Загальна характеристика датчиків

Загальна характеристика датчиків

Курсова робота

Загальна характеристика датчиків

2008

1. Визначення та класифікація датчиків

Датчиками називаються електронні прилади, які перетворюють параметр зовнішнього середовища у напругу, або струм, значення яких пов'язане з параметром зовнішнього середовища.

Класифікація датчиків можлива за двома ознаками:

1. По тому параметру зовнішнього середовища, яке перетворюється у напругу або струм. Відрізняють датчики тиску (А), сили (Б), положення (по координаті або по куту) (В), переміщення (по координаті або по куту) (Г), швидкості (лінійної або кутової) (Д), прискорення (лінійного або кутового) (Е), вібрації (Ж), близькості (З), температури (І), газового складу середовища (К), оборотів (Л), деформації (М), вологості (Н) тощо.

По тому фізичному принципу, за яким діє датчик. Відрізняють датчики ємнісні (ДА), п'єзоелектричні (ДБ), диференційно-трансформаторні (ДВ), термопарні (ДГ), тензорезистивні (ДД), потенціометричні (ДЕ), струмовіхрові (ДЖ), термісторні (ДІ), на ефекті Хола (ДК), п'єзорезистивні (ДЛ), оптоволоконні (ДМ), магніторезистивні (ДН), на поверхових акустичних хвилях (ДО), індукційні (ДП), на ефекті Віларі (ДР) тощо.

Датчик, що працює на будь-якому фізичному принципі може працювати як датчик різних параметрів зовнішнього середовища. У табл.1 наведені сучасні дані по використанню датчиків різних типів (знаком Х позначається переважне використання, знаком О - можливе використання, якщо знаку немає, то не використовується). До речі, багатьох типів датчиків, які розглядаються нижче, в таблиці нема.

Таблиця 1. Використання датчиків різних типів для перетворення різних параметрів зовнішнього середовища у електричний сигнал

Датчики механічних величин

Датчики положення або близькості

У якості таких датчиків можуть використовуватись датчики, побудовані на різних фізичних ефектах. У табл.2 наведене порівняння характеристик цих датчиків по різних параметрах.

Таблиця Порівняння характеристик датчиків положення або близкості

Щодо простоти та стійкості до зовнішнього впливу найбільш привабливі індуктивні датчики. В найпростішому випадку індуктивний датчик складається з котушки з обмоткою, осердя з магнітом'якого заліза та магніта (рис.1).

Рис.1. Конструкція індуктивного датчика

Ці три елементи складають статор датчика. Зі статором взаємодіє ротор у вигляді зубчатого диску або рейки з відповідною кількістю зубців. Коли один з зубців ротора наближається до обмотки, напруга у ній швидко наростає та при збіганні з середньою лінією обмотки, досягає максимуму, а потім при віддаленні зубця швидко міняє знак та збільшується у протилежному напрямку до максимуму. На графіку рис.2 виразно видна велика крутизна зміну напруги, тому цей перехід може бути використаний для керування електронними системами.

Рис. Вихідний сигнал індуктивного датчика.

Така конструкція датчика може використовуватись для підрахування кількості обертів валу двигуна, або іншого обертаючого приладу.

Коли потрібно реагувати на близькість сталевої (або взагалі металічної) деталі використовується індуктивний датчик, схема якого показана на рис.3.

Рис.3. Індуктивний датчик, що реагує на близькість металевої деталі

Генератор, у склад якого входить котушка без осердя, побудований таким чином, що він не працює взагалі, якщо поблизу котушки нема металічного предмету. Тому на виході генератора напруга дорівнює нулю і на виході детектора теж. Якщо металічний предмет наближається до котушки, генератор починає генерувати високочастотні коливання, на виході детектору з'являється напруга і логічний елемент замість лог.”0” генерує на виході сигнал лог.”1”, сповіщаючи про наближення металевого предмету.

Такі датчики використовуються як пристрої, що сповіщають про закриття металевих дверей, люків, різних заслінок та кришок. Наприклад, на літаку „Boeing-747” налічується до 200 таких датчиків, виходи яких підключені до комп'ютера. Програма комп'ютера передбачає які саме двері та люки повинні бути закриті при злеті, при нормальному польоті, при посадці. Якщо є якісь відхилення, програма сповістить пілотів, або, наприклад, заборонить злет. Головним виробником таких датчиків є американська фірма Honeywell. Схожі характеристики мають датчики Хола. Американський вчений Герберт Едвін Хол у 1879 р. відкрив фізичний ефект, який пояснюється на рис.4.

Рис.4. Фізичне трактування ефекту Хола

Якщо через пластину пропустити струм І та поперек цієї пластини пропустити магнітне поле з індукцією В, то на поперечних гранях пластини з'явиться напруга

Vн = RBIsin/d,

де R - коефіцієнт Хола, який залежить від матеріалу пластини, В - магнітна індукція, І - струм, - кут нахилу магнітної індукції до струму (він дорівнює 90, якщо індукція поперечна до струму), d - товщина пластини.

Зараз знайдені матеріали, які мають досить великий коефіцієнт Хола. Датчик Хола можна також використати у ситуації рис.1 як пристрій для підрахування кількості обертів. Датчики Хола, що їх виготовляє компанія Honeywell поділяються на лінійні та цифрові. На рис.5 показана залежність вихідного сигналу від прикладеної до датчика напруги та магнітної індукції.

Рис.5. Залежність вихідного сигналу від прикладеної до датчика напруги та магнітної індукції.

Лінійні датчики можна використовувати для вимірювання відстані, параметрів магнітного поля, кутів обертання (наприклад, як електронний компас). Але дуже важливе його використання як датчика сили струму, товщини та інших величин. Цифрові датчики Хола видають на виході логічний „0” або логічну „1”, якщо параметри магнітного поля перевищують задані. Причому поріг спрацювання може встановлюватись у мікросхемі датчика за допомогою програми. Ще один тип датчиків положення або близькості, що чутливі до магнітного поля - магніторезистивні датчики. У даний час вони виготовляються з пермалою, смуги якого чергуються зі смугами алюмінію (смуги Барбера). Електричний опір цих смуг залежить від прикладеного магнітного поля тому, що змінюється сумарний вектор намагнічування доменів магніторезистора (рис.6).

Рис.6. Дія доменів у магніторезисторі.

Для підвищення чутливості магніторезистори формуються у вигляді мостового включення чотирьох резисторів. Основні сфери використання магніторезистивних датчиків положення або близькості: контроль швидкості обертання; контроль положення; вимірювання струму; безконтактні перемикачі; компаси та гірокомпаси, визначення дефектів.

Ємнісні датчики використовують залежність ємності плоского конденсатора від відстані між пластинами конденсатора. Як відомо, ємність плоского конденсатора визначається формулою:

С = S/d,

Де С - ємність, - діелектрична постійна ізоляції між пластинами, S - площа поверхні пластин, d - відстань між пластинами. Розглянемо схему рис.7.

Рис.7,а. Ємнісний датчик, що реагує на відстань між пластинами

Рис.7,б. Ємнісний датчик, що реагує на зміщення пластин.

За допомогою імпульсу „Імп.1” відкриємо ключ і зарядимо конденсатор до напруги Uп (а це значить, що внесемо у конденсатор заряд q0 = CUп). Якщо ми будемо зміщувати вверх або вниз верхню пластину конденсатора (нижня залишається на місці), то при закритих ключах (незмінному заряді q0) напруга на конденсаторі Uвих = q0/C = dq0/S і, таким чином лінійно зв'язана з відстанню d. Через деякий час за допомогою імпульсу „Імп.2” конденсатор розрядити. А потім знову зарядити, подавши імпульс”Імп.1”, бо конденсатор має властивість саморозряджуватись, бо його діелектрик має не безкінечний опір. Це перший варіант датчика положення. У другому варіанті пластини конденсатора зміщуються по горизонталі так, що площа пластин, що перекриваються змінюється, а відстань між ними не змінюється. А оскільки ємність прямо пропорційна площі пластин, то переміщення пластини пропорційно змінює ємність.

В іншому варіанті, що зображений на рис.8 датчик ємності стає датчиком близькості.

Рис.8. Ємнісний датчик близькості

У даному випадку пластини конденсатора розведені. Якщо у електричному полі цих пластин з'являється річ, що має електричну провідність, то ємність конденсатора підвищується. Збільшення ємності можна відчути, коли ємність включена у генератор електричних коливань, частота коливань якого залежить від цієї ємності. По цій частоті можна не тільки виявити появу предмета, але і відстань до нього. На цьому принципі діють деякі прилади охоронної сигналізації.

Як вказано у табл..2, ємкісний датчик нестабільний, бо на величину ємності впливають параметри зовнішнього середовища, зокрема вологість та забруднення.

Ультразвукові та радіолокаційні датчики близькості працюють на принципі вимірювання відстані до предмету, що відбиває акустичні, або радіотехнічні сигнали. Передавач випромінює у простір (як правило, у деякому просторовому куті) потужний імпульс акустичної енергії або енергії радіохвиль. Цей імпульс відбивається від предмету, повертається у зворотному напрямку, приймається у приймачі, де вимірюється інтервал між часом посилки імпульсу та часом його прийому. Відстань, на якій працюють акустичні датчики близькості обмежена великим загасанням ультразвукового акустичного сигналу у повітрі, особливо в умовах великої вологості.

У радіолокаційних систем ця відстань може бути дуже високою. Наприклад, комплекс „Радіан-12”, що використовується на полях аеродромів, може визначити появу людини на відстані до 1,2 км. Недолік радіотехнічних систем - висока вартість.

Фотоелектричні датчики близькості або положення працюють на подібному принципі. Світловипромінювач (це світлодіод або лазер) випромінює у простір світловий імпульс (як правило, в інфрачервоному діапазоні). На лінії розповсюдження цього імпульсу встановлений приймач світлової енергії. Якщо нема перешкод, то приймач одержує частину світлової енергії, якщо перешкода з'являється, то приймач її не одержує. Відстань дії цієї системи залежить від прозорості повітря, дощ, сніг або туман дуже скорочують цю відстань. Датчики положення на основі диференціальних трансформаторів у найпростішому варіанті складаються з циліндричної грати первинних та вторинних обмоток з окремою жилою, що проходить через центр. Жила має малий опір тертю та високу зносостійкість. При переміщенні вона змінє сигнал вторинної обмотки. Особливістю цього датчика є те, що ця жила не входить у електричний контакт з іншими електричними компонентами пристрою, тому датчик має високу надійність.

Страницы: 1, 2