Тема: Работа генераторных датчиков

Цель: изучение принципа действия и конструктивных особенностей генераторных датчиков, предназначенных для измерений неэлектрических величин.

 

Задание

 

1.Зарисовать конструктивный рисунок датчика.

2. Описать назначение и устройство датчика.

3.Ответить на контрольные вопросы.

Теоретические сведения

 

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:

· Пьезоэлектрически е - пьезоэлектрический эффект.

· Термоэлектрические - термоэлектрический эффект.

· Индукционны е - 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.

Рисунок 3.1 – Пьезоэлектрический датчик, а) – продольный, б) - поперечный

 

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).

     

Рисунок 3.2 – Термоэлектрический датчик

 

 

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.

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.

Рисунок 3.3 – Индукционный датчик

 

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).

Контрольные вопросы

 

1. В чем различие между параметрическими и генераторными преобразователями?

2. Какие термопреобразователи вам известны? Опишите их конструкцию и принцип действия.

3. Для измерения (контроля) каких величин могут применяться индуктивные и емкостные датчики? Опишите их конструкцию и принцип действия.

4. Какие преобразователи применяются для измерения угловых перемещений?

 

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4