Датчики неэлектрических величин

Предназначены для преобразования непрерывного изменения входной неэлектрической величины в изменение выходной эл. величины.

Основной характеристикой датчика является чувствительность , где Δу,Δх – приращения выходной и входной величин.

Контактные датчики

Резистивные датчики. У них подвижный скользящий контакт переменного резистора связан с элементом, перемещение которого контролируется.

Возможные схемы включения датчиков приведены на рис.49

а) б) в) г)

Рисунок 49. Схемы включения резистивных датчиков.

Схема «а» - наиболее простая реостатная схема.

Схема «б» - широко применяется потенциометрическая схема.

Если входное сопротивление измерительной схемы велико, то выходное напряжение U_вых зависит от х и не зависит от R₀

Чувствительность датчика с линейным перемещением подвижного контакта

Для повышения чувствительности желательно увеличивать напряжение питания U₀. Однако при этом растет мощность, рассеиваемая датчиком.

Максимальная чувствительность ,

где P_max – наибольшая допустимая мощность резистора R₀.

Схема «в». При перемещении подвижного контакта вниз или вверх от начального среднего положения выходное напряжение меняет полярность.

Схема «г». При перемещении левого подвижного контакта вниз правый с помощью механической передачи движется вверх. При этом чувствительность возрастает в 2 раза.

Чувствительность резистивных датчиков 3-5 В/мм.

Релейные датчики. Напряжение на контактах и ток через них не должен превышать значений необходимых для поддерживания дуги.

Мощность, коммутируемая контактами, не должна превышать 100-150 мВт.

Минимальная погрешность при срабатывании датчика находится в пределах 1-2 мкм.

Бесконтактные датчики.

Индуктивные датчики. Простейшие индуктивные датчики (рис.50,51).

Рисунок 50. Индуктивный датчик с изменяющимся зазором.

Рисунок 51. Индуктивный датчик с изменяющейся площадью зазора.

Допущения: пренебрегаем магнитными сопротивлениями стали, потоками рассеяния и выпучивания.

Индуктивность обмотки .

Ток в цепи обмотки .

Индуктивность обмотки и протекающий по ней ток могут изменяться за счет изменения зазора δ или его площади S.

Рис.50 – датчик с изменяемым зазором δ, а на рис.51 – с изменяемой площадью S.

Зависимость индуктивности и тока от зазора дана рис.50, б, а от площади или координаты d – на рис.51, б.

Чувствительность индуктивного датчика при изменении зазора ; при изменении площади S_S=ΔL/ΔS=L₀/S₀,

где L₀ – начальное значение индуктивности датчика при δ= δ₀; S=S₀;

δ₀,S₀ – длина зазора и его площадь в начале хода.

Таким образом, чувствительность S_δ является нелинейной функцией Δδ.

На якорь, рассмотренных датчиков действует сила, создается механическую нагрузку на элемент, перемещение которого контролируется:

.

Для устранения этого недостатка применяется дифференциальные датчики (рис.53). Такой датчик содержит совершенно одинаковые и симметрично расположенные эл. магнитные системы. Ток в нагрузке I_н=I₁-I₂.

Рисунок 53.Дифференциальный индуктивный датчик.

При увеличении δ₁ ток I₁ в обмотке W1 увеличивается, а ток I₂ в обмотке W2 уменьшается, так как зазор δ₂= δ- δ₁, тоже уменьшается.

Зависимость тока в нагрузке от зазора показана на рис. 53, б. Возрастает крутизна выходной характеристики по сравнению с рис.50, б, и она становиться более линейной.

Трансформаторные датчики. В датчике (рис.52) при изменении зазора δ полное сопротивление первичной обмотке . Также меняется и происходит перераспределение U₁ и U₂.

Рисунок 52. Трансформаторный датчик с одним магнитопроводом с изменяющимся зазором.

Выходное напряжение можно найти из уравнений U=U₁+U₂; .

Зависимость U_вых=f(δ) представлена на рис.52, б.

Рисунок 54. Трансформаторные датчики: а) дифференциальный; б) с изменяемой площадью зазора; в) с поворотной рамкой.

В более совершенном дифференциальном трансформаторном датчике (рис.54, а) выходное напряжение U_вых можно найти приближенно с помощью уравнений U=U₁+U₂;

.

Таким образом, выходное напряжение прямо пропорционально разности зазоров δ₂ - δ₁.

При угловых перемещениях контролируемого элемента используются датчики с поворотной рамкой (рис.54, в). Выходное напряжение в таком датчике ,

где W_p – число витков рамки;

В – максимальное значение индукции в зазоре;

S_p – площадь рамки;

α – угол поворота.