Контроль и регулирование параметров технологического контроля

Назначение, принцип действия датчиков

с электрическим выходным сигналом

Датчик (измерительный преобразователь) - устройство, воспринимающее измеряемый (контролируемый) параметр и преобразующее его в сигнал, удобный для передачи по линиям связи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем.

В большинстве случаев датчик представляет собой конструктивную совокупность одного или нескольких измерительных преобразователей (первичных и промежуточных) и сопутствующих им конструктивных элементов, предназначенную для измерения (контроля) конкретной физической величины и выполненную в виде единой конструкции.

В зависимости от энергетического носителя информации выходные сигналы датчиков могут быть электрическими, пневматическими, гидравлическими и другие.

В средствах технического диагностирования используют датчики с электрическим выходным сигналом, так как электроизмерительные схемы этих средств имеют ряд важных преимуществ по сравнению с пневматическими, гидравлическими и другими, таких как быстродействие; возможность автоматизации процессов измерения и представления результатов экспериментального исследования в форме, удобной для обработки на ЭВМ, многофункциональность и гибкость, позволяющие при наличии программирующего устройства оперативно перестраивать структуру измерительных каналов.

Датчики, являясь первичными элементами средств экспериментального исследования, осуществляют связь этих средств с объектом путем преобразования контролируемых параметров (неэлектрических и электрических величин) в электрические сигналы, поступающие во входные устройства диагностического средства.

Таким образом, датчики обеспечивают преобразование контролируемых физических величин в соответствующие этим величинам электрические сигналы с тем, чтобы при дальнейших преобразованиях, регистрации и обработке можно было бы получить результаты в форме измеряемой физической величины в функции времени.

Преобразование измеряемой физической величины в электрический сигнал осуществляется в датчиках на основе использования зависимости электрических параметров различных физических тел от внешних воздействий.

Например, зависимость величины электрического сопротивления металлов и полупроводников от температуры широко используется для измерения таких физических параметров, как температура, скорость газового потока, расход жидкости и газа и др.

На принципе использования зависимости омического сопротивления металлических и полупроводниковых тел от механической деформации разработаны датчики для измерения механических напряжений в конструкциях, статических и переменных давлений, вибраций и т. д.

Существует множество типов и модификаций датчиков, отличающихся разными вариантами выполнения схемы и конструкции.

В зависимости от принципа действия датчики с электрическим выходным сигналом можно разделить на две большие категории: генераторные или активные и параметрические или пассивные.

В генераторных датчиках осуществляется преобразование измеряемого параметра непосредственно в электрический сигнал (т. е. они генерируют электрическую энергию).

К таким датчикам относятся:

- пьезоэлектрические датчики, использующие пьезоэлектрический эффект, возникающий в некоторых кристаллах (кварц, турмалин и др.), в зависимости от значений и характера прилагаемых к кристаллу упругодеформирующих сил;

- индукционные (магнитоэлектрические) датчики, использующие явление электромагнитной индукции - наведение ЭДС в электрическом контуре, в котором меняется величина магнитного потока;

- фотоэлектрические датчики, использующие зависимость ЭДС фотоэлемента с запирающим слоем от освещенности;

- термоэлектрические датчики (термопары), использующие явление термоэлектрического эффекта, возникающего в цепи термопары, в зависимости от разности температур ее рабочего и свободного спаев;

- датчики электрических потенциалов, использующие зависимость концентрации водных растворов от концентрации водородных ионов в растворе, которую можно определить по потенциалу, возникающему на границе различных электродов, опущенных в контролируемый раствор;

- гальванические датчики, использующие зависимость ЭДС гальванического элемента от состава и концентрации растворов электролитов;

- электрокинетические датчики, использующие явление электрокинетического потенциала, возникающего при вынужденном протекании полярной жидкости через пористую стенку;

- датчики с времяимпульсным выходом, в которых изменяемый параметр преобразовывается в пропорциональный по длительности импульс тока;

- частотные датчики (с частотным выходом), в которых измеряемый параметр преобразовывается в изменение частоты переменного тока или в изменение частоты следования электрических импульсов.

В параметрических датчиках измеряемая величина преобразуется в параметр электрической цепи - сопротивление, индуктивность, емкость и т. п., причем датчик питается от внешнего источника электрической энергии. К таким датчикам относятся:

- емкостные датчики, использующие зависимость электрической емкости конденсатора от размеров и взаимного расположения его обкладок при воздействии на него измеряемого параметра;

- электромагнитные и магнитоэлектрические датчики, которые объединяют три типа датчиков - индуктивные, трансформаторные и магнитоупругие.

Индуктивные датчики основаны на зависимости индуктивности дросселя от длины и площади сечения его сердечника, от взаимного расположения обмоток дросселя и частей магнитопровода. 

Трансформаторные датчики основаны на изменении взаимной индуктивности обмоток преобразователя под воздействием механических перемещений ферромагнитного сердечника.

Магнитоупругие датчики основаны на принципе изменения магнитной проницаемости (или индукции) ферромагнитных тел под воздействием приложенных к ним механических сил или напряжений.

Электроконтактные датчики, коммутирующие электрическую цепь под воздействием измеряемого параметра.

Потенциометрические (реостатные) датчики, использующие зависимость сопротивления реостата от положения его движка, который может перемещаться под воздействием контролируемого параметра.

Жидкостные (электролитические) датчики, принцип действия вторых основан на изменении сопротивления электропроводящей жидкости при взаимном перемещении электродов или изменении геометрической формы корпуса чувствительного элемента.

Механотронные датчики, основанные на преобразовании изменяемого параметра в перемещение электродов механотронной лампы и, соответственно, в изменение анодного тока.

Тензорезисторные (тензометрические) датчики, использующие свойство тензопреобразователя изменять свое сопротивление при упругих деформациях. Они подразделяются в зависимости от материала тензорезистора на проводниковые (проволочные и фольговые) и полупроводниковые.

Датчики контактного сопротивления, использующие зависимость контактного сопротивления между поверхностями двух твердых тел от усилия их сжатия.

Датчики термосопротивления, пьезосопротивления, фотосопротивления и др., использующие свойства цепи, в которой они стоят, менять свое сопротивление соответственно в зависимости от температуры, механического напряжения, освещенности и т. д.

Из всей номенклатуры типов датчиков, различающихся по принципу действия, в настоящее время находят наиболее широкое применение следующие:

1. Потенциометрические или реостатные датчики - для измерения абсолютных, избыточных давлений жидких и газообразных сред и перепадов давлений; координат и относительных перемещений; линейных ускорений, угловых скоростей, скоростного напора и. др.

2. Тензорезисторные (тензометрические) датчики - для измерения давлений, усилий, вращающих моментов, относительных перемещений, линейных ускорений и др.

3. Электроконтактные датчики - для измерения временных интервалов и фазовых параметров работы двигателя.

4. Индуктивные датчики - для измерения давлений, линейных перемещений и др.

5. Трансформаторные (взаимоиндуктивные) датчики - для измерения линейных перемещений, давлений, расходов и др.

6. Магнитоупругие датчики - для измерения вращающих моментов, усилий и др.

7. Индукционные датчики - для измерения расходов жидкости и газа, частоты вращения и др.

8. Пьезоэлектрические датчики - для измерения давлений, вибраций, уровней, расходов по уровню и др.

9. Термоэлектрические датчики (термопары) - для измерения температуры

10. Датчики термосопротивления (термометры сопротивления) - для измерения температуры жидких сред и поверхности корпусных деталей.

11. Фотоэлектрические датчики - для измерения частоты вращения, вращающего момента, линейных размеров и др.

12. Мехатронные датчики - для измерения малых перемещений, усилий, давлений и др.

13. Частотные стробоскопические датчики (стробоскопы) - для измерения фазовых параметров и частоты вращения.

Основной характеристикой датчика является зависимость выходной величины (электрического сигнала) U от входной величины (контролируемого параметра) X, определяемая градуировочной характеристикой

U=f(Х)

3