§ 19-3]

Индуктивные, емкостные и магнитоупругие датчики

Таблица 19-6

Электропроводность некоторых электролитов

Удельная электропроводность v пру 18° С, 1/ojkcjk-10*

Примечание. При повышении температуры на 1° С проводимость раствора увеличивается примерно на 2°/о.

Измерение сопротивлений электролитических датчиков производится на переменнол! токе (во избежание электролиза раствора во время измерения). Ошибки измерения с помощью электролитических датчиков вызываются нестабильностью температуры электролита. Для уменьшения влияния температуры на точность преобразования электролитического датчика в из.меригельную схему включается компенсирующее терыосопротивление.

Контроль параметров растворов по измерению их элас-тропроводности носит название кондуктометрического метода. Этот метод используется при контроле качества питательной воды в котельных установках (солемеры), в химической промышленности, пищевой промышленности и может найти широкое применение в других отраслях техники.

Контактные (релейные) датчики

Контактные датчики используются для фиксации (регистрации) определенных положений объектов при их механических перемещениях. По своей конструкции они бывают двухпредельными с одной парой контактов (рис. 19-5, а) и многопредельными с несколькими парами контактов (рис. 19-5, б).

Рис. 19-Б. Контактные датчики. а - однопредельнь;й; б - многопредельный.

Для увеличения чувствительности контактных датчиков в них применяется рычажная передача. Порог их чувствительности определяется минимальной величиной зазора б между кoнтaктaп^ и зависит от величины приложенного к контактам напряжения. Величина этого напряжения не должна превышать значения, при котором начнется произвольный разряд через межконтактный зазор.

19-3. ИНДУКТИВНЫЕ, ЕМКОСТНЫЕ И МАГНИТОУПРУГИЕ ДАТЧИКИ

Индуктивные датчики

Действие индуктивных датчиков основано на свойстве катушки индуктивности изменять свое сопротивление при введении в нее ферромагнитного сердечника или при изменении величины зазора в магнитном сердечнике, на котором помещена катушка. Преобразуе.1ой величиной в этом случае может быть механическое перемещение (линейное или угловое), а выходной величиной датчика - изменение индуктивности катушки AL.

Индуктивные датчики с подвижным сердечником внутри катушки (рис. 19-6, б) используются для преобразования сравнительно больших перемещений (более 5- 8 мм). Датчики же с изменяющимся зазором магнитопро-вода (рис. 19-6, а к в) служат для преобразования малых перемещений (до 2 мм при изменении длины зазора и до 8 мм при изменении его сечения).

Используются также двухтактные индуктивные датчики, обеспечивающие большой предел из.менения преобразуемой величины, большую чувствительность и малую зависимость основных параметров датчика от внешних условий (температуры).

Широкое распространение получили трансформаторные датчики, представляющие собой устройства, в которых входное преобразуемое перемещение изменяет коэффициент взаимоиндукции между первичной и вторичной обмотками (рис. 19-6, г). Разновидностью их являются дифференциальные трансформаторные датчики с двумя вторичными обмотками рис. 19-6, д. Датчики этого типа позволяют получить более мощный выходной сигнал по сравнению с другими типами датчиков (например, проволочными).

Зависимость выходной величины датчика AL или AZ от входной ДЗ и его чувствительность определяются koh-s структивными особенностями датчика. У датчиков, преобразующих механические перемещения, чувствительность определяется выражением

AL 7

S = -или S =

Погрешности индуктивных датчиков зависят от стабильности амплитуды и частоты питающего напряжения, а также от влияния окружающей температуры на геометрические размеры магнитопровода и датчика.

Индуктивные датчики применяются в освовном для преобразования различных механических перемещений, исследования деформаций, контроля размеров и т. д. Динамические свойства индуктивных датчиков определяются инерционностью его подвижных элементов.

Нонструнция

Х^Щых

Характеристика преобразования

д

ивых

Допустимые перемещения мм

0,1-2

где 8 - диэлектрическая проницаемость; S - площадь обкладок, см; а - расстояние между обкладками, см. Принцип действия емкостного датчика основан на том, что преобразуемая неэлектрическая величина воздействует на один из указанных параметров, изменяя тем самым емкость конденсатора.

В соответствии с числом параметров, определяющих емкость конденсатора, различают три типа емкостных датчиков: 1) с изменяющейся площадью обкладок; 2) с изменяющимся расстоянием между обкладками; 3) с изменяющейся диэлектрической постоянной.

Зависимость выходных величин от вход ных для указанных типов емкостных датчиков и их чувствительности приведены в табл. 19-7.

до 50

Рис. 19-6. Индуктивные датчики.

а - с изменяющейся величиной зазора; б - с перемещением сердечника? в - с изменяющейся площадью зазора; г - трансформаторный датчик; д - дифференциальный трансформаторный датчик.

Емкостные датчики

Емкость конденсатора зависит от трех параметров: площади обкладок, расстояния между ними и диэлектрической постоянной среды между обкладками.

Так, например, емкость (в .пикофарадах) плоского конденсатора (рис. 19-7, а) выражается следующим образом;

С = 0,88-51 .

Рис. 19-7. Емкостные датчики.

а - устройство плоского датчика; 6 - дифференциальный датчик.

Из табл. 19-7 следует, что чувствительность емкостных датчиков тем больше, чем меньше расстояние между обкладками (для трех типов датчиков), чем больше площадь обмадок (у датчиков с переменными end) и чем больше величина диэлектрической проницаемости (у датчиков с изменяющимися а и s).

Конструктивные выполнения датчиков могут быть различными. Минимальное расстояние между обкладками выбирается из расчета диэлектрической прочности.

Широко используются емкостные дифференциальные датчики (рис. 19-7, б). Они обладают большой чувствительностью и менее подвержены внешним воздействиям. Емкостные датчики малоинерционны.

Чувствительность их очень высока; она превосходит чувствительность всех других типов датчиков. Погрешность емкостных датчиков определяется влиянием температуры на геометрические размеры и диэлектрическую проницаемость диэлектрика, а также влажностью окружающей среды.

Основными схемами включения емкостных датчиков являются мостовые и дифференциальные схемы, а также схемы, построенные на использовании явления резонанса и метода биений.

Емкостные датчики могут быть использованы для преобразования механических перемещений (линейных и угловых), геометрических размеров деталей, расстояний между деталями, состава физических смесей, вибраций, измерения уровня жидкостей и других величин.

§ 19-4]

Индукционные, термоэлектрические и пьезоэлектрические датчики

Таблица 19-7

Таблица характеристик емкостных датчиков

Магнитоупругие датчики

Ферромагнитные материалы обладают двумя следующими свойствами: 1) если брусок ферромагнитного материала подвергнуть намагничиванию, то его геометрические размеры (длина) изменятся; 2) если намагниченный брусок ферромагнитного материала подвергнуть действию внешней силы, то его намагни- ченность (магнитная проницаемость) изменится. Первое свойство называется магнитострик-цией, а второе магнито-упругим эффектом. Действие магнитоупругих датчиков основано на явлении маг-нитоупругого эффекта.

Магнитный датчик представляет собой магнитопровод с размещенной на нем катушкой индуктивности. Если магнитопровод подвергнуть действию сжимающей силы р (рис. 19-8), то его магнитная проницаемость изменится, что приведет к изменению полного электрического сопротивления Z катушки датчика. Таким образом, входной величиной датчика может быть механическое усилие, а выходной - полное сопротивление катушки. При питании катушки датчика переменным током выходной величиной может быть амплитуда тока, протекающего через катушку.

Чувствительность магнитоупругого датчика Ар

зависит от магнитной чувствительности сердечника к давлению, а также от конструкции магнитопровода и катушки датчика. Конструкция датчика должна быть выполнена так, чтобы потоки рассеяния были сведены к минимуму.

Наибольшей магнитной чувствительностью к давлению обладают магнитные материалы, имеющие большую магнитную проницаемость с большим значением магнитострикции при малой индукции насыщения. К ним относятся некоторые сорта пермаллоя, а также трансформаторная сталь.

Рис. 19-8. Устройство магнитоупругого датчика.

Магнитоупругие датчики могут использоваться при исследовании статических, знакопеременных и быстроиз-меняющихся нагрузок.

19-4. ИНДУКЦИОННЫЕ, ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Индукционные датчики

В индукционных датчиках используется явление электромагнитной индукции, заключающееся в том, что в проводнике, перемещаемом в магнитном поле перпендикулярно направлению магнитных силовых линий, наводится э. д. с, пропорциональная скорости движения проводника (аналогично наводится э. д. с. при перемещении магнитного поля относительно проводника или же при изменении интенсивности магнитного поля вокруг проводника). *

Индукционные датчики непосредственно могут применяться только для измерения скорости линейных и угловых перемещений (тахогенераторы). Особые конструкции тахогенератора позволяют из-мерять ускорения вращающихся валов.

Конструктивно датчики выполняются либо с катушкой, перемещаемой в неподвижном магнитном поле, либо с перемещаемым магнитным полем и неподвижной катушкой, либо с неподвижными катушкой и магнитным полем, но перемещаемым прерывателем магнитного потока.

Выходной величиной датчика является э. д. с. (в вольтах), определяемая выражением

Е = kBlwv,

где k - коэффициент пропорциональности;

3 - магнитная индукция в воздушном зазоре магнитопровода, в котором перемещается проводник, еб/м^; I - длина витка, м; W - число витков;

V - составляющая скорости движения проводника, перпендикулярная направлению магнитных силовых линий, м/сек.

Чувствительность датчика (в-сек/м)

S. = = kBlw.

Она может быть повышена за счет увеличения магнитной индукции в зазоре магнитопровода и числа витков катушки. Для подгонки чувствительности применяются магнитные шунты.

У индукционных датчиков, измеряющих скорость углового перемещения, выходным параметром может быть частота выходного напряжения, при этом чувствительность датчика, имеющего число пар магнитных полюсов р, равна:

где An - приращение числа оборотов ротора датчика;

-А/ - приращение частоты выходного напряжения. Для повышения чувствительности индукционных датчиков, выходной величиной которых является частота, необходимо изготовлять их с большим числом пар магнитных полюсов.

Для измерения скорости вращения или скорости возвратно-поступательного движения могут применяться импульсные датчики, основанные на явлении электромагнитной индукции. Выходной величиной таких датчиков является частота следования импульсов. Такой датчик представляет собой постоянный магнит, укрепленный