Глава тринадцатая. Датчики неэлектрических величин

13.1. Общие сведения

Датчики представляют собой электрические аппараты, предназначенные для преобразования непрерывного изменения входной (контролируемой) неэлектрической величины в изменение выходной электрической величины. Входные величины могут отражать самые разнообразные физические явления — линейное или угловое перемещение, скорость, ускорение, температуру твердых, жидких и газообразных тел, усилие, давление и т. д. В качестве выходных величин чаще всего используются активное, индуктивное, емкостное сопротивление, ток, ЭДС, падение напряжения, частота и фаза переменного тока.

Основной характеристикой датчика является чувствительность

На практике пользуются также понятием относительной чувствительности

Датчики могут быть линейными (S=const) и нелинейными (S=var). У последних чувствительность зависит от значения входной величины.

Существенным параметром датчика является порог чувствительности — это изменение входной величины, вызывающее наименьшее изменение выходной величины, которое может быть обнаружено.

Важнейшим параметром датчика является его погрешность.

Номинальной характеристикой датчика называется зависимость выходной величины от входной, которая приписывается паспортом и используется как расчетная при проведении измерений. Экспериментально снятая, реальная зависимость «вход— выход» отличается от номинальной на погрешность.

13.2. Контактные датчики

Наиболее популярными представителями контактных датчиков являются резистивные датчики

В таких датчиках подвижный скользящий контакт переменного резистора связан с элементом, перемещение которого контролируется.

Если сечение каркаса, на котором намотан резистор, всюду одинаково, то сопротивление датчика меняется пропорционально углу поворота α или ходу х. При необходимости зависимость R (а, х) может быть сделана нелинейной. Тогда каркас имеет переменное сечение или резисторы r1—r6 неодинаковы по сопротивлению.

Погрешность работы датчиков зависит от стабильности питающего напряжения U0, точности изготовления конструктивных деталей, температурной стабильности использованного проводникового материала. Для повышения температурной стабильности следует применять проволоку с малым температурным коэффициентом сопротивления.

Резистивные датчики применяются для измерения линейных и угловых перемещений. С их помощью можно измерить уровень и расход жидкости (датчик соединяется с поплавком), силу (датчик соединяется с упругим элементом, деформируемым измеряемой силой), размеры и т.д.

Преимущества резистивных датчиков заключаются в простоте конструкции, точности работы до 0,5 %, малых массе и габаритах.

Недостатком является наличие подвижного контакта, ухудшающего надежность работы и уменьшающего срок службы.

Для контроля размеров и отбраковки негодных деталей широко применяются контактные релейные датчики.

Погрешность и надежность работы датчика зависят от работы контактной системы, поэтому дугообразование должно быть исключено. Для уменьшения износа контактов целесообразно применять схемные методы.

Следует отметить, что при малом расстоянии между контактами (1 мкм) даже при напряжении 10В создается высокий градиент поля E = 107 В/м, что может привести к интенсивной эрозии контактов. Мощность, коммутируемая контактами, не должна превышать 100—150 мВт. Минимальная погрешность при срабатывании контактного датчика находится в пределах 1—2 мкм.

13.3 Бесконтактные датчики

Индуктивные датчики.

Погрешности индуктивных датчиков определяются стабильностью напряжения и частоты источника питания, влиянием температуры на активное сопротивление обмотки и размеры рабочего зазора.

Трансформаторные датчики выгодно отличаются от индуктивных отсутствием гальванической связи между цепью питания и выходной цепью, а также простотой измерительных схем. Относительно большая мощность датчиков (до нескольких десятков ватт) позволяет применять их без промежуточных усилителей. Они также широко применяются с мостовыми измерительными схемами.

За счет применения дифференциальных схем включения погрешности, вызванные изменением питающего напряжения, частоты, несинусоидальностью формы тока, изменением окружающей температуры, могут быть снижены до 0,5—0,1 %.