ЭиС лек10. Тема 10. Источники сигналов

• Название: Тема 10. Источники сигналов
• Анкор: ЭиС лек10
• Дата: 04.11.2021
• Размер: 0.83 Mb.
• Имя файла: ЭиС лек10.pdf
• Тип: Документы; #263067
• страница: 2 из 3

2. Основные виды типовых воздействий на датчики
Для получения статических и динамических характеристик датчиков параметров на входы этих датчиков подают типовые воздействия и наблюдают,
как испытуемый датчик реагирует на подаваемое воздействие.
К числу таких типовых входных воздействий относятся:
ударное, или мгновенное;
ступенчатое;
линейное;
гармоническое.
Ударное (входное) воздействие в случае, когда измеряемым параметром является та или иная сила, может быть действительно интерпретировано как удар. Ударное воздействие, называемое также δ-функцией, представляет собой
«пиковое» воздействие, которое в пределе имеет бесконечно большую
(стремящуюся к ∞) ординату при бесконечно малой (стремящейся к 0) ширине
Δt (длительности этого воздействия). График такого типового входного воздействия, прилагаемого к датчику в момент времени t
изм
приведен на рис.
10.2, 1.
1 – ударного входного воздействия; 2 – ступенчатого входного воздействия; 3 –
линейного входного воздействия
Рис. 10.2. Графики ударного, ступенчатого и линейного входных воздействий
Ступенчатое входное воздействие – это мгновенное изменение входного параметра на конечную величину. Записывается оно обычно в виде X→А. Это трактуется таким образом, что при t < 0 имеет место X = 0, а при t > 0 имеет место X = А. Ступенчатое воздействие, при котором величина скачка на входе датчика равна 100% всей измеряемой величины, называется единичным воздействием. График воздействия такого рода показан на рис. 10.2, 2.
Примером ступенчатого воздействия может служить замыкание или размыкание цепи постоянного тока, приложение или сброс нагрузки с помощью механизма сцепления или управляемой муфты и др. Ступенчатое воздействие является настолько распространенным и важным в

производственной практике, что выходная реакция на воздействие такого рода выделяется среди прочих динамических характеристик и носит специальное название временной характеристики.
График ступенчатого входного воздействия, приведенный на рис. 10.2, 2,
является идеализированным, поскольку он предполагает «мгновенное» (т. е. за отрезок времени, равный 0) нарастание входной величины от 0 до А. На самом деле такое «мгновенное» нарастание входной величины невозможно и произойдет за отрезок времени Δt > 0. На этом отрезке времени входную величину можно считать нарастающей по линейному закону, что также является идеализацией, а в общем случае такое нарастание входной величины датчика реально должно происходить по тому или иному нелинейному закону.
Линейное входное воздействие на датчик подразумевает изменение во времени входной величины по линейному (пропорциональному) закону. В этом случае X= Kt, где К – константа. Такой вид типового воздействия широко применяется при испытаниях следящих систем, а именно таких систем, когда выходной параметр системы должен воспроизводить в том или ином масштабе некоторую задающую величину, характер изменений которой заранее не предопределен. График линейного входного воздействия изображен на рис.
10.2, 3.
Гармоническое входное воздействие – это такое воздействие, при котором входная величина изменяется по гармоническому закону, т. е. по закону синуса или косинуса. Такое воздействие применяется тогда, когда производится испытание изделия или его компонента с помощью частотных методов. Примером такого рода является исследование подвески автомобиля на вибростенде. Существо таких испытаний заключается в том, что исследуемую подвеску «трясут» с изменяющимися частотой и амплитудой и смотрят, что при этом происходит. Целью исследования изделия или его компонентов частотными методами является получение частотных характеристик данного изделия или компонента.

12
Частотными характеристиками называются зависимости, связывающие в установившемся режиме входные и выходные величины линейной системы,
когда подаваемые на ее вход величины изменяются во времени по гармоническому закону. Обратим внимание на то, что установившийся режим вовсе не означает неподвижности. Это означает лишь то, что по истечении времени переходного периода в системе установится движение с неизменяющимися параметрами.
В частности, если на вход такого компонента системы подается гармоническое воздействие вида с частотой ω и амплитудой а, то через некоторое время, необходимое для завершения переходного процесса, на выходе этого компонента также установятся синусоидальные колебания с той же частотой, но отличные по амплитуде и сдвинутые по отношению к синусоидальному сигналу на входе данного компонента по фазе, что записывается следующим соотношением:
На комплексной плоскости входная X(t) и выходная Y(t) величины для каждого момента времени t изображаются векторами а и А, проведенными из начала координат под углами ωt и (ωt+φ).
Действительные части гармонических входных и выходных величин,
представленных в комплексной форме, равны соответственно a*cos*ωt и
A*cos*(ωt+ φ), а мнимые части – a*sin*ωt и A*sin*(ωt+ φ).
Графическое изображение гармонического воздействия представлено на рис. 10.3.
Рис. 10.3. Изображение гармонического воздействия на комплексной плоскости
Вертикальная ось координат соответствует мнимым частям входной и выходной величин, а горизонтальная ось – их действительным частям.
ОбозначивY(t)/X(t)=W(jω), получим
W(jω)=[Aexpj(ωt+φ)]/(aexpjωt)=(A/a)exp(jφ)
Отношение Y(t)/X(t)=W(jω), называется комплексным передаточным коэффициентом. На комплексной плоскости этот коэффициент графически изображается в виде точки. При изменении частоты воздействия частоты ω от 0
до ωt изменяются и значения модуля выходной величины (длина отрезка от начала координат до данной точки), и сдвиг ее фазы φ относительно входного воздействия. Конец отрезка, находящийся в данной точке, будет при этом описывать некоторую кривую, характерную для данного датчика, называемую

годографом.
Зависимость модуля комплексного передаточного коэффициента W от
фазы φ и входного изменении частоты ω называется амплитудно-фазовой характеристикой (АФХ) данного датчика.
Зависимость модуля комплексного передаточного коэффициента W от частоты со называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) данного датчика.
Зависимость сдвига фазы φ от частоты со называют фазово-частотной характеристикой (ФЧХ) данного датчика.
Амплитудно-фазовая характеристика и вытекающие из нее АЧХ и ФЧХ
относятся только к установившимся режимам.
В основе работы электронных датчиков информации используются различные физические эффекты. Основные типы датчиков классифицируются с точки зрения используемых в них физических явлений.
Электроконтактные датчики
Электроконтактные датчики строятся на основе преобразователей,
которые преобразуют механическое перемещение в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью.
Существует большое число конструкций электроконтактных преобразователей различного назначения. Так, достаточно широкое применение нашел двухконтактный преобразователь.
В двухконтактном преобразователе шток с измерительным наконечником
(обычно твердосплавным) прижимается создающей измерительное усилие пружиной к контролируемой поверхности измеряемой детали. Если осуществляется активный контроль, то шток преобразователя может прижиматься к той или иной промежуточной детали. Перемещающийся шток преобразователя обычно кинематически связан с поворачивающейся деталью,
называемой коромыслом, на концах которого устанавливаются два контакта,
предназначенные для замыкания и размыкания соответствующих электрических цепей.
При эксплуатации электроконтактных датчиков проблема заключается в устранении окисления контактов и уменьшении тока, протекающего через

14
контакты. Эта проблема решается в электронных контактных реле.
Принципиальная схема электронного контактного реле приведена на рис. 10.4.
На этой схеме 1 и 2 – резисторы, активные сопротивления, образуют входной делитель напряжений; 3 – обмотка электромагнитного контактного реле; 4 – транзистор. На эмиттер транзистора 4 через обмотку электромагнитного контактного реле 3 подводится постоянное напряжение
+Ек, а к его коллектору подключено постоянное напряжение -Ек. При отсутствии или малом значении напряжения на входе ток базы транзистора 4
определяется напряжением смещения, создаваемым входным делителем на основе соотношения величин сопротивлений резисторов 1 и 2 Коллекторный ток транзистора 4 в β раз (β – коэффициент усиления транзистора) больше, чем ток его базы, но при этом не превышает тока срабатывания реле 3. При небольшом изменении входного напряжения ток базы транзистора 4
увеличится, а ток коллектора этого транзистора увеличится еще значительней и реле 3 сработает.
1,2 – делитель напряжения; 3 – обмотка электромагнитного контактного реле; 4 –
транзистор
Рис. 10.4. Принципиальная схема электронного контактного реле:
Изменять напряжение на базе транзистора и тем самым включать и выключать электромагнитное реле можно не только подачей напряжения на базу транзистора, но и изменением соотношения величин сопротивлений во входном делителе. Если резистор 2 в рассмотренной схеме заменить фоторезистором, получится то, что принято называть «фотореле». При подаче света на фоторезистор 2 реле 3 срабатывает.
Реостатные датчики
В практике контроля за перемещением в схемотехние широко применяются реостатные датчики. Реостатными (потенциометрическими)
датчиками называются датчики, которые строятся на основе преобразователей,
представляющих собой реостат, движок которого движется под действием

измеряемой неэлектрической величины. Входной величиной является при этом механическое перемещение движка, а выходной величиной – изменение сопротивления.
Несмотря на простоту и относительно большую распространенность реостатных датчиков они обладают определенными недостатками, главными из которых следует считать ограниченный срок службы (не превышающий одного миллиона циклов) и шумовой фон, возникающий вследствие механического перемещения контактных щеток.
На рис. 1.7, а приведена принципиальная схема реостатного датчика с каркасом постоянной высоты, а на рис. 1.7, б показана нагрузочная характеристика – зависимость его выходного напряжения от входного перемещения щетки-движка.
а – принципиальная схема; б – нагрузочная характеристика
Рис. 10.5. Принципиальная схема и нагрузочная характеристика реостатного датчика
На рис. 10.5 Uвх – запитывающее напряжение реостатного датчика; L –
длина реостатного датчика; х – измеряемое перемещение; Uвых– напряжение на выходе датчика; R
H
– подключаемая нагрузка; β – коэффициент нагрузки, р =
R
H
/Rn (Rn – полное сопротивление датчика).
Естественно, что при бесконечно большой нагрузке (т.е. при полном разрыве выходной цепи) напряжение на выходе датчика оказывается прямо пропорциональным входному перемещению. При любой нагрузке,
подключенной к реостатному датчику, его характеристика преобразования теряет свой линейный характер.
Можно также построить и реверсивный реостатный датчик, т. е. такой датчик, у которого изменение знака входного перемещения приводит к изменению знака напряжения на выходе датчика. Такие реостатные датчики строятся на основе потенциометров со средней точкой.
Датчиками, омическое сопротивление которых изменяется под действием силовых факторов, являются также электроконтактные датчики сопротивления.
Принцип действия используемых для построения таких датчиков преобразователей основан на изменении под действием механического давления электрического сопротивления между проводящими элементами,
разделенными слоями из плохо проводящего электричество материала. В
качестве такого материала могут использоваться слои электропроводящей бумаги, электропроводящей резины или металлические пластины, на которые путем напыления нанесен высокоомный резистивный слой.
Такие преобразователи используются, например, в тактильных датчиках

16
роботов и манипуляторов. Здесь давление порядка 100 кПа вызывает изменение сопротивления преобразователя со 100 Ом до 2 кОм.
Другим примером электроконтактного датчика сопротивления может служить обычный угольный микрофон, преобразующий колебания акустического давления в соответствующие колебания электрического сопротивления.
Тензорезисторные датчики
В основе работы тензорезисторных датчиков лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Тензорезисторные датчики способны измерять деформации порядка одного микрона.
Тензорезисторные датчики бывают трех различных типов: проволочные,
фольговые и полупроводниковые.
Проволочные тензодатчики могут быть ненаклеиваемыми и
наклеиваемыми, а полупроводниковые – наклеиваемыми и диффузионными.
Ненаклеиваемый проволочный тензодатчик обычно состоит из четырех проволочных секций, намотанных на рамки. Рамки ориентируются таким образом, что усилия, перпендикулярные к их плоскостям, будут вызывать увеличение напряжения в двух секциях, в то же время уменьшая его в двух оставшихся секциях. Проволочные секции электрически соединяют между собой таким образом, чтобы они образовывали четыре плеча измерительного моста.
Ненаклеиваемые тензодатчики обладают меньшей чувствительностью,
чем наклеиваемые, и имеют большие габаритные размеры. Они обычно используются в приборах, в которых представляют собой конструктивную часть какого-либо другого устройства, например нагрузочного элемента или же акселерометра.
Для наклеиваемых проволочных тензорезисторных датчиков характерна следующая конструкция. На держатель – полоску тонкой бумаги или лаковую пленку – наклеивается решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки диаметром 0,02...0,05 мм. К концам проволоки присоединяются выводные медные проводники. Сверху тензорезистор покрывается слоем лака. Такой тензорезистор, наклеенный на испытуемую деталь, воспринимает деформации ее поверхностного слоя.
Чувствительные элементы полупроводниковых тензорезисторных датчиков изготовляют из кремниевых кристаллов.
Наклеиваемый полупроводниковый датчик по конструкции подобен наклеиваемому металлическому тензодатчику, но дает на выходе большее по сравнению с ним напряжение.
Диффузный полупроводниковый датчик изготовляется путем диффузии материала датчика в поверхность диафрагмы, которая представляет собой тонкий срез монокристалла кремния. Он имеет более высокую линейность и меньший гистерезис, чем полупроводниковые датчики наклеиваемого типа, но уровень выходного сигнала у него по сравнению с ними ниже.
Примером тензочувствительного комбинированного датчика с

использованием монокристалла кремния является интегральная сборка Acam
PS09 фирмы Picostrain. Эти датчики имеют высокое сопротивление (от 5 Ком до 10 Ком), обладают высокой чувствительностью и электрически соединяются по схеме моста Уинстона. Сам чувствительный элемент представляет собой полупроводник, который изменяет своё сопротивление вследствие приложенной механической нагрузки.
Базовая архитектура выглядит следующим образом:
Рис. 10.6. Конструкция и базовая архитектура тензорезисторных элементов
Тензорезисторный элемент располагается на подложке, которая обычно монтируется на стекле.
В одном датчике давления располагаются несколько датчиков на одной подложке, которые впоследствии электрически соединяются как правило в типовой мост Уитстона.
Рис. 10.7. Схема соединения тензорезисторных элементов
Как альтернатива может быть также использовано соединение стандартных датчиков как два полумоста ( имеется ввиду, что не надо соединять +IN и –IN), что даёт некоторый выигрыш в разрешении.
Пьезоэлектрические датчики
Механическое воздействие, приложенное определенным образом к пьезоэлектрическому кристаллу, порождает в нем электрическое напряжение,
что называется прямым пьезоэффектом. И, наоборот, электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает его механическую деформацию, что называется обратным пьезоэффектом.
Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т.е. происходит

18
изменение знака возникающего электрического заряда при замене сжатия растяжением и соответственно изменение знака деформации кристалла при изменении направления электрического поля.
Пьезоэлектричество наблюдается как в монокристаллических материалах,
например в кварце, турмалине, ниобате лития, сегнетовой соли и др., так и в поликристаллических материалах, например в титанате бария, титанате свинца,
цирконате свинца и др. Поэтому кроме естественных кристаллов для получения пьезоэффекта используется также и пьезокерамика. Но в отличие от естественных кристаллов пьезокерамика вследствие хаотической ориентации ее электрических диполей сразу после изготовления не обладает пьезоэлектрическими свойствами. Для приобретения таких свойств ее подвергают так называемой «тренировке». Эта «тренировка» заключается в воздействии на пьезокерамический чувствительный элемент электрического поля в диапазоне от 10 до 30 кВ/см при температуре несколько ниже точки
Кюри. После этого такой чувствительный элемент будет вести себя как монокристалл. Преимущество пьезокерамики, заключающееся в том что из нее оказывается возможным изготовлять детали сложной конфигурации,
отличающиеся высокой химической стойкостью, при этом сохраняется.
Однако керамический материал может и потерять свои пьезоэлектрические свойства, если он подвергается воздействию сильного переменного электрического поля или воздействию постоянного поля,
противоположного первоначальному направлению поляризации, или если температура возрастает выше точки Кюри, или если измеряемое механическое воздействие превышает определенный уровень.
На рис. 10.8 показан принцип действия чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков.

Рис. 10.10. Принцип действия чувствительных элементов с «прямым» и
«обратным» пьезоэффектом
Чувствительные элементы, в котором используются «прямой»
пьезоэлектричекий эффект применяются в датчиках силы, давления и ускорения.
Чувствительные элементы, в которых используется «обратный»
пьезоэлектричекий эффект применяются для излучения акустических, в том числе ультразвуковых колебаний, а также в пьезоэлектрических реле и в исполнительных элементах автоматических систем, перемещающих зеркала оптических приборов и т.д.
Применяются преобразователи, в которых используются одновременно оба пьезоэлектрических эффекта. Это так называемые пьезорезонаторы,
имеющие максимальный коэффициент преобразования на определенной резонансной частоте и резко уменьшающие этот коэффициент при отклонении от резонансной частоты. Такие пьезоэлектрические преобразователи применяются в качестве резонансных фильтров, пропускающих узкую полосу частот.
Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в качестве задающего генератора колебаний. В зависимости от типа используемого кристалла и типа возбуждаемых колебаний пьезорезонаторы служат для выполнения двух различных функций:
для обеспечения высокостабильной собственной частоты, не зависящей от внешних условий;
генерации колебаний с управляемой собственной частотой (управляемые пьезорезонаторы).

20
Управляемые пьезорезонаторы могут быть использованы в частотно- цифровых приборах в качестве преобразователей различных неэлектрических величин, таких как давление, температура, ускорение, в частоту электрических колебаний.
Пьезоэлектрические чувствительные элементы являются основой для наиболее точных преобразователей, используемых для изготовления датчиков давлений, ускорений и сил.
Магнитометрические датчики на основе эффекта Холла
Эффект Холла применяется для измерения напряженности магнитного поля. Датчики, использующие эффект Холла, относятся к генераторным. Они сами вырабатывают электрическое напряжение, однозначно определяющее характеристики измеряемого магнитного поля. Эффект Холла - это возникновение поперечной разности потенциалов при пропускании тока через металлическую или полупроводниковую пластинку, помещенную в магнитное поле, таким образом, чтобы вектор индукции магнитного поля (В) был направлен перпендикулярно вектору плотности тока. Сущность эффекта Холла показана на рис. 10.9.
Рис. 10.9. Сущность эффекта Холла
Если пластина полупроводника единичной толщины помещается в магнитное поле с напряженностью Н, а вдоль нее течет ток величиной / и при этом вектор напряженности электрического поля составляет прямой угол с вектором напряженности магнитного поля, то на боковых гранях этой пластины возникает разность потенциалов U
0
, определяемая выражением:
где
К
н
– постоянная Холла, которая зависит от концентрации свободных носителей зарядов (электронов и ионов) в материале пластины.
Для того чтобы эффект Холла проявлялся в наибольшей степени,
толщина пластины преобразователя должна быть наименьшей. В качестве полупроводниковых материалов для пластин датчиков, использующих эффект
Холла, применяются обычно арсенид индия и фосфид-арсенид индия. Фосфид- арсенид индия используется при высоких температурах.
Существуют три способа изготовления полупроводниковых пластин датчиков, использующих эффект Холла.
1. Пластина полупроводника отрезается от исходного куска материала, а

затем вытравляется до толщины 5... 100 мкм. После этого ее приклеивают к подложке эпоксидной или полиэфирной смолой, которые хорошо заполняют трещины и обеспечивают хороший теплоотвод.
2. Полупроводниковый материал из паров осаждается на подложку,
образуя слой толщиной 2...3 мкм.
3. Слой полупроводникового материала выращивается из газовой фазы на подложке, изготовляемой из полуизолятора, чаще всего из арсенида галлия.
Преобразователи, полученные таким способом, имеют высокую стабильность и используются для прецизионных измерений.
Наиболее широко преобразователи, использующие эффект Холла,
применяются для измерения параметров магнитных полей, а также для определения характеристик ферромагнитных материалов.
Рис. 10.10. Схемотехнический вариант использования эффекта Холла
Эти преобразователи находят применение также и для измерения других физических величин, изменение которых легко преобразуется в изменение магнитной индукции. С помощью преобразователей, использующих эффект
Холла, можно измерять угловые и линейные перемещения, электрические токи и др.
Емкостные преобразователи
Принцип работы емкостных измерительных преобразователей заключается в изменении электрической емкости под действием измеряемой физической величины.
Существуют различные принципиальные способы, по которым строятся емкостные измерительные преобразователи.
На рис. 10.11, а показано изменение электрической емкости путем изменения расстояния между пластинами конденсатора, а на рис. 10.11, б приведена статическая характеристика такого преобразования. Эта характеристика представляет собой обратно пропорциональную
(гиперболическую) зависимость.

22
а – схема емкостного чувствительного элемента; б – его статическая характеристика с изменением расстояния между обкладками; в – схема дифференциального емкостного чувствительного элемента; г – его статическая характеристика с изменением расстояния между обкладками
Рис. 10.11. Принцип работы и статические характеристики емкостных чувствительных элементов:
На рис. 10.11, в показано дифференциальное изменение электрической емкости путем введения дополнительной металлической пластины между пластинами конденсатора, имеющей собственный электрический вывод, а на рис. 10.11, г приведена статическая характеристика такого преобразования, т.е.
зависимости для С1и С2, где С1 и С2 - соответственно электрические емкости конденсаторов, лежащих выше и ниже средней металлической пластины.
Наибольшая чувствительность емкостного преобразователя имеет место, когда его пластины максимально близки друг к другу. Однако принято считать, что расстояние между ними не может быть менее чем 100 мкм, поскольку в реальности пластины могут быть непараллельными и не плоскими и обладать излишней шероховатостью. Поэтому существует опасность их соприкосновения. В результате оказывается предпочтительным иметь большие по площади пластины даже с большим зазором между ними.
Для измерений смещений менее 1 мм применяются емкостные преобразователи с изменяющимся расстоянием между пластинами. Для измерения смещений, превышающих 1 мм, чаще всего используются преобразователи с изменяющейся площадью перекрытия пластин. В
современных емкостных преобразователях обеспечивается возможность измерения перемещений порядка долей микрона.
Роль одной из пластин конденсатора может выполнять само изделие,
перемещение которого подлежит измерению.
Емкостные преобразователи применяются главным образом в стационарных условиях для проведения стендовых исследований и для прецизионных измерений физических величин.
Эти датчики чувствительны к температурным колебаниями и изменению влажности. Они могут давать ошибочный или искаженный сигнал, если соединительные провода имеют большую длину и собственные емкость и индуктивность. Калибровка таких датчиков должна производиться вместе с кабелем.
Для подключения емкостных датчиков особенно важно использовать бифилярную обмотку, которая в общем случае представляет собой витки из уложенных рядом, но обеспечивающих противоположное направление протекания тока проводников. Такая обмотка обеспечивает не только электрический контакт, но и взаимное уничтожение полей, создаваемых

противоположно протекающими токами: эти поля ведут к созданию реактивного сопротивления соединительных кабелей. Таким образом, можно считать, что бифилярная обмотка обладает чисто активным омическим сопротивлением.
Распространенным устройством, преобразующим акустические колебания окружающей воздушной среды в соответствующие электрические сигналы, является емкостный микрофон.
Оптоэлектронные преобразователи
Оптоэлектроника сочетает в себе оптические и электронные методы измерений. В настоящее время возрастает преобладание волоконно-оптических датчиков, которые обеспечивают стабильную работу в условиях сильных электромагнитных полей, а также в агрессивных и взрывоопасных средах. На основе оптоэлектронных преобразователей созданы датчики давления, силы,
перемещения, скорости, акустических параметров, напряженности электрического и магнитного полей.
Известно, что видимый свет вместе с ультрафиолетовым (УФ) и инфракрасным (ИК) излучением составляет лишь небольшую часть всей полосы частот электромагнитного излучения, называемой областью оптических частот. Измерения в области оптических частот называются радиометрией.
Радиометрия, использующая видимый свет, называется фотометрией.
Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны,
находящиеся в диапазоне длин от 0,001 до 1 000 мкм. Этот диапазон длин волн,
в свою очередь, разделен на три поддиапазона: ультрафиолетовую область,
область видимого света и область инфракрасного излучения.
Ультрафиолетовая область разделена на ближний ультрафиолет (длина волны равна 400...200 нм) и далекий (длина волны 200... 10 нм).
Область видимого спектра составляет диапазон длин волн от 370 до 770
нм и разделена на различные цвета.
Инфракрасное излучение лежит между областью видимого света и радиомикроволнами и, в свою очередь, разделено на три полосы, а именно на ближнее, среднее, далекое инфракрасные излучения.
Для описания оптических явлений используются три системы величин:
энергетическая, световая и квантовая.
В энергетической системе поток измеряется в ваттах, а в световой – в люменах. В квантовой системе свет рассматривается как поток частиц –
квантов.
Обычно световой поток состоит из излучений с различными частотами,
но при создании оптических преобразователей желательно использовать световой поток, состоящий из излучения одной какой-либо частоты. Такой одночастотный поток называют монохроматическим.
Если волны отдельных излучений, из которых состоит поток, находятся в одной и той же фазе по отношению друг к другу, то такой поток называют когерентным.
Когда световой поток проходит через границу раздела двух сред, его направление меняется и происходит преломление света.

24
Когда свет падает на какую-либо поверхность, часть его преломляется,
часть отражается, а часть проходит сквозь среду, раздел с которой образует рассматриваемая поверхность. Коэффициент отражения изменяется в зависимости от состояния и свойств этой поверхности и длины волны падающего света. Он колеблется от 98 для покрытой оксидом магния полированной поверхности до 1 % для поверхности, покрытой сажей.
В том случае, когда высота шероховатостей отражающей поверхности оказывается меньше длины волны падающего на нее света, происходит зеркальное отражение. Для зеркального отражения характерно отсутствие рассеяния света.
В тех случаях, когда при отражении света преобладает его рассеяние,
имеет место диффузное отражение.
Приемники излучения, практически использующиеся в автоматизации,
можно подразделить на две группы: интегральные и селективные.
К интегральным относятся приемники излучения, базирующиеся на преобразовании энергии излучения в температуру независимо от длины волны этого излучения.
К селективным относятся фотоэлектрические преобразователи,
реагирующие на ту или иную определенную длину волны излучения.
Интегральный тепловой приемник представляет собой металлический диск, с которым контактирует термочувствительный элемент, измеряющий фактическую температуру этого диска. Рабочая поверхность указанного диска покрывается слоем черни, который поглощает почти все падающее на него излучение. Выходной электрический сигнал пропорционален мощности падающего на рабочую поверхность диска излучения и не зависит от спектрального состава этого излучения.
Существуют приемники излучения, выполненные в виде полоски из двух различных металлов, образующих термопару. Существуют также приемники излучения, выполненные в виде полоски или стержня из металла или полупроводника, который изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры. В последнем случае такой преобразователь называется болометром.
Для уменьшения потерь тепла на конвекцию тепловой приемник может быть установлен в стеклянный баллон, из которого откачивается воздух. Это повышает точность преобразования, а чувствительность такого датчика возрастает в 10 и более раз. В баллоне предусматривается окно из кварца,
прозрачного для ультрафиолетового и инфракрасного излучений.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом – это вакуумные и газонаполненные конструкции. Вакуумные фотоэлементы представляют собой сферический стеклянный баллон, на внутреннюю поверхность которого нанесен слой фоточувствительного материала, образующего фотокатод. Анод обычно выполняют в виде кольца или сетки из никелевой проволоки.
Преобразование светового потока в электрический ток происходит практически без задержки.
В фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) первичный фототок усиливается

за счет вторичной электронной эмиссии с промежуточных катодов, в которые ударяется поток электронов, усиленных электрическим полем, включенным между парами соседних катодов. Общий коэффициент усиления одного фотоумножителя может достигать сотен тысяч при практически безынерционном преобразовании. Поэтому фотоумножители используются для регистрации быстро протекающих процессов, когда требуется особо высокая чувствительность.
Газонаполненные фотоэлементы позволяют получать токи в несколько раз большие, чем вакуумные фотоэлементы. Обычно стеклянные баллоны таких фотоэлементов заполняются инертными газами.
При этом электроны, движущиеся к аноду, сталкиваются с молекулами газа и ионизируют их. В результате от катода к аноду начинает двигаться лавина электронов, а к катоду – лавина положительно заряженных ионов.
Недостатком газонаполненных фотоэлементов является то, что максимальная амплитуда фототока достигается лишь спустя некоторый промежуток времени после начала освещения, поэтому такие элементы используются для регистрации световых потоков, изменяющихся с частотами не выше нескольких сотен герц.
Фоторезисторы представляют собой полупроводниковую пластинку с контактами, которая при освещении в результате внутреннего фотоэффекта уменьшает свое сопротивление. В качестве полупроводникового материала используют сернистый свинец, селенид кадмия, сернистый кадмий и др.
Фоторезисторы имеют самые различные конструкции: они могут быть выполнены герметичными, с жесткими или с мягкими выводами, кольцевой формы и др.
Конструктивное исполнение фоторезисторов также может быть различным. Варианты конструктивных схем фоторезисторов показаны на рис.
10.12.
Рис. 10.12. Конструктивные схемы фоторезисторов
Фоторезисторы могут применяться также и в преобразователях перемещений. В этом случае перемещение светового зонда возможно в направлении как перпендикулярном, так и параллельном электродам.

26
Рис. 10.13. Схема оптоэлектронного датчика перемещения
Фотодиоды и фототранзисторы относятся к полупроводниковым приемникам излучения. Фототранзистор представляет собой тот же фотодиод,
снабженный усилителем фототока. Фотодиоды могут работать в двух режимах:
фотогенераторном и фотодиодном.
В фотогенераторном режиме отсутствует источник внешнего напряжения. В фотодиодном режиме имеет место подключение внешнего напряжения. При отсутствии облучения под действием этого напряжения в измерительной цепи течет темповой ток, который обычно невелик. При освещении фотодиода ток в измерительной цепи увеличивается в зависимости от интенсивности облучения.
Электромагнитные преобразователи
Электромагнитные преобразователи строятся на основе одного или нескольких контуров, по которым могут протекать электрические токи,
находящиеся в магнитном поле, создаваемом самими этими токами или каким- либо внешним источником.
Выходной величиной для таких преобразователей могут быть индуктивность, электромагнитная сила и индуктируемая в контуре ЭДС.
В зависимости от физических явлений, которые используются для их построения, они могут быть подразделены на следующие группы:
преобразователи тока и напряжения;
электромеханические преобразователи электрического тока в
электромагнитную силу;
магнитоупругие преобразователи, использующие изменение магнитной проницаемости ферромагнитных сердечников под воздействием механических напряжений;
индукционные преобразователи, основанные на изменении электромагнитной индукции;
индуктивные преобразователи, применяющиеся для измерения неэлектрических величин, которые влияют на изменение положения тех или иных элементов преобразователей;

магнитомодуляционные преобразователи, использующие нелинейные свойства магнитных цепей.
Электроизмерительные приборы двух первых групп могут строиться также по электродинамическому и магнитоэлектрическому принципу.
Как в электродинамическом, так и в магнитоэлектрическом приборах чувствительным элементом подвижной части является рамка, состоящая из тонкого провода, способная вращаться в магнитном поле.
В электродинамическом приборе для создания такого магнитного поля используется неподвижная катушка. В магнитоэлектрическом приборе это магнитное поле создается постоянным магнитом.
Электромагнитный измерительный механизм имеет высокую надежность и технологичен в изготовлении. В его конструкции отсутствуют токоведущие элементы в подвижной части, что исключает необходимость обеспечения надежного токоподвода к ним. Для защиты такого механизма от влияния внешних магнитных полей он помещается в экранированный корпус.
Электродинамический измерительный механизм обладает сравнительно небольшим полезным вращающим моментом, и поэтому моменты сопротивления оказывают на него существенное влияние.
Для защиты от влияния внешних полей этот механизм также закрывают специальным экраном. Устройство такого типа характеризуется большими габаритными размерами и потребляет значительную мощность. Оно используется главным образом в лабораторных приборах переменного тока.
Магнитоэлектрический измерительный механизм обладает более высоким полезным моментом. Он не реагирует на внешние магнитные поля.
Измерительный механизм такого типа обладает высокой точностью и имеет линейную зависимость между углом поворота на выходе и измеряемым током.
В настоящее время стремятся во всех электромеханических измерительных приборах использовать один тип механизма:
магнитоэлектрический с преобразованием измеряемой величины в постоянный ток.
Для построения датчиков неэлектрических величин в машиностроении также используется физическое явление изменения магнитной проницаемости ферромагнитных тел под действием приложенной к ним механической нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб, кручение). На этом основано построение магнитоупругих преобразователей.
Обратным магнитной упругости является эффект магнитострикции,
заключающийся в возникновении механических деформаций и напряжений в ферромагнитном материале при изменении в нем напряженности магнитного поля.
Магнитоупругие свойства проявляются также и при скручивании ферромагнитных тел. При пропускании тока через стержень, на который воздействует крутящий момент, в нем возникает дополнительный продольный магнитный поток, который наводит в обмотке, намотанной на стержень, ЭДС,
пропорциональную этому крутящему моменту.
Магнитоупругие преобразователи используются для измерения сил,
давлений, крутящих моментов. Они развивают достаточную мощность и могут

28
быть включены в последующую цепь без промежуточного усиления сигнала.
Такие преобразователи обладают высокой надежностью, так как не содержат подвижных частей. Они могут измерять как статические, так и динамические нагрузки.
Преобразователями магнитного поля являются также и датчики Виганда.
Преобразователь, положенный в основу датчика такого типа, обычно представляет собой катушку с длиной намотки около 15 м с числом витков порядка 1 300, намотанную из проволоки, изготовляемой из сплава «Викалой».
Диаметр наматываемой проволоки обычно составляет 0,3 мм. Если расположить такую катушку в магнитном поле, то при изменении направления магнитного поля, в катушке возникает электрический импульс длительностью около 20 мс и с максимальным напряжением около 2,5 В. Такие датчики используются, например, для индикации положения зубчатых колес. Датчики
Виганда работают в диапазоне температур от -196 °С до +175 °С. Они не требуют внешнего источника питания, создают выходной сигнал порядка нескольких вольт и электробезопасны.
Принцип действия индуктивных преобразователей состоит в изменении их индуктивности при перемещении того или иного элемента их конструкции.
В простейшем случае индуктивный преобразователь состоит из П- или
Ш-образного сердечника с катушкой, питаемой переменным током, и из ферромагнитного якоря. Частота напряжения питания должна быть существенно больше частоты изменения измеряемого параметра. В качестве якоря может быть использован также и сам измеряемый объект, если он выполнен из ферромагнитного материала.
1 2

1. схема простейшего индуктивного датчика
2. статическая характеристика однотактного индуктивного датчика.
Рис. 10.14 Однотактный индуктивный датчик
Положительным свойством индуктивных преобразователей является то,
что они характеризуются большим по мощности выходным сигналом, так что они могут использоваться без усилителя.
В отличие от контактных датчиков виброгенераторные датчики обладают рядом положительных эксплуатационных свойств:
измерительный наконечник касается детали только очень короткое время,
и его износ практически отсутствует, что дает возможность контролировать размеры компонентов, обладающих высокими окружными скоростями,
например, создается возможность контроля профиля и размеров вращающегося абразивного круга;
передаточное отношение от датчика к регистрирующему прибору или к исполнительному механизму может быть задано в достаточно широких пределах;
в процессе подвода щупа к обрабатываемой детали исключается опасность повреждения измерительного наконечника;
датчик выдает усредненный результат измерений.
Принцип действия вихретоковых преобразователей заключается в изменении индуктивности и взаимоиндуктивности катушек при приближении к ним проводящего тела. Следует учесть, что на интенсивность и характер распределения вихревых токов, возбуждаемых на поверхности объекта, кроме контролируемого зазора существенное влияние оказывают толщина токопроводящего слоя, магнитная проницаемость и удельная электрическая проводимость материала подводимого проводящего тела.
Подобные преобразователи используются для контроля линейных размеров и толщины тонких пластин и покрытий, а также для обнаружения внутренних дефектов и всякого рода трещин, отслоений, царапин и раковин.
Вихретоковые преобразователи используются также для измерения вибраций, для определения частоты, амплитуды и форм вибрации при динамических испытаниях различных изделий машиностроения. Обычно измеряемые амплитуды лежат в пределах 1...2 000 мкм при частотах 20...20000
Гц. Этот же принцип используется для контроля вращающихся валов.
Датчики положения для систем числового программного управления
Для построения систем числового программного управления (ЧПУ)
станками, которые в настоящее время используются во всех вариантах построения технологических процессов в механической обработке,
существенным является получение данных об истинном положении рабочих органов станка. Числовое программное управление координатными

30
перемещениями с достижением при этом необходимой точности обеспечивается благодаря соответствующим устройствам обратной связи по положению, объединяемых общим названием «системы дистанционного отсчета».
Для абсолютного отсчета в таких системах автоматизации в основном используются круговые кодовые датчики положения. Системы автоматизации,
использующие информацию, поступающую по одному каналу в виде серии импульсов, число которых пропорционально величине перемещения (в виде так называемого унитарного кода), базируются, главным образом, на применении циклических датчиков.
Среди промышленных датчиков, используемых для управления координатными перемещениями в системах ЧПУ как для абсолютного, так и для циклического отсчета, наиболее распространены фазовые датчики положения.
Устройством, служащим для преобразования угла поворота одной катушки по отношению к другой в сдвиг фазы одного переменного синусоидального напряжения по отношению к другому переменному синусоидальному напряжению такой же частоты, является вращающийся
трансформатор.
Вращающийся трансформатор – электрическая машина, предназначенная для преобразования механического перемещения (угла поворота ротора) в электрический сигнал. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор называется также резольвером. В нем на статоре и роторе имеются по две одинаковые обмотки, конструктивно расположенные взаимно перпендикулярно.
На пару статорных обмоток подаются два синусоидальных опорных напряжения, одинаковых, но со взаимным сдвигом фаз на 90°. Такой сдвиг фаз можно получить, например, подавая второе из двух переменных гармонических напряжений через электрический конденсатор.
В результате взаимодействия векторов напряженности магнитных полей обеих статорных обмоток возникает вращающееся магнитное поле, т.е. такое поле, напряженность которого представляет собой вектор, постоянный по абсолютной величине, но вращающийся относительно центра статора с угловой частотой, равной частоте опорного переменного тока.
В обмотках ротора индуктируется ЭДС такой же частоты, но сдвинутая по фазе относительно опорного напряжения на величину, определяемую углом поворота ротора относительно статора.
Особенностью вращающихся трансформаторов является то, что у них взаимоиндуктивность между первичными (статора) и вторичными (ротора)
обмотками при повороте изменяется по синусоидальному (или косинусоидальному) в зависимости от угла, что обеспечивает такой же закон

изменение амплитуды ЭДС вторичных обмоток.
При использовании СКВТ возможны два способа получения информации об угловом положении вала – амплитудный режим и фазовый режим.
Рис. 10.15 Внешний вид и способы подключение СКВТ в амплитудном и фазовом режимах.
Рис. 10.16 Сигналы с роторных обмоток СКВТ в амплитудном и фазовом режимах.
Характерным примером фазового датчика положения с измеряемым перемещением являются сельсины. В таком датчике приводятся во вращение бесконтактные сельсины.
Простейший сельсин состоит из статора с трёхфазной обмоткой (схема включения — треугольник или звезда) и ротора с однофазной обмоткой. Два таких устройства электрически соединяются друг с другом одноимёнными выводами — статор со статором и ротор с ротором. На роторы подаётся одинаковое переменное напряжение. При таких условиях вращение ротора одного сельсина вызывает поворот ротора другого сельсина. При повороте одного из сельсинов (сельсин-датчика) на определённый угол в нём наводится
ЭДС, отличная от первоначальной. Поскольку сельсины (их роторы)
соединены, то эта же ЭДС будет возникать и во втором сельсине (сельсин- приёмнике) и по правилу левой руки он отклонится от первоначального положения на тот же угол.

32
В системах автоматики «передача угла» осуществляется по двум,
принципиально разным схемам: индикаторной и трансформаторной.
Индикаторная схема используется там, где на приемной оси небольшой момент статического сопротивления (стрелка, шкала прибора и т.п.). В этих схемах сельсин-приемник самостоятельно отрабатывает угол, заданный датчиком.
Трансформаторная схема применяется в тех случаях, когда на приемной оси имеется значительный момент сопротивления. В таких схемах сельсин- приемник лишь управляет мощным силовым двигателем, осуществляющим поворот какого-то механизма.
Другим распространенным типом датчиков, используемым для обратной связи по программируемым координатным перемещениям в станках с ЧПУ,
являются линейные и круговые индуктосины.
Индуктосин состоит из двух шкал, одна из которых устанавливается на подвижном, а другая на неподвижном узлах станка. Эти шкалы представляют собой пластины из электроизоляционного материала, обычно из гетенакса или текстолита, на которые фотопечатным способом нанесены обмотки прямоугольной формы. На одной из шкал имеется одна обмотка с шагом S, а на другой размещаются две расположенные навстречу друг другу обмотки с тем же шагом S, но сдвинутые по отношению друг к другу на величину S/4. При подаче на эти обмотки синусоидальных напряжений, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 90°, образуется бегущее магнитное поле, а в обмотке, расположенной на другой пластине, индуцируется ЭДС, фаза которой оказывается пропорциональной перемещению X.
Индуктосин представляет собой воздушный трансформатор с распределенными обмотками. Он состоит из двух плоских пластин или дисков из изоляционного материала, на которых нанесены печатные проводники.
Внешний вид такого диска показан на рис.10.16.

Рис. 10.16 Вид ротора индуктосина.