Датчики

  что такое датчик;

 Потенциометрические датчики;

 Индуктивные датчики;

 Дифференциально-трансформаторный датчик;

 Емкостные датчики

 Температурные датчики;

 Оптические датчики;

 Датчики давления;

 Путевые (конечные) выключатели;

  Перспективы развития.

  Заключение.

  Список используемой литературы:

Что такое датчик.

Для непрерывного контроля за протеканием технологических процессов, режимов работы различных машин и аппаратов используют преобразовательные элементы - датчики. Датчики информируют о состоянии внешней среды путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрические сигналы. Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для создания датчиков. Нельзя не отметить тот факт, что при создании систем автоматики широкое применение получили электрические датчики- устройства, преобразующие неэлектрические величины в электрические.

В начало страницы

Потенциометрические датчики.

Потенциометрический датчик в простейшем случае представляет собой резистор, включенный по схеме делителя напряжения. Он применяется для преобразования линейного или углового перемещения в выходное напряжение. Он представляет собой устройство, состоящее из каркаса, на который намотан в один ряд изолированный провод с высоким удельным сопротивлением, и подвижного контакта (движка), скользящего по виткам провода.

В начало страницы

 Индуктивные датчики

Принцип работы таких датчиков основан на изменении индуктивности катушки с магнитопроводом под воздействием различных параметров. Их широко применяют при преобразовании линейных и угловы перемещений, контроле изменения давления, расходов жидкостей и газов и т.д.

В начало страницы

Дифференциально-трансформаторный датчик.

Его принцип работы основан на изменении потокосцепления между двумя системами катушек при перемещении подвижного сердечника (плунжера). Дифференциально-трансформаторные датчики являются безынерционными элементами автоматики при условии, что частота входного сигнала изменяется во много раз медленнее по сравнению с частотой источника питания.

В начало страницы

Емкостные датчики.

Принцип действия емкостных датчиков, которые также являются преобразователями параметрического типа, основан на изменении емкости конденсатора под воздействием входной величины. В большинстве сучаев используют конденсаторы плоскопараллельного или цилиндрического типа.

В начало страницы

Температурные датчики.

Существует три вида терморезисторов: с отрицательной характеристикой (их сопротивление уменьшается с повышением температуры), с положительной характеристикой ( с повышением температуры сопротивление увеличивается) и с критичной характеристикой (сопротивление резко изменяется при пороговом значении температуры).Термочувствительные диоды и тиристоры относятся к полупроводниковам датчикам, в которых используется температурная зависимость проводимости p-n- перехода (обычно на кристале кремния). Характеристики различных терморезисторов смотрите на рис. 2.

 В начало страницы

Оптические датчики.

Следует отметить, что в настоящее время способы применения таких датчиков по настоящему разнообразны, поэтому следует уделить им побольше внимания.

По принципу оптико-электрического преобразования эти датчики можно разделить на четыре типа: на основе эффектов фотоэлектронной эмиссии, фотопроводимости, фотогальванического и пироэлектрических.

Фотоэлектронная эмиссия, или внешний фотоэффект,- это испускание электронов при падении света на физическое тело. Для вылета электронов из физического тела им необходимо преодолеть энергетический барьер. Но чем корочедлина волны облучающего света, тем больше энергия электронов и легче преодоление ими указанного барьера.

Эффект фотопроводимости, или внутренний фотоэффект,- это изменение электрического сопротивления физического тела при облучении его светом. Среди материалов, обладающих эффектом фотопроводимости,- ZnS, CdS, GaAs, Ge, PbS и др. Максимум спектральной чувствительности CdS приходится приблизительно на свет с длиной волны 500-550 нм, что соответствует примерно середине зоны чувствительности человеческого зрения. Недостаток этих датчиков - замедленная реакция (50 мс и более).

Фотогальванический эффект заключается в возникновении ЭДС на выводах p-n- перехода в облучаемом светом полупроводнике. Типичные датчики, работающие по этому принципу,- фотодиоды, фототранзисторы. Такой же принцип действия имеет оптико-электрическая часть двухмерных твердотелых датчиков изображения. В качестве материала подложки для фотогальванических датчиков чаще всего используюткремний. Сравнительно высокая скорость отклика и большая чувствительность в диапазоне от длижней инфракрасной зоны до видимого света обеспечивает этим датчикам широкую сферу применения. Рис. 2 помогает лучше понять принцип действия фотогальванических элементов. 

Пироэлектрические эффекты - это явления, при которых на поверхности физического тела вследствии изменений поверхностного температурного "рельефа" возникают электрические заряды, соответствующие этим изменениям. Среди материалов, обладающих подобными свойствами: LiTaO3,PbTiO3,BaTiO3 и множество других так называемых пироэлектрических материалов. Конструкция одного из таких датчиков в стандартном корпусе

и его эквивалентная схема представлены на рис. 3.

В корпусе датчика встроен полевой транзистор, позволяющий преобразовывать высокое полное сопротивление пироэлектрического элемента с его мизерными электрическими зарядами в более низкое и оптимальное выходное сопротивление датчика. Большинство датчиков имеет оптимальную чувствительность в довольно узкой зоне ультрафиолетовой, или видимой, или инфракрасной части спектра.

Основные пpиимущества перед датчиками других типов:

1. Возможность бесконтактного обнаружения.

2. Возможность (при соответствующей оптике) измерения объектов как с чрезвычайно большими, так и с необычно малыми размерами.

3. Высокая скорость отклика.

4. Удобство применения интегральной технологии (оптические датчики, как правило, твердотельные и полупроводниковые), обеспечивающей малые размеры и большой срок службы.

5. Обширная сфера использования: измерение различных физических величин- перемещения, температуры, давления, плотности и др., определение формы, распознавание объектов и т. д.

Наряду с преимуществами оптические датчики обладают и некоторыми недостатками, а имен чувствительны к загрязнению, подвержены влиянию постороннего светового фона, а также температуры (при полупроводниковой основе).

В начало страницы

Датчики давления.

В датчиках давления всегда испытывается большая потребность, и они находят весьма широкое применение. В подавляющем большинстве случаев индикация давления осуществляется благодаря деформации упругих тел, например диафрагмы, трубки Прудона, гофрированной мембраны. В настоящее время в качестве датчиков давления все шире используются тензометры. Особенно перспективными представляются полупроводниковые тензометры диффузионного типа. Такие тензометры на кремниевой подложке обладают высокой чувствительностью, малыми размерами. способ получения диффузионного тензометра следующий: путем травления по тонкопленочной технологии на поверхности кристалла кремния с n-проводимостью формируется круглая диафрагма (см. рис. 5).

рис. 5 (стр. 31я)

На краях диафрагмы методом диффузии наносятся пленочные резисторы R1 и R2,имеющие p-проводимость и вытянутые в длину вдоль осей. Если к диафрагме прикладывается давление, то сопротивление одной из пар резисторов увеличивается, а другой - уменьшается. Выходной сигнал датчика формируется с помощью мостовой схемы, в которую входят эти резисторы. Полупроводниковые датчики такого типа могут найти широкое применение и будут использоваться для измерения артериального давления крови, в автомобильной электронике, во всевозможных компрессорах.

Основные проблемы таких датчиков: температурная зависимость, низкая устойчивость к внешней среде и низкий срок службы.

В начало страницы

Бесконтактные путевые (конечные) выключатели.

Это особый вид датчиков. Они используются для коммутации электрических цепей управления и автоматики, устанавливаемые в определенных точках пути контролируемого объекта. Например, путевые выключатели размещают в суппортах станков, где они ограничивают их ход, подавая в конце контролируемого перемещения сигнал на отключение двигателя привода подачи. В станках с ЧПУ для контроля положения их перемещающихся узлов широко применяют бесконтактные путевые выключатели; они обладают рядом достоинств: отсутствие механического взаимодействия, высокое быстродействие, частота переключения; они не чувствительны к механическим воздействиям и могут работать при больших скоростях перемещений.

Бесконтактные путевые выключатели отличаются геометрической формой (щелевые и торцевые), расположением чувствительного элемента, шириной щели или расстоянием от управляющей пластины до чувствительного элемента. Принцип управления бесконтактным выключателем заключается в экранировании магнитного поля постоянного магнита выключателя управляющим элементом (пластиной), размещенным на подвижном узле станка.

При внесении металлической пластины в щель экранируется чувствительный элемент - катушка, включенная в цепь электронного генератора, выдающего сигнал управления. Преимуществом щелевых выключателей является независимость положений срабатывания и возврата от небольших вибраций станка. К числу их недостатков можно отнести сравнительно большие габаритные размеры.

В начало страницы

Перспективы развития.

Рассмотрим основные требования, предъявляемые к современным датчикам.

  1. Высокие качественные характеристики: чувствительность, точность, линейность, воспроизводимость, или повторяемость, показаний, скорость отклика, взаимозаменяемость, отсутствие гистерезиса и большое отношение сигнал-шум.
  2. Высокая надежность: длительный срок службы, устойчивость к внешней среде, безотказность в работе.
  3. Технологичность: малые габариты и масса, простота конструкций, низкая себестоимость.

Конечно, изготовление датчиков, удовлетворяющих всем перечисленным здесь требованиям, представляет собой значительную трудность. Однако при работе датчиков совместно с ЭВМ часть недостатков датчиков можно скомпенсировать за счет вычислительных логических возможностей машины. В частности, с помощью ЭВМ

  1. линеаризуется нелинейная характеристика датчика;
  2. подавляются шумы датчика;
  3. корректируется чувствительность и точка нуля, которые обычно измеряются при продолжительной эксплуатации;
  4. компенсируется влияние температуры окружающей среды;
  5. производится автоматическая диагностика датчиков;

Тенденции развития техников датчиков показывают, что в будущем при разработке датчиков придется решать следующие задачи:

  1. Интегральное исполнение. Распространение интегральной технологии и повышение уровня интеграции безусловно затронет и датчики.
  2. Комбинирование. Комбинируя несколько датчиков в одном корпусе, можно с помощью одного универсального датчика фиксировать несколько физических параметров одновременно. Другое направление – комбинирование датчиков с исполнительными устройствами.
  3. “Интелектуализация”. Датчики и микропроцессоры изготавливаются в одном корпусе. При этом сигналы, регистрируемые датчиками, будут обрабатываться и контролироваться встроенным микропроцессором.
  4. Минимизация энергозатрат на выполнение технологического процесса, т. е. Как следствие уменьшение габаритов узлов (например датчиков и других систем наблюдения и контроля).
  5. В начало страницы

    Заключение.

    В заключении следует отметить, что в перспективе развития датчиков, конечно, хочется верить будет достигнут определенный прогресс, например, такой, который был рассмотрен выше (тенденции развития датчиков). Конечно, каждый из видов датчиков обычно применяется в различных областях, но следует заметить что при комбинированном исполнении датчиков по современным технологиям не только упрощаются задачи контроля, но также уменьшаются весогабаритные показатели и общая стоимость оборудования, в котором используются эти системы контроля.

    В начало страницы

    Список используемой литературы:

    1. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ: пер. с япон.- Л.: Энергомиздат. 1986.- 120с.: ил.

    2. Игнатов В. А. и др. Электрооборудование современных металорежущих станков и обрабатывающих комплексов: Учеб. для ПТУ/В. А. Игнатов, В. Б. Ровенский, Р. Т. Орлова.- М.: Высш. шк., 1991.-96 с.: ил.

    3. Коновалов Л. И., Петелин Д. П. Элементы и системы электроавтоматики: Учеб. пособие для студ. вузов спец. "Автоматизация и компл. механизация хим.-технол. процессов". - 2-у изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк.,1985. - 216 с., ил.

  6. Беликов И. Д. Магнитомодуляционные путевые переключатели. М., "Энергия", 1974.

  В начало страницы


Перейти на сайт про роботов
Робот - статистик