Характеристики, классификация

Датчиком называется устройство, предназначенное для преобразования информации, поступающей на его вход в виде некоторой физической величины, в другую функциональную физическую величину, удобную для использования в последующих элементах автоматической системы. Следовательно, датчик в общем виде можно представить состоящим из чувствительного элемента ЧЭ и преобразователя ПЭ (рис. 1.32). В случае, если в датчике не происходит преобразования сигналов, он включает только чувствительный элемент.

Рис. 1.32. Общий вид датчика

Большинство известных в автоматике и телемеханике датчиков преобразуют неэлектрическую контролируемую величину х в электрическую величину у (например, механическое перемещение в индуктивность или напряжение, температуру в ЭДС и т. п.) или неэлектрическую величину в неэлектрическую (например, механическое перемещение в давление воздуха или жидкости и др.). Следовательно, по роду энергии выходной величины различают электрические и неэлектрические датчики.

Все электрические датчики по принципу действия или производимого ими преобразования сигналов подразделяются на параметрические, преобразующие неэлектрические величины в электрические (сопротивление R, емкость С, индуктивность L), и генераторные, преобразующие неэлектрические величины в ЭДС. Наличие постороннего источника энергии является обязательным условием работы параметрического датчика.

К параметрическим датчикам относятся контактные, реостатные, потенциометрические, тензодатчики, терморезисторы, емкостные, индуктивные, электронные, фоторезисторные и др., к генераторным – термоэлектрические (термопары), индукционные, пьезоэлектрические, вентильные фотоэлементы.

Неэлектрические датчики подразделяются на механические пневматические, гидравлические и др.

Датчики классифицируют по различным признакам, но прежде всего по виду измеряемой величины и принципу действия.

Основными характеристиками датчиков являются: статическая характеристика, чувствительность, порог чувствительности, динамическая характеристика, погрешность преобразования, выходная мощность и выходное сопротивление.

Статическая характеристика показывает зависимость выходной величины у от входной величины х:

y=f (x).

Чувствительность, или коэффициент преобразования, представляет собой отношение выходной величины у к входной величине х.

Для датчиков с линейной статической характеристикой (рис. 1.33, кривая 1) чувствительность постоянная:

k _c = .

Рис. 1.33. Статические характеристики датчиков

Для датчиков с нелинейной характеристикой кривую 2 чувствительности называют дифференциальной и для разных точек характеристики определяют по формуле:

Порогом чувствительности называется минимальная величина на входе датчика, которая вызывает изменение его выходной величины. Порог чувствительности вызывается как внешними, так и внутренними факторами (трение, люфты, гистерезис, помехи и др.).

Абсолютная погрешность датчика (ошибка) есть разность между действительным значением выходной величины у ' и ее расчетным значением у, т. е.:

D y = у ' – у.

Относительная погрешность g =

Динамические свойства датчиков определяются по динамическим (временным и частотным) характеристикам.

2. Механические датчики

Наиболее простыми средствами получения информации о различных параметрах сельскохозяйственных технологических процессов (о расположении растений, корней свеклы, маркерной борозды, наличии корма на транспорте, уровня воды в емкости и др.) служат механические датчики – щупы, стержни, полозки, катки и т. п.

Механический чувствительный элемент (щуп) связан, как правило, с преобразовательно-усилительным силового замыкания с источником информации (рис. 1.34). звеном и находится в состоянии Определенная силовая настройка щупа позволяет выделить полезный сигнал, например, культурные растения, поэтому его тип выбирают в зависимости от физико-механических свойств источника информации.

На рис. 1.34, а полозок 1 кинематически через тягу 2 связан с преобразователем 3 типа сопло-заслонка, формирующим давление р_у, пропорциональное усилию сжатия пружины 4. Поршень 5 выполняет функцию заслонки. На рис. 1.34, б посредством рычажной системы и демпфирующего устройства 2 полозок 1 соединен с гидрораспределителем 3, который вырабатывает управляющий сигнал.

На рис. 1.34, в копиры 1, движущиеся по рядам свеклы, при сближении на угол рассогласования с посредством тяги 2 вызывают смещение х золотника гидрораспределителя 3.

Если пренебречь упругостью механизма передачи, то для малых отклонений х = k j.

На рис. 1.34, г приведена схема чувствительного элемента системы регулирования высоты среза ботвы корнеуборочными машинами.

Рис. 1.34. Механические датчики

Чувствительный элемент (рис. 1.34, д) состоит из копирующих катков 1 (обычно их четыре), связанных кинематически, уравновешивающей пружины 2, демпфера 3 и рычажной системы 4, воздействующей на золотник гидрораспределителя.

На рис. 1.34, е приведена схема чувствительного элемента системы автоматизации пропашного культиватора при наличии пропусков растений в рядках. Щупы 1, 2 самоустанавливаются в нейтральное положение при отсутствии растений под действием пружин 8, 4, надетых на штангу 5, соединенную с золотником гидрораспределителя.

Механический чувствительный элемент для пропашного культиватора в виде копирующего колеса 1, катящегося по дну борозды, прокладываемой при посеве, показан на рис. 1.34, ж. Для него из-за сухого трения в подвижных соединениях и зазоров в шарнирах характерна нелинейность типа «люфт»:

,

где k ₁ – коэффициент усиления чувствительного элемента;

a – величина люфта.

Для устранения угловых перемещений молотилок зерноуборочных комбайнов или крена остова машин при работе на склонах применяют следящие системы с измерительно-преобразующими устройствами, в которых поплавковый (рис. 1.34, з) или подвешенный (рис. 1.34, и) чувствительный элемент (маятник) 1 кинематически связан с золотниковым гидрораспределителем 2 и демпфером 3. Входной величиной для них является отклонение маятника от вертикального положения на угол j, выходной – смещение у золотника из нейтрального положения.

В механическом устройстве для определения потерь зерна на конечном участке соломотряса зерноуборочного комбайна (рис. 1.34, к) зерно поступает на лопастное колесо 1,которое выполняет роль чувствительного элемента и установлено на валу электродвигателя 2 постоянного тока. Для измерения нагрузки на лопастном колесе применена мостовая схема, одним плечом которой является ротор электродвигателя 2. В измерительную диагональ включен показывающий прибор 3.

К механическим чувствительным элементам относятся также различные типы пружинных, маятниковых и осевых экселерометров. Так, в регуляторах скорости дизельных двигателей применяют центробежный преобразователь угловой скорости w в механическое перемещение х муфты 2 (рис. 1.34, л), связанный с рейкой топливного насоса. Роль чувствительного элемента выполняет груз 1, роль задающего устройства – пружина 3.

На рис. 1.34, м показан регулятор загрузки двигателя. Он состоит из центробежного преобразователя 1 и магнитно-индукционного измерительного устройства 2 с электромагнитными реле КV ¹ и КV ². Сигнал поступает через усилительно-преобразовательное устройство на вход индикатора, проградуированного в процентах относительно загрузки.

На рис. 1.34, н изображена упрощенная схема осевого акселерометра. Отклонение Dх груза 1 (чувствительного элемента) под действием силы инерции Р от среднего положения определяется по формуле:

где т и dv / dt – масса и ускорение груза;

с – коэффициент жесткости пружины 2.

На рис. 1.34, о изображено как в маятниковом акселерометре с чувствительным элементом 1 и противодействующей пружиной 2 маятник с грузом отклоняется под действием силы инерции Р. Жесткость пружины 2, препятствующей этому отклонению, подбирается так, чтобы угол отклонения маятника ее был пропорционален силе Р и, следовательно, ускорению dv / dt. Вместо пружины ввиду ее нестабильных свойств чаще используют электромагнитные устройства.

Дата добавления: 2015-07-25