Материал: Элементы систем автоматического управления. Кириллов Ю.В

Рис. 16.17. Профильные функциональные потенциометрические

датчики

Вид функциональной зависимости U_вых =f(х) определяется формой выреза каркаса потенциометра, т. е. зависимостью его профиля (конкретнее — высоты h) от перемещения движка х.

16.4. Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики используются в автоматике при измерении усилий, давления, вибраций, для ориентации устройств. В них используется пьезоэлектрический эффект, сущность которого заключается в том, что под действием приложенного усилия в гранях некоторых кристаллов (кварца, титана бария, турмалина, сегнетовой соли и др.) появляются электрические заряды (прямой пьезоэффект). При внесении пьезоэлемента в электрическое поле он деформируется (обратный пьезоэффект). В пьезоэлементах различают три оси: оптическую Z и перпендикулярные к ней электрическую (пьезоэлектричкую) Х и механическую У. При действии силы Р вдоль оси Х (сжатие или растяжение), на гранях, перпендикулярных к оси Х, возникают разнополярные электрические заряды Q (продольный пьезоэффект). При действии силы вдоль оси У на тех же гранях также возникают разнополярные электрические заряды (поперечный пьезоэффект). При действии силы вдоль оси Z пьезоэффект отсутствует. Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем k₀. При продольном пьезоэффекте: ; при поперечном пьезоэффекте - , где S_y и S_x площади граней, перпендикулярные к осям Х и У.

Рис. 16.18. Пьезоэлектрические датчики:

а – пьезоэлемент, работающий на сжатие, б-схема включения пьезоэлемента; в,г – пьезоэлементы, работающие на изгиб; д – пьезоэлемент, работающий на сдвиг

Пьезоэлемент представляет собой пластину кристалла с обкладками 2 на гранях Sx (см. рис. 16.18, а). Напряжение между обкладками 2 без учета измерительной схемы (см. рис. 16.18, б) , (16.30)

где  – диэлектрическая постоянная материала пластины, d – толщина пластины.

Выпускаются пьезоэлементы, работающие на сжатие (рис. 16.18, а), на изгиб (рис. 16.18, в, г), на сдвиг (рис. 16.18, д). Пьезоэлемент, работающий на изгиб, состоит из одинаковых, склеенных между собой, пластин пьезоматериала, между которыми находится металлическая пластина. Пьезоэлементы, работающие на сдвиг, выполняют в виде колец 1, в которые вклеен внутренний электрод 2,и наклеен внешний электрод 3.

Если приложенная сила Р_х постоянна, то с течением времени происходит стекание заряда и напряжение с датчика уменьшается по экспоненциальному закону. Поэтому пьезоэлектрические элементы применяют в основном для измерения усилий, изменяющихся с частотой выше 15Гц. Выходное напряжение пьезоэлектрических преобразователей обычно невелико, поэтому в системах автоматики они используются с усилителями.

16.5. Фотоэлектрические датчики

Широкое применение при автоматизации различных производственных процессов находят фотоэлектрические устройства, преобразующие световой поток в электрический сигнал. Выпускаются три вида таких преобразователей: с внешним фотоэффектом (вакуумные или газонаполненные); с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) и вентильные (полупроводниковые).

Рис. 16.19. Фотоэлектрические датчики: а, б, в -с внешним, внутренним и вентильным фотоэффектом; г-схема включения фототранзистора

Основные характеристики фотоэлементов – это световая, т.е. зависимость фототока от освещенности I_Ф=f(Ф); спектральная – зависимость чувствительности S_ от длины волны  падающих лучей S_=f(); вольт-амперная – зависимость фототока от величины напряжения на фотоэлементе I_Ф=f(U). Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (рис. 16.19, а) представляют собой вакуумную лампу 1, на внутреннюю стенку которой нанесен фоточувствительный слой, служащий катодом 2. Под действием светового потока, падающего на катод, последний испускает электроны, которые под действием электрического поля перемещаются к аноду 3, создавая внутри фотоэлемента ток (фототок).

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (рис. 16.19, б) – фоторезисторы, принцип действия которых состоит в том, что свободные электроны, образующиеся под действием светового потока в слое светочувствительного проводника 2 резко изменяют его сопротивление. Светочувствительный материал наносится на изоляционную подложку 3 и сверху покрыт защитной тонкой прозрачной пленкой 1. Широко применяются сернисто-кадмиевые (ФС-К), сернисто-свинцовые (ФС-А), сернисто-висмутовые (ФС-Б) и селинисто-кадмиевые (ФС-Д) фоторезисторы. Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом (рис. 16.19, в) на основе p-n перехода, в котором под воздействием светового потока происходит генерация пар электрон-дырка в области p-n перехода. Электрическое поле p-n перехода разделяет электроны и дырки. Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока фотодиода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения между анодом и катодом при разомкнутой цепи. На рис. 2.15, г показана схема включения фототранзистора с ОЭ, где Rн – сопротивление в цепи коллектора, U₁ – напряжение питания, U₂ – напряжение смещения. Выходные характеристики фототранзистора в этой схеме подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, но их положение определяется не током базы, а величиной светового потока.

16.6. Радиотехнический датчик

В системах автоматики необходимо оперативное обнаружение посторонних предметов в рабочей зоне. Для этих целей может быть применено бесконтактное радиотехническое устройство. Воспринимающая часть 1 этого устройства (рис. 16.20) представляет транзисторный автогенератор метровых волн с колебательной системой. При наличии вблизи колебательной системы автогенератора предмета изменяется его комплексное сопротивление, что вызывает дополнительные потери высокочастотной энергии, восполняемые источником питания. Вследствие этого внутреннее сопротивление автогенератора увеличивается и напряжение в точках 2 и 5 растет, что приводит к возрастанию величины тока через измерительный стабилитрон 4. Ток, протекающий через стабилитрон 4, открывает его и вызывает срабатывание исполнительного реле 3, которое включает световую или звуковую сигнализацию.

Рис. 16.20. Схема радиотехнического датчика

16.7. Датчики температуры

В системах автоматики широко используются теплоэлектрические датчики температуры: термопары, металлические полупроводниковые терморезисторы, полупроводниковые диоды и транзисторы. Такие датчики преобразуют изменение температуры в изменение ЭДС, электрического сопротивления, тока. Термопары представляют собой спай из двух разнородных металлических проводников или полупроводников, в которых под действием температуры возникает термоЭДС. Чувствительность термопары показывает величину изменения термоЭДС при изменении температуры на 1⁰С. Чувствительность термопар невелика и составляет 0,01…0,07 мВ/⁰С.

Металлические терморезисторы изготавливаются из платины (ТСП), меди (ТСМ), никеля, вольфрама. Зависимость сопротивления терморезисторов от температуры определяется R_т≈R₀(1+α∆Т), где

R₀ – сопротивление при начальной температуре Т₀,

α – температурный коэффициент сопротивления,

ΔТ=Т=Т₀.

Чувствительность терморезисторов характеризуется температурным коэффициентом сопротивления

.

Полупроводниковые терморезисторы, обладающие отрицательным температурным коэффициентом называют термисторами, с положительным температурным коэффициентом в области плюсовых температур – позисторами. В области отрицательных температур сопротивление позисторов уменьшается. Отечественной промышленностью выпускаются медно-марганцевые (ММТ), кобальто-марганцевые (КМТ) и другие термисторы, а также позисторы типа СТ51, СТ6-1А, СТ6-1Б, СТ6-2Б, СТ6-3Б, СТ6-1В и СТ6-1Г.

Зависимость сопротивления термистора от температуры определяется , где Т – температура, R_∞ - сопротивление термистора при Т→∞, с – постоянный коэффициент.

Чувствительность полупроводниковых терморезисторов в 5-30 раз выше, чем металлических.

Терморезисторы могут включаться по нереверсивной (а), дифференциальной (б) и мостовой (в) схемам (рис. 16.21). Для измерения температуры могут применяться также диоды, например, силовые диоды Д7А – Д7Ж, а также транзисторы. Чувствительность диодов до 2,2мВ/град, транзисторов до 0,4мВ/град. Терморезисторы используются в системах регулирования температур, противопожарной сигнализации, теплового контроля или защиты, в схемах температурной компенсации в частности для термокомпенсации кварцевых резонаторов, для стабилизации режимов транзисторных каскадов.

Рис. 16.21. Схемы включения терморезисторов.