движка реостата. Обмотки проволочных реостатов выполняются из нихрома или специальных сплавов с высоким внутренним сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления. В некоторых случаях вместо обмотки используется графитовое покрытие.

Обязательным условием использования этих датчиков является выполнение соотношения Rн>>R, т.е. входное сопротивление элементов, которые подключаются к датчику, должно быть значительно больше сопротивления реостата, в противном случае линейность статической характеристики датчика нарушается (рис. 2.3).

На рис. 2.4 представлена схема дифференциального реостатного датчика, который, кроме этого, реагирует на полярность входного воздействия, т.е. направление перемещения движка реостата (вверх или вниз относительно средней точки обмотки реостата).

Питание реостатных датчиков может осуществляться от источников как постоянного, так и переменного тока. Реостатные датчики нашли довольно широкое применение, несмотря на наличие в их конструкции механического и электрического контакта между движком реостата и его обмоткой, несколько снижающего надежность работы такого датчика.

Тензочувствительные датчики – это элементы, основанные на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводниковых материалов при наличии в них деформации в пределах упругости.

Принцип действия проволочных датчиков понятен из рисунка 2.5, а.

В качестве таких датчиков наибольшее применение нашли:

– проволочные, чувствительный элемент которых изготовлен из сплавов с высоким удельным электрическим сопротивлением, таких как манганин, нихром, константан;

– угольные или графитовые (тензолит, прессугольный порошок)

– полупроводниковые (PbS).

Для практических целей используют специальную конструкцию проволочных датчиков (рис. 2.5, б), где тонкая манганиновая проволока 3 (Æ0,005 мм) укладывается специальным образом на тонкий изоляционный материал 2 (бумага, плёнка), с помощью которого датчик крепится (приклеивается) на исследуемую конструкцию или деталь 1, чтобы деформация детали полностью воспринималась чувствительным элементом датчика. Концы манганиновой проволоки приваривают к медным выводам 4 для дальнейшего подключения датчика к измерительным устройствам.

При приложении механической нагрузки происходит деформация чувствительного элемента датчика – проволоки и при этом изменяется её электрическое сопротивление за счет изменения длины и сечения. Статическая характеристика датчика (зависимость относительного изменения сопротивления чувствительного элемента от его относительной деформации в пределах упругости) является линейной (рис. 2.5, в).

Рис. 2.5. Тензометрические датчики: а – принцип действия; б – устройство; в – зависимость относительного изменения сопротивления чувствительного элемента от его относительной деформации

Чувствительность проволочного датчика, определяемая наклоном статической характеристики, невысока и составляет .

На рис. 2.6 представлена конструкция угольного столбика (преобразователя давления) и его статическая характеристика.

Рис. 2.6. Угольный датчик давления: а – устройство; б – статическая характеристика

Работа этого датчика основана на том, что при действии механической нагрузки – Р(сжатии) контактное сопротивление между частицами графитовых таблеток 2 и между самими таблетками в столбике уменьшается. Чувствительность подобных датчиков в десятки раз выше, чем у проволочных, а в случае применения полупроводниковых материалов (PbS) – даже в сотни раз.

Основным недостатком всех рассмотренных тензодатчиков является наличие температурной погрешности, для компенсации которой применяются специальные методы, рассмотренные во второй части учебного пособия в разделе «Системы автоматического контроля».

Тензочувствительные датчики широко применяются для измерения сил, ускорений, деформаций и вызванных ими механических напряжений в строительных конструкциях, а также для других целей, связанных с деформацией (в частности, при исследовании взаимодействия железнодорожного пути и подвижного состава, особенно при больших осевых нагрузках).

В электролитических датчиках используется зависимость электропроводности электролитов от его состава (концентрации) и геометрических параметров датчика.

Электропроводность простой электролитической ячейки (рис. 2.7) определяется выражением , т.е. зависит от удельной электропроводности раствора c, площади электродов S, находящихся в растворе, и расстояния а между ними, при этом входной величиной такого датчика может быть любой из перечисленных параметров.

Для исключения явления электролиза питание электролитических датчиков предпочтительно осуществлять переменным током низкой частоты (f = 50…300 Гц)

Электролитические датчики применяются в качестве соленомеров для определения количества солей в водонагревательных установках, в измерителях кислотности (рН-метрах), в устройствах очистки воды для систем водоснабжения, в уровнемерах приемных резервуаров систем водоотведения, для измерения влажности воздуха, а также влажности неоднородных сред (сыпучих строительных материалов). Кроме этого, используя электропроводность воды, они в качестве контактных датчиков применяются для контроля уровня грунтовых вод в строительных котлованах для своевременной откачки из них грунтовых вод.

На рис. 2.8 представлено устройство хлористо-литиевого датчика для измерения влажности воздуха, в котором за счёт насыщения влагой соли LiCl(за счет высокой гигроскопичности) меняется её проводимость. Соль наносится на изоляционную пластинку между электродами датчика, а по величине протекающего по ней тока можно определять измеряемый параметр – влажность окружающей среды.

Рис. 2.8. Хлористо-литиевый датчик

Работа термосопротивлений основана на зависимости внутреннего сопротивления проводников (металлов) и полупроводниковых материалов от температуры, причем для металлов статическая характеристика датчика (рис. 2.9) в широком диапазоне температур – линейна (рис. 2.9, прямая 1) и описывается выражением , где at – температурный коэффициент изменения сопротивления металла.

В качестве материала проводников в термосопротивлениях используют чистые металлы, для которых величина at больше, чем для различных сплавов. Значение температурного коэффициента для таких металлов составляет at = (3,7…6,5)×10-3 (град-1). Так для меди, ассортимент выпускаемых проводников которой наиболее широк, at=4,3×10-3 (град-1), т.е. изменение температуры на 10° вызывает изменение сопротивления медной проволоки на 4,3%.

Чувствительность термосопротивлений на основе полупроводниковых материалов значительно выше, чем для металлов, но статическая характеристика их нелинейная (рис. 2.9, кривая 2), поэтому они применяются только в небольшом диапазоне изменения температуры, где нелинейностью характеристики можно пренебречь. Кроме этого, термисторы, как их часто называют, работоспособны только в диапазоне температур от –20 до +120°С, поэтому их практическое применение допустимо лишь в условиях окружающей человека среды. Например, они широко используются в цифровых полупроводниковых медицинских термометрах и во многих приборах, в которых необходимо поддерживать требуемую температуру.

Металлические термосопротивления вследствие их конструктивного исполнения (рис. 2.10) имеют достаточно высокую инерционность, что является их существенным недостатком.

Рис. 2.10. Металлическое термосопротивление

В качестве датчиков металлические термосопротивления нашли практическое применение в двух режимах их работы. Первый – это режим, при котором температура датчика определяется окружающими условиями и применяется в термометрах и психрометрах (измерителях влажности воздуха).

Второй режим – режим нагрева датчика схемным током, при котором его температура определяется условиями теплоотдачи. В этом режиме через чувствительный элемент датчика – проволоку пропускается ток, который нагревает её до температуры t = 150…200°C. При этом отвод выделенного тепла зависит от среды, в которой находится проволока. Подобный режим работы термосопротивлений нашел применение в таких приборах как анемометры (измерители скорости воздушных потоков), вакуумметры и газоанализаторы, но конструктивные особенности исполнения этих датчиков отличаются от рассмотренных выше.

Емкостные датчики конструктивно представляют собой электрический конденсатор (рис. 2.11, а).

Рис. 2.11. Емкостные датчики: а – устройство; б – принцип действия

Ёмкость конденсатора определяется тремя параметрами: площадью перекрытия пластин S, расстоянием между ними, а и величиной диэлектрической проницаемости используемого диэлектрика e, находящегося между пластинами. Входной величиной такого датчика может быть любой из перечисленных параметров, а выходной величиной – его реактивное (емкостное) сопротивление ,для определения которого необходим источник питания переменного тока высокой частоты.

Это объясняется тем, что величина xc при питании датчика от сети (f = 50 Гц) соизмерима с сопротивлением изоляции и составляет при емкости датчика 100…150 пФ более 100 мОм. Поэтому, несмотря на максимальную простоту конструкции и безынерционность датчика, применение его связано с использованием сложной аппаратуры, работающей в области радиочастот (f = 1…10 МГц), а это высокочастотные мостовые схемы и резонансные усилители. Но все же, несмотря на это, емкостные датчики нашли практическое применение во влагомерах (e = var), уровнемерах и в угломерах (S = var) (рис. 2.11, б), а также в емкостных манометрах и микрофонах (a = var).

Индуктивные датчики являются другой разновидностью реактивных элементов. Выходной величиной их является индуктивность и индуктивное сопротивление ,значение которого определяется измеряемой неэлектрической величиной. Конструктивно индуктивные датчики представляют собой катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником (магнитопроводом) и подвижным якорем, являющимся частью этого магнитопровода (рис. 2.12).

Величина индуктивности датчика определяется выражением , где w – количество витков катушки, а Rм – магнитное сопротивление магнитопровода (сердечника и воздушного зазора), определяемое согласно выражению .

Здесь m – магнитная проницаемость материала сердечника; m0 – магнитная проницаемость воздушного зазора; lc – средняя длина магнитной цепи ферромагнитного сердечника; d – величина воздушного зазора; S – площадь поперечного сечения сердечника.

Индуктивность представленного на рисунке датчика будет изменяться за счет перемещения х якоря (S = var). В зависимости от конструкции сердечника это могут быть не только линейные, но и угловые перемещения.

Достоинством индуктивных датчиков является простота конструкции, надежность и возможность питания непосредственно от сети переменного тока (f = 50 Гц). Но, в отличие от емкостных датчиков, их существенный недостаток – более высокая погрешность и малая точность из-за нелинейности статической характеристики сердечника (кривой намагничивания).

Индуктивные датчики широко применяются в устройствах автоматики для измерения больших и малых перемещений (линейных и угловых), в манометрах, динамометрах, торсиометрах (измерителях моментов), уровнемерах, а также для контроля немагнитных покрытий стальных конструкций. Наиболее чувствительны дифференциальные индуктивные датчики, состоящие из двух одинаковых катушек, соединенных последовательно, и общего подвижного сердечника (рис. 2.13), позволяющие определять не только величину перемещения сердечника, но и его полярность (направление перемещения).

Магнитоупругие датчики конструктивно являются тоже индуктивными элементами (рис.2.14), но в них изменение индуктивности обусловлено определённым свойством ферромагнитных материалов при воздействии на них механических усилий. Деформация сердечника из такого материала в результате действия этих усилий приводит к изменению его магнитной проницаемости m, а, следовательно, и величины магнитного сопротивления.

 

Рис. 2.14. Магнитоупругие датчики: а – для измерения усилий;б – для измерения деформаций и механических напряжений

Магнитоупругие датчики по своему применению аналогичны тензочувствительным датчикам, т.е. они также могут использоваться для измерения усилий (рис. 2.14, а), деформаций и вызванных ими механических напряжений (рис. 2.14, б). В качестве материала сердечников в них используется пермаллой, обладающий высоким значением магнитной проницаемости m.

В магнитострикционных преобразователях используется обратное свойство ферромагнитных материалов – изменять свои геометрические размеры под воздействием внешних магнитных полей. Практическое применение обе разновидности этих датчиков получили в качестве ультразвуковых акустических излучателей и приемников при контроле механических свойств различных строительных материалов и конструкций.

Принцип работы ионизационных датчиков основан на изменении электропроводности газов и жидкостей при воздействии на них облучения (ультрафиолетового, рентгеновского или гамма-излучения). Такие датчики используются для определения параметров этих излучений и конкретным примером применения подобных датчиков могут служить радиометры – приборы для измерения уровня радиации (счетчики Гейгера). Кроме этого, для измерения очень низких значений давления воздуха (до 1 пПа) эти датчики применяются в ионизационных вакуумметрах, в которых интенсивность ионизации газа пропорциональна измеряемому давлению.

Генераторные датчики

Генераторные датчики, предназначенные для преобразования неэлектрических величин непосредственно в электрическую активную величину, такую как э.д.с., напряжение или ток, делятся на:

а) фотоэлектрические;

б) термоэлектрические;

в) пьезоэлектрические;

г) индукционные;

д) гальванические;

е) датчики Холла.

Работа фотоэлектрических датчиков основана на явлении фотоэффекта, который бывает трех видов: внешний, внутренний и вентильный. Фотоэффект – это появление свободных электронов в некоторых материалах при воздействии на них фотонов света. Явление фотоэффекта и его теоретическое обоснование было дано в 1888 году российским ученым, проф. А.Г. Столетовым. Если освободившиеся под воздействием света электроны остаются в веществе, изменяя при этом его электропроводность, то фотоэффект называется внутренним и на нём основана работа всех фоторезисторов. Если такие электроны покидают вещество, то фотоэффект называется внешним. На этом принципе работают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители.

Следует заметить, что для работы перечисленных датчиков необходим источник питания. Помимо этого, различают вентильный фотоэффект, которым обладают полупроводниковые материалы. В них электроны из освещенного слоя материала переходят в неосвещенный, отделенный от него тонким запирающим слоем (p-n переходом). В результате между слоями вещества, ввиду недостатка электронов в одном слое и избытка их в другом, возникает разность потенциалов, т.е. появляется э.д.с., под действием которой по внешней цепи, подключенной к такому датчику, будет протекать электрический ток, который принято называть фототоком.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом изготавливаются в виде электровакуумных приборов (электронных или ионных) и представляют собой стеклянный баллон с выкачанным изнутри воздухом (вакуумный фотоэлемент) и заполненный инертным газом (газонаполненный фотоэлемент). На внутреннюю поверхность баллона наносится тонкий слой сурьмяно-цезиевого покрытия, выполняющий функции фотокатода, перед которым располагается анод (рис 2.15, а). Под действием электрического поля электроны, вылетевшие с поверхности катода под воздействием фотонов света, устремляются к аноду, обуславливая, таким образом, протекание в цепи с фотоэлементом электрического тока. В газонаполненных приборах величина этого тока возрастает за счет ионизации находящегося в нем газа, т.е. они более чувствительны.

Конструкция фоторезисторов аналогична рассмотренным выше хлористо-литиевым электролитическим датчикам, но они значительно меньше размерами и в них в качестве чувствительного элемента используется полупроводниковый материал из германия или кремния (рис. 2.15, б).

Рис. 2.15. Фотоэлектрические датчики: а – вакуумный фотодатчик; б – фоторезистор

Все перечисленные фотодатчики характеризуются следующими основными характеристиками и параметрами:

Световая характеристика – Iф = f(Ф) представляет зависимость фототока от величины светового потока. У вакуумных фотоэлементов световая характеристика линейная, что позволяет с высокой точностью измерять величины световых потоков.

Интегральная чувствительность – отношение фототока к потоку лучистой энергии белого цвета (полного спектра) и определяется выражением:

.

Для вакуумных фотоэлементов она постоянна, но для газонаполненных она изменяется и ее необходимо определять при конкретном значении светового потока, т.к. световая характеристика газонаполненных датчиков имеет нелинейный характер за счет ионизации газа.

При номинальном анодном напряжении 240 В интегральная чувствительность вакуумных фотоэлементов составляет 20 мкА/лм, а для газонаполненных, она возрастает до 100…150 мкА/лм. Необходимо отметить, что все фотодатчики, кроме этого, характеризуются и спектральной чувствительностью к оптическому излучению определенной длины волны, т.е. цвету. Одни из них более чувствительны к коротковолновому (ультрафиолетовому) спектру излучения, другие же, наоборот, – к длинноволновому (инфракрасному).

Вольтамперная характеристика Iф = f(Uф) – зависимость фототока от величины приложенного к фотоэлементу напряжения позволяет правильно рассчитывать электрические схемы с подобными датчиками. Принципиальная схема включения этих фотодатчиков на примере вакуумного фотоэлемента представлена на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Схема включения фотодатчика

Интегральная чувствительность фоторезисторов значительно выше, чем у фотоэлементов, но она зависит от величины напряжения источника питания, а световая характеристика полупроводниковых материалов, используемых для изготовления фоторезисторов, в большинстве случаев, нелинейная.

Вентильные фотоэлектрические датчики значительно отличаются от рассмотренных выше фотоэлементов и фоторезисторов. Они являются датчиками-генераторами, световая энергия в которых непосредственно преобразуется в электрическую энергию, и они могут работать без посторонних источников питания.

Конструктивно (рис. 2.17) вентильные фотоэлементы представляют собой металлическую основу 4, на которую нанесен слой полупроводникового материала 3, а сверху полупроводниковый материал закрыт очень тонким полупрозрачным слоем металла (золота) 2 с контактным кольцом 1 для токосъема. Величина фототока вентильных фотодатчиков зависит не только от его освещенности, но и от параметров внешней нагрузки этих датчиков, что необходимо учитывать при правильном их использовании.

Рис. 2.17. Вентильный фотоэлемент

Современные разработки полупроводниковых материалов и технологий в области микроэлектроники позволили настолько уменьшить размеры подобных фотодатчиков, что на площади менее 1 см2 их количество составляет свыше 1 млн.шт. (пикселей).

К вентильным фотодатчикам относятся селеновые фотоэлементы, фотодиоды и фототранзисторы, получившие в настоящее время очень широкое применение, особенно в системах дистанционного управления совместно со светодиодами.

Достоинства фотодатчиков (небольшие размеры, особенно у полупроводниковых, высокая чувствительность, отсутствие механических элементов, малая инерционность) обеспечили им широкое применение для самых различных целей. Фотодатчики используются в приборах, регистрирующих появление или отсутствие светового излучения; в устройствах для измерения освещенности или величины светового потока и в фотореле. В настоящее время они широко применяются для преобразования световой энергии в электрическую в современных цифровых устройствах (компьютерах, видео и фотокамерах). Кроме этого, они входят в состав многих электронных приборов, таких как оптроны и, наконец, они являются основными преобразователями, на которых работают солнечные батареи.

Работа термоэлектрических датчиков основана на том, что в контуре, состоящем из двух различных металлов, возникает э.д.с. постоянного токаe = k(t1-t2), пропорциональная разности температур, в которой находятся точки соединения (спаи) проводников из этих металлов. Под действием этой термо-э.д.с. в контуре будет протекать электрический ток, т.е. в этой термопаре, как принято называть такой датчик, происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Чтобы измерить величину термо-э.д.с., в этот замкнутый контур цепи необходимо включить измерительный прибор – милливольтметр (рис. 2.18). В результате, по величине вырабатываемой э.д.с., пропорциональной разности температур левого (рабочего) спая и его свободных концов, по показанию милливольтметра, можно судить о величине температуры рабочего спая. В измерительной технике такой прибор (термопара и милливольтметр) получил название пирометр. Для увеличения чувствительности подобных измерителей температуры используют последовательное соединение нескольких термопар.

 

Рис. 2.18. Схема включения термопары

Для изготовления термопар используют специальные высокотемпературные сплавы и металлы, позволяющие контролировать более высокие, по сравнению с рассмотренными ранее термосопротивлениями, значения температур (до 2000…2500оС). Именно поэтому термоэлектрические датчики получили очень широкое применение в металлургии.

Включаются термопары либо по схеме непосредственного измерения температуры (пирометры), при котором шкала милливольтметра градуируется предварительной тарировкой, но чаще используется компенсационная измерительная схема, позволяющая значительно повысить точность измерения температуры (см. раздел 3.1. Схемы включения датчиков).

Помимо рассмотренного прямого термо-эффекта имеет место и обратный термоэлектрический эффект, при котором электрическая энергия преобразуется в тепловую – явление Пельтье (по имени Ж. Пельтье, французского физика). Но в этом случае используются специальные полупроводниковые материалы, а применяются такие преобразователи для создания высокоэффективных холодильных установок в медицине, биологии, вакуумной технике и физике.

Явление термоэффекта необходимо учитывать в строительстве при сооружении конструкций из разнородных металлов, т.к. в подобных сооружениях под действием термо-э.д.с., возникающей в местах контакта этих металлов, из-за влияния вредных окружающих условий (влага, кислотность и пр.) возможно их преждевременное старение и разрушение.

Работа пьезоэлектрических датчиков основана на пьезоэлектрическом эффекте. Прямой пьезоэлектрический эффект – это появление электростатических зарядов электричества на поверхности некоторых диэлектриков при их деформации. Этим свойством обладают кристаллы кварца, турмалина и некоторых драгоценных камней, а также специально разработанные для этих целей материалы – сегнетоэлектрики (сегнетовая соль, титанат бария, дигидрофосфат аммония и др.). Например, в кристаллах кварца имеются три ортогональных оси: электрическая, механическая и оптическая, но электрические заряды на поверхности кристаллов появляются лишь при деформациях вдоль первых двух осей, а при сжатии вдоль оптической оси пьезоэффект не наблюдается.

Так как величина возникающего при деформации заряда мала (чувствительность кварца к давлению составляет лишь 2,1•10-11 кулон/кг), то для ее увеличения применяются несколько кристаллов, соединенных параллельно (рис. 2.19) или последовательно с учетом полярности. Малая величина заряда, к тому же, создает опасность его быстрого стекания через подключенную нагрузку, поэтому приходится использовать для его измерения специальные электрометрические усилители с очень высоким входным сопротивлением.

Процесс стекания зарядов ограничивает и область применения пьезоэлектрических датчиков особенно для контроля процессов, медленно изменяющихся во времени. Однако высокая собственная частота подобных датчиков позволяет весьма успешно использовать их для измерения быстро изменяющихся (с частотой в несколько килогерц) давлений, усилий, ускорений, вибраций и деформаций.

Необходимо отметить, что для диэлектриков также имеет место и обратный пьезоэлектрический эффект – деформация диэлектриков при воздействии на них электрического поля, т.е. под действием приложенного напряжения, и это свойство в устройствах автоматики тоже широко используется.

Современные материалы – сегнетоэлектрики имеют более высокую чувствительность и позволяют получать высокие значения выходного напряжения (до нескольких десятков и даже сотен вольт). Поэтому подобные преобразователи используют в качестве источников электрической энергии в некоторых системах зажигания. Пьезоэлектрические датчики часто применяют в весоизмерительных установках для взвешивания транспорта во время его движения. Кроме этого, они широко используются в качестве акустических излучателей и приемников, в частности, для контроля качественных параметров строительных материалов и конструкций и, конечно, в звукотехнике (микрофоны, звукосниматели и даже громкоговорители).

В индукционных датчиках используется явление электромагнитной индукции, т.е. возникновение электродвижущей силы в проводнике при движении его в магнитном поле (е = -Blv)или при изменении величины магнитного поля относительно неподвижного проводника (е = -dФ/dt), согласно закону электромагнитной индукции.

Индукционные датчики являются датчиками-генераторами, в которых входная величина (угловое, линейное перемещение или угловая скорость) непосредственно преобразуется в электродвижущую силу. Например, тахогенераторы – датчики угловой скорости, которые представляют собой генераторы постоянного или переменного тока небольшой мощности, вырабатывающие э.д.с., пропорциональную скорости вращения рабочего органа. Для измерения угловых перемещений широкое применение получили вращающиеся трансформаторы и сельси́ны, которые конструктивно также являются электрическими машинами малой мощности, работающими от сети переменного тока. Так в сельси́нах (рис. 2.20), переменный ток i, проходящий по обмотке возбуждения статора, создает внутри его переменное синусоидальное магнитное поле , и оно, согласно закону электромагнитной индукции, индуцирует в роторных обмотках электродвижущую силу, величина которой зависит от угла поворота ротора сельси́на α относительно его статора.

Рис. 2.20. Схема сельси́на

При использовании системы, состоящей из двух сельси́нов, включенных по трансформаторной схеме, её выходное напряжение пропорционально угловому перемещению ротора одного из сельси́нов в определенных пределах изменения этого угла.

В гальванических датчиках используется явление электрохимической реакции в растворе электролита с находящимися в нем электродами, а это – возникновение электродвижущей силы в результате восстановительной реакции на положительном электроде и окислительной на отрицательном. Конструктивно эти датчики аналогичны рассмотренным выше электролитическим датчикам, но в гальванических используются электроды, изготовленные из разных материалов и в них происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Величина получаемой при этом э.д.с. зависит как от материала электродов, так и от состава электролита. На этом принципе работают все гальванические источники питания, такие как аккумуляторы и батареи, применяемые в качестве автономных источников электрической энергии и рН-метры – приборы для измерения кислотности различных материалов и растворов.

В технике широко используются полярографические преобразователи, сочетающие в своей работе свойства и гальванических и электролитических датчиков. Такие преобразователи предназначены для целей качественного и количественного анализа растворов и материалов, результаты которого представляются в виде кривой (вольтамперной характеристики). Этот метод был разработан российским ученым Горовским в 1922 году и в его основе лежит зависимость между силой тока и концентрацией вещества в растворе, обусловливающей величину этого тока.

Основное применение метода – это определение примесей различных металлов (меди, свинца, кадмия, цинка, талия и др.) в реактивах, сплавах, рудах, причем при их очень низкой концентрации. Например, в системах водоснабжения такие датчики используются для контроля наличия тяжелых металлов в питьевой воде. Предназначенные для этого приборы – полярографы записывают полярограмму – кривую зависимости силы тока, протекающего через раствор (воду) от приложенного напряжения (рис. 2.21).

Наличие резкого увеличения тока (скачка на вольтамперной характеристике) при определенном значении напряжения указывает на присутствие в растворе конкретного металла, которому соответствует именно эта величина напряжения. Процентное же содержание металла в растворе определяется величиной этого увеличения (скачка тока) при соответствующем напряжении.

Датчик Холла – полупроводниковый преобразователь силы электрического тока в напряжение (э.д.с. Холла), действие которого основано на эффекте Холла. Эффект Холла – это возникновение поперечного электрического поля в проводнике или полупроводниковом материале с током, при помещении его в магнитное поле (рис. 2.22).

Читайте также:

lektsia.com

Шпора Схемотехника Шпоры

1.Датчики. Классификация. Основные виды датчиков. Область применения. Большинство причин характеризующие технологические процессы имеют не электрический характер (температура, давление, влажность, скорость), поэтому в автоматических системах применяют разнообразные преобразования не электрической величины в электрическую – датчики. Основным параметром датчика является – динамическая чувствительностьв: к=∆у/х∆ (∆у - изменение выходной величины, х∆ - изменение входной величины). Дополнительные требования к датчикам: 1. точность преобразования 2. быстродействия В настоящее время находят применение большое количество датчиков которые классифицируются: - по входной величине: механические, термические, гидравлические, пневматические, оптические, акустические, радиоволновые. - по принципу действия: параметрические, генераторные. Параметрические датчики преобразуют входную величину в параметры электрической цепи: R,C, L. Генераторные датчики преобразуют энергию входной величины в электрическую энергию. 5.Устройства отображения информации. Основные параметры. Активные и пассивные индикаторы. Автоматические системы обрабатывают электрический сигнал, человек воспринимает выходную информацию в виде визуальных и звуковых сигналов. Звуковая форма в основном применяется в системах радиосвязи и радиовещании, в качестве преобразований служат микрофоны и громкоговорители. Задача звукового отображения информации в автоматических системах управления сложна. По коду цифрового сигнала (набор цифр или букв) необходимо создать образ звукового сигнала. Эти задачи выполняются устройствами синтетической речи при помощи специальных ЭВМ. Применение их ограничено из – за плохой разборчивости. В автоматических системах 90% информации отображается в визуальном виде. Средство визуального отображения информации делится на регистрационные и наглядные. К регистрационным средствам относится: самописцы, печатные устройства, фотографические и т. д. Все они относятся к механическим средствам. К наглядным средствам относятся индикаторные устройства и дисплеи. Индикаторные устройства реализуются на основе электросветовых индикаторов и электронно – лучевых трубок. Буквенно – цифровые и графические дисплеи реализуются на основе электронно – лучевых трубок и индикаторных матриц. Основные параметры устройств визуального отображения информации: 1.разрешающая способность (характеризует минимальные размеры различаемых деталей изображения, выражается в числе различных линий на один см высоты или ширины, измерение этого параметра производиться по специальным таблицам) 2.сила света излучения единичной площадью поверхности 3.контрастность – это сравнительная яркость изображения и фона 4.цвет (используется трехкомпонентная теория цвета). В цветных дисплеях цвет применяется в качестве кода для представления информации. 5.мелькания (частота изменения яркости изображения, вызванных процессов поэлементного высвечивания. Мелькания не наблюдаются если частота регенерации изображения 50Гц. Индикаторы делятся на: активные (излучающие свет: лампы накаливания, газоразрядные приборы, полупроводниковые приборы), пассивные (работающие на отображение света внешних источников: шкалы измеряемых приборов, цифровые индикаторы). 8. Электронной – лучевые трубки. Принцип действия. Область применения. Различают однолучевые и многолучевые, монохромные и цветные. ЭЛТ с электростатическим управлением: 1.катод формирует электронный пучек 2.управляющий электрод, определяет интенсивность электронного пучка 3.ускоряющие и фокусирующие электроды, формируют узкий остро направленный электронный луч 4.откланение пластины, горизонтальные и вертикальные, определяют пространственное положение луча. Электронно лучевая трубка с магнитным управлением. В этих трубках фокусировка и отклонение электронного луча осуществляется магнитным полем. 1.катод формирующий электронный пучек 2,3 – электроды осуществляют первичную фокусировку луча. Основное управляющее воздействие на луч оказывает фокусная катушка (М). На электронный пучек действует электромагнитное поле катушки и заставляет совершать вращательное движение вокруг оси трубки. Система с магнитным отклонением позволяет получить более мощный луч, отсюда более яркое свечение экрана и лучшее качество фокусировки. Из – за сложностей систем магнитного отклонения такие устройства применяются в системах радиолокации и навигации. Многолучевые трубки: применяются для отображения нескольких одновременно протекающих процессов. Каждый луч формируется отдельным катодом и управляется независимыми отклоняющимися системами. Цветные электронно лучевые трубки (цвет свечения экрана зависит от минофора). Электроно лучевые трубки применяются: в осциллографах, в телевизионных, буквенно цифровых и логических дисплеях. 4. Полупроводниковые датчики. Принцип действия. Область применения. Полупроводниковые датчики бывают: без р-n перехода (терморезисторы: применяется для измерения температуры, мощности, температурной компенсации измерительных приборов и схем с транзисторами, фоторезистор: годятся для работы при низкой освещенности), с одним p-n переходом (вентильный фотоэлемент, фотодиод: силовое преобразование лучистой энергии, солнечная батарея: преобразует световую энергию в электрический ток), с двумя p-n переходами (фототранзистор: применяется для дополнительного усиления первичного фототока). Принцип действия основан на использовании свойств полупроводников. Фоторезистор - включенный в цепь источника постоянного или переменного напряжения он изменяет величину электрического сопротивления в зависимости от уровня освещенности, также изменяет величину тока в цепи. Терморезистор – при повышении температуры на каждый градус сопротивление его уменьшается на несколько процентов. Вентильный фотоэлемент – имеет запорный слой, генерирует ЭДС под действием падающего на него света. Фотодиод – при его освещенности возрастает проходящий через него ток. солнечная батарея – применяется в основном для питания космической техники. Фототранзистор – управление тока эмиттера производиться путем освещения области базы светом, концентрация носителей увеличивается при этом избыточные носители оставаясь базе придают ей заряд, что еще больше увеличивает ток коллектора. 16. АЦП ЦАП. Принципы квантования и кодирования аналоговых сигналов. В большинстве случаев получаемый от источника информации сигнал представлен в виде непрерывно меняющейся по своему значению величины (U, J), преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую выполняет АЦП и ЦАП. АЦП – это устройство для автоматического преобразования непрерывно меняющейся аналоговой величины в цифровой код. Процесс преобразования включает процедуры квантования и кодирования, при квантовании непрерывная величина преобразования в последовательность ее мгновенных значений. Выделенных по определенному закону. Чаще всего в качестве исходной величины берут ток, или напряжение. При квантовании по времени ток пропускают через контакты периодически включенного реле. В результате образуется последовательность импульсов амплитуда которых соответствует мгновенному значению тока, в момент замыкания реле. При кодировании мгновенные значения замеряются и результаты фиксируются в виде цифрового кода. Процесс квантования и кодирования выполняется с помощью аналоговых и цифровых интегральных схем, микропроцессоров. АЦП широко применяется в измерительных информационных системах в регистрирующих приборах, в установках автоматического управления и т. д. ЦАП – это электронное устройство для автоматического преобразования цифровых кодов в эквивалентной им значение физической величины. Коды обычно представляются в двоичной, в десятичной или другой системах исчисления. Выходные величины представляют собой временные интервалы, угловые перемещения, токи, напряжения и т. д. Преобразование обычно осуществляется двумя способами: 1.шаговым электродвигателем на который подается последовательность импульсов отображающее преобразованный код 2.электрическим с заряжаемого последовательностью эталонных импульсов число которых соответствует коду. ЦАП входят состав систем автоматического регулирования и управления выполняется в виде интегральных схем. 14. Ждущий мультивибратор. Принцип действия. Область применения. Для получения прямоугольных импульсов применяют мультивибратор. Он может быть собран не только на дискретных элементах, но и на логическом элементах и на операционном усилителе. Если необходимо получение одиночного импульса применяют ждущий мультивибратор или вибратор. Одно вибратор имеет одно квазиустойчивое состояние и другие состояния в которых он может находиться сколь угодно долго из этого состояния он выводится входным положительным импульсом (запускающий). При включении питания VT2 открывается и выходное напряжение =0. напряжение поступающее по цепи обратной связи, через R2 поддерживает VT1 в запертом состоянии. При этом через резистор Rк1 и отркрытый VT2 происходит зарядка конденсатора, наступившее после этого стационарное состояние сохраняется до тех пор пока на вход не поступит положительный запускающий импульс, при этом VT1 откроется и переходит в режим насыщения. Отрицательное напряжение с коллектора VT1 через конденсатор подается на базу VT2 и запирает транзистор. При этом выходное напряжение =Е. Это напряжение через цепь обратной связи поддерживает VT1 в открытом состоянии даже после окончания входного импульса. Длительность импульса на выходе определена временем перезарядки конденсатора, который перезаряжается через R3 и открытый VT1. 15. Генераторы и формирователи импульсов на логических элементах. τu=τn, ↑c ↑τ Длительность выходных импульсов зависит от емкости цепи обратной связи. Формирователь импульса: при реализации числовых устройств часто бывает необходимо сформировать короткие импульсы по фронту сигнала, также импульсы используют в схемах синхронизации, в регистрах, в счетчиках. Первые три элемента «И-НЕ» инвертируют сигнал и задерживают его на время t=75нсек. На последний элемент поступает два сигнала. Выходной импульс формируется по положительному перепаду входного напряжения, длительность импульса зависит от времени задержки.

2. Контактные, потенциометрические, индуктивные, емкостные датчики. Термисторы. Принцип действия. Область применения. Параметрические: Контактные датчики: предназначены для дискретных изменений механических перемещений. Он замыкает или размыкает электрическую цепь при перемещениях достигших заданной величины. Применяется в клавишных устройствах ввода информации, в системах контроля размера детали на конвейере. Конструкция датчика каждый раз зависит от конкретной задачи. Недостатки: невысокая надежность, загрязнение контактных соединений, большая инерцианальность. В последнее время в качестве контактного датчика широко применяются герконы (герметически магнито – управляемый контакт). Геркон выполнен в виде стеклянной герметизированном корпусе в который впаяны два пружинящих отрезка феромагнитной проволоки под действием внешнего магнитного поля концы проволоки намагничиваются разноименно и притягиваются замыкая контакт. Герконы имеют высокую надежность при большом сроке службы. потенциометрический датчик: служит для изменения угловых механических перемещений (реостаты включение по схеме потенциометра). Связав движок потенциометра с механическим чувствительным элементом – мембраной, поплавком, рычагом, можно контролировать давление, уровень житкости, скорость потока воздуха и т. д. Достоинства: простота конструкции и возможность использования в цепях постоянного и переменного тока. Недостаток: наличие подвижного контакта, а отсюда низкая надежность и ограниченный срок службы Индуктивные датчики: это катушки, индуктивность которых меняется при изменении конструктивного параметра, применяется для измерения механических перемещений. Датчик состоит из катушки навитой на ферромагнитный сердечник и ферромагнитного якоря механически связанного с контрольным объектом. При смещении якоря меняется зазор L, отсюда меняется индуктивность цепи, при этом меняется L=>Rн=L ω, следовательно напряжение на нагрузке. Датчики такого типа изменяют малое перемещение от 0,01 до 0,3 мм. Для изменения больших перемещений нескольких мм, применяют датчики с якорем перемещающим внутри катушки. Индуктивные датчики широко применяются в системе обнаружения металлических предметов (миноискатели, системы обнаружения руды). В этих случаях датчик представляет собой катушку без сердечника включенную в колебательный контур нагрузки генератора, при появлении вблизи катушки металлического предмета, меняется ее индуктивность, при этом меняется частота генерации, что фиксируется измерительным прибором. Достоинства: высокая чувствительность. Недостаток: работает только на переменном токе. Емкостный датчик: это конденсатор емкость которого меняется при изменении контрольной величины. Емкость конденсатора зависит: 1.от размеров обкладок конденсатора 2. от расстояния между обкладками 3. от диэлектрической проницаемости среды между обкладками. Существует три разновидности датчиков: 1. с переменной рабочей площадью обкладок 2. с переменным расстоянием между обкладками 3. с переменной диэлектрической проницаемостью Достоинства: высокая чувствительность, простота конструкций, малая инерцианальность. Недостаток: сильное влияние внешних электромагнитных полей (температура и влажность окружающей среды). Терморезисторы ( термистор). Применяются металлические и полупроводниковые термисторы. Металлические термисторы имеют положительный температурный коэфициент сопротивления то есть при увеличении температуры их сопротивление увеличивается. Полупроводниковые термисторы обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Диапазон измерительных темпер. металлических термисторов зависит от применяемого металла. Платиновые т. –200+600с0, медные т. – 50 +150. Точность измеряется: пластиновые термис. + -0,1с0, медные + -1с0. при измерении более высоких температур термистор окисляется. В зависимости от применения термисторы имеют различную конструкцию, нити, спирали, катушки и т. д. Недостаток металлических термисторов: большая инерционность от 1 до10 сек. Полупроводниковые тер. имея диапазон измерительных температур от –100 до+120, они обладают высокой чувствительностью и малой инерционностью. Применяются: для измерения температур, мощности, для температурной компенсации измерительных приборов 11. Реле. Принцип действия. Область применения. Реле – устройство производящее (в результате какого-либо внешнего воздействия) скачкообразные изменения тех или иных параметров системы, которой данное реле управляет. Электромагнитное реле – это электромеханический прибор, который может управлять другим электрическим устройством. Принцип работы: реле представляет собой стержень из мягкого железа – сердечник, на который насажена катушка содержащая определенное число витков изолированного провода. На Г-образном корпусе, называемом ярмом, удерживается якорь – пластина из мягкого железа, согнутая под прямым углом. Сердечник, ярмо и якорь образуют магнитопровод реле. На ярме же укреплены пружина с контактами, замыкающие и размыкающие питание исполнительной цепи. Пока ток через обмотку реле не идет, якорь под действием контактных пружин находиться на некотором расстоянии от сердечника. Как только в обмотке появляется ток, его магнитное поле намагничивает сердечник и он притягивает якорь, в этот момент другой конец якоря надавливает на контактные пружины и замыкает исполнительную цепь. При прекращении тока в обмотке цепь размыкается. Применяется для автоматических устройств, для аппаратуры телеуправления. Для повышения чувствительности электромагнитного реле применяют транзисторные усилители электрических сигналов, такое реле называется электронным. В основном все реле работают по времени то есть включаются и выключаются после определенного промежутка времени, к ним относятся: электромагнитные (выдержка времени регулируется пружиной), индукционные (положением контактов установленных на оси вращения диска), термические (определяется временем нагревания специальной биметаллической пластины), электронные (величиной сопротивления). 9. Усилители в системах автоматического регулирования. Чаще всего необходимо плавно регулировать работы исполнительного механизма, в этих случаях применяют усилители постоянного тока. Это схема апериодического усилителя без разделительных конденсаторов. В качестве усилителя постоянного тока применяют составные транзисторы. К=К1•К2. Достоинства: 1.усиливает самые низкие частоты 2.имеет большой коэффициент усиления. Недостатки: 1.большая чувствительность к изменению температуры 2.усилительное свойство каждого транзистора используется не полностью. Усилитель напряжения звуковой частоты. В качестве датчика работает микрофон. Переменный сигнал с микрофона подается на базу транзистора работающего в усилительном режиме. Резистор R1 задает положение рабочей точки на входной характеристике транзистора. Разделительный конденсатор убирает постоянную составляющую сигнала. В качестве нагрузки в коллекторной цепи транзистора включен громкоговоритель, преобразующий электрические колебания в звуковые. Усилитель фототока. Светочувствительным датчиком служит фоторезистор, который определяет базовый ток транзистора VT1. Темновое сопротивление резистора велико, напряжение на базе транзистора минимально, транзистор закрыт, при освещении датчика его сопротивление уменьшается, что приводит к открытию транзистора. Эммиторный ток первого транзистора откроет второй транзистор в коллекторной цепи у которого стоит лампочка HL1. Электронный сторож. В качестве датчика служит медный провод который подключается параллельно переходу БЭ. Пока провод цел ток от источника питания протекает через него и R1. сопротивление провода незначительно. Напряжение на базах равны, при обрыве провода сопротивление участка БЭ резко возрастет, транзисторы открываются в коллекторной цепи VT2 протекает ток достаточный для срабатывания звонка. Сигнализатор уровня температуры. Если температура объекта не превышает установленного уровня. Терморезистор имеет большое сопротивление. Уровень напряжения на Б низкий следовательно Т1 закрыт, его сопротивление велико, ток протекает по цепи: «+»,R3,VД1,R5, «-». При нагревании объекта R терморезистора падает, следовательно открывается Т1, его R падает, ток протекает по цепи «+»,R4,VД2,VT1, «-». 17. Системы автоматики. Классификация. Замкнутые и разомкнуты системы. Любая автоматическая система состоит из двух частей: - управляющее устройство, - объект управления. Процесс управления осуществляется при помощи передачи от одной части системы к другой. В зависимости от способа использования информации различают разомкнутые системы и замкнутые. Информация от внешнего источника поступает в управляющее устройство. В зависимости от характера информации УУ вырабатывает определенные воздействия. При этом объект управления меняет свое состояние, но информация об этом изменении не используется (автоматы уличного освещения, кипятильник). В этих системах отсутствует контроль за состоянием объекта, в реальных системах управления подвержен влиянию заранее непредвиденных возмущений, помех. Они могут появиться при изменении внешних условий (температура, влажность, вибрация) и изменения внутреннего состояния системы (нестабильность источника питания, люфт движущихся деталей). Разомкнутые системы в этом случае оказываются неработоспособными. Используются замкнутые системы в которых управляющее воздействие вырабатывается на основе информации об отклонении регулируемой величины от требуемого значения. Управляющее устройство производит сравнение фактического и заданного значения выходной величины. Сигналы поступающие с объекта управления на вход УУ называют сигналом обратной связи или системы обратной связи.

3.Генераторные датчики. Принцип действия. Область применения. 1.термопара (применяется для измерения температуры). Принцип действия основан на использовании эффекта возникновения ЭДС, при нагревании контактной пары из 2 разнородных металлов. Состоит из двух термо электродов из разных металлов, одни концы спаяны и место спая помещается в область контролируемой температуры, дапазон измерительных темп. зависит от свойств металлов, используются тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, можно контролировать температуру до 20000с. максимальное значение выходного напряжения до 50 Мв. Недостаток: большая инерцианальность (несколько сек.) 2. пьезо электрический датчик. Изготавливается из кварцевой пластины на противоположные стороны которой напыляются электроды с выводами. При сжатии пластины на ее поверхности образуются электрические заряды, величина заряда пропорциональна сжимающей силе. Применяется: для изменения давления и вибрации. Достоинства: безинерционность. 3.фотодиоды и фототранзисторы. В работе датчиков используется явление фотоэффекта. Достоинства: высокая чувствительность, малые размеры и отсутствующие механические связи с измеряемым объектом. Недостаток: большая зависимость характеристик датчика от температуры окружающей среды. 6. Светодиодные, газоразрядные, люминесцентные, жидкокристаллические индикаторы. Принцип действия. Область применения. Светодиодные индикаторы – это отдельные или сгруппированные светодиоды. Управляются светодиоды при помощи транзисторных ключей. Благодаря усилительным свойствам транзистора ток источника сигнала может быть в десятки раз меньше прямого тока светодиода. Семисегментные индикаторы – изображение цифры составляется из 7 светодиодных сегментов, на основе этих индикаторов создают многоэлементные матрицы у которых число святящихся точек ≈104. такие матрицы используются как экраны вмещающие примерно пол страницы машинного текста. Газоразрядные индикаторы: принцип действия основан на электрическом разряде в газах, при этом электроны переходят на более низкий энергетический уровень и газ излучает свет. Цвет свечения зависит от газа заполняющего прибор (гелий – желтое, неон – оранжевое, аргон – фиолетовое). Газоразрядные индикаторы бывают: 1.знаковыми 2.школьными 3. универсальными представленными в виде панелей содержащих в 104-105 элементарных ячеек. Для получения нового изображения создаются многослойные прозрачные панели каждая из которых излучает свой свет. Люминесцентные индикаторы: это электронно – вакуумные лампы с катодом, управляющей сеткой и несколькими анодами. Аноды покрыты слоем люминофора который начинает светиться при попадании на него потока электронов. Жидкокристаллические индикаторы: индикаторы пассивного типа. Принцип действия основан на изменении степени прозрачности органических жидкокристаллических веществ находящихся в электрическом поле (часы, калькуляторы, мониторы). 7. принцип отображения информации в цифровых устройствах. Буквенно цифровой дисплей. Все знаковые индикаторы подключаются к цифровым стройствам через дешифраторы, при увеличении числа светящихся точек быстро возрастает разрядность дешифратора, поэтому индикаторные элементы матричных панелей подключаются к дешифраторам через адресные шины. При отображении буквенно – цифровой информации используется дешифратор и блок ПЗУ. Дешифратор преобразует код цифры или буквы в двумерный код описываемый графическое изображение знака. ПЗУ хранит информацию о конфигурации всех отображаемых знаков в виде двумерных кодов. Управляются матричные панели 2 способами: 1.статическим 2.динамическим. При статическом способе управляющее устройство находит адреса светящихся точек и подключает соответствующие провода к источнику питания, выбранные элементы излучают свет до смены изображения, такой способ удобен для индикации результатов измерений (данных графика и т. д.). При динамическом способе отображается подвижные изображения. Отдельные ячейки панели возбуждаются импульсным источником и излучают свет в течении короткого интервала времени. Все изображение получается путем многократного возбуждения, которое осуществляется последовательно строка за строкой. Такой способ используется и для телевизионного изображения. Блок схема буквенно цифрового дисплея. Коды знаков подлежащих отображению, поступают в управляющие устройство или с клавиатуры или с внешней ЭВМ. УУ содержит набор буферных регистров для оперативного хранения и преобразования кодов поступающей информации. Таймер (Т) – вырабатывает тактовые импульсы для синхронного запуска генератора знаков и устройства разверток. Устройство разверток (УР) – вырабатывает сигналы управляющие перемещением луча по горизонтали и вертикали. Генератор знаков (ГЗ) – содержит ПЗУ с кодами конфигурации знаков и устройство формирования видео сигнала. 10. Усилители в интегральном исполнении. Применение операционных усилителей в компараторах. Современные технологии позволяют получить на одном кристалле полу проводника 1000 транзисторов. Операционный усилитель – это многокаскадный усилитель постоянного с большим коэффициентом усиления, с большим входным сопротивлением, с малых выходным сопротивлением. Применяется для усиления сигнала и для выполнения различных математических операций (суммирование, вычитание, интегрирование, дифференцирование). К=5 Х 106. «-» инвертируемый вход, «+» не инвертируемый вход. Если на вход «+» подать положительный потенциал, то на выходе потенциал увеличится, если на вход «-» подать положительный потенциал, то на выходе потенциал уменьшается. Усилитель звуковой частоты. Резисторы R1, R2 – образуют цепь обратной отрицательной связи. Операционный усилитель дает слишком большой коэффициент усиления и введением обратной связи его снижают, при этом выравнивается частотная характеристика усилителя. 1.без обратной связи 2.с обратной связью Компараторы – это устройства предназначенные для сравнения двух напряжений и для фиксации момента равенства их значений, в качестве компаратора используют операционный усилитель. -при сравнении напряжения одного знака одно из них подается на инвертируемый вход другие на не инвертируемый вход. Если Uвх.1>Uвх2, то на выходе формируется напряжение соответствующее логической единице, если наоборот, то 0. при сравнении напряжений разных полярностей они подаются на один вход через резисторы. если Uвх.1>Uвх2, R1=R2. 12. Ограничители амплитуды сигналов на диодах, стабилитронах, транзисторах. -это четырех полюсники выходное напряжение которых перестает меняться как только входное напряжение превысит определенный предел, который называется порогом ограничения. Односторонний ограничитель. -принцип действия ограничителя основан на том, что сопротивление диода в прямом направлении мало (ед. Ом), а в обратном направлении велико (100 к Ом). Двухсторонний ограничитель. Двухсторонний ограничитель на стабилитронах. Коэффициент передачи диодных ограничений <1, чтобы его повысить применяют ограничители на транзисторных или операционных увеличителях. Для получения на выходное импульсов прямоугольной формы источник входного сигнала _∏_ должен обеспечить переброс транзистора из режима запирания в режим насыщения. При входном напряжении меньше напряжения стабилизации VD1-VD2 стабилитроны закрыты, обратной связи в усилителе нет, поэтому коэф. усил. очень большой при Uвх>Uстаб. стабилитроны отпираются, создается обратная отрицательная связь к<<1. 13. Селекторы. Принцип действия. Это устройства для выделения из множества импульсов только таких которые обладают заданными параметрами. Селектор по амплитуде. При соответствующем выборе Еогр. на выход проходят только те импульсы у которых амплитуда U>Еогр. Селектор по длительности. Элемент & работает как схема л.з. – линия задержки – это устройство для задержки сигналов на некоторый заданный промежуток времени. Различают: 1.акустические 2.электрические линии задержки. Входной сигнал поступает на первый вход элемента И непосредственно, а второй с задержкой t3. Если длительность входного сигнала > заданного времени задержки, то основной и задержанный импульс некоторое время действует на входе U одновременно. При этом на выходе устройства появляется сигнал свидетельствующий о импульсе с длительностью >t3.

works.tarefer.ru

Генераторные датчики

Механика Генераторные датчики

просмотров - 551

Темы рефератов

1. Датчики линœейных и угловых перемещений

2. Датчики влажности

3. Контактные датчики

4. Тензодатчики

5. Датчики для измерения температуры

6. Погрешности датчиков активного сопротивления

7. Погрешности емкостных датчиков

8. Погрешности индуктивных датчиков

9. Индуктивные датчики

10. Датчики Холла

11. Потенциометрические датчики

12. Методы дистанционных измерений с помощью датчиков

13. Параметрические датчики в системах охранной сигнализации

14. Перспективные датчики активного сопротивления

15. Новые датчики реактивного сопротивления

16. Датчики тока

17. Погрешности датчиков температуры

18. Дистанционные измерения с помощью емкостных датчиков

19. Дистанционные измерения с помощью индуктивных датчиков

20. Примеры использования датчиков Холла в измерительной технике.

К генераторным датчикам, в принципе, бывают отнесены всœе те, которые не относятся к параметрическим. Это термоэлектрические, пьезоэлектрические, фотоэлектрические, тахометрические, электролитические, химические и др.

Принцип действия термоэлектрических датчиков основан на явлении термоэлектрического эффекта͵ заключающегося в том, что если два разнородных проводника соединить одними концами к одной точке, получить термопару, и место соединœения нагреть, то между свободными «холодными» концами проводников появится ЭДС. Величина этой ЭДС зависит от материалов, из которых изготовлены элементы термопары и от разности температур соединённых и свободных концов (t – t ).

К материалам, используемым для изготовления электродов термопар, предъявляются требования: механическая и химическая устойчивость при высоких температурах; хорошая электропроводность; постоянство термоэлектрических свойств; однозначная зависимость термо-ЭДС от температуры.

Чувствительность термопары S определяется из градуировочного графика

где ΔЕ приращение ЭДС, обусловленное малым изменением температур Δ(t - t ).

Свободные концы электродов термопары соединяются с измерителœем посредствам проводов. В случае если материал соединительных проводов и материалы электродов термопары различны, то в местах соединœения их также будут создаваться термо-ЭДС, величины которых зависят от температуры окружающей среды.

Для уменьшения погрешности термопары из-за паразитных ЭДС за счёт температур свободных концов и подводящих проводов могут использоваться мостовые схемы измерения с компенсирующими терморезисторами.

Инерционность термопар определяется их конструкцией, условиями теплообмена с окружающей средой. Постоянная времени термопар может находится в пределах от единиц до нескольких сотен секунд.

К недостатку термопар следует отнести малую величину их выходного напряжения. Для повышения выходного напряжения с термодатчика осуществляют включение нескольких (n) термопар последовательно. В результате выходное напряжение термодатчика увеличивается в n раз.

Весьма перспективными и постоянно совершенствующимися являются пьезоэлектрические датчики. В них используется эффект появления зарядов на гранях кристалла при его механической деформации. Наибольший пьезоэффект проявляется у кристаллов турмалина, кварца, сегнетовой соли, поляризованной керамики титаната бария и ряда других материалов.

При силе, действующей на пластину вдоль электрической оси, величина разности потенциалов, образуемая между металлическими электродами, сжимающими пластину (рис, 3,1) может быть определœена из выражения

где - коэффициент пьезоэффекта͵ P – усилие, C – ёмкость конденсатора, образуемого электродами и пластиной между ними, - ёмкость измерительной схемы датчика.

Чувствительность датчика

Она может быть повышена за счёт уменьшения ёмкости измерительной схемы. С этой целью датчик изготавливается из нескольких (n) включенных механически последовательно, а электрически параллельно пластин. Следовательно, увеличивается выходное напряжение Uвых датчика (рис. 3.1 а, б).

Чувствительность такого датчика определяют как

Пьезоэлектрические датчики практически безинœерционны, в связи с этим их используют для исследования быстропротекающих процессов. Для исследования статических режимов эти датчики не применяются из-за утечки зарядов через объёмную и поверхностную проводимость пластины и сопротивление изоляции соединительных проводов. Так как пьезодатчики являются одними из наиболее перспективных, то крайне важно привести их классификацию.

Одна из главных целœей любой классификации – выделœение общего, присущего ряду объектов или явлений. С этой точки зрения классификация пьезорезонансных датчиков ставит одной из главных целœей то общее, характерное, что присуще отдельным разновидностям измерительных преобразователœей, относящихся к группе пьезорезонансных датчиков. С этих позиций более полезной является классификация по типу основного эффекта (механизма), ответственного за преобразование, ᴛ.ᴇ. модуляцию параметров пьезорезонатора. Такая классификация позволяет вести с единых позиций анализ измерительных приборов, используемых при измерениях величин, разных по своей природе, но работающих на одном и том же физическом механизме преобразования. В конечном счете это упрощает оценки метрологических характеристик и конструирование приборов.

Классификация датчиков может быть сделана по следующим признакам:

по применяемому материалу: монокристаллические (кварц, ниобат лития и др.), поликристаллические; по виду колебаний: по линœейному размеру, радиальные, изгибные, крутильные, сдвиговые, на поверхностных акустических волнах, комбинированные; по виду физических эффектов: термочувствительные, тензочувствительные, акусточувствительные, гирочувствительные, контактные (использующие контактную жидкость и фактическую площадь контакта), доменно-диссипативные и др.; по количеству пьезоэлеменотов: моноэлементные, биморфные (симметричные, асимметричные), триморфные и т.д.; по назначению: для измерения статических и динамических давлений и усилий, для измерения линœейных ускорений и угловых скоростей, для измерения параметров вибрации, для измерения параметров удара, для измерения звукового давления, для измерения влажности, для измерения вязкости, для гидроакустики, в ультразвуковой технологии, в электроакустике, в устройствах автоматики, в электронной технике и радиотехнике, в медицинœе и т.д.

Согласно предлагаемой классификации, практически всœе пьезорезонансные датчики бывают отнесены к одной из следующих групп.

1. Пьезорезонанасные датчики на основе тензочувствительных пьезорезонаторов, в которых измеряемое воздействие прямо или косвенно создает в пьезоэлементе механические деформации. Преобразование в параметр реализуется через тензочувствительность пьезорезонатора.

2. Пьезорезонансные датчики на основе термочувствительных пьезорезонаторов. В этих датчиках измеряемый параметр прямо или косвенно воздействует на среднюю температуру (или ее распределœение по объему) пьезоэлемента. Преобразование параметра осуществляется посредством термочувствительности пьезорезонатора.

3. Пьезорезонансные датчики на основе пьезорезонаторов, чувствительных к акустической нагрузке, комплексному сопротивлению. В этих устройствах измеряемый параметр модулирует условия излучения ультразвука с колеблющихся поверхностей пьезоэлемента. Механизм, лежащий в основе работы акустических пьезорезонансных датчиков, будем называть механизмом акусточувствительности.

4. Пьезорезонансные датчики на основе масс-чувствительных пьезорезонаторов, использующие зависимость параметров резонаторов от массы вещества, присоединœенного (сорбированного) поверхностью пьезоэлемента. Преобразование параметра в них осуществляется через масс-чувствительность пьезорезонатора.

5. Пьезорезонансные датчики на основе чувствительности к вариациям геометрии прибора, в которых эквивалентные параметры резонаторов меняются при взаимном смещении элементов конструкции пьезорезонатора, к примеру при изменении зазора между электродом и вибратором.

6. Пьезорезонансные датчики на основе гирочувствительных пьезопреобразователœей. В этих устройствах измеряемым воздействием является частота вращения пьезовибратора вокруг оси, перпендикулярной к плоскости колебаний. Работа гиропреобразователœей основана на появлении во вращающемся и одновременно колеблющемся с резонансной частотой вибраторе знакопеременных сил Кориолиса, пропорциональных частоте вращения, и изменяющих направление с частотой колебаний. Силы Кориолиса порождают дополнительные деформации пьезоэлемента͵ преобразуемые через пьезоэффект в электрическое переменное напряжение с амплитудой, пропорциональной частоте вращения, фазой, соответствующей направлению вращения.

Фотоэлектрические датчики - ϶ᴛᴏ ещё одна разновидность генераторных датчиков. Οʜᴎ изменяют свои параметры при воздействии на них световой энергии. Достоинствами их являются простота͵ малые габариты, высокая чувствительность, отсутствие механической связи с преобразуемым процессом. Основными характеристиками фотоэлектрических датчиков являются:

1. Световая характеристика – зависимость фототока от интенсивности падающего на фотоэлемент светового потока.

2. Спектральная характеристика – зависимость фототока от длины падающих лучей при постоянной освещённости.

3. Инерционная (частотная) характеристика – зависимость фототока от частоты изменения интенсивности падающего светового потока.

4. Вольтамперная характеристика – зависимость фототока от прикладываемого между электродами фотоэлемента напряжения при постоянном световом потоке.

Ещё имеются временные и температурные характеристики работы элементов.

Существуют различные виды фотоэлементов: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Чувствительность фотоэлемента определяется как отношение приращения фототока к приращению светового потока

Она зависит от типа элемента и величины нагрузочного сопротивления. Для повышения чувствительности фотоэлементы бывают включены электрически последовательно друг с другом. Инерционность фотоэлементов разного типа различна.

Радиационные датчики - ϶ᴛᴏ те, где используются , или лучи. В состав датчика входят источник и приёмник проникающего излучения.

В качестве источников излучения применяются искусственные радиоактивные вещества (изотопы). Ионизирующие свойства радиоактивных излучений ( , , - лучи) в соединœении с явлениями поглощения (а так- же отражения) излучений, бывают использованы для построения самых разнообразных воспринимающих элементов, преобразующих различные неэлектрические параметры в электрическое напряжение.

В авиационных системах автоматики наиболее удобно применение радиоизотопов для преобразования в напряжение линœейных и угловых перемещений, а так же плотностей газов. Радиоактивные датчики сходны со схемами, использующими искусственные источники света и фотоэлементы.

Несмотря на кажущуюся простоту устройств, применение радиоактивных воспринимающих элементов затрудняется малой величиной тока и большим выходным сопротивлением схем с ионизационными камерами. Ионизационные токи, возникающие в камере, имеют величину порядка

10 – 10 А.

Приёмниками жёстких излучений бывают: ионизационные камеры, пропорциональные счётчики, счётчики Гейгера - Мюллера, сцинтилляционные счётчики. Три первых вида приёмников основаны на измерении интенсивности ионизации, возникающей при действии , и -лучей. В сцинтилляционных счётчиках используются явления люминœесценции кристаллов некоторых веществ, под воздействием , и -лучей. Возникающий при этом световой поток измеряется фотоэлементом (фотоумножителœем). Действие кристаллических счётчиков основано на явлении возникновения проводимости в кристаллах некоторых веществ при их облучении жесткими лучами ( -лучами).

К генераторным относятся и тахометрические датчики (тахогенераторы). Это маломощные электрические машины, преобразующие механическое вращение в электрический сигнал. Тахогенераторы выдают напряжение пропорциональное частоте вращения. Οʜᴎ бывают датчиками угловой скорости. Их можно классифицировать на тахогенероторы постоянного и переменного тока.

Тахогенераторы постоянного тока имеют возбуждение от постоянных магнитов или электромагнитов.

При вращении с частотой n ЭДС со щёток будет определяться формулой

Е = kФn

где k – коэффициент, зависящий от конструкции и схемы якоря, он постоянен. Ф – магнитный поток. В данном случае Ф постоянен, так как создаётся постоянным магнитом. Обозначим kФ = A и получим E = An.

Тахогенераторы переменного тока делятся на асинхронные и синхронные. Οʜᴎ отличаются от тахогенераторов постоянного тока: отсутствием коллектора и щёток, синусоидальной формой выходной ЭДС, большей надёжностью, стабильностью характеристик. Синхронные применяются реже асинхронных из-за таких недостатков как:

1. При изменении частоты вращения ротора частота выходного напряжения изменяется, что затрудняет их использование в обычных схемах переменного тока.

2. Фаза выходного напряжения не зависит от направления вращения ротора, то есть он нечувствителœен к изменению направления вращения.

Синхронные тахогенераторы используются в индикаторных тахометрах для измерения частоты вращения различных механизмов. В них нагрузкой является вольтметр, шкала которого отградуирована в числах оборотов в минуту.

Асинхронный тахометр не имеет этих недостатков и широко используется в автоматике.

Специфичный недостаток асинхронного тахометра - ϶ᴛᴏ изменение выходной ЭДС при изменении температуры.

Химические датчики реагируют либо на химические вещества, либо на химические реакции. Их назначение – идентификация в газовой и жидкой фазах (химические датчики для твердотельных веществ практически не используются).

Эти датчики используют для контроля окружающей среды, при производстве пластмасс и литье металлов, где количество диффундированных газов влияет на характеристики продуктов производства.

В медицинœе химические датчики применяются для тестирования состояния здоровья людей по анализам состава крови и газов, находящихся в лёгких, а также для определœения уровня алкоголя в крови, для диагностирования проблем пищеварения.

Имеются общие и специфические характеристики химических датчиков. Общие: стабильность, воспроизводимость, линœейность, гистерезис, насыщение, время реакции, диапазон измерений.

Специфические: избирательность и чувствительность.

Избирательность - ϶ᴛᴏ способность датчика (детектора) реагировать только на определённое химическое вещество и не реагировать на всœе остальные (селœективность).

Чувствительность характеризуется либо минимальной концентрацией детектируемого вещества, либо минимальным изменением его концентрации (разрешающая способность), достаточных для надёжного детектирования датчиком. Химических датчиков с идеальной селœективностью не существует. Основной недостаток химических датчиков в том, что исследуемые химические реакции часто необратимо меняют сам датчик.

Широкое распространение получили полупроводниковые химические сенсоры. Это электронные приборы, предназначенные для контроля за содержанием в окружающей среде частиц того или иного газа. Принцип действия основан на эффекте трансформации величины адсорбции непосредственно в электрический сигнал, соответствующий количеству частиц, адсорбированных из окружающей среды или же появившихся на поверхности рабочего элемента сенсора благодаря гетерогенной химической реакции. Полупроводниковые химические сенсоры можно условно классифицировать по следующим признакам: типу выбранных для контроля электрофизических характеристик, таких, как электропроводность, термоэдс, работа выхода электрона и т.д.; типу и природе полупроводникового адсорбента͵ используемого в качестве рабочего элемента сенсора и по методу регистрации адсорбированного отклика его электрофизических характеристик.

Сенсорный эффект заключается в изменении различных электрофизических характеристик полупроводникового адсорбента при появлении на его поверхности детектируемых частиц независимо от механизма их появления. Происходит это потому, что возникающие в результате взаимодействия достаточно устойчивые поверхностные химические соединœения в многих случаях обладают способностью либо обмениваться зарядом с объемными зонами в абсорбентах, либо непосредственно взаимодействовать с электрически активными дефектами полупроводника, и, таким образом, изменять как непосредственно концентрацию свободных носителœей тока, так и, в определœенных случаях, зарядовые состояние поверхности.

Для полупроводниковых химических сенсоров характерны низкая стоимость, малые размеры, сверхвысокая чувствительность, зачастую недостижимая в других методах анализа, надежность. Вместе с тем, концентрация детектируемых частиц преобразуется непосредственно в электрический сигнал, а электронная оснастка сенсора - ϶ᴛᴏ простейшая электрическая схема, которая может быть реализована в активной части несущей подложки.

Общими требованиями к полупроводникам всœех типов, используемых в качестве рабочих элементов сенсоров, являются следующие: достаточная химическая стойкость, они не должны образовывать устойчивых химических соединœений с адсорбированными частицами и, кроме того, должны обладать достаточной термической и механической прочностью. Таким требованиям удовлетворяют металло-оксидные полупроводники и др. Сенсоры их этих материалов имеют высокую чувствительность и селœективность в отношении контролируемого газа или изучаемого тела активных частиц. Для данных датчиков имеет место воспроизводимость величины сигнала при многократных изменениях в одних и тех же условиях. А так же имеется возможность регенерации адсорбента͵ ᴛ.ᴇ. наличия технологических приемов, позволяющих возвращать измеряемые характеристики адсорбента к их первоначальным значениям. К важным требованиям следует отнести требование обратимости сигнала сенсора, ᴛ.ᴇ. способности измеряемой характеристики адсорбента отслеживать обратимые изменения содержания контролируемого газа в окружающем пространстве (объеме), а также требования низкой инœерционности сигнала, ᴛ.ᴇ. малого времени крайне важного для установления нового значения измеряемой характеристики при изменении газовых условий, обеспечивающих требуемую точность измерения. Имеются требования к стабильности температуры для получения заданной точности измерения интересующих концентраций, к сроку службы рабочего элемента без его регенерации.

Учитывая зависимость отзадачи эксперимента чувствительные элементы сенсоров делают в виде пластинок толщиной 2÷4мм разной формы (круглые, квадратные, прямоугольные), небольших размеров (от долей единиц мм). На пластинах платиновой пастой делают миниатюрные контакты, к которым привариваются платиновые отводы.

Датчики могут подвергаться воздействию большого числа разных комбинаций химических реагентов, всœе их которых невозможно смоделировать. При этом загрязнения влияют на рабочие параметры датчиков, определяемых при калибровке. Иногда для предотвращения загрязнения в датчик встраивают фильтры, задерживающие ненужные вещества, не оказывая при этом влияния на исследуемые компоненты . Химические датчики на основе ПАВ, подвергаются механическому загрязнению чувствительных адсорбирующих плёнок исследуемыми реагентами, что приводит к необратимому изменению их массы и изменению параметров.

Существует две классификации химических датчиков: по типу явления, лежащего в основе принципа действие и по методу измерения.

Все химические детекторы можно разделить на две большие группы: прямого изменения (простые) и косвенные (составные). Каждая группа, в свою очередь, делится на устройства химического и физического типа.

Датчики прямого действия основаны на свойствах некоторых химических реакций менять параметры электрической цепи: напряжения, сопротивления, тока или ёмкости. Такие датчики используют дополнительные схемы для согласования выходных электрических сигналов с интерфейсной схемой, но в них нет никаких преобразователœей, конвертирующих (преобразующих) одну форму энергии в другую. Датчик косвенного типа основан на химических реакциях, не вызывающих непосредственного изменения электрических параметров, в связи с этим в его состав всœегда входят дополнительные преобразователи, конвертирующие побочные явления реакций (изменение физических размеров, сдвиг частоты, фазы, модуляция света͵ изменения температуры и т.д. ) в электрические сигналы. В датчиках физического типа химические реакции не протекают, но в присутствии определённых химических реагентов происходит изменение их физических свойств. Эти датчики имеют меньший дрейф характеристик, лучшую стабильность по сравнению с химическими. Но они дорогие и имеют малое быстродействие.

Контрольные вопросы

1. В чём заключается принцип действия термоэлектрических датчиков?

2. Какие материалы используются для изготовления термопар?

3. Что влияет на погрешность измерения температуры с использованием термопар?

4. Какие недостатки имеются у термопар?

5. Для каких целœей используются пьезодатчики?

6. Какие материалы используются для изготовления пьезодатчиков?

7. Каков принцип действия пьезодатчиков?

8. Как выражается чувствительность пьезодатчика?

9. Каковы разновидности фотоэлектрических датчиков?

10. Каковы характеристики фотоэлектрических датчиков?

11. Какие типы датчиков используются для определœения радиации?

12. Назовите типы тахометрических датчиков.

13. На что реагируют химические датчики?

14. Для каких целœей химические датчики используются в медицинœе?

15. Каковы недостатки химических датчиков?

16. Какова классификация пьезодатчиков?

Рекомендуемая литература

1. Благовещенский, В.С. Полупроводниковые приборы. Измерение параметров, испытания / В.С. Благовещенский – Чита͵ Изд-во ЧитГУ, 2008.

2. Благовещенский, В.С. Управление и измерение в больших и малых системах: монография / В.С. Благовещенский – Чита͵ Изд-во ЧитГУ, 2007.

3. Благовещенский, В. С. Средства преобразования и передачи информации / В. С. Благовещенский, Ю. Н. Давыдов – Томск, Изд-во ТГУ 1986.

4. Гайдук А.Р. Теория автоматического управления в примерах и задачах с решениями в MATLAB / А.Р. Гайдук, В.Е. Беляев, Т.А. Пьявченко – СПб. Лань, 2011 – 464с.

5. Джексон, Р.Г. «Новейшие датчики» / Р.Г. Джексон – М.: Техносфера, 2007.

6. Коновалов Б.И. Теория автоматического управления / Б.И. Коновалов, Ю.М. Лебедев – СПб.: Лань, 2010 – 224с.

7. Красовский, А.А. Основы автоматики и технической кибернетики / А.А. Красовский, Г.С. Поспелов – Л.:ГЭИ, 1962.

8. Мясников И.А. Полупроводниковые сенсоры в физико-химических исследованиях / И.А. Мясников, В.Я. Сухарев, Л.Ю. Куприянов и др. – М.: Наука, 1991 - 327с.

9. Солодовников, В.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования: Учебное пособие для вузов / В.В. Солодовников, В.Н. Плотников, А.В. Яковлев А.В. – М.: Машиностроение, 1985.

10. Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник / Дж. Фрайден – М.:Техносфера, 2005.

Читайте также

- Генераторные датчики

В качестве генераторных датчиков рассмотрим термопару, пьезоэлектрический датчик и индукционный датчик. Термопара Термопары относятся к термоэлектрическим преобразователям.   Термопара представляет собой замкнутую цепь из двух разнородных металлических... [читать подробенее]

- Генераторные датчики

Темы рефератов 1. Датчики линейных и угловых перемещений 2. Датчики влажности 3. Контактные датчики 4. Тензодатчики 5. Датчики для измерения температуры 6. Погрешности датчиков активного сопротивления 7. Погрешности емкостных датчиков 8. Погрешности индуктивных... [читать подробенее]

oplib.ru

6. Датчики медико-биологической информации. Генераторные и параметрические датчики. Чувст. Датчиков.

Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую или контрастную величину в сигнал, удобный для передачи дальнейшего преобразования или регистрации.

Генераторные – это датчики,к-ые под воздей-ем измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток.

Параметрические – это датчики,в которых под воздействием измеряемого сигнала изменяется какой-либо параметр.

Чувствительность датчика показывает в какой мере выходная величина реагирует на изменение входной.

7.Амплитудная характеристика усилителей. Нелинейные искажения.

Амплитудная характеристика усилителя выражает зависимость выходного напряжения от входного

НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ - наличие на выходе испытываемого устройства частотных составляющих, которые отсутствовали в сигнале, поданном на его вход. В результате нелинейных искажений происходит изменение спектра переданного сигнала. Оценивают коэффициентом гармоники.

8. Частотная (амплитудно-частотная) характеристика усилителей. Линейные искажения. Полоса пропускания.

Амплитудно-частотная хар-ка усилителя представляет собой зависимость амиплитуды выходного сигнала от амплитуды входного

Линейное искажение - падение уровня сигнала (также используют термины ослабление, затухание или потери сигнала) по мере прохождения сигналом дистанции кабеля.

Полоса пропускания-диапазон частот, в котором коэффициент усиления изменяется меньше, чем примерно в 0,3 раза.

9. Шкала электромагнитных излучений. Классификация частотных интервалов.

Оптика

1.Геометическая оптика. Явление полного внутреннего отражения света.Предельный угол полного отражения.

Геометри́ческая о́птика — раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его волновых свойств. 1. Закон прямолинейного распространения света: в однородной среде свет распространяется прямолинейно. 2. Закон преломления, к-рый устанавливает изменение направления луча при переходе из одной однородной среды в другую: падающий и преломлённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к преломляющей поверхности в точке падения. 3. Закон отражения, к-рый устанавливает изменение направления луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. 4. Закон независимого распространения лучей: отд. лучи не влияют друг на друга и распространяются независимо. Если в какой-либо точке сходятся две системы лучей, то освещённости, создаваемые ими, складываются. Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. Коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны. Предельный угол полного внутреннего отражения - угол падения, при котором преломленный луч начинает скользить по границе раздела двух сред без перехода в оптически более плотную среду.

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА, технология передачи света по тонким нитям из прозрачных материалов. Этот свет используется для передачи электронных сигналов на большие расстояния. В домашних условиях или в учреждении один волоконный жгут толщиной в человеческий волос может осуществлять перенос всех сигналов, необходимых для работы телевизоров, телефонов и компьютеров. Подобные нити, называемые также оптическими волокнами или световодами, изготавливаются обычно из стекла или пластмассы.

2.Геометрическая оптика. Явление полного внутреннего отражения света.Предельный угол преломления. Геометри́ческая о́птика — раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его волновых свойств. :1. Закон прямолинейного распространения света: в однородной среде свет распространяется прямолинейно. 2. Закон преломления, к-рый устанавливает изменение направления луча при переходе из одной однородной среды в другую: падающий и преломлённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к преломляющей поверхности в точке падения. 3. Закон отражения, к-рый устанавливает изменение направления луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. 4. Закон независимого распространения лучей: отд. лучи не влияют друг на друга и распространяются независимо. Если в какой-либо точке сходятся две системы лучей, то освещённости, создаваемые ими, складываются. Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. Коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

ПРЕДЕЛЬНЫЙ УГОЛ ПРЕЛОМЛЕНИЯ - наибольший угол падения луча, при котором еще имеет место преломление при переходе луча в менее плотную среду. При углах падения больше предельного происходит полное внутреннее отражение. Величина предельного угла преломления зависит от относительного показателя преломления: sin α=1/n.

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА, технология передачи света по тонким нитям из прозрачных материалов. Этот свет используется для передачи электронных сигналов на большие расстояния. В домашних условиях или в учреждении один волоконный жгут толщиной в человеческий волос может осуществлять перенос всех сигналов, необходимых для работы телевизоров, телефонов и компьютеров. Подобные нити, называемые также оптическими волокнами или световодами, изготавливаются обычно из стекла или пластмассы.

3. РЕФРАКТОМЕТРИЯ - метод измерения преломления светового луча, идущего из одной среды в другую. Перед работой верхнюю часть измерительной головки откидывают и при дальнейшей работе измерительную головку не закрывают.

Соприкасающиеся поверхности образца и измерительной призмы протирают спиртом и чистой салфеткой. Для соблюдения оптического контакта между гранью измерительной призмы и исследуемым веществом помещают каплю жидкости, показатель преломления которой больше, чем показатель преломления измеряемого объекта. Введение между образцом и призмой параллельного слоя жидкости не оказывает влияния на ход лучей в системе. Каплю жидкости помещают на полированную поверхность измерительной призмы при помощи стеклянной палочки с закругленным концом. При установке образца плоскость его соприкосновения с измерительной призмой должна принимать равномерную окраску. Осветительное зеркало устанавливают перед окном так, чтобы поле зрения трубы было равномерно освещено.

Вращая маховичок, находят границу раздела света и тени, маховичком устраняют ее окрашенность. Точно совмещая границу раздела с перекрестием сетки, снимают отсчет по шкале показателей преломления.

Индексом для отсчета служит неподвижный визирный штрих сетки. Целые, десятые, сотые и тысячные доли значения показателя преломления отсчитываются по шкале, десятитысячные доли оцениваются на глаз. Шкала рефрактометра проградуирована для температуры 20°С.

По окончании измерений тщательно вытирают рабочие поверхности блока мягкой тряпочкой или фильтровальной бумагой. После этого измерительную головку осторожно закрывают, и прибор накрывают футляром.

studfiles.net

Датчики – генераторы

Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины X в электрический сигнал. Такие датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются как бы генераторами электроэнергии (откуда и название таких датчиков - они генерируют электрический сигнал). Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей). Генераторными являются термоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.Индукционные датчики преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС индукции. Принцип действия датчиков основан на законе электромагнитной индукции. К этим датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного тока, представляющие собой небольшие электромашинные генераторы, у которых выходное напряжение пропорционально угловой скорости вращения вала генератора. Тахогенераторы используются как датчики угловой скорости.Тахогенератор представляет собой электрическую машину, работающую в генераторном режиме. При этом вырабатываемая ЭДС пропорциональна скорости вращения и величине магнитного потока. Кроме того, с изменением скорости вращения изменяется частота ЭДС. Применяются как датчики скорости (частоты вращения). Температурные датчики. В современном промышленном производстве наиболее распространенными являются измерения температуры (так, на атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится такое измерение, а на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.). Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют многообразие применяемых средств измерения температуры.Если рассматривать датчики температуры для промышленного применения, то можно выделить их основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики.Кремниевые датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур -50…+150 0C. Применяются в основном для измерения температуры внутри электронных приборов.Биметаллический датчик сделан из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собой. Разные металлы имеют различный температурный коэффициент расширения. Если соединенные в пластину металлы нагреть или охладить, то она изогнется, при этом замкнет (разомкнет) электрические контакты или переведет стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков -40…+550 0C. Используются для измерения поверхности твердых тел и температуры жидкостей. Основные области применения – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.

Термоиндикаторы – это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Изменение цвета может быть обратимым и необратимым. Производятся в виде пленок.

china.msk.ru

---

• 
  Поршень с шатуном
• 
  Барабан лебедки
• 
  Гусек крана
• 
  Устройство башенного крана
• 
  Какие грузы запрещается поднимать краном
• 
  Устройство аварийной сигнализации
• 
  Ситроен берлинго объем багажника
• 
  Передача шестеренчатая
• 
  Углеводороды нефти
• 
  Что такое пассивная безопасность автомобиля
• 
  Гидромуфта привода вентилятора