Автоматизированное производство (стр. 7 из 8)
Рис. 4 Датчик давления, основанный на эффекте Холла
19. Емкостные преобразователи
Физические принципы построения емкостных преобразователей
Сущность работы емкостных измерительных преобразователей заключается в изменении под действием измеряемой физической величины их электрической емкости, что, в свою очередь, отражается на величине их входного сигнала.
Электрическая емкость конденсатора, образованного параллельными пластинами, определяется по формуле
С=εoεn(n-1)(A/a)
где n-число пластин; A - площадь одной стороны пластины; d — толщина диэлектрика, расположенного между пластинами; ε0, - относительная диэлектрическая проницаемость этого диэлектрика; εn - диэлектрическая проницаемость вакуума, т.е. вполне определенная константа.
Для измерений смещений менее 1 мм применяют емкостные преобразователи с изменяющимся расстоянием между пластинами. Для измерения смещений, превышающих 1 мм, чаще всего используются преобразователи с изменяющейся площадью перекрытия пластин.
Емкостные преобразователи могут быть использованы как для статических, так и для динамических измерений, но применяются главным образом в стационарных условиях для проведения стендовых исследований и прецизионных измерений физических величин.
Конструктивные принципы построения емкостных датчиков механических величин
Емкостные датчики широко применяются для измерения таких механических величин как вибрации, перемещения, скорости, ускорения, усилия, крутящие моменты и давление.
Распространенным устройством, преобразующим акустические колебания окружающей воздушной среды в соответствующие электрические сигналы, является емкостный микрофон рис. 6.
Рис. 6. Конструктивная схема емкостного микрофона
Конструктивная схема емкостного микрофона, который содержит размещенные в корпусе 1 мембрану 2 из электропроводящего материала, неподвижную пластину 3, установленную на диэлектрике 4, и демпфирующий слой 5. При изменении акустического давления мембрана 2 деформируется и изменяется ее расстояние до пластины 3. В результате происходит изменение электрической емкости микрофона, что и используется.
Конструктивные принципы построения емкостных датчиков уровня жидкости
Различают два случая: когда жидкость, уровень которой измеряется и регулируется, является диэлектриком и когда эта жидкость является проводником.
На рис. 10 изображена конструктивная схема измерения уровня жидкости, являющейся диэлектриком, с помощью емкостного преобразователя.
Рис. 10. Конструктивная схема емкостного измерения уровня жидкости-диэлектрика
Конструктивные принципы построения емкостных датчиков параметров среды
Емкостные датчики широко применяются для измерения различных параметров окружающей среды. Одним из самых важных параметров такого рода является давление жидкости или газа.
20. Оптоэлектронные преобразователи
Основные свойства оптического излучения
Оптоэлектроника сочетает в себе оптические и электронные методы измерений. На основе оптоэлектронных преобразователей созданы датчики давления, силы, перемещения, скорости, акустических параметров, напряженности электрического и магнитного полей.
Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны в диапазоне длин волн от 0,001 до 1000 мкм. Этот диапазон длин волн принято делить на три поддиапазона — ультрафиолетовую область, область видимого света и область инфракрасного излучения.
Для описания оптических явлений используются три системы величин: энергетическая, световая и квантовая.
Одночастотный поток называют монохроматическим.
Если волны отдельных излучений, из которых состоит поток, находятся в одной и той же фазе по отношению друг к другу, то такой поток называют когерентным.
Когда световой поток проходит через границу раздела двух сред, то его направление меняется, происходит так называемое преломление света
Существует два основных метода измерения параметров оптического излучения: метод радиометрии и метод фотометрии.
Метод радиометрии позволяет определять энергию оптического излучения путем ее поглощения и преобразования в соответствующем датчике с последующим определением изменения температуры.
Метод фотометрии основан на зрительном ощущении изменений видимого света, и основным чувствительным элементом в этом случае является человеческий глаз.
Источники и приемники излучения
Естественным источником светового излучения является солнце. Широко применяются лампы накаливания с вольфрамовой нитью.
В настоящее время все более широкое применение получают лазерные источники излучения. Лазеры бывают газовыми, твердотельными и полупроводниковыми. Наибольшее распространение получили газовые лазеры, характеризующиеся монохроматичностью и поляризованностью излучаемого ими когерентного света.
Приемники излучения можно разделить на две группы: интегральные и селективные. К интегральным относятся приемники излучения, базирующиеся на преобразовании энергии излучения в температуру независимо от длины его волны. К селективным относятся фотоэлектрические преобразователи, настраиваемые на ту или иную определенную длину волны излучения. К ним относятся преобразователи, использующие явления внутреннего и внешнего фотоэффекта: фоторезисторы, фотодиоды, вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители и т.п.
Существуют приемники излучения, выполненные в виде полоски из двух различных металлов, образующих термопару. Существуют также приемники излучения, выполненные в виде полоски или стержня из металла или полупроводника, который изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры (болометр).
Волоконная оптика
В качестве источников света чаще всего используют светодиоды и полупроводниковые лазеры, а в качестве приемников — полупроводниковые фотодиоды.
В основе передачи светового сигнала по оптическому волокну лежит явление полного внутреннего отражения.
Основные конструктивные схемы оптоэлектронных преобразователей
В механообрабатывающем производстве и в соответствующих исследованиях наиболее удобно применять амплитудную модуляцию оптического излучения.
Может быть осуществлена за счет:
• ослабления светового сигнала в среде при изменении коэффициента поглощения;
• изменения поперечного сечения оптического канала;
• генерации дополнительного излучения при воздействии измеряемого физического фактора;
• изменения отражательной или поглощательной способности при изменении показателя преломления или при нарушении полного внутреннего отражения.
В автоматизированном производстве контроль качества обработанной поверхности осуществляется с помощью датчиков шероховатости, принцип действия которых основан на рассеянии светового луча.
Оптические методы довольно широко используются для измерения давлений. Схема приведена на рис. 6. Между светодиодом 7 и двумя фотоприемниками 2 и 3 размещена шторка 4, перекрывающая поток излучения, который падает на один из фотоприемников 2 или 3. Шторка 4 жестко установлена на эластичной мембране 5, воспринимающей измеряемое давление. Для того чтобы произвести перекрытие светового потока между светодиодом 1 и фотоприемниками 2 и 3, достаточно перемещения шторки 4 на доли миллиметра.
Рис. 6. Схема простейшего оптического датчика давления
Общим недостатком названного способа оптического измерения скорости потока является то, что, будучи помещенными в поток жидкости, датчики вызывают возмущения этого потока. Подобных искажений удается избежать, применяя бесконтактные методы измерений, основанные на использовании лазера (применяя так называемые лазерные анемометры).
Суть лазерных методов состоит в том, что луч лазера разделяется в полупрозрачном зеркале на два луча, которые фокусируются в одной точке в пределах прозрачного участка трубопровода. Пройдя через жидкость, рассеянный ею свет попадает на фотоумножитель, где преобразуется в напряжение, пропорциональное измеряемому расходу жидкости.
21. Электромагнитные преобразователи
Основные принципы работы
Электромагнитные преобразователи представляют собой один или несколько контуров, по которым могут протекать электрические токи, находящиеся в магнитном поле.
Электромагнитные преобразователи характеризуются такими параметрами как величина и направление токов, протекающих через контур, потокосцепление и индуктивность. Выходной величиной для таких преобразователей могут быть индуктивность, электромагнитная сила и индуктируемая в контуре ЭДС.
Рис. 1. Схемы электромагнитных преобразователей
Рис. 1а – принципиальная схема индуктивного преобразователя с ферромагнитным сердечником. Индуктивность L зависит от положения сердечника, что и является входной величиной датчика. Преобразователи, выходная величина которых зависит от внешнего магнитного поля, называются магнитомодуляционными.
Рис. 1б - принципиальная схема магнитоупругого преобразователя. Под действием приложенной силы происходит деформация ферромагнитного сердечника, в результате чего изменяется его магнитная проницаемость. Такие преобразователи часто используются для измерения сил и давлений.