Лекция № 8-5 Генераторные датчики

Генераторные датчики – это такие преобразователи, которые при изменении конролируемого или регулируемого измеряемого сигнала генерируют на выходе напряжение или ток.

 

Генераторными являются термоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.

Типы этих датчиков называются так же, как и явления, на которых они основаны:

• Пьезоэлектрические - пьезоэлектрический эффект.
• Термоэлектрические - термоэлектрический эффект.
• Индукционные - электромагнитная индукция.
• Фотоэлектрические – фотоэффект.
• Гальванические - химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

 

  Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины X в электрический сигнал. Такие датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются как бы генераторами электроэнергии (откуда и название таких датчиков - они генерируют электрический сигнал). Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей). 

 

Пьезоэлектрические датчики 

     В этих датчиках используется пьезоэлектрический эффект , который заключается в том, что некоторые материалы под действием на них силы электризуются: на их поверхности появляется электрический заряд, величина которого зависит от приложенной силы.

   Это означает, что материал, обладающий пьезоэффектом, выполняет преобразование силы в электрический заряд.

    Природным материалом, который обладает пьезоэффектом, является кварц или горный хрусталь..

  Заряд, возникающий вследствие пьезоэффекта, линейно зависит от приложенной силы:

,

где  - коэффициент пьезочувствительности материала.

 Пьезоэффект может быть продольным, когда заряд возникает на поверхностях, к которым приложена сила, или поперечным, когда заряд возникает на боковых поверхностях. Материал при этом практически не деформируется.

На рис. 67 представлены схемы, иллюстрирующие продольный (рис. 67 а) и поперечный (рис. 67 б, в) пьезоэффекты, и обозначены знаки возникающих зарядов. Для эффективного использования поперечного пьезоэффекта две пластины пьезоматериалов соединяют параллельно (рис. 67 б), прокладывают между ними проводящую прокладку и закрепляют их, как консольную балку. Образующийся заряд возникает на зажимах, как показано на рисунке. При действии силы F верхняя пластина растягивается, а нижняя сжимается, и заряд возникает на боковых относительно действующих напряжений сторонах пластин. В такой конструкции чувствительность преобразования F ® q существенно выше. К достоинствам кристалла кварца применительно к созданию датчиков силы и других величин относится его стойкость к высокой температуре (пьезоэффект утрачивается после точки Кюри при t° = 530°C) и высокая точность и стабильность преобразования.

Рис.2-Принципиальные схемы пьезоэлектрических преобразователей

 На рис.2 показаны различные принципиальные схемы пьезоэлектрических преобразователей, использующихся в схемах измерений механических параметров.

На рис.2,а изображен преобразователь, в котором используется прямой пьезоэлектрический эффект. Такие преобразователи применяются в приборах для измерения силы, давления и ускорения. На рис.2,б изображен преобразователь, в котором используется обратный пьезоэлектрический эффект.

 Датчик ускорения.На рис.3 представлено схематическое устройство датчика на основе двухслойной пьезокерамики (биморфный упругий элемент). Инерционная масса датчика под действием ускорения вызывает изгибную деформацию, обеспечивающую достаточный по уровню для обработки динамический сигнал.

 

а)                                                б)

Рис. 3

На рис.3,а показано состояние датчика в режиме покоя или равномерного движения. На рис.3,б пластина изгибается, на ее гранях появляется разноименный заряд, определяющий величину разности потенциалов. Такие датчики используются в пусковых устройствах подушек безопасности автомобилей, натяжителях ремней безопасности, устройствах, препятствующих опрокидыванию автомобилей. Предельная частота измерений таким датчиком около 10 Гц.

Датчик детонации (рис.4).В качестве таковых также используются датчики ускорения, в основе которых лежит продольный пьезоэффект. Датчик детонации прикрепляется к блоку цилиндров с помощью посадочной втулки в таком месте, чтобы обеспечить оптимальное определение детонации во всех цилиндрах двигателя. Место установки датчика определяется экспериментально на этапе конструкторской разработки двигателя.

Рис. 4

 Колебания блока цилиндров двигателя при детонации передаются к кольцевому пьезокерамическому элементу, расположенному между двумя металлическими контактами. Инерционная масса в датчике служит для усиления эффекта восприятия вибрационных колебаний. Сигнал с датчика сначала фильтруется и преобразуется в электронном блоке, а затем амплитуда огибающей функции сравнивается с допустимым уровнем для сигнала детонации. При превышении заданного уровня детонации автоматический регулятор зажигания корректирует угол опережения зажигания в нужную сторону. Для увеличения прочности датчика его заливают компаундом.

  Датчики на основе пьезоэлементов простой геометрической формы (прямоугольная пластинка или круглый диск) могут работать в диапазоне частот до десятков килогерц, измерять ускорения от десятых долей до сотен значений ускорений свободного падения.

 

 Термоэлектрические датчики

       Их работа основана на термоэфекте — появлении термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС).

    Сущность этого явления заключается в следующем.

   Если соста­вить электрическую цепь из двух разнородных металлических про­водников (или полупроводников), причем с одного конца проводни­ки спаять, а место соединения (спай) нагреть, то в такой цепи воз­никает ЭДС. Эта ЭДС будет пропорциональна температуре места спая (точнее — разности температур места спая и свободных, не­спаянных концов).

 

    Коэффициент пропорциональности зависит от материала проводников и в определенном интервале температуры остается постоянным.

    Цепь, составленная из двух разнородных ма­териалов, называется термопарой; проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами; места соединения тер­моэлектродов —спаями.

    Спай, помещаемый в среду, температуру которой надо измерить, называется горячим или рабочим. Спай, от носительно которого измеряется температура, называется холодным или свободным. Возникающая при различии температур горячего и холодного спаев ЭДС называется термоЭДС. По значению этой термоЭДС можно определить температуру. Физическая сущность возникновения термоЭДС объясняется наличием свободных электронов в металлах. Эти свободные элек­троны хаотически движутся между положительными ионами, обра­зующими остов   кристаллической     решетки.   В разных   металлах свободные электроны облада­ют при одной и той же темпе­ратуре разными скоростью и энергией. При соединении двух разнородных металлов (элект­родов) свободные металлы из одного электрода проникают в другой. При этом металл с большей энергией и скоростью свободных электронов больше их теряет. Следовательно, он приобретает положительный потенциал. Металл с меньшей энергией   свободных   электронов приобретает отрицательный потенциал. Возникает контактная разность потенциалов. При одинаковой температуре спаев (01=  02 на рис. 10.1, а) контактная разность потенциалов не может создать тока в замкнутой цепи. Контактная разность в спае / направлена навстречу контактной разности в спае 2. Но если на­греть один из спаев (рабочий) до температуры 01>02, то контакт­ная разность в спае 1 увеличится, а в спае 2 останется без изме­нения. В результате в контуре и возникает термоЭДС, тем боль­шая чем больше разность температур спаев 1 и 2 (0,—82). Для измерения термоЭДС, вырабатываемой термопарой, в цепь  термопары включают измерительный прибор (например, милли­вольтметр).

 

 

Индукционные датчики 

преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС индукции. Принцип действия датчи­ков основан на законе электромагнитной индукции.

Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его. 

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

  

 К этим датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного то­ка, представляющие собой небольшие электромашинные генерато­ры, у которых выходное напряжение пропорционально угловой ско­рости вращения вала генератора. Тахогенераторы используются как датчики угловой скорости.

   

Тахогенератор представляет собой электрическую машину, работающую в генераторном режиме.

 

 При этом вырабатываемая ЭДС пропорциональна скорости вращения и величине магнитного потока. Кроме того, с изменением скорости вращения изменяется частота ЭДС. Применяются как датчики скорости (частоты вращения).