Пьезоэлектрические датчики.




Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрических эффектов. Прямой пьезоэффект заключается в способности некоторых материалов образовывать электрические заряды на поверхности при приложении механической нагрузки, обратный - в изменении механического напряжения или геометрических размеров образца материала под воздействием электрического поля.

В качестве пьезоэлектрических используют обычно естественные материалы - кварц и турмалин, а также искусственно поляризованную керамику на основе титаната бария (BaTiO3), титаната свинца (PbTiO3) и цирконата свинца (PbZrO3).

Из пьезоматериалов наиболее распространен кварц, что объясняется его удовлетворительными пьезоэлектрическими свойствами, очень высоким сопротивлением, стойкостью к воздействиям температуры и влажности, высокой механической прочностью.

кварц имеет кристаллическую структуру, в которой можно выделить шестигранную призму. По отношению к ней в кристалле выделяют три типа осей: продольную, или оптическую ось Z, электрические оси X, проходящие через ребра призмы кристалла нормально к оптической оси (три) и механические, или нейтральные, оси Y, нормальные к граням кристалла (их также три). Пьезочувствительный элемент обычно вырезают из кристалла кварца в виде пластины (параллелепипеда), стороны которой параллельны осям кристалла (рис. 5.15, а).

К достоинствам пьезоэлектрических преобразователей необходимо отнести простоту конструкции, малые размеры и стоимость, высокую надежность, возможность измерения быстропеременных величин, к недостаткам - невысокую чувствительность, непригодность к измерению статических величин, высокое входное сопротивление измерительной цепи, относительно невысокий уровень выходного сигнала, т.е. необходимость промежуточных усилителей.

Емкостные датчики.

Принцип действия емкостных измерительных преобразователей основан на изменении емкости конденсатора под воздействием входной преобразуемой величины. Емкость конденсатора

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; S - площадь пластины; δ - толщина диэлектрика или расстояние между пластинами.

Емкостные преобразователи используют для измерения угловых и линейных перемещений, линейных размеров, уровня, усилий, влажности, концентрации и др. Конструктивно они могут быть выполнены с плоскопараллельными, цилиндрическими, штыревыми электродами, с диэлектриком между пластинами и без него.

К достоинствам емкостных измерительных преобразователей можно отнести простоту конструкции, малые размеры и массу, высокую чувствительность, большую разрешающую способность при малом уровне входного сигнала, отсутствие подвижных токосъемных контактов, высокое быстродействие, возможность получения необходимого закона преобразования за счет выбора соответствующих конструктивных параметров, отсутствие влияния выходной цепи на измерительную.

Недостатки емкостных измерительных преобразователей состоят в относительно низком уровне выходной мощности сигналов, нестабильности характеристик при изменении параметров окружающей среды, влиянии паразитных емкостей.

Термопара.

Термоэлектрический преобразователь (термопара) представляет собой чувствительный элемент, состоящий из двух разных проводников или полупроводников, соединенных электрически, и преобразующий контролируемую температуру в ЭДС. Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на использовании термоэлектродвижущей силы, возникающей в контуре из двух разнородных проводников A и В, места соединения (спаи) которых нагреты до различных температур (рис. 5.18, а). Знак и значение термоЭДС в цепи зависят от типа материалов и разности температур в местах спаев. При небольшом перепаде Δθ температур между спаями термоЭДС ЕАВ можно считать пропорциональной разности температур Δθ:

где KsAB - чувствительность термопары.

Чтобы повысить выходную ЭДС, используют последовательное включение термопар - термобатарею (рис. 5.18, в).

К достоинствам термопар необходимо отнести возможность измерений в большом диапазоне температур, простоту устройства, надежность в эксплуатации.

Недостатки термопар - невысокая чувствительность, большая инерционность, необходимость поддержания постоянной температуры свободных спаев.

Индуктивные датчики.

Принцип действия индуктивных датчиков основан на изменении индуктивности L или взаимоиндуктивности обмотки с сердечником вследствие изменения магнитного сопротивления Rm магнитной цепи датчика, в которую входит сердечник.

Индуктивные датчики относятся к классу параметрических. Измеряемое перемещение на входе датчика вызывает изменение параметров магнитной и электрической цепей, что, в свою очередь, вызывает изменение выходной величины - электрического тока I или напряжения U.

С помощью индуктивных датчиков можно контролировать механические перемещения, силы, температуру, свойства магнитных материалов, определять наличие дефектов, контролировать диаметр стальной проволоки, толщину немагнитных покрытий на стали и др.

Индуктивные датчики отличает ряд достоинств: простота и прочность конструкции, надежность в работе, отсутствие скользящих контактов, большая величина мощности на выходе (до нескольких десятков ватт), высокая чувствительность (до 100 В/мм).

Рассмотрим работу однотактного индуктивного преобразователя (рис. 5.7, а). Выходной сигнал получают в виде переменного напряжения, снимаемого с сопротивления нагрузки RH, включенного в цепь обмотки 2, помещенной на сердечнике 1. Питание осуществляется переменным напряжением U c частотой от 50 до нескольких тысяч герц. Под действием входного сигнала перемещается якорь 3 и изменяется зазор 5. Выходное напряжение датчика

Среднее значение тока в рабочей цепи преобразователя

где R - суммарное активное сопротивление цепи, R = RH + R0; R0 - сопротивление обмотки - реактивное сопротивление цепи; ω - круговая частота.

Индуктивность обмотки L является функцией размера зазора с магнитным сопротивлением r δ:

где w - число витков обмотки; μ0 - магнитная проницаемость воздуха в зазоре; S - площадь поперечного сечения зазора.

Учитывая, что на практике для индуктивных преобразователей выполняется условие R << XL и подставляя выражение (5.6) в (5.5), получаем

Коэффициент преобразования K = URH/(w μ0 Sw 2 ) - величина постоянная

Сельсины.

В современной технике очень часто возникает необходимость синхронизации вращения или поворота различных осей механизмов, находящихся на значительном расстоянии друг от друга и механически между собой не связанных. Эта задача чаще всего решается с помощью электрических систем синхронной связи.

Синхронной связью называется такая электрическая связь, которая обеспечивает одновременное вращение или одновременный поворот двух или нескольких механически несвязанных, находящихся на расстоянии друг от друга осей механизмов.

В технике получили распространение два основных вида систем синхронной связи: система электрического вала (синхронного вращения) и система передачи угла (синхронного поворота).

Системы синхронного вращения применяются там, где требуется осуществить синхронное вращение двух или нескольких находящихся на расстоянии друг от друга осей механизмов, имеющих значительные моменты сопротивления. Синхронное вращение осуществляется с помощью обычных электрических машин, чаще всего трехфазных асинхронных двигателей с фазным ротором. Обмотки роторов двигателей в этом случае соединяются друг с другом, обмотки статоров питаются от одной и той же сети трехфазного тока.

Системы синхронного поворота применяются для дистанционного управления, регулирования или контроля. Чаще всего синхронный поворот осуществляется с помощью небольших индукционных электрических машин - трехфазных или однофазных сельсинов.

Наибольшее распространение в настоящее время получили системы передачи угла, осуществляемые с помощью однофазных сельсинов.

Однофазные сельсины - это обычно индукционные машины, которые имеют однофазную обмотку возбуждения и трехфазную обмотку синхронизации. На рис. 6.12 представлена схема однофазного контактного сельсина с обмоткой возбуждения на статоре и трехфазной обмоткой синхронизации на роторе.

В схемах автоматики используются две принципиально отличные друг от друга системы синхронной передачи угла: индикаторная и трансформаторная.

Индикаторная система синхронного поворота применяется там, где момент сопротивления на ведомой оси мал или совсем отсутствует (ось нагружена стрелкой или шкалой). В индикаторной системе сельсин-приемник самостоятельно отрабатывает угол, задаваемый сельсином-датчиком.

Трансформаторная система синхронного поворота применяется там, где на ведомой оси имеется значительный момент сопротивления. В трансформаторной системе принимающий сельсин (сельсин-приемник) отрабатывает задаваемый сельсином-датчиком угол не самостоятельно, а с помощью механически и электрически связанного с ним исполнительного двигателя.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2021-01-30 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: