Классификация электрических датчиков

Глава 3

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ. КОНТАКТНЫЕ ДАТЧИКИ

§ 3.1. Типы электрических датчиков

Электрические датчики относятся к наиболее важным элементам систем автоматики. С помощью датчиков контролируе­мая или регулируемая величина преобразуется в сигнал, в зави­симости от изменения которого и протекает весь процесс регули­рования. Наибольшее распространение в автоматике получили датчики с электрическим выходным сигналом. Объясняется это прежде всего удобством передачи электрического сигнала на рас­стояние, его обработки и возможностью преобразования электри­ческой энергии в механическую работу. Кроме электрических рас­пространение получили механические, гидравлические и пневма­тические датчики.

В гл. 1 было отмечено, что входным сигналом датчиков могут быть самые различные физические величины: механическое пере­мещение, скорость, сила, температура, давление, расход, влаж­ность и др. В зависимости от вида входного сигнала различают датчики перемещения, скорости, силы, температуры и др. Это электрические датчики неэлектрических величин. При автомати­зации электросетей и электроустановок возникает необходимость в получении сигналов, соответствующих току, напряжению, мощ­ности и другим электрическим величинам. Для этого используют датчики тока, напряжения, мощности и др. В них одна электри­ческая величина — входной сигнал — преобразуется в другую электрическую величину — выходной сигнал.

По характеру формирования электрического выходного сигна­ла электрические датчики делятся на параметрические (пассив­ные) и генераторные (активные). В параметрических датчиках изменение входного сигнала вызывает соответствующее измене­ние какого-либо параметра электрической цепи (активного сопро­тивления, индуктивности, емкости). Генераторные датчики явля­ются источниками электрической энергии, зависящей от входного сигнала.

B данной книге принята классификация электрических датчи­ков в зависимости от принципа действия или метода, используе­мого при преобразовании входного сигнала в электрический вы­ходной сигнал. В соответствии с этим    электрические    датчики подразделяют на контактные, потенциометрические, тензометрические, электромагнитные, пьезоэлектрические, емкостные, термо­электрические,    струнные,    фотоэлектрические,     ультразвуковые и др. Надо отметить, что этот ряд непрерывно расширяется — все новые и новые физические явления используются для преоб­разования входных сигналов с развитием науки, техники, техноло­гии, появлением новых материалов. I        По характеру изменения выходного сигнала различают датчики непрерывного (аналогового) и дискретного типа.

Независимо от значения и типа ко всем электрическим датчи­кам предъявляются определенные технические требования. Основ­ными из них являются надежность, точность, чувствительность, быстродействие, минимальные габариты, масса.

Датчики различают также по диапазону изменения входного сигнала. Например,    одни электрические датчики    температуры предназначены для измерения температуры от 0 до 100°С, а дру­гие— от 0 до  1600 °С. Очень важно, чтобы диапазон изменения выходного сигнала был при этом одинаков  (унифицирован)  для разных приборов. Унификация выходных сигналов датчиков поз­воляет использовать общие усилительные и исполнительные эле­менты для самых разных систем автоматики.    В нашей стране такая унификация проведена    путем создания    Государственной системы приборов и средств автоматизации  (ГСП). Унификация элементов и блоков ГСП ускоряет процесс проектирования и из­готовления систем автоматики, повышает технологичность конст­рукций, упрощает комплектацию, монтаж и эксплуатацию авто­матических систем. Иными словами, применение элементов и бло­ков ГСП для систем автоматики экономически выгодно.

Рекомендуемые материалы

§ 3.2. Контактные датчики с дискретным выходным сигналом

Контактные датчики относятся к параметрическим, по­скольку их электрическое сопротивление изменяется в зависимо­сти от входной механической величины. Так как сопротивление изменяется скачком   (в результате замыкания    или размыкания контактов), то контактные датчики имеют дискретный выходной сигнал. Статическая характеристика контактного датчика имеет релейный характер. Можно считать, что выходной сигнал несет информацию типа  «да—нет>  или  «больше—меньше».    Поэтому контактные датчики применяются в основном в системах автома­тического контроля и сортировки размеров, а также в системах автоматической сигнализации различных    физических    величин, преобразуемых в перемещение.

Электрические контактные датчики, используемые для конт­роля размеров деталей, делят на предельные, определяющие, на­ходится ли заданный размер в поле допуска, и амплитудные, измеряющие отклонения детали от заданной геометрической формы.

Рассмотрим работу предельного контактного   датчика    (рис. 3.1, а). На установочной плите / размещена деталь 2, точность выполнения вертикального размера которой необходимо контро­лировать. К Детали подводится измерительный щуп 3 и прижимается с помощью пружины 4. В зависимости от размера детали щуп перемещается в вертикальном    направлении,    поворачивая рычаг 5, несущий подвижный контакт 9. При   опускании    щупа замыкается неподвижный контакт 10, при поднятии — контакт 8. Замыкание происходит в том случае, когда размер детали имеет отклонение в большую или меньшую сторону сверх допустимого. Допустимые пределы отклонения могут быть установлены с по­мощью настроечных винтов 7 и //. Для обеспечения достаточно­го контактного нажатия служит пружина 6. Электрические зажи­мы для подключения подвижного контакта 9 и неподвижных кон­тактов 8 и 10 в электрическую цепь на данной кинематической схеме не показаны.

Амплитудный датчик (рис. 3.1, б) отличается от предельного тем, что подвижный контакт 9 имеет осевое перемещение в нап­равляющих рычага 5. При вращении детали 2 в призме / сначала происходит замыкание подвижного контакта 9 с неподвижным I контактом 8. Если щуп 3 продолжает подниматься, то рычаг пе­ремещается  влево, проскальзывая  через  подвижный  контакт 9. Затем, когда максимальный размер будет пройден    (т. е. щуп начнет опускаться), рычаг переместится вправо, увлекая за собой ) без проскальзывания подвижный контакт. Если отклонение раз-;' мера  превышает допустимое, то  подвижный контакт  замкнется со вторым неподвижным контактом  10 и в электрическую цепь подается сигнал о том, что деталь бракованная. На предельное отклонение размера датчик  настраивают с  помощью винта  11, используя эталонную деталь.

Рычажная система электроконтактных датчиков играет важ­ную роль. Надежное замыкание и особенно размыкание контак­тов при малом расстоянии Между ними невозможны. Рычажная система позволяет увеличить это расстояние за счет того, что отношение размеров (рис. 3.1). При замыкании контактов датчика происходит изменение сопротивления между подвижным и неподвижным контактами от бесконечности до ничтожно малой величины, определяемой значением контактного сопротивления.

Для уменьшения погрешности измерения рычаги выполняют не на шарнирах, имеющих зазоры между отверстием и осью, а на плоских пружинах. Недостатками рычажных систем являются необходимость в значительных усилиях для перемещения щупа (0,1—3 Н) и повышенная инерционность.

Датчик, показанный на рис. 3.1, является двухпредельным. При необходимости используют одно- и многопредельные датчи­ки. На рис. 3.2 показаны многопредельные датчики. Контакты 1—3 замыкаются последовательно друг за другом при перемеще­нии измерительного щупа 4, контролирующего соответственно размеры деталей. Подсоединение подвижного контакта во внешнюю цепь осуществляется с помощью пружинного подво­да 5. Контактный датчик, приведенный на рис. 3.2, а, переклю­чает несколько цепей сигнализации, а датчик на рис. 3.2, б вы­полняет последовательное замыкание частей резистора R, имею­щего несколько отводов. В последнем случае происходит ступен­чатое уменьшение активного сопротивления, включенного в общую внешнюю цепь.

Контактные многопредельные датчики используют в сортиро­вочных автоматах, разделяющих детали по размерам с достаточ­но высокой точностью (несколько микрометров). Производитель­ность сортировочных автоматов достигает нескольких сотен дета­лей в минуту. Это предъявляет высокие требования к надежности и точности контактных датчиков. Технические показатели датчи­ков в значительной степени зависят от материала и качества из­готовления контактных пар. Нарушение контакта приводит к отказу датчика, а обгорание и износ контактов снижают точность контроля размеров. Поэтому очень важно создать благоприятные условия для работы контактов путем снижения разрывной мощ­ности.

Нагрузкой контактных датчиков довольно часто являются сиг­нальные лампы. При использовании для сигнализации обычных ламп накаливания разрывная мощность довольно велика (не­сколько ватт). Для уменьшения искро- и дугообразования при­меняют искрогасительную цепочку, состоящую из последователь­но соединенных конденсатора и разрядного активного сопротивления.

Рекомендуем посмотреть лекцию "1. Документ и его функции".

Такая цепочка подключается параллельно контактам дат­чика. Для повышения надежности контактных датчиков применя­ют неоновые лампочки, которые потребляют значительно мень­шую (по сравнению с лампами накаливания) мощность: 80— 150 мВт (ток 1—1,5 мА при напряжении 80—100 В). Еще боль­шего снижения разрывной мощности можно достичь подключая контакты в цепь управления электронных и полупроводниковых усилителей с большим входным сопротивлением.

Материалы для контактов выбираются в зависимости от контактного давления и условий работы датчика. Для высокочувст­вительных маломощных контактных датчиков давление на кон­тактах изменяется от 0,001 до 0,02 Н. Контакты таких датчиков выполняют из драгоценных металлов (платина, золото и их спла­вы), которые почти не окисляются в нормальных    атмосферных условиях. Однако их износоустойчивость и твердость    невелики. При контактных давлениях 0,05—1 Н применяют серебряные кон­такты. Для мощных контактных датчиков контактные усилия сос­тавляют  несколько  ньютон,  а  в  качестве  материала  контактов используют вольфрам, молибден и их сплавы, обладающие высо­кими твердостью и износоустойчивостью.

Вообще проблема контактов и их надежности очень важна для многих электрических элементов автоматики. Более подробно вопросы выбора материалов и конструкций контактов рассмот­рены в гл. 16.

В качестве контактных датчиков могут быть использованы и рассматриваемые в гл. 15 путевые и конечные выключатели. По сравнению с описанными контактными датчиками они требуют существенно больших усилий для перемещения контактов и име­ют менее высокую точность, но зато могут быть использованы в более мощных цепях.

Достоинствами контактных датчиков являются простота и де­шевизна конструкции, простота регулировки чувствительности, высокая точность, возможность работы в цепях постоянного и переменного токов. К. недостаткам относятся трудность обеспе­чения высокой надежности из-за наличия электрической дуги и искрения, возможность ложных срабатываний при наличии виб­раций и ударной нагрузки.