2.2. Датчики, области применения, требования.

Чувствительные элементы, преобразующие контролируемую или регулируемую величину в выходной сигнал, удобный для дистанционной передачи или дальнейшей обработки, называют датчиками. Датчики, преобразующие неэлектрические величины в электрические, являются важной частью устройств автоматики оборудования для ТП производства РЭС и машиностроения, пищевой, фармацевтической и др. сфер применения.

Принципы действия датчиков разнообразны (рис 2.2.1).

Рис. 2.2.1

Активные датчики – источники электрической энергии, возникающие за счет преобразования (с определенным коэффициентом) неэлектрической энергии в электрическую.

Пассивные датчики создают электрические сигналы, пропорциональные неэлектрическим величинам, управляя током от вспомогательных источников. Наиболее важной группой пассивных датчиков, называемых также модуляционными или параметрическими, являются датчики полного сопротивления (импедансные). Электрический импеданс – сопротивление переменному току.

Свойства, которыми должен обладать каждый из датчиков, чтобы соответствовать своему назначению, весьма разнообразны и часто противоречивы.

Требования, предъявляемые к датчикам, состоят в следующем:

1) однозначность зависимости между входной и выходной величинами, без гистерезиса. Это свойство обусловлено чисто конструктивными и технологическими характеристиками и не связано с принципом действия датчика, оно может быть хорошо выполнено у большинства датчиков, но не полностью выполняется у датчиков, основанных на изменении свойств твердого диэлектрика (например, в зависимости от температуры), где иногда имеет место гистерезис;

2) удобная форма зависимости между входной и выходной величинами, обычно линейная. В частности, емкостные датчики позволяют реализовать не только линейные, но и любые другие зависимости, в особенности гиперболические, экспоненциальные, логарифмические, степенные и т. д.;

3) высокая чувствительность. В частности, чувствительность емкостных датчиков трудно сравнить с чувствительностью датчиков других типов, ее можно выразить только для каждого типа датчика. При обычных условиях чувствительность емкостных датчиков примерно равна чувствительности других импедансных датчиков. Что же касается величины выходного сигнала, то она колеблется от единиц милливольт до единиц вольт;

4) стабильность характеристики во времени. Она зависит от типа датчика. Так у емкостных датчиков с воздушным диэлектриком она удовлетворительна, тогда как с некоторыми диэлектриками – она нестабильна;

5) однонаправленность действия: нагрузка выходной цепи не должна оказывать никакого влияния на измеряемую неэлектрическую величину. У радиационных, оптических и емкостных датчиков это условие выполняется идеально;

6) малая постоянная времени, минимальная инерционность: большинство емкостных датчиков позволяет получать меньшую постоянную времени по сравнению с другими датчиками. Лучшими в этом смысле являются только фотоэлектрические и радиационные датчики. Емкостные датчики обеспечивают возможность слежения за процессами, длящимися доли микросекунды;

7) независимость выходных параметров от внешних факторов. Температура, положение в пространстве, вибрации и т.д. оказывают влияние на характеристики датчиков. Это влияние можно учесть при конструировании датчиков. Только датчики, основанные на изменении диэлектрической постоянной различных материалов, бывают более чувствительны к температуре;

8) большая перегрузочная способность. Она является чисто конструктивным параметром, редко когда можно перегрузить датчик. Пока датчик выдерживает данное воздействие, выходной электрической цепи перегрузка не грозит;

9) стойкость по отношению к химическим, атмосферным и иным агрессивным влияниям – это свойство конструкции датчика, оно не ограничено принципом действия;

10) простота и технологичность конструкции. С этой точки зрения емкостные датчики идеальны для конструирования и производства. Подавляющее большинство емкостных датчиков можно изготовить на металлорежущих станках, они просты по конструкции, удобны в сборке;

11) возможность взаимозаменяемости отдельных образцов. У емкостных датчиков точность обычно значительно выше требуемой. Этим они положительно отличаются от аналогичных индуктивных датчиков и датчиков сопротивлений;

12) простота монтажа и эксплуатации. Емкостные датчики могут быть изготовлены как обычные детали типа арматуры, следовательно, в наибольшей степени соответствуют этому требованию;

13) требования по ограничению использования дорогостоящих материалов и веществ;

14) требование по недопустимости использования материалов с токсическими свойствами и некоторые другие.

Наибольшее распространение в автоматике нашли следующие датчики: активного сопротивления (резисторные, реостатные, потенциометрические), емкостные, индуктивные, электротепловые, электромашинного типа, фотоэлектрические.

Обычно в системе автоматического управления ТП для передачи информации используются электрические сигналы. Поэтому широко применяются датчики, преобразующие неэлектрические сигналы в электрические.

Датчики могут классифицироваться по назначению: датчики температуры, давления, уровня, линейных и угловых перемещений, состава вещества, оптических величин и т. п. Возможна классификация и по параметру датчика, изменяющемуся в результате преобразования измеряемой величины: датчики активного сопротивления, емкостные, индуктивные и т. д.

Резисторные датчики. Их принцип действия основан на изменении электрического сопротивления R при изменении длины l, площади S или удельного электрического сопротивления ρ. Сопротивление датчика R=ρl/S. Основной характеристикой такого датчика, измеряющего перемещение, является зависимость R от перемещения, т.е. R=f(l), при этом чувствительность датчика (η)

η=dR/dl=ρ/S.

(2.2.1)

Такие датчики могут работать в цепях постоянного и переменного тока. Разновидностью резистивных датчиков являются потенциометрические датчики и тензорезисторы (тензодатчики).

Потенциометрические датчики (рис. 2.2.2) используются в системах автоматического управления ТП (САУ ТП) для измерения угловых и линейных перемещений.

Рис. 2.2.2

Измеряемая величина x преобразуется в перемещение движка потенциометра, которому соответствует выходное напряжение U_вых. Конструктивное исполнение датчиков разнообразно. Переменные резисторы выполняются из обмоточного провода, металлических пленок, полупроводниковых материалов. Их каркас выполняется плоским или цилиндрическим в случае преобразования поступательных перемещений, и кольцевым для преобразования угловых перемещений. В качестве обмоточного провода используются материалы с высоким удельным электрическим сопротивлением (манганин, константан, нихром т. д.). Для повышения износоустойчивости провода в качестве материала скользящего константа применяются сплавы из благородных металлов: платина с иридием, платина с палладием. Диаметр намоточного провода выбирается по требуемой точности и сопротивлению. Так, для датчиков высокого класса точности диаметр провода 0,03 – 0,1 мм, а для низкого – 0,3÷0,4 мм. Исключение составляют реохорды, сверхвысокоточныедатчики, для них диаметр провода – 1,0÷2,0 мм.

Обмоточный провод датчика покрывают слоем эмали или окислов. Подвижный токосъёмный контакт, выполненный в виде щетки или движка, изготавливают из сплавов платины с иридием, платины с бериллием, серебра или фосфористой бронзы. Для обеспечения надежной работы датчика, при скольжении по защищенным поверхностям обмотки датчика, усилие на скользящий контакт обеспечивают в пределах (0,5÷15,0) 10² Н.

Зависимость U_вых=f(x) может быть линейной и нелинейной. Для потенциометра, изображенного на рис. 9.2,

,

(2.2.2)

где – отношение перемещения движка датчика к длине всей намотки; – отношение сопротивления нагрузки к полному сопротивлению потенциометра.

Если R_н>>R, то

.

(2.2.3)

Зависимость относительного изменения U_вых/U_вх=f(α) при различных значениях β имеет вид, приведенный на рис. 2.2.3.

Чувствительность датчика при малых перемещениях

.

(2.2.4)

Проволочные датчики имеют достаточно высокую точность, но недостатком их является ступенчатость характеристики U_вых из-за дискретного изменения сопротивления датчика (рис. 2.2.4) при перемещениях щетки с витка на виток, исключение составляют реохорды.

Ширина ступеньки l_m равна шагу намотки провода, а высота R_b – сопротивление одного витка. Зона нечувствительности или абсолютная погрешность

,

(2.2.5)

где R – сопротивление датчика, а ω – число витков обмотки датчика.

Рис. 2.2.3 Рис. 2.2.4

Относительная погрешность

.

(2.2.6)

Датчики имеют также технологические погрешности. У датчиков высокого класса точности δ≤0,01%, для среднего класса 0,25≤δ≤0,5%. Динамические свойства потенциометрических датчиков зависят от характера нагрузки. Если нагрузка активная, то датчик эквивалентен безынерционному звену с передаточной функцией

,

(2.2.7)

где R – полное сопротивление, Ом; R_x – сопротивление потенциометра между точками Н (рис. 2.2.4) и касания движка; r – сопротивление между точками К и касания движка, Ом.

Если нагрузка реактивная, то датчик эквивалентен апериодическому или форсирующему звену. Например, для индуктивной нагрузки

,

(2.2.8)

где , , , здесь L_н – индуктивность нагрузки, R_н – активная составляющая нагрузки.

Тензорезисторы используют для измерения сил и деформаций твердых тел. Существуют проволочные, фольговые, пленочные и полупроводниковые тензорезисторы. Действие проволочных, пленочных и фольговых тензорезисторов основано на зависимости R=f(l) или R=f(S).

Значительное распространение получили наклеиваемые фольговые тензорезисторы. Они имеют ряд преимуществ перед проволочными, т. к. обеспечивают лучшую теплоотдачу и высокую эффективность использования при наклейке на упругий элемент. Сопротивление фольговых тензорезисторов достигает n·100 Ом, длина – 3 мм, а толщина – от 0,025 до 0,012 мм.

В последние годы широко используются пленочные тензометры, получаемые путем вакуумной возгонки тензочувствительного материала и последующей его конденсации на основание. В качестве тензочувствительного материала используются как металлические сплавы, так и полупроводники.

Важным достоинством пленочных и фольговых тензорезисторов является то, что при их изготовлении можно получить решетку любого рисунка.

Относительная тензочувствительность тензорезистора

,

(2.2.9)

где R – сопротивление тензодатчика; ∆R – его изменение; l_Т – длина тензочувствительного элемента; ∆l – изменение длины датчика, вызванное измеряемой деформацией.

В зависимости от сплава чувствительность колеблется в широких пределах (табл. 2.2.1).

Таблица 2.2.1

Сплав	η, (%)	Сплав	η, (%)	Сплав	η, (%)
манганина	0,5	копеля	2,4	константана	1,9÷2,1;
элинвара	3,2÷3,5	эдвано	2,1	платинородий	5,8
нихрома	2,1÷2,3	никеля	12,6

Сопротивление тензорезистора колеблется обычно от 100 до 200 Ом, измеряемая деформация не превышает 1 %.

Проволочные тензорезисторы имеют малые ТКР.

В качестве полупроводниковых тензорезисторов используют германиевые или кремниевые пластины. Длина тензорезистора составляет 5÷15 мм, они обладают высокой относительной чувствительностью в пределах от 100 до 200 и сопротивлением от 50 Ом до 5 кОм. Высокое значение относительной чувствительности позволяет снизить требования к усилителям и использовать их для измерения в широком диапазоне деформаций при наличии больших электромагнитных помех.

Разработаны тензодатчики давления модульного типа в виде гибридных интегральных схем, в которых на общем керамическом основании размещены датчик и операционный усилитель. В них датчик выполняется по мостовой схеме, элементы которой нанесены на поверхность кремниевой пластины диффузионным способом.

Коэффициент чувствительности такого датчика достигает 90 %, погрешность – 2 %.

Металлические тензодатчики обладают высокой точностью и стабильностью; они рассчитаны на широкую область применения.

Полупроводниковые тензодатчики обычно применяются для динамических измерений в широком диапазоне частот.

Как правило, тензорезисторы включаются в цепь или по схеме делителя напряжения или по мостовой схеме.

Цепь делителя R₁ – R₂ питается от источника напряжения U. Выходное напряжение U_д подается на R_H. R_{датчика} может быть на месте R₁ или R₂ (рис. 2.2.5).

В мостовой схеме R_д может занимать любое место, т. е. R₁, R₂, R₃ или R₄ (рис. 2.2.6).

Рис. 2.2.5 Рис. 2.2.6

В последнем случае, если один из R₁, R₂, R₃ и R₄ выполняет функцию датчика, то любой другой может быть задатчиком, а выходной сигнал U_вых=f(R₁R₄/R₂R₃).