Автоматизированное производство (стр. 6 из 8)
Нелинейные статические характеристики датчиков
в) Идеализированная релейная статическая характеристика
г) релейная статическая характеристика с гистерезисом
16. Резистивные датчики. Электроконтактные датчики
Строятся на основе электроконтактных преобразователей, которые преобразуют механическое перемещение в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью.
В начале обработки детали, когда ее размер наибольший, измерительный шток контрольного устройства находится в крайнем (верхнем) положении. Первая пара из заранее настроенных контактов замкнута. По мере уменьшения контролируемого размера обрабатываемой детали измерительный шток преобразователя перемещается и коромысло начинает поворачиваться. Первая пара контактов размыкается, вследствие чего формируется и подается команда на изменение режима работы, например на переход от черновой к чистовой обработке. При дальнейшем снятии припуска (уже при чистовой обработке) измерительный шток продолжает перемещаться, а коромысло поворачиваться, пока вторая пара заранее настроенных контактов не замкнется. Это значит, что заданный размер достигнут, и обработка останавливается.
Пневмоэлектроконтактные датчики
Для бесконтактного точного измерения размеров. Принцип действия основан на измерении сопротивления истечению воздуха через калиброванное сопло, находящееся на том или ином расстоянии от поверхности. Это расстояние и является контролируемой величиной.
Если размер отверстия находится в пределах допуска, то давление воздуха в правом и левом коленах датчика примерно одинаково и датчик не подает никаких команд.
Если диаметр отверстия меньше заданного, то зазор между калибром-пробкой и отверстием сопла будет маленьким и давление в правом колене датчика возрастет От датчика тогда последует дискретный сигнал «Размер занижен».
Если же отверстие получилось больше заданного, давление в правом колене датчика станет меньше, чем в левом, левый сильфон растянется, а правый сильфон сожмется. От датчика тогда последует дискретный сигнал «Размер завышен».
Реостатные датчики и контактные датчики сопротивления
Реостатными датчиками называются датчики, которые строятся на основе преобразователей, представляющих собой реостат, движок которого движется под действием измеряемой неэлектрической величины. Входной величиной является при этом механическое перемещение движка, а выходной величиной — изменение сопротивления.
Датчиками, омическое сопротивление которых изменяется под действием силовых факторов, являются также контактные датчики сопротивления. Принцип действия используемых для построения таких датчиков преобразователей основан на изменении под действием механического давления электрического сопротивления между проводящими элементами, разделенными слоями из плохо проводящего материала.
Примером электроконтактного датчика сопротивления является обычный угольный микрофон, преобразующий колебания акустического давления в колебания электрического сопротивления, которые далее преобразуются в колебания электрического сигнала.
Тензодатчики (тензорезисторы)
В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Тензорезисторы бывают разных размеров, и их минимальная длина равняется примерно 0,025 см.
Тензорезисторы закрепляются на поверхности исследуемого образца или монтируются в материал, деформация которого измеряется. Они способны измерять деформации порядка 1 мкм.
Тензорезисторы могут быть трех различных типов: проволочные, фольговые и полупроводниковые. Проволочные тензодатчики могут быть наклеиваемыми и ненаклеиваемыми, а полупроводниковые — наклеиваемыми или диффузионными.
Терморезисторы, термопары и магниторезистивные датчики
Терморезисторы — это разновидности параметрических резистивных датчиков, меняющие свое сопротивление в соответствии с изменением измеряемой температуры.
Терморезисторы бывают двух разновидностей: полупроводниковые и металлические.
Существует два способа измерения температуры с помощью терморезисторов:
1.Температура определяется окружающей средой.
2. Температура определяется условиями охлаждения терморезистора, нагреваемого постоянным по величине током. Такая схема применяется, например, для построения датчиков потока жидкости или газа, теплопроводности окружающей среды, плотности окружающего газа .
17. Пьезоэлектрические датчики
Физические явления при пьезоэффекте
Механическое воздействие, приложенное определенным образом к пьезоэлектрическому кристаллу, порождает в нем электрическое напряжение. Это явление называется прямым пьезоэффектом. И наоборот, электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает его механическую деформацию, что представляет собой обратный пьезоэффект.
Пьезоэффект обладает знакочувствительностью. Пьезоэлектричество наблюдается как в монокристаллических материалах, например в кварце, турмалине, ниобате лития, сегнетовой соли и др., так и в поликристаллических материалах, например в титанате бария, титанате свинца, цирконате свинца и др.
Физические явления, происходящие при пьезоэлектрическом эффекте, рассмотрим на примере широко известного пьезокристаллического материала — кварца, как показано на рис. 1.
Чтобы получить хорошие пьезоэлектрические свойства, кварцевые кристаллы следует точно ориентировать. Природные формы кристаллов также ограничиваются простейшими конфигурациями, например пластинками или дисками.
Рис. 1. Схемы продольного (а) и поперечного (б) сжатия и сдвига (в) в кристалле кварца
Деформация ячейки не влияет на электрическое состояние вдоль оси Y. Здесь сумма поляризационных векторов в силу симметрии равна нулю.
Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси X, под воздействием силы, направленной по этой оси X, называется продольным пьезоэффектом.
Эффект образования электрических зарядов на гранях, перпендикулярных механически нагружаемым, называется поперечным пьезоэффектом.
При равномерном нагружении кристалла со всех сторон (например, при гидростатическом сжатии) кристалл кварца остается электрически нейтральным. Кристалл кварца остается также электрически нейтральным при механическом нагружении, действующем вдоль оси Z, перпендикулярной осям X и Y. Эта ось называется оптической осью кристалла.
При механическом воздействии сдвига, как показано на рис. 1, в, геометрическая сумма проекций векторов Р2и Р3 на ось X оказывается равной третьему вектору направленному вдоль оси X, и на гранях, перпендикулярных оси X, поляризационных зарядов не возникает. Однако проекции векторов Р2и Р3на ось Y между собой не равны, и на гранях, перпендикулярных оси У, возникает заряд.
Кроме естественных кристаллов, подобных кварцу или турмалину, для получения пьезоэффекта может быть использована также и пьезокерамика.
Конструктивные принципы построения пьезодатчиков
Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются их малые габариты, надежность в работе, простота конструкции, возможность измерения переменных, в том числе высокочастотных, величин, очень высокая точность преобразования механических напряжений в электрический сигнал.
18. Эффект Холла и его использование для построения датчиков
Преобразователь, использующий эффект Холла, является преобразователем, базирующимся на магнитных эффектах, и применяется для измерения напряженности магнитного поля. Эффект Холла в разной степени имеет место у всех материалов. Сущность эффекта Холла показана на рис. 3.
Если пластина полупроводника единичной толщины помещается в магнитное поле с напряженностью В, а вдоль нее течет ток величиной I и при этом вектор напряженности электрического поля составляет прямой угол с вектором напряженности магнитного поля, то на движущиеся внутри этой полупроводниковой пластины носители заряда (электроны и ионы), образующие электрический ток, будет действовать сила, направленная вдоль плоскости их движения и перпендикулярная вектору напряженности магнитного поля. Это значит, что движение носителей заряда будет отклоняться от прямолинейного и на боковых гранях пластины возникнет разность потенциалов Uo, определяемая выражением:
U0=KHIB
Рис. 3. Эффекта Холла
С их помощью можно измерять угловые и линейные перемещения, электрические токи и др.
Рис. 4а – принципиальная конструктивная схема датчика давления на основе эффекта Холла.
При повышении давления Р постоянный магнит 2, размещенный на упругой мембране 1 датчика, перемещается относительно чувствительного элемента 3, основанного на эффекте Холла. В результате на обкладках датчика возникает выходное напряжение UH порядка 0,5 В, в определенных пределах пропорциональное входному перемещению. Линейная часть статической характеристики датчика показана на рис. 4б.