Пояснения к работе

Датчик – это первый элемент измерительного канала, как правило,

аналоговое устройство, выдающее информацию о параметрах системы и

протекающих в ней процессов. Он является основным источником

электрического сигнала (изменение состояния электрической цепи за счет

замыкания и размыкания ее, изменения одного из электрических

параметров – R, L, C – или генерации ЭДС), который в последующей части

цепи подвергается обработке, преобразованию к виду, удобному для

передачи по линиям связи и дальнейшего преобразования и использования.

В основу классификации датчиков могут быть положены различные

критерии и признаки. Например, датчики можно классифицировать по:

• физическим явлениям, лежащим в основе их работы (закон

электромагнитной индукции, эффект Холла, закон Нернста,

магнитострикция, изменение электрической емкости от влажности и т.п.);

• наличию подвижных элементов (электромеханические) или их

отсутствию (статические);

• принципу действия;

• устройству;

• контролируемой величине: давление, влажность, ускорение, угол

поворота и т.п.;

• назначению;

• объекту регулирования: температура печи, частота вращения

двигателя, скорость перемещения дуги;

• виду передаточной функции: безинерционные, инерционные, с

запаздыванием и т.п.

Независимо от перечисленного выше все датчики подразделяются на:

• пассивные или параметрические;

• активные или генераторные.

Из названий следует, что к первой группе относятся датчики,

которые не в состоянии самостоятельно создавать на выходе

электрический сигнал, для их работы необходим источник питания, а

датчик под воздействием контролируемой величины лишь меняет свои

внутренние параметры, что в конечном итоге и вызывает изменение

выходного сигнала. Активные датчики не нуждаются в постороннем

источнике питания, они сами генерируют электрический сигнал, как

правило в виде ЭДС, под воздействием измеряемой величины. Ниже

приведена возможная классификация пассивных и активных датчиков.

Пассивные датчики: резистивные, индуктивные, емкостные.

Активные датчики: индукционные, термоэлектрические,

пироэлектрические, фотоэлектрические (на внешнем или внутреннем

фотоэффекте), фотоэлектромагнитные, пьезоэлектрические, Виганда,

Холла, магнитострикционные, на твердых электролитах.

Работа емкостных датчиков заключается в преобразовании

измеряемой величины в емкостное сопротивление. Поэтому емкостные

датчики относятся к параметрическим. Принцип действия емкостных

датчиков основан на зависимости емкости конденсатора от размеров

обкладок, расстояния между ними, диэлектрической проницаемости среды

между обкладками. Наибольшее распространение получили емкостные

датчики, измеряющие линейные перемещения. На рис. 10.3, а, б показаны

схема емкостного датчика линейного перемещения и зависимость емкости

датчика от входного сигнала – перемещения х.

Рис. 10.3 Емкостный датчик линейного перемещения

Так же используются емкостные датчики углового перемещения, т.е.

зависимость емкости датчика от входного сигнала (угла поворота). В этом

датчике емкость изменяется из-за изменения площади взаимного

перекрытия двух обкладок – пластин. Одна из пластин неподвижна, другая

– может поворачиваться на оси относительно первой пластины. Расстояние

между пластинами не меняется, при повороте пластины меняется активная

площадь между пластинами.

Бывают емкостные датчики уровня. В этом датчике емкость

изменяется в зависимости от уровня жидкости, поскольку изменяется

диэлектрическая проницаемость среды между неподвижными пластинами.

Емкостные датчики используются в цепях переменного тока. При

малой частоте питания емкостное сопротивление настолько велико, что

изменение тока в цепи с емкостным датчиком очень трудно зафиксировать

даже высокочувствительным прибором. Применение емкостных датчиков

предпочтительнее при питании повышенной частотой (400 Гц и больше).

Чувствительность емкостного датчика определяется как отношение

приращения емкости к вызвавшему это приращение изменению

измеряемой величины. Для простого плоского двухобкладочного

емкостного датчика линейного перемещения с воздушным зазором

емкость

C = 8 / 85⋅10^-12 ⋅ s /(d_НАЧ + x),

где d_НАЧ – начальное расстояние между пластинами площадью s.

Чувствительность максимальна при малых входных сигналах (когда

пластины расположены близко друг к другу) и быстро уменьшается при

удалении пластин. При включении емкостного датчика в измерительную

мостовую схему переменного тока чувствительность измерения можно

увеличить повышением напряжения питания моста.

В емкостном датчике давления одной из обкладок конденсатора

является плоская круглая мембрана, воспринимающая давление. Другая

обкладка датчика неподвижна и имеет такой же радиус, что и мембрана.

Между обкладками конденсатора имеется начальный воздушный

промежуток. Под воздействием измеряемого давления мембрана

прогибается, причем наибольшее перемещение имеет центр мембраны.

Неравномерное изменение воздушного промежутка между пластинами

затрудняет вывод формулы для емкости такого датчика.

Для повышения точности и чувствительности, а также с целью

уменьшения влияния механических сил емкостный датчик можно

выполнить дифференциальным и включить в мостовую схему.

Датчики угловых перемещений используют в мостовых

измерительных схемах. Чувствительность такого датчика определяется как

изменение при повороте на 1 градус: S_Д = 8.85⋅10^-12(n-1) /180 ⋅ d .

Емкостные датчики нашли применение также для автоматического

измерения толщины различных материалов и покрытий в процессе их

изготовления.

Контрольные вопросы

1. Что такое датчик?

2. Назначение датчиков, области применения, классификация.

3. Объясните полученные результаты.

4. В чем отличие пассивных и активных датчиков.

Библиографический список

1. Чунихин А.А. Электрические аппараты. М.: Энергия, 1975. – 412 с.

2. Розанов Ю.К. Электрические и электронные аппараты. М.:

Энергоатомиздат, 1998. – 750 с.

3. Таев И.С. Электрические аппараты автоматики и управления.

Учебное пособие для студентов втузов. М.: Высшая школа, 1975. – 224 с.

4. Александров Г.Н., Борисов В.В., Иванов В.Л. и др. Теория

электрических аппаратов: Учебник для втузов по спец. «Электрические

аппараты». Под ред. проф. Александрова Г.Н.. М.: Высшая школа, 1985. –

312 с.

Учебно - методическое издание