Лабораторная работа
Изучение бесконтактных датчиков, градуировка индукционного и ультразвукового датчиков
1. Цель работы
1. Изучение принципа действия назначения, и конструкции оптических, емкостных, индуктивных и ультразвуковых датчиков.
2. Проведение градуировки индукционного и ультразвукового датчиков.
2. Общие сведения о бесконтактных измерениях
Измерения, при которых не происходит непосредственного контакта датчика с анализируемой средой или объектом, называются бесконтактными. К датчикам, реализующим этот способ измерения, относятся оптические, емкостные, индукционные и ультразвуковые датчики. Наиболее часто они используются для определения положения объектов. Выходными сигналами датчиков может быть аналоговый сигнал (изменение выходного тока или напряжения пропорционально расстоянию до объекта) и дискретный (релейный). Последние носят название бесконтактных выключателей. Одной из основных характеристик является расстояние срабатывания, т.е. расстояние от объекта до активной поверхности датчика, при котором происходит изменение состояния выхода датчика,
Индуктивные датчики
В основе принципа действия индуктивного датчика, изображенного на рисунке 1.1 лежит воздействие металлического объекта на высокочастотный генератор. Расположенная на ферритовом сердечнике катушка колебательного контура (1) формирует в зоне активной поверхности датчика высокочастотное электромагнитное поле (2). Внесение в это поле металлического (электропроводящего) объекта (3) вызывает электрические потери в автогенераторе из-за возникающих в объекте вихревых токов. Величина этих потерь пропорциональна расстоянию между металлическим объектом и датчиком. Амплитуда колебаний автогенератора оценивается последующей схемой обработки, формирующий аналоговый или дискретный выходной сигнал.
Рисунок 1.1 - Индуктивный датчик
В датчиках с аналоговым выходом изменение выходного унифицированного сигнала (по напряжению 0…10 В и по току 0…20 мА) пропорционально изменению расстоянию до металлического объекта.
Индуктивные датчики с релейным выходным сигналом (бесконтактные выключатели) получили наиболее широкое распространение. Расстояние срабатывания для различных материалов объекта (сталь, латунь, медь, алюминий) будет различна. Индуктивные бесконтактные выключатели применяются при измерении числа оборотов вала, при контроле положения изделий при перемещении, при управлении и контроле положения запорной арматуры.
Емкостные датчики
Активная поверхность емкостного датчика образована двумя металлическими электродами, которые можно представить как электроды «развернутого» конденсатора в соответствии с рисунком 1.2.
Поверхности электродов А и В включены в цепь обратной связи высокочастотного конденсатора, который настроен таким образом, что при отсутствии каких-либо объектов возле поверхности электродов колебания тоже отсутствуют. Приближение объекта вызывает удлинение электрического поля перед по
верхностями электродов. Благодаря этому повышается емкость между пласти-
нами А и В и запускается автогенератор. Амплитуда колебаний оценивается
последующей схемой обработки, формирующий дискретный выходной сигнал.
Рисунок 1.2 - Емкостной датчик
Емкостные датчики срабатывают как от электропроводящих объектов, так и от диэлектриков. Объекты из электропроводящих материалов образуют по отношению к активной поверхности датчика своеобразный противоэлектрод. Таким образом формируется две емкости СА и СВ, включенные последовательно в соответствии с рисунком 1.3. 
Рисунок 1.3 - Виды срабатывания емкостных датчиков
Благодаря высокой проводимости металлы позволяют реализовать большее расстояние срабатывания, причем в отличие от индуктивных датчиков, расстояние срабатывания для различных металлов будет одинаково большим.
Если непроводящий материал вводится между пластинами конденсатора, емкость повышается в зависимости от диэлектрической постоянной материала ε, как показано на рисунке 3. Величина диэлектрической проницаемости для любого твердого или жидкого материала выше, чем диэлектрическая постоянная воздуха (εвоздуха =1). Приближение объекта из любого материала к активной поверхности емкостного датчика ведет к увеличению емкости между электродами. Чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больше расстояние срабатывание. При работе с органическими материалами (зерно, древесина) расстояние срабатывание существенно зависит от содержания влаги в материале (εводы =81).
Емкостные датчики применяются в качестве сигнализаторов уровня при бесконтактном измерении в емкостях из диэлектрика (пластик, стекло) и при контактном измерении с контролируемой средой; при счете единиц продукции; при контроле заполнения бутылок и картонных упаковок; при контроле разрыва полотна и провода при намотке.
5. Оптические датчики
Все оптические датчики представляют излучатель светового потока и приемник. Изменение состояния датчика, т.е. формирование выходного сигнала, происходит при прерывании светового потока объектом (такие датчики называются световыми барьерами) или при отражении от него (датчики носят название световые тестеры). Выходной сигнал оптических датчиков – дискретный транзисторный. Одной из характеристик датчика является величина рабочей зоны, т.е. расстояние от источника до приемника (в случае светового барьера) или до объекта (в случае светового тестера). Существует несколько типов оптических датчиков – бесконтактных выключателей.
1. Однолучевой световой барьер – контролируемый объект входит в рабочую зону между излучателем и приемником прерывает световой поток. Размеры рабочей зоны могут быть от 20см до 200м. Применяется при счете изделий на конвейере, управлении процессом упаковки и транспортировки, при контроле уровня заполнения бутылок, при контроле положения инструмента, при управлении автоматической мойкой.
2. Отражательный световой барьер – излучатель и приемник размещены в одном корпусе. Исходящие лучи после отражения в рефлекторе, установленном на противоположном конце рабочей зоны, попадают в приемник. Контролируемы объект входит в рабочую зону между датчиком и рефлектором и прерывает (или ослабляет) световой поток. Максимальный размер рабочей зоны составляет 9м. Применяется при счете изделий на конвейере, при контроле предельного диаметра рулона при его намотке.
3. Отражательный световой тестер – излучатель и приемник размещены в одном корпусе. Когда контролируемый объект входит в зону чувствительности датчика, часть отраженных от объекта лучей попадают в приемник. Расстояние срабатывания зависит от отражательных свойств объекта и варьируется от 1см до 6м. Применяется при счете изделий на конвейере, при контроле прихода печатной платы на позицию, при контроле обрыва ленты (транспортер).
6. Ультразвуковые датчики
Ультразвуковой датчик излучает короткие ультразвуковые импульсы и воспринимает отраженные от объекта импульсы. Время прохождения звукового сигнала соответствует расстоянию до объекта. В качестве объектов могут быть твердые, жидкие и порошкообразные среды. На время прохождения звуковой волны оказывают влияние температура, влажность, давление, а также воздушные потоки. Ультразвуковые датчики настроены для работы в воздушной среде, но могут работать в других газообразных средах с учетом изменения чувствительности. Выходной сигнал может быть как дискретный при достижении определенного расстояния до объекта и унифицированный аналоговый. Применяется при управлении воротами и дверьми, при контроле разрыва прозрачной пленки, при контроле расстояния между транспортными каретками, для измерения уровня в резервуаре.
Порядок выполнения работы
1. Экспериментально определить расстояние срабатывания индуктивного емкостного датчиков и отражательного светового тестера для различных материалов. Результаты занести в табл. 1.1.
2. Определить и построить в виде графика градуировочную характеристику индуктивного и ультразвукового датчиков с аналоговым сигналом. Результаты занести в таблицу. 1.2. Характеристики аппроксимировать линейной зависимостью с зоной нечувствительности.
Таблица 1.1- Расстояние срабатывания
| Наименование датчика | Материал объекта | Расстояние срабаты- вания,мм |
| 1. Индуктивный датчик 2. Емкостной датчик 3. Отражательный световой тестер | 1. Диэлектрик (дерево) 2 Сталь 3. Медь 4. Алюминий 1. Бумага ε =2,3 2. Стекло ε =5,0 3.Мрамор ε =8,0 4. Металл 1. Зеркало 2. Металл 3. Темный фон 4. Светлый фон |
Таблица 1.2 - Градуировочные характеристики
| Индуктивный датчик | Ультразвуковой датчик | ||
| Значение выходного сигнала напряжения, U В | Расстояние срабатывания, L мм | Значение выходного сигнала напряжения, U В | Расстояние срабатывания, L мм |
7. Содержание отчета.
1. Наименование, цель работы, рисунки 1.1, 1.2, 1.3.
2. Таблицы 1.1, 1.2.
3. Градуировочные характеристики индуктивного и ультразвукового датчиков. Определить зону нечувствительности датчиков и расстояние срабатывания.
4. Вывод о зависимости расстояния срабатывания индуктивного датчика от материала объекта.
5. Вывод о зависимости расстояния срабатывания емкостного датчика от диэлектрических свойств объекта.
6. Вывод о зависимости расстояния срабатывания оптического датчика от оптических свойств объекта.
8. Контрольные вопросы
1. Какие датчики называются бесконтактными, их выходные сигналы, понятие расстояния срабатывания.
2. Принцип действия, особенности, различные модификации и область применения индуктивных, емкостных, оптических и ультразвуковых датчиков.