566

681

Д209

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ДАТЧИКИ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

Новосибирск 2009

ВВЕДЕНИЕ

Совершенствование систем автоматического контроля и управления различными объектами, процессами, производствами во многом определяется достижениями в области измерительных преобразователей (датчиков). Развитие измерительной техники показывает, что наиболее удобным является такое преобразование различных измеряемых величин, результат которого представлен в виде электрической величины.

Для того, чтобы неэлектрические величины можно было измерить с помощью электрической измерительной аппаратуры, необходимы устройства, которые преобразовывали бы измеряемую величину сначала в некоторую промежуточную электрическую величину, а затем в окончательный результат измерения. Устройства, осуществляющие однозначную функциональную зависимость одной неэлектрической или электрической величины от другой, называют измерительными преобразователями или датчиками.

Методические указания к выполнению лабораторных работ по разделу «Датчики» содержат краткий теоретический материал, позволяющий изучить принцип действия индуктивных, емкостных, магнитных и волоконно-оптических датчиков, их основные технические характеристики, схемы включения и особенности применения в измерительных системах железнодорожного транспорта и в промышленности. Теоретический материал закрепляется в процессе практического исследования вышеуказанных первичных преобразователей и при подготовке к ответам на контрольные вопросы, данные после каждой лабораторной работы.

Необходимость изучения этого материала вызвана широким использованием датчиков на железнодорожном транспорте и в промышленности, а также хорошими перспективами на их применение в будущем в связи с высокой надежностью, быстродействием, малой потребляемой мощностью, малыми габаритами.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ

Устройство и принцип действия

Емкостные датчики приближения, известные также как емкостные конечные выключатели, применяются преимущественно для обнаружения объектов из непроводящих материалов, таких как пластмассы, дерево, стекло и др. Как и индуктивные датчики, они работают без непосредственного контакта с объектом.

В состав емкостного конечного выключателя входят чувствительный элемент и электронный преобразователь (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема емкостного датчика

3

Чувствительный элемент емкостного датчика состоит из электрода и экрана, которые вместе образуют конденсатор (рис. 2). Емкость этого конденсатора изменяется, если обнаруживаемый объект (металлический или неметаллический) перемещается около датчика. Эти изменения емкости преобразуются электронным преобразователем в электрический выходной сигнал.

Конденсатор чувствительного элемента является элементом генераторной RC-цепи (см. рис. 1). Конденсатор устроен так, что его емкость увеличивается на величину C при приближении объекта. Генератор колебаний электронного преобразователя настраивается таким образом, чтобы он возбуждался и начинал генерировать электрические колебания при увеличении емкости конденсатора. Возникновение колебаний, вызванное приближающимся объектом, определяется компаратором, в

результате чего появляется переключательный сигнал на выходе датчика (рис. 3).

Промышленностью выпускаются емкостные датчики с настройкой точки переключения, позволяющей компенсировать непостоянство расстояний переключения для разных материалов.

Внимание! Нельзя устанавливать слишком большое значение расстояния переключения вследствие возрастания нестабильности RC-генератора.

Чувствительность

Чувствительность определяется изменением емкости Cs, при котором происходит изменение переключательного сигнала на выходе датчика.

С целью упрощения система «образец материала – датчик» рассматривается как плоский конденсатор, состоящий из двух круглых пластин (диаметр d = 18 мм).

Cs = Ce – Ca;

Ce = ε0A/pe, Ca = ε0A/pa, A = πd2,

где Ce — емкость конденсатора в точке включения; Ca — емкость конденсатора в точке выключения; A — площадь пластины; d — диаметр пластин.

Относительная диэлектрическая проницаемость

Относительная диэлектрическая проницаемость ε (от латинского слова permittere — проникновение) изоляционного материала показывает, насколько увеличивается напряженность электрического поля при использовании данного материала в качестве диэлектрика вместо вакуума.

ε = D/D0;

D = ε0εE, ε0 = 8,85·10–12 А·с·м–1,

где D — электрическая индукция в диэлектрике; D0 — электрическая индукция в вакууме; E — напряженность электрического поля; ε0 — электрическая постоянная.

Эксперименты

Эксперимент 1. Частотный счет. Измерение частоты вращения емкостным датчиком

Проверьте способность обнаружения вращательного движения, измерьте частоту fs и частоту вращения n сегментного диска.

Внимание! Перед проведением данного эксперимента пригласите преподавателя проверить и настроить чувствительность датчика. Расстояние переключения настраивается потенциометром регулировки чувствительности.

Процедура Подключите датчик к панели «Датчики приближения» в соответствии с выводами кабельного

разъема. Соедините переключательный выход датчика с сигнальным входом счетчика импульсов (позиция переключателя «Счет») (рис. 4).

Переместите каретку на панели «Датчики приближения» к левому концу направляющей линейки и вставьте датчик в каретку так, чтобы его чувствительный элемент был направлен в сторону сегментного диска. Сдвиньте каретку таким образом, чтобы датчик обнаруживал три внутренних сегмента диска.

Теперь, поворачивая сегментный диск, проверьте, насколько надежно датчик обнаруживает его сегменты, а счетчик показывает их число.

4

Внимание! Датчик не должен касаться сегментного диска.

Рис. 4. Экспериментальная установка для измерения частоты вращения

Переведите переключатель привода в позицию вращения сегментного диска. Переключите счетчик на измерение частоты (положение переключателя «Частота») и установите такую частоту вращения сегментного диска, чтобы индицировалось значение частоты переключения 50 Гц.

В процессе вращения диска сдвиньте каретку так, чтобы датчик обнаруживал его наружные сегменты, и запишите частоту переключения в табл. 1.

С помощью ручки «Управление скоростью» медленно, учитывая инерционность всей системы датчика, добейтесь того, чтобы индицировалась частота переключения fs = 100 Гц, измеряемая датчиком, и внесите это значение в табл. 1. Далее в процессе вращения диска сдвиньте каретку таким образом, чтобы датчик снова обнаруживал его внутренние сегменты, и запишите частоту переключения в табл. 1.

Вычислите частоту вращения сегментного диска n при частоте переключения fs и количестве сегментов N.

Эксперимент 2. Кривая отклика

Постройте кривую отклика для емкостного датчика, используя испытательные образцы из стали St37 и из синтетического материала.

Внимание! Перед проведением данного эксперимента пригласите преподавателя проверить и настроить чувствительность датчика.

Процедура Подключите датчик к панели «Датчики приближения» в соответствии с выводами кабельного

разъема (рис. 5).

Вставьте датчик в каретку, направив его чувствительный элемент влево.

Вставьте образец из стали St37 в держатель таким образом, чтобы образец был обращен к чувствительному элементу датчика.

Медленно перемещайте каретку с датчиком по направлению к образцу, пока датчик не коснется образца (расстояние s = 0 мм).

5

Примечание. Убедитесь в том, что плоскость образца перпендикулярна оси датчика и полностью закрывает его чувствительный элемент. Чтобы обеспечивалась необходимая точность отсчета положений, каретка должна находиться на разметке направляющей линейки (если необходимо, измените положение датчика в держателе).

Для настройки чувствительности датчика сдвигайте его в обратную сторону до тех пор, пока расстояние s от образца не станет равным номинальному значению расстояния переключения sn =

11мм.

Теперь уменьшайте чувствительность датчика до тех пор, пока светодиод не погаснет.

Отведите датчик обратно в положение p0 (включается светодиод).

Теперь сдвигайте образец в держателе вверх в направлении, перпендикулярном оси датчика,

пока датчик не переключится (пока не погаснет светодиод), и запишите значения расстояния x1 и

p1 = p0 (n = 1).

Сдвиньте образец вниз примерно на 2 мм перпендикулярно оси датчика, добившись включения светодиода датчика, запишите показатель расстояния x2 (n = 2).

Далее медленно отводите датчик от образца, пока датчик не переключится (пока не погаснет светодиод), и запишите расстояние p2(n = 2). Повторите эту процедуру до возврата образца в исходное положение x0(n = 3…10).

Выполните аналогичные измерения для образца из синтетического материала (не изменяйте чувствительность датчика).

По измеренным значениям вычислите все расстояния переключения s = pn – p0 и запишите их в табл. 2. Постройте график зависимости расстояния переключения датчика s от бокового смещения образца x (рис. 6).

Примечание. p0 — ширина каретки; положение фиксируется на горизонтальной линейке по правой грани каретки; pn — положение каретки при п-м измерении; xn — положение образца; положение фиксируется на вертикальной линейке по нижнему ребру выступа на образце.

Таблица 2

Результаты 2-го эксперимента

Рис. 5. Экспериментальная установка для построения кривой отклика емкостного датчика

6

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ

Устройство и принцип действия

Индуктивные датчики приближения, известные также как индуктивные выключатели приближения, широко применяются при автоматизации технологических процессов. Они обладают устойчивостью к внешним воздействиям и сами не оказывают влияния на объект, просты по конструктивному исполнению и позволяют проводить бесконтактные измерения.

На рис. 1 представлена блок-схема индуктивного датчика приближения (№ 3840.14). Он состоит из чувствительного элемента и электронного преобразователя. Чувствительный элемент датчика, являющийся первичным преобразователем, служит для преобразования расстояния до обнаруживаемого объекта в соответствующее изменение индуктивности. Электронный преобразователь, являющийся вторичным преобразователем, преобразует это изменение в выходной электрический сигнал.

Чувствительный элемент датчика представляет собой катушку с ферритовым сердечником (рис. 2), которая входит в состав резонансной LC-цепи генератора электромагнитных колебаний. В процессе работы генератора катушка генерирует магнитное поле, которое внешне может проявляться только с одной – открытой – стороны ферритового сердечника. Эта сторона является активной поверхностью индуктивного датчика (рис. 3). При появлении в этой зоне объекта, обладающего электрической проводимостью, происходит ослабление магнитного поля за счет вихревых токов в объекте, и амплитуда колебаний генератора резко уменьшается. Изменение амплитуды колебаний преобразуется с помощью компаратора и выходного каскада в переключательный выходной сигнал.

Рис. 1. Блок-схема индуктивного датчика

Расстояние

переключения

s

Поглощающий экран, пластина из стали St37

Катушка

Ферритовый

сердечник

Рис. 3. Ослабление магнитного Рис. 2. Чувствительный элемент и поля индуктивного датчика расстояние переключения датчика

Частота переключения

Частота переключения fs показывает, сколько раз за одну секунду может переключаться датчик. Частота вращения n представляет собой число оборотов в минуту (об/мин или мин–1) сегмент-

ного диска:

n = (fs/N) 60, где N — число сегментов на диске.

8

Кривая отклика

Кривая отклика индуктивного датчика представляет собой воображаемую граничную линию, при появлении на которой измерительной пластины (образца) происходит переключение выхода датчика (рис. 4). При этом образец может перемещаться как в боковом, так и в вертикальном направлениях.

Рис. 4. Кривая отклика индуктивного датчика

Индуктивные аналоговые датчики (№ 3840.24)

Устройство и принцип действия

Индуктивные аналоговые датчики, известные также как индуктивные аналоговые преобразователи, преобразуют расстояние до металлического объекта в пропорциональный электрический выходной сигнал. Поэтому данные датчики особенно подходят для систем технологического контроля и управления.

В отличие от индуктивных датчиков, которые могут определять металлические объекты только на определенном (номинальном) расстоянии, индуктивные аналоговые датчики способны выполнять ту же функцию в некотором рабочем диапазоне расстояний (рис. 5). Их выходной сигнал является токовым и приближенно пропорционален расстоянию до объекта.

Рис. 5. Сравнение индуктивного переключателя и индуктивного аналогового датчика

Принцип действия индуктивного аналогового датчика основан на поглощении энергии переменного электромагнитного поля проводящей средой за счет наводимых в ней вихревых токов.

В состав датчика входит LC-генератор высокой частоты, при работе которого перед активной поверхностью чувствительного элемента датчика формируется переменное электромагнитное поле. Вихревые токи, индуцированные этим полем в приближающемся металлическом объекте, вызывают поглощение энергии электромагнитного поля датчика. При этом, чем ближе объект, тем в большей степени поглощается электромагнитная энергия и, соответственно, ослабляется поле датчика, что сопровождается уменьшением амплитуды колебаний генератора. Эти изменения амплитуды преобразуются электронной схемой в аналоговый измерительный сигнал, который после усиления и коррекции поступает на выход датчика Iвых (рис. 6). Выходной сигнал датчика в определенном диапазоне значений линейно зависит от расстояния до объекта.

Рис. 6. Функциональная схема индуктивного аналогового датчика

9

Эксперименты

Эксперимент 1. Влияние материала объекта на статическую характеристику индуктивного аналогового датчика

Процедура Подключите датчик к панели «Датчики приближения» в соответствии с выводами кабельного

разъема (рис. 7).

Вставьте держатель испытательных образцов в гнезда крепления на сегментном диске при таком положении диска, чтобы стрелки на панели и диске совпадали.

Закрепите образец из стали St37 в держателе так, чтобы он был направлен на датчик.

Вставьте датчик в каретку таким образом, чтобы его чувствительный элемент был направлен влево.

A 200mA

mA COM

КРАСНЫЙ

ГОЛУБОЙ

ЧЕРНЫЙ

ГОЛУБОЙ В ГНЕЗДО ┴

КРАСНЫЙ

В ГНЕЗДО

+24В DC OUT

Рис. 7. Экспериментальная установка для сравнения образцов по материалам

Подключите контакты датчика к двум переходным гнездам панели и соедините эти гнезда дополнительными проводами с гнездами источника питания и индикации.

Подключите амперметр между сигнальным выходом датчика (черный) и «землей» (голубой ┴). Установите на амперметре диапазон измерения, равный 200 мА постоянного тока.

Теперь медленно перемещайте датчик по направлению к образцу, пока он не коснется образца (расстояние s = 0 мм), и отрегулируйте положение образца таким образом, чтобы он располагался по центру рабочей поверхности датчика.

Увеличивайте расстояние между датчиком и образцом (шагами по 1 мм), пока измеряемый ток не перестанет изменяться, и запишите полученные значения в табл. 1.

Таблица 1

Результаты 1-го эксперимента

Повторите эту процедуру для других образцов, указанных в табл. 1.

По полученным значениям постройте график зависимости выходного тока датчика от расстояния до объекта (рис. 8).

10