Датчики. Датчики Классификация датчиков, основные требования к ним
 Скачать 1.6 Mb.
|
|
Консольные (балочные) – устанавливаются в некоторых типах весов, при взвешивании контейнеров и т.д.; S-образные – применяются для измерения поднимаемых грузов; Мембранные – используются в системах контроля, высокоточных измерителях и т.д.; Колонные – монтируются в оборудовании с большой массой. В зависимости от вида метода измерения все тензодатчики подразделяются на: Резистивные – в основе работы лежит тензорезистор или мост из них, расположенный на гибком основании. Такой тензодатчик крепится к поверхности измерителя и реагирует на механические деформации. В соответствии с п.1.1 ГОСТ 21616-91 разделяются на проволочные и фольгированные. По количеству и форме разделяются на одиночные, розетки, цепочки, мембранные розетки. Тактильные – состоят из двух проводников, между которыми расположена перфорированная пленка диэлектрика. При нажатии проводники продавливают мягкий диэлектрик и обеспечивают некую проводимость, чем изменяется величина сопротивления. По типу измерения бывают датчики касания, проскальзывания, усилия. Пьезорезонансные – основаны на полупроводниковых элементах, в таких тензодатчиках происходит сравнение реального сигнала с эталонным. Пьезоэлектрические – основаны на собственном напряжении выхода электронов некоторых полупроводниковых кристаллов. При воздействии усилия на кристалл меняется и величина зарядов, что передается на измерительный орган тензодатчика. Магнитные – используют свойство магнитных проводников изменять величину магнитной проницаемости в зависимости от физических параметров. При сжатии или растяжении сердечника, электромагнитный поток, формируемый катушкой, будет изменяться. В результате чего индуктивность тензодатчика также отклонится от образцового состояния. Емкостные – используют эффект переменного конденсатора, в котором с уменьшением расстояния между пластинами будет возрастать емкость. А при увеличении расстояния или уменьшении площади пластин емкость уменьшится. Датчики измерения температуры: типы, принцип работы Практически в любой современной аппаратуре есть датчики температуры. Это устройство, которое позволяет измерить температуру объекта или вещества, используя при этом различные свойства и характеристики измеряемых тел или среды. Не смотря на то, что все термодатчики призваны измерять температуру, разные типы датчиков делают это абсолютно по-разному. Давайте подробнее разберем принцип работы и характеристики основных видов термодатчиков.  Классификация термодатчиков по принципу работы Термоэлектрические датчики температуры (термопары) Терморезистивные датчики Полупроводниковые термодатчики Акустические датчики температуры Пирометры (тепловизоры) Пьезоэлектрические датчики температуры Термоэлектрические датчики температуры (термопары) Принцип работы этой группы датчиков основан на том, что в замкнутых контурах проводников или полупроводников возникает электрический ток, если места спайки различаются по температуре. Для измерения температуры, один конец термопары помещают в среду измерения, а другой служит для снятия значений. Единственным, но существенным недостатком этого вида измерителей является их довольно большая погрешность, что недопустимо для многих технологических процессов.  Примером такого датчика может служить датчик ТСП Метран-246, который предназначен для измерения температуры твердых тел.  Он применяется в металлообработке, и служит для контроля температуры подшипников. Диапазон измерения от -50 до +120 градусов по Цельсию, выходной сигнал для считывания – аналоговый. Терморезистивные датчики Как следует из названия, этот тип датчиков работает по принципу изменения сопротивления проводника при изменении его температуры. Благодаря простой и надежной конструкции, датчики этого типа широко применяются в электронике и машиностроении. Неоспоримым плюсом этих измерителей является высокая точность, чувствительность и простые устройства считывания. Примером терморезистивного датчика может служить модель 700-101BAA-B00, которая имеет начальное сопротивление в 100 Ом, и диапазон измерений от -70 С° до +500 С°.  Выполнен он с применением платиновой пластинки и никелевых контактов. Широко используется в электронике и промышленных автоматах. Полупроводниковые термодатчики Этот тип датчиков работает на принципе изменения характеристик p-n перехода под воздействием температуры. Так как зависимость напряжения на транзисторе от температуры всегда пропорциональна, можно сделать датчик с высокой точностью измерения. Несомненными плюсами такого решения является дешевизна, высокая точность данных, и линейность характеристик на всем диапазоне измерения. Кроме того, их можно монтировать прямо на полупроводниковой подложке, что делает этот тип датчиков незаменимым для микроэлектронной промышленности. Примером такого устройства может стать датчик LM75A. Температурный диапазон — от -55 С° до +150 С°, погрешность измерений – ±2 С°. Шаг измерения – всего 0,125 С°. напряжение питания – от 2.5 до 5.5 В, а время преобразования сигнала – до 0.1 секунды. Акустические датчики температуры Принцип работы этих устройств – разная скорость звука в среде при разной температуре. Зная изначальные данные, можно рассчитать изменения температуры по скорости прохождения звуковой волны в веществе. Это бесконтактный метод, позволяющий измерять температуру в закрытых полостях, а также в среде, недоступной для прямого измерения. Используются такие датчики в медицине и промышленности – там, где проникновение к измеряемому веществу невозможно .  Пирометры (тепловизоры) Бесконтактный тип термодатчиков, считывающих излучение, которое исходит от нагретых тел. Этот тип устройств позволяет измерять температуру дистанционно, без приближения к среде, в которой производятся замеры. Это позволяет работать с большими температурами и сильно разогретыми объектами без опасного сближения.  Все пирометры по принципу работы подразделяют на интерферометрические, флуоресцентные и датчики на основе растворов, меняющих цвет в зависимости от температуры. Пьезоэлектрические датчики температуры Все датчики этого типа работают при помощи кварцевого пьезорезонатора. Вся суть работы – прямой пьезоэффект, то есть изменение линейных размеров пьезоэлемента под воздействием электрического тока. При попеременной подаче разнофазного тока с определенной частотой, пьезорезонатор колеблется, при этом частота его колебаний зависит от температуры. Зная эту зависимость, можно легко преобразовать данные о частоте колебаний резонатора в температуру.  Благодаря широкому диапазону измерений и высокой точности, такие датчики применяют в основном при проведении исследований и опытов, где нужна высокая надежность и долговечность. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ: НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО. ПРИНЦИП РАБОТЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ В сферах промышленности активно используются такие специализированные устройства как фотоэлектрические датчики, которые позволяют совершать наиболее точное обнаружение поступающего объекта без необходимости физического контакта. Они применяются при установке различного оборудования, а также бывают разных типов и отличаются принципом действия. Можно выбрать подходящее устройство по его свойствам, а также, учитывая ситуацию, в которой будет применяться подобный датчик.  Использование различных фотоэффектов Во время своей работы фотоэлектрические датчики используют три возможных фотоэффекта, которые зависят от того, как изменяются свойства предмета при наличии изменений в уровне освещения. Эффекты бывают внешними, когда под воздействием получаемой световой энергии электроны вылетают из катода лампы. Внутренние эффекты отличаются тем, что сопротивление полупроводника зависит от уровня освещенности. Вентильный эффект появляется, когда возникает движущая сила, которая зависит от освещения.  Виды устройств Можно встретить фотоэлектрические датчики аналогового или дискретного вида. У аналоговых выходной сигнал может меняться пропорционально имеющемуся уровню освещения. Обычно такие устройства применяют при создании элементов освещения, управляемых автоматически. Дискретные устройства изменяют значение на диаметрально противоположный показатель при достижении определенного уровня освещенности. Они могут выполнять всевозможные задачи на действующей технологической линии и широко используются в промышленности. Оптический бесконтактный прибор регулирует изменение поступающего светового потока в рабочей области и может срабатывать на большом расстоянии, реагируя на изменение объектов, их отсутствие или присутствие. Конструкция этого прибора имеет две части, которые отвечают за правильное функционирование - это приемник и излучатель. Они могут находиться как в одном подходящем корпусе, так и в разных.  Группы устройств В зависимости от используемого метода работы, фотоэлектрические датчики принято делить на четыре группы: Работающие по принципу пересечения луча. В этом случае излучатель и работающий с ним в паре приемник имеют два отдельных корпуса, поскольку этого требует технология работы. Два прибора устанавливаются друг напротив друга, а при взаимодействии излучатель посылает луч, который воспринимается приемником. Если какой-либо объект пересекает этот луч, то прибор тут же посылает соответствующий сигнал. Датчики с принципом отражения от рефлектора. Подобные приборы характеризуются тем, что у них излучатель и приемник располагаются в одном корпусе. Помимо этого агрегата, также используется специальный рефлектор, который устанавливается напротив прибора. Во время работы устройство посылает луч, он отражается от рефлектора и воспринимается приемником. Специальный поляризационный фильтр позволяет настроить работу оборудования так, чтобы устройство воспринимало только отражение от рефлектора и ничего лишнего. Рефлекторы бывают разными, поэтому их выбирают, исходя из имеющейся ситуации - дальности расстояния и особенностей монтажа. Если во время работы луч перестает отражаться и поступать к приемнику, значит, на линии появился какой-то объект, и сигнал об этом устройство передает дальше. Приборы с отражением света от объекта. У этих агрегатов приемник и сопутствующий ему излучатель также располагается в одном корпусе. В этом случае работа строится так, что рефлектор не нужен, поскольку его роль выполняют различные объекты - луч отражается от них, попадает в приемник, и датчик посылает нужный сигнал. Датчики с фиксированным отражением. По сути, это усовершенствованный вариант предыдущего варианта оборудования. Приборы работают по такому же принципу, но они более чутко улавливают и определяют состояние объекта. Например, при помощи подобных датчиков можно обнаружить вздувшуюся упаковку на линии или пакет, наполненный не до конца.  Также датчики могут делиться не только по принципу работы, но и по своему назначению. Существуют приборы общего назначения и специализированные. Вторые предназначены для выполнения более узких задач и решения конкретных вопросов. Например, они могут распознавать наличие этикетки, контрастной границы и других подобных элементов. Все датчики выполняют задачу обнаружения каких-либо объектов на расстоянии, и в зависимости от особенностей элемента, это расстояние может значительно варьироваться.  Характеристики датчиков Обычно производители сопровождают свои устройства специальными техническими паспортами, в которых с точностью прописываются все необходимые характеристики, помогающие правильно выбрать датчик. Это весьма удобно, поскольку покупателю не нужно производить какие-то точные расчеты, чтобы подобрать подходящий прибор, а достаточно только соотнести его параметры с особенностями места установки и конкретной ситуацией, в которой будет применяться устройство. Практическая способность обнаружения является главной характеристикой для таких элементов, поскольку это означает, в каких условиях датчик сможет выполнять свою работу, также на этот показатель влияет заполнение угла зрения, оно может быть полным или неполным. Дальность действия – еще один важный параметр, он означает, на каком расстоянии прибор сможет действовать. Поскольку у всех датчиков оно может быть разным, встречаются варианты, которые работают на расстоянии нескольких сантиметров или устройства, рассчитанные на дальность в метрах. Ширина луча визирования также играет важную роль, поскольку от нее напрямую зависит разрешение датчика и то, с какими объектами он может работать. Время реакции также имеет значение при работе, здесь учитывается, с какой скоростью датчик будет обрабатывать объекты, а также его время включения и выключения. Необходимо, чтобы устройство успевало охватить все поступающие предметы, успевая за их движением по линии. Напряжение питания учитывается при выборе, поскольку внедрение датчиков в систему не должно оказывать серьезного влияния на ее работоспособность, если устройства слишком мощные, то следует заменить их вариантами, которые потребляют меньше энергии, чтобы они могли эффективно работать и выполнять свои функции, не нарушая общую деятельность линии производства. Также при выборе стоит учесть углы наведения датчика, особенности его присоединения и монтажа, габариты и вес, уровень защищенности - все это тоже имеет значение при работе устройства. Выбирая фотодатчик, лучше обратить внимание на известных производителей, которые уже заслужили определенную репутацию на рынке. Нужно, чтобы устройство было максимально безопасным и обладало простым в управлении интерфейсом - это позволит сделать работу с ним комфортной и удобной. Также корпус датчика должен быть хорошо защищен от попадания пыли и влаги - это продлит срок его службы. Присоединительное место у него должно быть стандартным, чтобы не возникло проблем с монтажом. Индуктивные датчики Индуктивный датчик — бесконтактный датчик, предназначенный для контроля положения объектов из металла (к другим материалам не чувствителен). Индуктивные датчики широко используются для решения задач АСУ ТП. Выполняются с нормально разомкнутым или нормально замкнутым контактом. Принцип действия основан на изменении амплитуды колебаний генератора при внесении в активную зону датчика металлического, магнитного, ферро-магнитного или аморфного материала определенных размеров. При подаче питания на конечный выключатель в области его чувствительной поверхности образуется изменяющееся магнитное поле, наводящее во внесенном в зону материале вихревые токи, которые приводят к изменению амплитуды колебаний генератора. В результате вырабатывается аналоговый выходной сигнал, величина которого изменяется от расстояния между датчиком и контролируемым предметом Принцип действия основан на изменении параметров магнитного поля, создаваемого катушкой индуктивности внутри датчика. Индуктивные датчики положения и скорости бывают самых разнообразных форм, размеров и конструкций. Можно сказать, что все индуктивные датчики работают по принципу работы трансформатора и физическое явление, основанное на переменных электрических токах. Это явление впервые наблюдал Майкл Фарадей в 1830-х годах, когда обнаружил, что первый токопроводящий проводник может «индуцировать» ток во втором проводнике. Открытия Фарадея позволили создать электродвигатели, динамометры и, конечно же, индуктивные датчики положения и скорости. В число таких датчиков входят простые бесконтактные реле, датчики переменной индуктивности и сопротивления, синхронизаторы, резольверы, ротационные датчики перемещения и линейно-регулируемые дифференциальные трансформаторы (RVDT и LVDT). Различные типы индуктивных датчиков В простом бесконтактном датчике (иногда называемом бесконтактным реле) при подключении устройства к источнику электропитания в его катушке (цепи, контуре или обмотке) протекает переменный ток. При приближении к катушке проводящего или магнитопроницаемого материала, например стального диска, импеданс катушки изменяется. Превышение порогового значения служит сигналом о наличии объекта. Бесконтактные датчики обычно используются для определения наличия металла, а их выходной сигнал часто используется для управления переключателем. Эти датчики широко используются во многих областях промышленности, где проблематично использовать электрические контакты обычных переключателей, например там, где много грязи или воды. Даже в обычной автомойке используется множество индуктивных бесконтактных датчиков. Индуктивные датчики переменной индуктивности и сопротивления обычно генерируют электрический сигнал, пропорциональный смещению проводящего или магнитопроницаемого объекта (обычно стального стержня) относительно катушки. Как и в случае с бесконтактными датчиками, импеданс катушки изменяется пропорционально смещению объекта относительно катушки, в которой протекает переменный ток. Такие устройства обычно используются для измерения смещения поршней в цилиндрах, например в пневматических или гидравлических системах. Можно сделать так, чтобы поршень проходил по внешнему диаметру катушки. Сельсины измеряют индуктивную связь между катушками, когда те движутся относительно друг друга. Сельсины, которые обычно вращаются, необходимо напрямую подключать как к движущейся, так и к неподвижной деталям (обычно называемым ротором и статором). Они обеспечивают чрезвычайно высокую точность измерений и используются в промышленной метрологии, радиолокационных антеннах и телескопах. Сельсины, как известно, сегодня дорогие и используются все реже, так как на смену им приходят (бесщеточные) резольверы. Последние представляют собой еще один вид индуктивных датчиков, но подключаются только к обмоткам статора.  LVDT, RVDT и резольверы измеряют изменение индуктивной связи между катушками, которые обычно называют первичной и вторичной обмотками. Первичная обмотка передает энергию во вторичные, но количество энергии в каждой из вторичных обмоток изменяется пропорционально относительному смещению магнитопроницаемого материала. В LVDT через отверстие обмоток обычно проходит металлический стержень. Как правило, ротор или полюсная деталь вращаются в RVDT или резольвере относительно обмоток, расположенных вокруг ротора. Обычно LVDT и RVDT используются в гидравлических сервоприводах элеронов аэрокосмических аппаратов, а также элементах управления двигателем и топливной системой. Резольверы, в свою очередь, применяются для коммутации бесщеточных электродвигателей. Существенным преимуществом индуктивных датчиков является то, что связанные схемы обработки сигналов не нужно располагать в непосредственной близости от чувствительных катушек. Это позволяет размещать чувствительные катушки в неблагоприятных условиях эксплуатации, где другие методы измерения (например, магнитные или оптические) невозможны, поскольку для них относительно чувствительная кремниевая электроника должна находиться в точке измерения. |