Датчики

В системах автоматики и телемеханики датчики выполняют функции начальных или измерительных элементов. С их помощью автоматические системы получают внешнюю информацию. Точ­ность и надежность работы датчиков во многом определяют соответ­ствующие характеристики работы системы в целом. Датчики долж­ны иметь высокую чувствительность и точность, длительный срок службы и безотказность в работе, малые размеры и массу, низкую стоимость.

Датчик состоит из воспринимающей, промежуточной и исполни­тельной частей. Воспринимающая часть реагирует на изменение входной величины х и преобразовывает ее в некоторую промежуточ­ную величину, которая сравнивается с эталонным значением аналогичной физической величины, а затем воздействует на исполнитель­ную часть датчика, которая формирует выходной сигнал у.

В зависимости от физической природы входной величины х раз­личают электрические, тепловые, механические, оптические, аку­стические, жидкостные и газовые датчики. Электрические датчики измеряют ток, напряжение, мощность, частоту, магнитный поток; тепловые - температуру и количество теплоты; механические - силу, давление, перемещение, скорость, ускорение; оптические - силу света; акустические - силу звука, его частоту и мощность; жидкостные и газовые - давление и скорость.

В свою очередь датчики каждого вида классифицируют по прин­ципу действия воспринимающей части. Например, оптические дат­чики бывают фотоэлектрические, фотохимические, фототермиче­ские и фотомеханические.

Другой вид датчиков определяется физической природой выход­ной величины у. Наиболее широко распространены датчики с элек­трической выходной величиной - это датчики сопротивления, ин­дуктивности, емкости, тока, напряжения, фазы, частоты.

В зависимости от числа преобразований входной величины х, которые происходят в датчике, различают датчики с непосредствен­ным и промежуточным преобразованиями. В датчиках с непосред­ственным преобразованием входная величина х непосредственно преобразуется в выходную величину у. Эти датчики наиболее про­сты по конструкции, так как у них отсутствует промежуточная часть. В датчиках с промежуточным преобразованием может происходить несколько преобразований входной величины.

По виду преобразования х→у датчики делятся на два класса: с непрерывным и дискретным преобразованиями. Датчики с непре­рывным преобразованием являются измерительными. В них непре­рывному изменению величины х соответствует непрерывное измене­ние величины у. Датчики с дискретным преобразованием контроли­руют состояние дискретных объектов, т. е. объектов, имеющих конечное число состояний. Большинство контролируемых объектов являются двухпозиционными и имеют два состояния - "включен" и "выключен". Поэтому дискретные датчики обычно являются дат­чиками двоичной информации, у которых выходная величина у = 0 или у = 1.

В связи с развитием полупроводниковой техники и широким при­менением в современных системах автоматики микропроцессоров и микроЭВМ появились и новые тенденции в развитии датчиков. Эти тенденции определяются тем, что датчики должны работать совме­стно с микропроцессорами и микроЭВМ. Поэтому ценными качест­вами современных датчиков являются их интегральное исполнение и малые размеры. Последнее позволяет изготовлять в одном корпу­се несколько датчиков и получать таким образом комбинированный датчик для измерения нескольких физических параметров одновре­менно. Интегральное исполнение позволяет также встраивать датчики в другие схемы интерфейса микроЭВМ. Перспективным на­правлением развития является изготовление "интеллектуальных" датчиков. В этом случае датчики и микропроцессор размещают в одном корпусе, что позволяет сразу же обрабатывать сигналы, по­ступающие от датчиков.

Рис. 1.9. Датчики сопротивления

Датчики с непосредственным преобразованием. Простейшим датчиком с непосредственным преобразованием является тензодатчик (рис. 1.9, а), который применяют для измерения деформаций и механических напряжений на поверхности деталей. Тензодатчик изготовляют из проволоки П с высоким удельным сопротивлением (константан) и малым диаметром (0,006 — 0,020 мм), которую в виде равных и частых петель располагают между двумя листами тонкой бумаги Б и приклеивают к ним. К концам проволоки припаивают медные проводники (выводы), с помощью которых тензодатчик включают в измерительную схему. Тензодатчик плотно приклеива­ют на поверхность детали и он деформируется вместе с ней. Относи­тельное изменение сопротивления R пропорционально деформации l и напряжению на поверхности детали:

где k — постоянная величина.

В тензодатчике механическая величина (деформация) непосред­ственно преобразуется в электрическую (сопротивление).

Просты по конструкции и термодатчики, в которых температура преобразуется в напряжение (термопары) или сопротивление (тер­мосопротивления). Последние (рис. 1.9, б) изготовляют из стальной, никелевой или платиновой проволоки, сопротивление которой зави­сит от температуры. Для измерения температуры применяют тер­мочувствительные ферриты и конденсаторы, у которых изменяется магнитная и диэлектрическая проницаемость. В термочувствитель­ных диодах и тиристорах используется температурная зависимость проводимости р – n -перехода на кристалле кремния.

К датчикам сопротивления относится широко распространен­ный реостатный датчик (рис. 1.9, в), который преобразовывает ли-

Рис. 1.10. Схемы измерения толщины

нейные перемещения механизмов в соответствующие сопротивле­ния R. При перемещении движка D на расстояние х пропорциональ­но изменяется сопротивление R реостата.

В индуктивных датчиках измеряемая величина преобразуется в индуктивность. Датчик (рис. 1.10, а) измеряет толщину h листа из ферромагнитного материала. Если значение h увеличивается, то уменьшается воздушный зазор δ, индуктивность обмотки О увели­чивается, что фиксирует измерительная схема.

В емкостных датчиках используется зависимость емкости кон­денсатора от площади пластин, расстояния между ними и диэлект­рической постоянной. Емкостными датчиками можно измерять ли­нейные и угловые перемещения, размеры, температуру, относительную влажность воздуха и другие параметры. Емкостный датчик (рис. 1.10, б) измеряет толщину листа h из диэлектрика, который располагается между пластинами А и Б конденсатора.

Оптический датчик инфракрасного излучения (рис. 1.11) измеря­ет температуру нагретого тела. Он состоит из линзы 2, которая фиксирует инфракрасные лучи, испускаемые нагретым телом 1, на поверхности чувствительного элемента 3. В результате этого изме­няется сопротивление элемента или на выводах 4 и 5 появляется напряжение. Подобный датчик (болометр) используют в аппарату­ре автоматического обнаружения перегретых букс в поездах.

Датчики с промежуточным преобразованием. Эти датчики со­стоят из нескольких датчиков с непосредственным преобразовани­ем, которые работают последовательно. При этом выходная величи­на одного датчика является входной величиной следующего.

Датчик (рис. 1.L2, а) преобразует угловую скорость ω в емкость конденсатора С. Воспринимающей частью датчика является цетробежный регулятор, который преобразует угловую скорость в цент­робежную силу, сравниваемую с силой сжатия пружины П (проме­жуточная часть). В промежуточной части сила вызывает перемеще­ние δ _х нижней муфты регулятора, которая связана с верхней обкладкой конденсатора С. Конденсатор является исполнительной частью датчика, его емкость изменяется с изменением расстояния δ _С между пластинами.

Датчик (рис. 1.12, б) преобразует напряжение U в частоту I переменного тока. Напряжение U измеряется вольтметром V, стрелка которого связана с конденсатором С переменной емкости. Конденсатор С включен в задающий контур генератора G, частота f на выходе которого зависит от емкости С. Таким образом, в датчике осуществляются следующие преобразования: U→ угловое переме­щение стрелки вольтметра V→C→f.

Датчики с дискретным преобразованием. Эти датчики контроли­руют состояние объектов и являются источниками входной инфор­мации в системах железнодорожной автоматики и телемеханики.

Для контроля свободности участка пути от подвижного соста­ва используют рельсовую цепь (рис. 1.13). Рельсовой цепью явля­ется часть участка, ограниченная изолирующими стыками ИС. На одном конце рельсовой цепи к рельсам подключают питание, а на другом — контрольный прибор КП, реагирующий на ток в рельсах, которые используют как проводники. В качестве КП обыч­но применяют электромагнитное или индукционное реле. Если уча­сток свободен, то через КП протекает большой ток (якорь реле притянут). При занятии участка хотя бы одной колесной парой, сопротивление которой 0,06 Ом во много раз меньше сопротивления КП, ток в последнем резко уменьшается (реле отпускает якорь). Таким образом, по состоянию КП можно судить о свободности или занятости участка пути.

Магнитный датчик (рис. 1.14) фиксирует прохождение скатов вагонов через определенную точку пути. Такой датчик называется бесконтактной магнитной педалью и состоит из постоянного магни­та ПМ, обмотки О и контрольного прибора КП. Педаль располагают около рельса. При приближении колеса К к педали параметры маг­нитного поля вокруг магнита ПМ изменяются, в результате чего в обмотке О возникает электродвижущая сила, по ней начинает про­текать ток, что фиксирует контрольный прибор КП.

Дата добавления: 2015-09-02