Какой датчик является генераторным

§ 7.2. Генераторные датчики

К группе генераторных датчиков можно отнести преобразователи различных видов энергии в электрическую. Наибольшее примене­ние в качестве датчиков находят индукционные, термоэлектриче­ские и пьезоэлектрические преобразователи.

Индукционные датчики.Принцип действия индукционных датчи­ков основан на законе электромагнитной индукции, дающем воз­можность непосредственного преобразования входной: измеряемой Величины в ЭДС без источника дополнительной энергии. К этим датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного то­ка, представляющие собой небольшие электромашинные генерато­ры, у которых выходное напряжение пропорционально угловой ско­рости вращения вала генератора. Тахогенераторы используются как датчики угловой скорости.

Тахогенераторы постоянного тока бывают двух ти­пов: с возбуждением от постоянных магнитов и с электромагнит­ным возбуждением от независимого источника постоянного тока. Так как индуктированная электродвижущая сила пропорциональ­на не только скорости вращения, но и магнитному потоку:

,

то основным требованием к тахогенераторам является постоянст­во магнитного потока.

Тахогенераторы переменного тока также бывают двух типов: синхронные и асинхронные.

Синхронные тахогенераторы имеют простую конструкцию и со­стоят из статора (наружной обмотки) и ротора, выполненного в виде постоянного магнита с несколькими полюсами (рис. 7.12). При вращении ротора в статоре индуктируется ЭДС, значение и частота которой определяются известными формулами:

Следовательно, с изменением скорости вращения вместе с ЭДС изменяется и частота. Это создает неудобство при использовании такого датчика в автоматических устройствах с индуктив­ностью и емкостью, так как при изменении скорости вра­щения будут изменяться пара­метры (индуктивное и емкост­ное сопротивления) нагрузки и самого тахогенератора, бла­годаря чему линейность ста­тической характеристики нару­шается. Это явление наклады­вает определенные ограниче­ния в применении синхронных тахогенераторов. Их применяют лишь в качестве индикаторов для непосредственного измере­ния скорости вращения.

Асинхронный тахогенератор нашел широкое применение в ав­томатических схемах управления, так как его частота не зависит от скорости вращения ротора, что создает линейность статической характеристики.

Конструктивно асинхронный тахогенератор представляет собой асинхронный двухфазный двигатель с полым ротором. Две обмотки статора сдвинуты на 90º и к одной из них подводится постоянное по амплитуде и частоте напряжение возбуждения, создающее маг­нитный поток Ф₁ (рис. 7.13). Этот поток никакого влияния на вторую обмотку при неподвижном роторе не оказывает, так как пер­пендикулярен ее магнитной оси, поэтому при неподвижном роторе вторая обмотка никакого напряжения создавать не будет. Но если ротор начнет вращаться, то его стенки будет пересекать поток Ф₁ и в них появятся токи, создающие магнитный поток Ф₂, уже направленный по магнитной оси второй катушки.

Так как поток Ф₁ изменяется по синусоиде, то и поток Ф₂ будет тоже синусоидаль­ным и будет наводить вследствие этого во второй обмотке индук­тированную ЭДС

где f — частота, определяемая только частотой напряжения возбуж­дения; К — коэффициент пропорциональности.

От скорости вращения зависит только поток Ф₂, создаваемый током в роторе, который зависит от потока Ф₁ и частоты враще­ния п:

,

Так как поток Ф₁ прямо пропорционален напряжению возбужде­ния, поддерживаемому постоянным, то

т. е. индуцированная во второй обмотке электродвижущая сила прямо пропорциональна скорости вращения ротора.

Термоэлектрические датчики предназначены для измерения температуры. Они состоят из двух термоэлектродов 1 и 2, изготов­ляющихся из разнородных проводников (рис. 7.14). Одни концы этих проводников сварены (спаяны), а дне других служат выходом датчика, откуда снимается выходное напряжение. Точка спая термоэлектродов помещается в область контролируемой температуры. Если температура свободных «холодных» концов термопары t₁ отличается от температуры горячего спаяU, то в силу термоэлектри­ческого эффекта в термоэлектродах возникает термо-ЭДС E₁, пропорциональная разности температур. Это можно объяснить тем, что энергия свободных электронов в различных металлах по-разному растет с ростом температуры. Если вдоль проводника существует перепад температуры, то электроны на горячем конце приобретают более высо­кие энергии и скорости, чем на холод­ном, благодаря этому возникает движе­ние электронов от горячего конца к хо­лодному, разное в разных металлах. При наличии замкнутой цепи разное движе­ние электронов создает ток, который можно трактовать как результат возник­новения термоэлектродвижущей силы в горячем спае. За счет этой ЭДС появ­ляется выходное напряжение U_вых = E₁ = С(t₂ — t₁), где С — коэффициент пропорциональности, завися­щий от материала проводников термопары. Возникновение тер­мо-ЭДС позволяет термопару (термоэлемент) называть датчиком-генератором.

Статические характеристики большинства термопар нелиней­ные. Чаще всего используются следующие термопары: хромель — копель (до 600°С длительный нагрев); хромель — алюмель (до 1000°С); платина — платинородий (до 1300°С); вольфрам — мо­либден (до 2100°С). Термо-ЭДС при максимальной рабочей тем­пературе не превышает 10 — 50 мВ.

Все термопары обладают инерционностью. Постоянные времени термопар в зависимости от конструкции могут быть от десятых долей секунды до не­скольких сотен секунд.

Пьезоэлектрические датчики.Они применяются для получения элек­трических зарядов. Обра­зующихся на поверхно­сти некоторых кристал­лов при их сжатии. Эти датчики чаще всего из­готовляют из кварца. Та­кой датчик представляет

собой кварцевую пластину, на одной из сторон которой напыле­ны (или приклеены токопроводящим клеем) электроды, к кото­рым припаиваются вывода (рис. 7.15).

При сжатии кварцевой пластины силой Р на ее противополож­ных поверхностях, а следовательно, и на электродах в силу прямо­го пьезоэлектрического эффекта возникают электрические заряды.

Величина заряда пропорциональна сжимающей силе Р, т. е. Q =dP, где d — коэффициент пропорциональности, называемый пьезомодулем.

При изменяющейся силе Р появляется выходное напряжение

,

где С_д — емкость датчика (конденсатора, образованного электро­дами и кварцевым диэлектриком); С_м — емкость монтажа.

Из этой формулы видно, что, зная выходное напряжение, мож­но определить силу Р. Если Р постоянна, то 0.

Пьезоэлектрические датчики безынерционны. Они используются для измерения сил, давления, вибрации и для других измерений, в которых прямо или косвенно проявляются силовые воздействия. Выходное напряжение пьезоэлектрических датчиков составляет от единиц милливольт до единиц вольт. Для усиления выходного на­пряжения пьезоэлектрического датчика необходимо применять уси­литель с очень большим входным сопротивлением.

Фотоэлектрические датчики, фотоэлектрические реле. К фото­электрическим датчикам генераторного типа относятся фотоэлементы с внешним фотоэффектом, которые в отличие от фо­тоэлементов с внутренним фотоэффектом (фотосопротивлений) под действием света выделяют свободные электроны. Этим создается разность потенциалов, возникает электрический ток, т. е. происхо­дит непосредственное преобразование света в электрическую вели­чину без модуляции энергии от постороннего источника. Конструк­тивно фотоэлементы генераторного типа бывают двух исполне­ний—вакуумные и полупроводниковые.

Вакуумные фотоэлементы вырабатывают сигнал (электрический ток) небольшой величины, и он не может непосредственно воздей­ствовать на исполнительный механизм. В этом случае совместно с вакуумным фотоэлементом применяют электронный усилитель.

Полупроводниковые фотоэлементы (фотодиод, фототранзистор) вырабатывают сигнал, величина которого в ряде случаев достаточ­на для непосредственного воздействия на измерительный прибор.

В настоящее время более широкое применение получили полу­проводниковые фотоэлементы, так как помимо большего по вели­чине вырабатываемого сигнала они имеют сравнительно с вакуум­ными меньшие габаритные размеры, больший срок службы, возмож­ность эксплуатации в местах, подверженных вибрации и ударам. Недостатком полупроводникового фотоэлемента является зависи­мость его характеристик от температуры окружающей среды (в ва­куумных фотоэлементах эта зависимость отсутствует).

Принципиальная схема варианта фотодатчика, имеющего ре­лейную характеристику, представлена на рис. 7.16. Если фотодиод Д не освещен, его внутреннее сопротивление велико, транзистор Т1 закрыт и реле P1 выключено. При освещении фотодиода внутрен­нее сопротивление его резко уменьшается и возникает ток в цепи: +Е_K — эмиттер — база транзистора — фотодиод Д1 — Е_к. Транзистор открывается, реле Р1 включается. При повторном затемнении фотодиода его внутреннее сопротивление опять резко увеличивает­ся и реле Р1 выключается. Диод Д2 предохраняет транзистор Т1 от пробоя.

Фотоэлектрические датчики генераторного типа нашли широкое применение в системах автоматического контроля: для измерения силы света различных источников, освещенности, фотометрирования ультрафиолетовой радиа­ции и т. д. Путем фотоэлектриче­ского измерения радиации, ярко­сти или цвета накаленного тела можно судить о его температуре. В данном случае имеется после­довательное преобразование тем­пературы в лучистую энергию и лучистой энергии в электриче­скую. Такие фотоэлектрические датчики называются также оптическими пирометрами. Фактически здесь сосредоточены два дат­чика: оптический и электрический. Оптический датчик относится к датчикам генераторного типа, так как преобразование теплоты в лучеиспускание происходит непосредственно, без вспомогатель­ного источника энергии.

Фотоэлектрические датчики, имеющие на выходе электрический ток, легко превращаются в фотоэлектрическое реле путем включе­ния в цепь этого тока электрического реле. В качестве реле исполь­зуются электромагнитные или бесконтактные. Особенно удобны для этой цели тиратроны, выполняющие одновременно функции усили­телей и реле. Фотоэлектрические реле получили также широкое применение в различных схемах автоматики — в сигнализации, бра­ковке, сортировке, счете, защите и т. д.

Датчики – генераторы

Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины X в электрический сигнал. Такие датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются как бы генераторами электроэнергии (откуда и название таких датчиков — они генерируют электрический сигнал).

Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей). Генераторными являются термоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.

Индукционные датчики преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС индукции. Принцип действия датчи­ков основан на законе электромагнитной индукции. К этим датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного то­ка, представляющие собой небольшие электромашинные генерато­ры, у которых выходное напряжение пропорционально угловой ско­рости вращения вала генератора. Тахогенераторы используются как датчики угловой скорости.

Тахогенератор представляет собой электрическую машину, работающую в генераторном режиме. При этом вырабатываемая ЭДС пропорциональна скорости вращения и величине магнитного потока. Кроме того, с изменением скорости вращения изменяется частота ЭДС. Применяются как датчики скорости (частоты вращения).

Температурные датчики. В современном промышленном производстве наиболее распространенными являются измерения температуры (так, на атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится такое измерение, а на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.). Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют многообразие применяемых средств измерения температуры.

Если рассматривать датчики температуры для промышленного применения, то можно выделить их основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики.

Кремниевые датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур -50…+150 0 C. Применяются в основном для измерения температуры внутри электронных приборов.

Биметаллический датчик сделан из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собой. Разные металлы имеют различный температурный коэффициент расширения. Если соединенные в пластину металлы нагреть или охладить, то она изогнется, при этом замкнет (разомкнет) электрические контакты или переведет стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков -40…+550 0 C. Используются для измерения поверхности твердых тел и температуры жидкостей. Основные области применения – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.

Термоиндикаторы – это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Изменение цвета может быть обратимым и необратимым. Производятся в виде пленок.

Генераторные датчики

В качестве генераторных датчиков рассмотрим термопару, пьезоэлектрический датчик и индукционный датчик.

Термопары относятся к термоэлектрическим преобразователям.

Термопара представляет собой замкнутую цепь из двух разнородных металлических проводников (рис.3).

Контакты металлов A и К (спаи) поддерживают при разных температурах. Один спай называют контрольным (К). Его температура Т_К поддерживается постоянной при помощи термостата. Второй спай Т_А (А) — рабочий. Он помещается в среду, температуру которой надо измерить. В цепь термопары включается измерительный прибор. Если температура рабочего спая Т_А отличается от температуры контрольного спая Т_К, то в цепи термопары возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), величина которой прямо пропорциональна разности температур рабочего и контрольного спаев и определяется соотношением

где  — удельная ТЭДС, показывающая, какая ТЭДС возникает в данной цепи при разности температур контактов в один градус.

Измеряя ТЭДС, можно определить разность температур, а следовательно, и температуру рабочего контакта. Таким образом, термопара является датчиком температуры. Входной величиной такого датчика является разность температур, выходной — возникающая в термопаре электродвижущая сила.

Пьезоэлектрические датчики

Их работа основана на явлении прямого пьезоэффекта, который заключается в том, что на противоположных концах кристаллической пластинки возникают заряды различных знаков, если пластинку деформировать. Механическое напряжение преобразуется в разность потенциалов между ее концами.

Пьезодатчик используют для измерения различных физических величин: механических напряжений, переменных сил, скоростей, ускорений, давления и т.д.

Индукционные датчики

Принцип их действия основан на явлении электромагнитной индукции. Примером такого датчика может быть система из постоянного магнита (или электромагнита) и подвижного замкнутого проводящего контура (подвижной катушки). При поступательном или вращательном движении катушки в магнитном поле в ней наводится ЭДС индукции, возникает индукционный ток, величина которого зависит от скорости движения катушки.

Входной величиной такого датчика является скорость или ускорение поступательного или вращательного движения рамки, выходной — возникающая в рамке ЭДС индукции.

Параметрические датчики

Примерами могут служить емкостные, индуктивные, резистивные датчики.

Емкостной датчик

В качестве примера может быть использован, например, плоский конденсатор. Емкость C плоского конденсатора определяется соотношением

где S — площадь обкладки конденсатора, d— расстояние между обкладками,  — диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками.

Если сместить относительно друг друга обкладки заряженного конденсатора, то изменится его электроемкость и, соответственно, изменится разность потенциалов между его обкладками. С помощью таких датчиков можно измерять механические перемещения, толщину и однородность диэлектрика и т.п.

Индуктивный датчик

В простейшем варианте представлен на рис.4. Катушка 1 намотана на замкнутый сердечник 2. Якорь 3 может перемещаться относительно сердечника и замыкать последний. При перемещении якоря изменяется индуктивность катушки, это приводит к изменению индуктивного сопротивления цепи и, в конечном итоге, к изменению тока в цепи катушки. Входной величиной такого датчика является механическое перемещение якоря, выходной — ток в цепи катушки.

Разновидностью индуктивных датчиков являются магнитоупругие датчики. Их работа основана на изменении магнитной проницаемости сердечника катушки, если сердечник деформировать — сжать, растянуть и т.п. Изменение магнитной проницаемости сердечника приводит к изменению индуктивности катушки. Входной величиной такого датчика является механическая деформация, механическое напряжение, выходной — сила тока в цепи катушки.

Резистивные датчики

В качестве таковых рассмотрим тензорезисторы (тензосопротивления). Тензорезисторы иначе называют тензодатчиками.

Принцип действия тензодатчиков основан на тензоэффекте. Тензоэффект проявляется в том, что активное сопротивление проводника зависит от механической деформации: сжатия, растяжения, изгиба, кручения.

Различают тензодатчики с линейным и объемным тензоэффектом.

Датчики с линейным тензоэффектом изготовляют из тонкой проволоки (см. практическую часть). Сопротивление проволоки рассчитывают по формуле

где  — удельное сопротивление проволоки, l — ее длина, S — площадь поперечного сечения. При деформации датчика одновременно изменяются длина l и поперечное сечение S, что приводит к изменению сопротивления и силы тока в цепи датчика. Датчики с линейным тензоэффектом используют для измерения механических перемещений, деформаций, механических напряжений и давления.

Датчики с объемным тензоэффектом представляют собой столбики из вещества, сопротивление которого сильно изменяется в зависимости от давления окружающей среды. Применяют такие датчики в качестве манометров для измерения высоких и сверхвысоких давлений.

В завершение этого раздела необходимо несколько слов сказать об электронных датчиках, которые в настоящее время получили широкое распространение. В них преобразование неэлектрической величины в электрическую основано на электронных процессах.

К электронным датчикам относятся вакуумные фотоэлементы, в основе работы которых лежит внешний фотоэффект и полупроводниковые фотоэлементы, работающие на внутреннем фотоэффекте. Фотоэлектронные датчики используют для измерения светового потока, силы света, освещенности, для исследования прозрачности и мутности растворов в колориметрах и нефелометрах. С помощью фотоэлементов можно вести счет предметов, измерять механические перемещения, скорости, ускорения и т.д.

Параметрические и генераторные датчики

Датчики можно разделить на несколько видов по каким-либо свойствам. И одно из таких свойств — вид выходной величины. И таких видов для электрических датчиков всего два:

• Параметрические датчики
• Генераторные датчики

Параметрические датчики

Такие датчики отслеживают измеряемый параметр, и в ответ на изменение этого параметра изменяют какой-либо свой параметр. Поэтому и называются параметрическими.

Наиболее простой и наиболее распространённый пример параметрического датчика — это термометр сопротивления, который в ответ на изменение температуры на чувствительном элементе изменяет своё сопротивление. Ну а сопротивление уже, в свою очередь, измеряется системой, к которой подключен датчик.

Как правило такие датчики имеют линейную зависимость выходного сигнала от измеряемой величины, то есть сопротивление изменяется по линейному закону при изменении температуры:

Питание параметрического датчика осуществляется от внешнего источника, а величина подводимой энергии во всём диапазоне измерений остаётся неизменной. То есть источник питания должен быть не просто стабилизированным, а очень хорошо стабилизированным. Потому что в случае изменения напряжения ток будет изменяться, даже если сопротивление не меняется (и измеряемый параметр тоже).

Генераторные датчики

Такие датчики выдают на выход сигнал за счёт собственной внутренней энергии и не нуждаются во внешних источниках питания. Эта энергия может генерироваться самим датчиком. Поэтому они и называются генераторными.

Примером датчика, который вырабатывает энергию, может служить датчик скорости вращения (или датчик Холла). Сам он не потребляет энергию. Энергия вырабатывается за счёт вращения, а развиваемая тахогенератором ЭДС может быть пропорциональна скорости вращения ротора датчика.

Современные электронные датчики (цифровые и аналоговые) обычно требуют внешнего питания. Они могут выдавать на выходе, например, напряжение. Но при этом их нельзя отнести к генераторным, поскольку такой прибор уже нельзя назвать датчиком в “классическом” понимании этого слова. Это уже устройство, внутри которого имеется какой-то датчик. Но на выходе такого устройства уже будет не сигнал с датчика, с сигнал, вырабатываемый этим устройством.

На этом всё. Подписывайтесь на новости, чтобы ничего не пропустить (красная кнопка вверху справа), или подключайтесь к группе ВК.