Конструкция датчиков - Основные понятия автоматики

Конструктивно потенциометрический датчик (рис. 1.8) состоит из каркаса 1, на который намотана в один слой обмотка 2 из тонкого провода. По виткам обмотки скользит движок (щетка) 3, который механически связан с объектом, перемещение которого надо измерить. Обмотка выполнена из изолированного провода, а дорожка, по которой скользит движок, предварительно очищена от изоляции.

Рис. 1.8 Конструктивная схема потенциометрического датчика

Каркас выполнен обычно плоским или в виде цилиндра. Материалом каркаса может быть изолятор (текстолит, гетинакс, пластмасса, керамика) или металл, покрытый слоем изоляции. Металлические каркасы благодаря лучшей тепло-проводности позволяют получить большую мощность электрического сигнала на выходе датчика. В качестве материала для такого каркаса может быть нанесен слой оксидированного алюминия толщиной около 10 мкм.

Для обмотки потенциометрического датчика чаще всего применяют провод из манганина, константана и других проводниковых материалов, имеющих малый температурный коэффициент сопротивления. При больших усилиях прижатия движка используется провод диаметром 0,1--0,3 мм, при малых усилиях прижатия -- провод из сплавов, в состав которых входят платина, серебро, иридий, рубидий, осмий и др. Диаметр провода в таких точных датчиков выбирается в пределах 0,03--0,01 мм. При диаметре провода 0,1-0,3 мм движок потенциометрического датчика выполняется в виде пластинчатых щеток из серебра, серебра с палладием или (реже) фосфористой бронзы. Контактное усилие при этом принимается равным 0,05--0,1 Н, что обеспечивает силу трения не более 3 * 10-2 Н. Для точных датчиков при диаметре менее 0,1 мм движок делается из сплавов платины с иридием, бериллием или серебром в виде двух--пяти тонких параллельных проволок. Контактное усилие при этом принимается равным 10-3--10-2 Н, т. е. иногда оно достигает 2*10-4 Н (20 мг) на отдельный контакт. Столь малые контактные усилия необходимы для высокоточных потенциометрических датчиков, используемых, например, в ответственных косми-ческих объектах.

На рис. 1.7 приведена конструкция потенциометрического датчика для измерения угловых перемещений. Так же как и датчик линейных перемещений, он состоит из каркаса 1 с обмоткой 2, по которой скользит движок 3. Для съема сигнала с перемещающегося движка служит добавочная щетка 4, скользящая по токосъемному кольцу 5. Выходное напряжение датчика угловых перемещений пропорционально углу поворота подвижной части первичного измерителя, соединенного с осью движка.

конструкция потенциометрического датчика перемещения и реохорда

Рис. 1.9 Конструкция потенциометрического датчика перемещения и реохорда

В некоторых автоматических приборах в качестве потенциометрического датчика используют так называемый реохорд (рис. 1.6). Он представляет собой натянутую проволоку, по которой скользит ползунок. Сопротивление реохорда пропорционально перемещению ползунка. Часто реохорд используют не в потенциометрической схеме, а включают в плечо мостовой схемы.

Индуктивные датчики

Простейший индуктивный датчик представляет собой дроссель с переменным воздушным зазором в магнитопроводе. На рис. 1.7 показаны две наиболее распространенные конструктивные схемы индуктивных датчиков на одном сердечнике. Это одинарные индуктивные датчики. На сердечнике 1 из электротехнической стали размещена обмотка 2, подключаемая к источнику переменного напряжения. Магнитный поток в сердечнике замыкается через якорь 3, который может перемещаться относительно сердечника 1. Якорь 3 механически связан с деталью, перемещение которой необходимо измерить. Эта деталь на рисунке не показана, но перемещение х ее может происходить в вертикальном (рис. 1.7, а) или в горизонтальном направлении (рис. 1.7, б). Перемещение якоря изменяет магнитное сопротивление магнитной цепи, состоящей из сердечника, якоря и воздушного зазора Д. Следовательно, изменится индуктивность обмотки 2, ее индуктивное сопротивление. С увеличением воздушного зазора индуктивное сопротивление обмотки уменьшается (рис. 1.8а) и ток в обмотке увеличивается (рис.1.8б)

Рис. 1.10 Простые индуктивные датчики

Рис. 1.11 Характеристики индуктивного датчика

В зоне х < хА воздушный зазор очень мал, индуктивное сопротивление обмотки максимально и ток минимален, но не равны нулю (так как индуктивное сопротивление обмотки не бесконечно большое) как должно быть у идеального датчики (штриховая линия). В зоне х >хБ индуктивное сопротивление обмотки почти минимально. Возрастания тока почти нет.

На практике диапазон изменения воздушного зазора для индуктивных датчиков по рис. 1.7, а не превышает 4-5 мм. Значительно больший диапазон изменения входного сигнала (перемещения) имеют индуктивные датчики по рис. 1.7, б. Такие датчики имеют близкую к линейной статическую характеристику при перемещениях якоря до 10-15 мм. Величину начального воздушного зазора д0 (т. е. исходное положение якоря, при котором входной сигнал равен нулю) рекомендуется выбирать в середине линейного участка статической характеристики датчика.

Одним из недостатков одинарного индуктивного датчика является то, что на его якорь действует сила притяжения к сердечнику. Эта сила вносит погрешность в работу датчика тем большую, чем меньше перестановочное усилие детали, перемещение которой надо измерить. Кроме наличия электромагнитной силы притяжения индуктивные датчики имеют также и другие серьезные недостатки: при изменении знака входного сигнала не меняется знак выходного сигнала (т. е. датчик не является реверсивным); диапазон изменения входного сигнала, при котором сохраняется линейность статической характеристики, невелик. Указанные недостатки ограничивают область применения одинарных индуктивных датчиков. На практике они нашли применение в качестве бесконтактных датчиков положения и концевых выключателей при управлении механизмами, имеющими значительные перестановочные усилия. В таких схемах автоматики наиболее полно проявляются достоинства одинарных индуктивных датчиков: простота конструкции и высокая надежность.

Дифференциальные (реверсивные) индуктивные датчики

Дифференциальные индуктивные датчики представляют собой совокупность двух одинарных (нереверсивных) датчиков с общим якорем. Предназначены дифференциальные индуктивные датчики для получения реверсивной статической характеристики и для компенсации электромагнитной силы притяжения якоря.

Рассмотрим работу дифференциального индуктивного датчика (рис. 1.9, а), состоящего из двух одинаковых сердечников 1 и 2 с обмотками и расположенного между сердечниками якоря 3, способного перемещаться влево и вправо относительно среднего симметричного положения.

Питание дифференциального датчика осуществляется от трансформатора с выводом от средней точки вторичной обмотки. Сопротивление нагрузки Rн включается между этой средней точкой и общей точкой обмоток сердечников 1 и 2. Ток в сопротивлении нагрузки можно представить как алгебраическую суму двух токов: в левом и правом контурах. Каждый контур состоит из половины вторичной обмотки трансформатора, одинарного индуктивного датчика и сопротивления нагрузки Rн, общего для обоих контуров.

Рассмотрим направления контурных токов в момент времени, когда во вторичной обмотке трансформатора индуцируется условно положительный полупериод напряжения: плюс + у левого зажима; минус - у правого. Контурный ток I1 будет течь по часовой стрелке, а I2 против часовой. Если якорь находится в среднем положении, то д1=д2. Это даст два одинаковых индуктивных сопротивления обмоток. I1=I2. Через Rн ток течь не будет. Если якорь отклонился влево д1<д2. Индуктивное сопротивление левой обмотки больше чем правой. I1<I2. Через Rн течет разностный ток I2-I1 и направленный в сторону большего тока т. е. совпадает с направлением тока I2. При перемещении якоря в правую сторону все будет наоборот. Выходная характеристика представлена на рис.1.9б.

Рис. 1.12 Дифференциальный индуктивный датчик

Таким образом, статическая характеристика дифференциального датчика будет реверсивной, зависящей от знака входного сигнала. А дифференциальным датчик называется потому, что выходной сигнал формируется как разность сигналов двух одинаковых датчиков.

Силы притяжения якоря к сердечникам возникают и в этом случае, но направлены они в противоположные стороны и поэтому почти полностью взаимно компенсируются. Поэтому для перемещения якоря требуется незначительное усилие. Очень важной особенностью дифференциального датчика является равенство нулю выходного сигнала при нулевом входном сигнале. Напомним, что в одинарном датчике выходной сигнал (ток через обмотку) был не равен нулю даже при нулевом воздушном зазоре.

Для получения реверсивной зависимости выходного напряжения от перемещения используют и мостовую схему включения индуктивных датчиков (рис. 1.13, а).

Рис.1.13 Мостовая схема индуктивного реверсивного датчика

Плечи моста образованы обмотками двух сердечников 1 и 2 с индуктивностями соответственно L1, и L2 и двумя постоянными резисторами с сопротивлением R. К одной диагонали моста подводится напряжение питания U0 переменного тока, со второй диагонали снимается выходное напряжение. Если якорь 3 занимает среднее положение, то индуктивности одинаковы и мост сбалансирован. Выходное напряжение Uвых при этом равно нулю. При отклонении якоря от среднего положения баланс моста нарушается, так как индуктивность одной обмотки увеличивается, а другой - уменьшается. Изменение направления перемещения якоря вызывает изменение фазы выходного напряжения на 180°, т. е. характеристика мостовой схемы индуктивных датчиков является реверсивной (см. рис. 1.13, б).

Похожие статьи




Конструкция датчиков - Основные понятия автоматики

Предыдущая | Следующая